中药减压提取沸点与饱和蒸气压关系影响因素研究

中药减压提取工艺是通过压力调控，在负压条件下，使溶液在低于常压的温度下处于沸腾状态，从而进行低温、动态提取工艺[1-5]。减压提取能够在降低沸点的同时保证沸腾动态提取，可以保持较大的浓度梯度；实现有效成分在低于溶剂本身沸点状态下的低温动态提取，能够保证有效成分的最大溶出，又能防止高温对其破坏，可提高热敏性药物的提取率[6-8]。减压提取的温度为溶剂在该压力条件下的沸点，溶剂的沸点与其饱和蒸气压有关，调节体系的真空度能够改变饱和蒸气压，从而改变溶剂的沸点。因此真空度的控制是减压提取工艺溶剂沸点改变的关键步骤。本实验在前期工作基础上，以水和不同体积分数的乙醇溶液为考察对象，采用理论计算值与仪器实验测定值结合的方法，考察水和不同体积分数乙醇溶液沸点与饱和蒸气压的关系，研究不同药材的加入和不同粒径药材对沸点与饱和蒸气压关系的影响，以期为中药减压提取技术的应用提供实验和理论支持。

BUCHI B-491数显恒温水浴锅，V-700真空泵V-850真空度控制器，瑞士BUCHI公司；BT224S型电子分析天平，Sartorius（北京）；DLSB低温冷却液循环泵，郑州长城科工贸有限公司；SZ-93A自动双重纯水蒸馏器，上海亚荣生化仪器厂；双层蛇形冷凝管，郑州长城科工贸有限公司；三口瓶，温度计，酒精计，乙醇为分析纯。

穿心莲（产地广西，江西樟树葛玄中药饮片有限公司，批号20141001）、红花（产地新疆，江西樟树天齐堂中药饮片有限公司，批号1403003）、白芷（产地安徽，安徽新兴中药材饮片有限公司，批号20121101）、钩藤（产地江西，江西樟树葛玄中药饮片有限公司，批号201309010Q）、黄芩（产地甘肃，亳州市豪门中药饮片有限公司，批号121201）、丹参（产地山东，江西樟树天齐堂中药饮片有限公司，批号1403003）、陈皮（产地浙江，毫州市中信中药饮片厂，批号1009001），以上药材均经江西中医药大学药学院葛菲教授鉴定，穿心莲Andrographis Herba为爵床科穿心莲属植物穿心莲Andrographis paniculata (Burm. f.) Nees的干燥地上部分、红花Carthami Flos为菊科红花属植物红花Carthamus tinctorius L.的干燥花、白芷Angelicae Dahuricae Radix为伞形科当归属植物白芷Angelica dahurica (Fisch. ex Hoffm.) Benth. et Hook. f.的干燥根、钩藤Uncariae Ramulus cum Uncis为茜草科钩藤属植物钩藤Uncaria rhynchophylla (Miq.) Miq. ex Havil.的干燥带钩茎枝、黄芩Scutellariae Radix为唇形科黄芩属植物黄芩Scutellaria baicalensis Georgi的干燥根、丹参Salviae Miltiorrhizae Radix et Rhizoma为唇形科鼠尾草属植物丹参Salvia miltiorrhiza Bge.的干燥根和根茎、陈皮Citri Reticulatae Pericarpium为芸香科柑橘属植物橘Citrus reticulata Blanco的干燥成熟果皮。

减压提取装置为实验室自制，结构见图 1。整套装置内部密闭，配备真空控制器、回流加热装置和低温循环水冷凝系统。真空度控制器调节装置内部压力，调节范围从0到1 000 mbar（100 kPa），调节装置内部真空度，使溶剂在低温下沸腾提取。温度计测定三口瓶内溶剂温度，配合真空调节器控制提取溶剂在不同温度下沸腾提取。低温冷却液循环泵冷凝温度设置为−10~−15 ℃（溶剂为水时设置为−5~−10 ℃，防止结冰），使双层蛇形冷凝管能够快速冷凝蒸气并回流至三口瓶中，以保证溶剂的量。

