吸附澄清技术：天然药物提纯的重要技术

3.2.2　吸附澄清技术

吸附澄清技术主要是指运用吸附澄清剂将固液快速分离的技术。天然药物水提液中的杂质主要有淀粉、蛋白质、黏液质、鞣质、色素、树胶、无机盐类等复杂成分，这些物质共同形成一种胶体分散体系，具有动力学上稳定性高、热力学上不稳定的特点。吸附澄清技术只除去水提液中颗粒度较大者以及具有沉淀趋势的悬浮颗粒，在提高有效成分的含量、选择性地除去无效成分方面起到了很好的作用，能够保证产品有效性和质量的稳定性。因此，吸附澄清技术在天然药物的提取分离上是一项应用前景广阔、值得推广的现代除杂提纯的重要技术之一。

1.吸附澄清剂的作用原理

凝聚作用和絮凝作用都是微小的胶体颗粒和悬浮物颗粒在极性物质或者电解质的作用下中和颗粒表面电荷，降低或消除颗粒之间的排斥力，使颗粒结合在一起，体积不断变大，当颗粒聚集使体积达到一定程度时（粒径大约为10⁵ nm～10^—2 cm时），即从水中分离出来，这就是肉眼所观察到的絮状沉淀物——絮凝体。凝聚作用是颗粒由小到大的量变过程；而絮凝作用是量变过程达到一定程度时的质变过程。絮凝作用是由若干个凝聚作用组成的，是凝聚作用的结果；而凝聚作用是絮凝作用的原因。

（1）稳定的天然药物悬浮液：天然药物的水煎液多为悬浮混浊液，有些久置仍不澄清。悬浮液是由于所含的固体微粒太细、带有同性电荷而形成布朗运动。同时，溶液中还有一种亲水性胶体，如蛋白质、淀粉等，它们的分子上都有亲水的极性基因，如—OH、—NH₂等，对水具有很强的亲和力，能发生膨胀，有形成真溶液的倾向。悬浮液能形成分散体系就是依靠细微粒度、同性电荷以及在水中的溶解作用而形成稳定状态的。

天然药物水提液中含有大量微细粒子、黏液质、蛋白质、果胶、淀粉等复杂成分，这些物质共同形成1～100nm的胶体分散体系。胶体分散体系是一种动力学上稳定性高、热力学上不稳定的体系，即从动力学观点看，当胶体粒子很小时，布朗运动极为强烈，建立沉降平衡需要很长时间，平衡建立后，胶粒的浓度梯度很小，使胶体溶液在很长时间内保持稳定；从热力学观点看，胶体分散体系自身存在巨大的界面能，易聚集，聚集后质点的大小超出了胶体分散体系的范围，使质点本身的布朗运动不足以克服重力作用，而从分散介质中析出沉淀，只有当分散度极高或有高分子化合物等保护剂保护时，才能相对稳定。吸附澄清剂则是通过絮凝剂高分子的电中和、吸附架桥、网捕和卷扫作用，使体系中粒度较大的颗粒絮凝沉淀，而保留绝大多数天然药物的有效成分。

（2）凝聚作用与絮凝作用：在固液分离过程中可通过凝聚和絮凝的方法来破坏分散体系的稳定性，从而加快沉降速度并提高滤过效率。凝聚作用是加入无机电解质，通过电性中和作用来解除布朗运动，使微粒能够靠近而聚集在一起。

天然药物水提液中的微粒可因本身解离或吸附分散介质中的离子而带电，具有双电层结构。由于微粒表面带电，水分子可在微粒周围形成水化膜，这种水化作用的强弱与双电层厚度有关。微粒电荷使微粒间产生排斥作用，加上水化膜的作用，阻止了微粒间的相互聚集，使药液稳定。但是这一稳定状态由于受空气、光线、pH值、温度等条件的影响，微粒的凝聚加速，形成大粒子产生沉淀而被破坏；另外，在其放置过程中，常会发生陈化现象，自发地凝聚而沉淀。无机凝聚剂的吸附澄清作用就是通过带电荷的无机盐电解质中和微粒表面电荷，破坏其水化膜，使微粒间相互聚集而沉淀。