沸点为液体饱和蒸气压等于外界压强时的温度，液体在该温度沸腾时其饱和蒸气压与外界大气压相等，液体的温度与饱和蒸气压的函数关系服从克劳修斯-克拉贝龙（Clapeyron-Clausius）方程[9]。

P为液体的饱和蒸气压（Pa），T为液体的绝对温度（K），ΔαβHm为液体的平均摩尔汽化热（J/mol），R为气体常数因此，可计算出液体不同沸点对应的大气压。积分形式见式（2）。

若ΔαβHm已知，（2）式可用来计算不同温度下的蒸气压。

已知水的平均摩尔汽化热为40.67 kJ/mol，在外界压力为101.325 kPa时沸点为373.15 K，100%乙醇的平均摩尔汽化热为41.50 kJ/mol，在外界压力为101.325 kPa时沸点为351.45 K，通过（2）式可计算出水和100%乙醇不同沸点下对应的饱和蒸气压。然后，以拉乌尔定律与道尔顿定律为理论依据，采用文献报道方法[10]可分别计算出10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%乙醇不同沸点下对应的饱和蒸气压，见表 1。

分别量取200 mL纯水及10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%乙醇于三口瓶中，水浴锅加热，通过真空度控制器调节减压装置内气压，使溶剂在不同温度下沸腾，分别从真空度控制器和温度计上读取装置内气压力和溶剂沸点，记录纯水及不同体积分数乙醇沸点和大气压值，见表 2。

以溶剂沸点为横坐标，对应饱和蒸气压为纵坐标作图，可得到水和不同体积分数理论值和实际测量值沸点与饱和蒸气压对应关系，见图 2。以乙醇体积分数为横坐标，对应饱和蒸气压为纵坐标作图，可得到水和不同体积分数理论值和实际测量值体积分数与饱和蒸气压对应关系，见图 3。

根据表 2测定实验值，对水和不同体积分数乙醇沸点（T）-乙醇体积分数（V）-饱和蒸气压（P）进行回归分析，建立沸点、乙醇体积分数和饱和蒸气压之间的函数关系式，使在确立沸点和乙醇体积分数后能够得到饱和蒸气压。采用SPSS 20.0进行线性回归分析，考虑到温度和乙醇体积分数相互影响，以沸点T、乙醇体积分数V、两者交互因素TV及各自平方T2、V2 5个因素进行统计分析，得到回归方程：P=76.467 1+0.035 2 T2+1.201TV-30.749 4 V2-3.123 9 T-14.966 7 V。此方程能够在确定沸点和乙醇体积分数的情况下快速得到对应饱和蒸气压。采用MATLAB 2012a对回归方程进行拟合，得到图 4，曲面为回归方程曲面。

量取55%乙醇200 mL于三口瓶中，水浴锅加热，通过真空度控制器调节减压装置内气压，测定溶剂在55、60、65、70、75 ℃沸腾时对应饱和蒸气压，验证“2.4”项下得到的回归方程计算值，结果见表 3。

根据药材用药部位不同，取穿心莲、红花、白芷、钩藤、黄芩、丹参、陈皮原药材作为模型药[11]，分别取上述药材10 g于三口瓶中，分别加入200 mL水及50%、70%乙醇（药材实际提取过程中这2种浓度较为常用，故考察之）溶液，水浴加热，通过真空度控制器调节体系内压力控制溶液沸点在70 ℃，读取体系内压力（n=3），分别用不同药材与纯溶剂饱和蒸气压进行比较，以及不同药材之间的饱和蒸气压进行比较，结果见表 4、5。

分别称取不同粒径的丹参、白芷（在上述7种药材中，丹参和白芷2种属根茎类，且质地较硬，粒径影响更明显）各10 g，分别加入70%乙醇（实际提取工艺的常用浓度）溶液200 mL，水浴锅加热，通过真空度控制器调节体系内压力控制溶液沸点，分别读取45、50、55、60、65、70、75、80 ℃沸腾条件下体系内压力，不同温度下不同粒径对应饱和蒸气压与原药材进行多重比较，结果见表 6、7。