当使用高分子化合物作为絮凝剂时，胶体颗粒和悬浮物颗粒与高分子化合物的极性基团或带电荷基团作用，颗粒与高分子化合物结合，形成体积庞大的絮状沉淀物。因为高分子化合物的极性基团或带电荷的基团很多，能够在短时间内同许多个颗粒结合，使体积增大的速度加快，所以形成絮凝体的速度快，絮凝作用明显。絮凝作用是加入带有许多能吸附微粒的有效官能团的线状高分子化合物，它像一条长绳将许多微粒吸附在一起，形成一个絮团，从而加速了沉降。长链的高分子化合物在微粒之间起的桥梁作用称为“架桥”作用。同时，还发生物理变化，中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷，降低胶团的电位。因而，胶体粒子由原来的相斥变成相吸，破坏胶团的稳定性，使胶体和微粒相互碰撞，形成沉淀，达到除杂的目的。

2.吸附澄清剂的分类

（1）无机凝聚剂：此类澄清剂多为盐类，带有正、负电荷，能中和药液中的带电粒子，破坏其水化膜，促使微粒间相互聚集而沉淀。常用的无机凝聚剂分为阳离子凝聚剂和阴离子凝聚剂：①无机阳离子凝聚剂：三氯化铝、硫酸铝、明矾（已被硫酸铝代替）、硫酸亚铁、硫酸铁、三氯化铁等；②无机阴离子凝聚剂：氧化钙、氢氧化钙（石灰水）、氢氧化钠、碳酸钠等。

（2）有机絮凝剂：有机絮凝剂的主要成分为碳氢化合物，分为天然絮凝剂和人工合成絮凝剂：①天然絮凝剂通过电中和、吸附、架桥等作用，使药液中的悬浮颗粒絮凝而沉淀。由于天然高分子絮凝剂无毒，所以广泛应用于食品与药物的纯化。天然高分子絮凝剂主要有动物胶、纤维素、乙酸纤维素、淀粉、阳离子改性淀粉、淀粉醚、磺化交联淀粉、丙烯酰胺-淀粉接枝共聚物、环糊精、植物树胶、果胶、多糖、木质素的双环氧化物、聚乙二醇交联的木质素、蜡、藻类、蛋白质等。②阳离子有机高分子絮凝剂是合成品，既能够中和胶体颗粒的电荷，降低ξ电位，又能够进行桥连，形成絮凝沉淀。常用絮凝剂及使用方法如下：

1）明胶（gelatin）：别名白明胶，是由动物的皮、白色连结组织和骨所获得胶原经部分水解而得，是氨基酸与肽交联形成的直链聚合物，通常平均相对分子质量在15000～25000之间。因制备时水解方法不同，明胶可分为酸法明胶和碱法明胶。

明胶在冷水中不溶，在水中膨胀变软，可吸收本身重量5～10倍的水，能溶于热水，形成澄明溶液，冷后则成为凝胶，可溶于醋酸、甘油和水的混合液，不溶于乙醇。明胶用作澄清剂的最佳用量为0.15g/100m l，最佳pH值为6，温度为50℃，一般需静置40分钟以上，有时明胶与鞣质混合作澄清剂，明胶、鞣质的混合比例为（1～2）∶1。

2）海藻酸钠（sodium alginate）：海藻酸钠单独用作澄清剂时用量为1%，混悬液pH4最佳，常与鞣质混合使用，混合澄清剂的用量为3%，海藻酸钠与鞣质的混合比例根据不同的混悬液而不同。

3）鞣质（tannin）：常与明胶混合使用。原理是鞣质与明胶形成明胶鞣质酸盐络合物，随着络合物的沉淀，混悬液的悬浮颗粒被包裹和缠绕而随之沉降。混悬液的pH值会影响明胶的沉淀能力。明胶的用量视明胶和混悬液的种类而定，一般必须对每一种混悬液进行预试验，以确定合适的明胶与鞣质的使用量。

4）枸橼酸（citric acid）：枸橼酸澄清剂的澄清原理是利用枸橼酸在溶液中水解电离出的正电荷，与混悬液中带负电荷的果胶、纤维素、鞣质、多糖等发生中和，从而使溶液澄清。根据其澄清原理应划归为凝聚剂，作用的pH值以3～3.5为佳，如同时加入2%的硅藻土，混合均匀、在低温下处理则效果会更好。

5）琼脂（agar）：在沸水中溶解，在冷水中不溶，并能膨胀20倍，即使浓度很低（0.5%）也能形成坚实的凝胶，但浓度在0.1%以下，则不能形成黏稠液体。通常与明胶混合使用，混合澄清剂的最佳用量为3%。