因乙醇体积分数不同，所以不同体积分数乙醇与沸点相对应的饱和蒸气压不同。由图 3可知相同体积分数乙醇沸点随着饱和蒸气压升高而升高，不同体积分数乙醇溶液，相同沸点下随着乙醇体积分数的增加饱和蒸气压逐渐增大。相同体积分数乙醇相同沸点下饱和蒸气压实测值较理论计算值大。同时从图 2、3中可知理论计算值与实际测量值变化趋势不一致。图 2沸点与饱和蒸气压关系图中同一沸点下理论计算值随着乙醇体积分数降低而饱和蒸气压差值越小；实验测定值却增大。在图 3乙醇体积分数与饱和蒸气压关系图中，理论计算值曲线为凹型，而实测值曲线为凸型。

沸点-乙醇体积分数-饱和蒸气压关系分析得到回归方程与实际测量值之间偏差均小于1，表明回归方程预测真实可靠。加入药材后，以水为溶剂时系统饱和蒸气压实测值较纯溶剂实测值比较仅钩藤、黄芩、丹参3个药材有显著性差异，但3个药材饱和蒸气压增加值很小；加入不同药材之间相互比较无显著性差异。而乙醇为溶剂时，不同体积分数乙醇实测值较纯溶剂实测值均有增大，呈显著性差异，且不同药材增大值不一致，不同药材之间两两比较仅部分药材之间呈显著性差异，说明不同药材质地对系统饱和蒸气压的影响因药材不同而不同。随着药材粒径的减小，以及提取温度的升高，与原药材相比饱和蒸气压降低呈显著性差异。70%乙醇提取丹参时，控制沸腾温度60 ℃以上时，粉碎后药材较原药材饱和蒸气压降低成显著性差异，而白芷控制沸腾温度50 ℃以上时，粉碎后药材较原药材饱和蒸气压降低成显著性差异。

减压提取溶剂在低温沸腾状态下提取能增大浓度差，达到动态提取效果。而不同药材因其性质不同需要选取适宜的提取温度，溶剂的沸点与系统真空度（100 kPa-饱和蒸气压）存在一定对应关系，系统真空度改变，沸点也会发生变化。因而，系统真空度是影响沸点的关键因素。通过真空度控制器调节系统内部压力获得不同饱和蒸气压相对应温度，回归分析得到方程及其对应3D图形，能够快速计算和查找任意体积分数乙醇任意温度下沸腾对应的饱和蒸气压而进行实验。

实验中乙醇与水互溶后体积要小于互溶前两者体积和，在实际中乙醇和水组成体系为非理想的完全互溶双液体系，而理论计算时忽略了两者互溶时的体积变化，视其为理想的完全互溶双液体系计算值，使得相同体积分数乙醇相同沸点下饱和蒸气压实测值较理论计算值大，同时导致了图 2和图 3中理论值与实测值变化趋势的不同。加入不同种类药材后，饱和蒸气压的增高，可能加入药材后，药材对溶剂中水和乙醇的吸附，改变了溶剂原本的乙醇体积分数，而不同药材对水和乙醇吸附量的不一致，导致不同药材之间饱和蒸气压的差异。药材粉碎后粒径减小、表面积增大、物质溶出加快。粒径减小和物质快速溶出使溶液依数性增大，饱和蒸气压降低。而温度的升高能加速药材中物质溶出，从而加速溶剂依数性的改变。同时不同药材以及药材在不同粒径下对乙醇和水的吸收不一致，会造成溶液中乙醇体积分数的变化，对体系沸点和饱和蒸气压关系有一定影响。虽然不同药材的加入和不同粒径的药材对饱和蒸气压的改变有显著性差异，但其值的变化范围小，对沸点-饱和蒸气压的关系、设备安全性影响小。为达到精确控制，实际中需要根据实验结果，结合实际情况进行沸点-饱和蒸气压的修正。