6）蛋清：主要用于药酒和口服液的澄清。可除去影响药酒和口服液澄明度的鞣质，其用量为3%～5%，有时将蛋清配制成5%的水溶液，以6%的用量加入药液。

7）T101果汁澄清剂：广泛用于天然药物水煎液的澄清。其方法为：将T101果汁澄清剂临用前配制成5%的水溶液，用量为3%～5%，如再加0.5%滑石粉，可加快沉淀速度，提高溶液澄明度。

8）交联聚维酮（crospovidone）：别名交联聚乙烯基吡咯烷酮（PVPP），作为澄清剂其用量一般为0.05%～0.3%。

9）聚丙烯酸钠（sodium polyacrylate）：分子式为（C₃ H3 NO₂）_n，n为1万至数万，是由丙烯酸钠聚合而成的。

3.影响絮凝作用的因素

在絮凝过程中影响絮凝作用的因素有很多，如悬浮液的浓度、pH值、温度、絮凝剂的使用浓度、絮凝过程中搅拌速度等都直接影响絮凝效果。

（1）分散体系中微粒的影响

1）微粒的表面电荷：在絮凝过程中首要的条件是微粒必须与絮凝剂发生吸附作用。根据电性吸附原理，若微粒表面荷负电，则应使用阳离子型絮凝剂，如壳聚糖等；若微粒表面荷正电，则应使用阴离子型絮凝剂。有时还应考虑微粒的等电点，然后再选择絮凝剂，如以人参、甘草、黄芪等药材制作的某药酒，以蛋清为絮凝剂，调至等电点后再加入絮凝剂进行澄清。(www.xing528.com)

2）微粒的粒径：分散体系中微粒能否自由沉降不仅与粒度有关，同时与固体微粒的比重和液体介质的比重差有关。根据斯托克斯定律，微粒的粒径与沉降速度成正比，对于长时间放置能逐渐沉降的悬浮液，使用阴离子型或非离子型高分子絮凝剂可促进其絮凝速度。对于不能自然沉降的胶体溶液，使用阳离子型高分子絮凝剂可取得较佳的絮凝效果。

（2）悬浮液的影响

1）悬浮液的浓度：悬浮液的固体含量越高，在絮凝过程中絮凝剂的用量也越大。

2）悬浮液的pH值：与无机凝聚剂比较，一般高分子絮凝剂不易受悬浮液pH值影响，但严格地说，含不同官能团的高分子絮凝剂在不同pH介质中的絮凝效果也不相同。

（3）絮凝剂的影响

1）絮凝剂的配制：由于絮凝剂是很长的线状高分子结构，只有在水溶液中充分伸展，才能与微粒充分接触，获得最佳的絮凝效果。絮凝剂的相对分子质量极大，虽然可以完全溶于水，但溶解速度极慢，而且是否溶解完全用肉眼不易观察。

2）絮凝剂的浓度：絮凝剂的浓度过高絮凝速度慢，难滤过，有效成分损失大，这是因为高浓度的高分子溶液对胶体杂质起到保护作用所致；若浓度过低，则絮凝剂不能完全去除无效成分。一般配成0.02%～0.1%浓度的溶液。

3）配制絮凝剂时的搅拌方法：搅拌可促进絮凝剂的溶解，但是搅拌器有剪切作用，尤其是高速搅拌会切断高分子，造成相对分子质量降低，影响絮凝效果。因此，配制絮凝剂时搅拌不宜过快。

4）絮凝过程中的搅拌速度：搅拌的目的是增加微粒与絮凝剂的接触碰撞机会，获得最快絮凝和最大絮团。在絮凝剂添加过程中，一般先用较快速度进行搅拌，使絮凝剂与微粒能充分混合接触。一旦絮凝作用产生，搅拌速度就应该降低，避免破坏已形成的絮团。

5）使用絮凝剂的温度：温度对絮凝作用产生直接的影响：①温度高，则絮凝剂的流动性好，易于在药液中充分分散；②温度低，则使絮凝作用缺乏所需的活化条件；③温度过高，则使絮凝作用过快，絮状沉淀细小，沉降慢或无法沉降。例如，当用壳聚糖对黄芪水煎液进行澄清时，低于30℃或高于50℃时，絮凝效果都不理想，35～40℃是最佳絮凝温度。

6）使用絮凝剂的最佳pH值：每种絮凝剂都有澄清的最佳pH值，为了尽可能地保留有效成分，以有效成分含量为指标作为pH选择的依据。例如，在用壳聚糖澄清黄芪水煎液时，当pH＝8时，絮状沉淀出现最快、最明显，收率最高，这是由于药液呈弱碱性时，黄芪中的多羟基黄酮苷类在药液中充分溶解，有利于提高收率；当pH＞8时，对阳离子絮凝剂本身不利；当pH＜8时，不利于黄芪苷类溶出，且易沉淀，因此收率降低，药液不澄清，所以pH＝8时，从收率及絮凝效果两方面来看都是最适宜条件。

7）絮凝剂加入量对絮凝效果的影响：根据絮凝理论，胶体表面的50%被高分子链包裹时，絮凝效果最好，即絮凝剂的最佳加入量。在悬浮液中，随着絮凝剂加入量的增加，高分子物质与体系中胶体粒子接触的概率亦随之增加，电中和、吸附架桥作用充分、絮凝彻底，体系中的胶体粒子基本去除，澄明度随之提高。但当絮凝剂加入量过大时，高分子链将体系中的胶体粒子完全包裹，由于高分子链之间的静电排斥作用，反而使胶体粒子稳定悬浮于体系中，这种现象称絮凝恶化现象。

4.吸附澄清技术的优缺点

（1）优点

1）操作简便，耗时少，成本低：多数澄清剂采取直接或简单配制后加入药物提取液的方法，趁热加入后搅拌数分钟即可。静置时间短，对所需设备及工艺条件要求不高，可操作性强，与水提醇沉法比较，经济效益极为可观。

2）澄清效率高，有效成分损失少：在适宜的pH值、药液浓度等条件下，药液中微粒及大分子杂质可迅速絮凝沉降，滤液吸光度变小，澄明度提高，长期保持稳定状态。有效成分损失少，与水提醇沉法相比，因后者系通过改变胶体物质溶解度使其脱水产生絮凝沉降，往往破坏了原药液的自然胶体稳定体系，且因存在包裹现象，使总固体物、极性成分、微量元素和多糖类成分损失严重，影响疗效。

3）安全无毒，无污染：目前常用的几种吸附澄清剂多为天然絮凝剂，属食品添加剂，完全随絮团沉降，并能够自然降解，不会产生二次污染。

（2）缺点：与水提醇沉法相比，某些极性较低的成分在吸附澄清中可能损失较多，因此在对这部分药液进行吸附澄清处理时，应注意对损失程度的考察，或者考虑对药液进行预处理，如通过调节pH值使游离生物碱成盐，可减少游离生物碱的损失，必要时可考虑对沉淀物做进一步处理。目前，吸附澄清剂在不同条件下对不同天然药物成分影响的研究不够充分，需通过实验不断积累资料，为工业化生产提供依据。

5.常用吸附澄清剂的应用

（1）101果汁澄清剂：是一种新型食品级的果汁澄清剂。主要是去除药液中蛋白质、鞣质、色素及果胶等大分子不稳定性杂质而达到澄清目的。具有无味无毒、安全，澄清处理中不会引入新的杂质等优点，可随处理后形成的絮状沉淀物一并滤去。101果汁澄清剂为水溶性胶状物质，因其在水中分散速度较慢，通常配制成5%水溶液后使用。用量为提取液的2%～20%。

101果汁澄清剂澄清黄芪、茯苓药液，可使混悬杂质基本沉淀完全，通过对树脂酸、有机酸的检识以及总酸、氨基酸态氮的含量测定，结果证明，101果汁澄清剂可完整地保留药液成分及口味。

用101果汁澄清剂对玉屏风口服液进行澄清处理，与水提醇沉法比较，结果前者能有效地保留氨基酸、多糖和黄芪甲苷，同时还降低了生产成本和周期。

（2）甲壳素类吸附澄清剂：甲壳素是自然界中甲壳类生物的外壳所含的氨基多糖经稀酸处理后得到的物质。甲壳素为白色或灰白色半透明的固体，不溶于水、稀酸、稀碱，可溶于浓无机酸。壳聚糖是脱乙酰甲壳素，为白色或灰白色，不溶于水和稀碱溶液，可溶于大多数稀酸、醋酸、苯甲酸等溶剂。

壳聚糖作为制备口服液的絮凝剂，原理是与药液中蛋白质、果胶等发生分子间吸附架桥和电荷中和的作用。由于壳聚糖在稀酸中会缓慢水解，故最好随用随配。

在风湿药酒中加入壳聚糖溶液，可有效除去带负电荷的纤维素、鞣质以及细菌。用甲壳素澄清白芍提取液，结果表明，对芍药苷含量没有影响，成品成本低，稳定性好，无二次污染。