祝戰(zhàn)科 ，安宣社

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，咸陽 712000；2.陜西省機(jī)械研究院，咸陽 712000)

目前，國內(nèi)對高品質(zhì)超細(xì)中藥的需求也呈上升趨勢，亟待超細(xì)粉碎的品種達(dá)160多種，年粉碎量達(dá)數(shù)kt，如花粉年粉碎量達(dá)500 t以上，而且這些藥材原料超細(xì)化的藥品出口量大，國際市場需求量很大。當(dāng)前國內(nèi)中藥行業(yè)大部分物料，采用超細(xì)粉碎加工技術(shù)處理的還不多，如 “花粉”“螞蟻”“凍干粉”等都多以原始狀態(tài)使用，藥物利用率低。文獻(xiàn)[1-2]研究表明相比其他粉碎方式，粉磨制粉方式的顆粒質(zhì)量提高非常明顯；制粉效率也明顯優(yōu)于其他方式。文獻(xiàn)[3]對超細(xì)粉磨分級系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析超細(xì)粉磨分選工藝質(zhì)量的影響因素。文獻(xiàn)[4]對微細(xì)分級機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對分級點(diǎn)的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明微細(xì)分級性能參數(shù)與制粉質(zhì)量密切相關(guān)。為解決國內(nèi)藥材的超細(xì)粉末處理問題，文中基于球磨理論，結(jié)合機(jī)械沖擊粉碎和振動磨，提出超細(xì)粉磨加工方法；通過中藥材物料超細(xì)粉磨實(shí)驗(yàn)，制備單種、混合中藥材超細(xì)粉末；采用激光粒度分析儀對研磨粉末顆粒進(jìn)行粒度分析。

1 顆粒大小與反應(yīng)性能關(guān)系

隨著物料顆粒尺寸的不斷降低，顆粒細(xì)度增加，材料利用率不斷提升。中藥材也可以被研磨成細(xì)顆粒，便于充分消化吸收利用。目前，國內(nèi)外對于各種中藥劑型的需求越來越多，這種中成藥生產(chǎn)加工模式已被全球廣泛接受和推廣使用。而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)磨，即超微粉技術(shù)，該技術(shù)在中藥資源開發(fā)中更具迫切的應(yīng)用需求，且要求有更好加工效果和更高加工質(zhì)量的技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)生，提高中藥理化性能，并滿足人們對中藥使用療效的要求，傳統(tǒng)中藥服用中“量大、色黑和純度低”的情況和給藥途徑亟待改進(jìn)[5]。經(jīng)藥理研究與實(shí)踐證明，超細(xì)顆粒的中藥成品可以提高藥物有效成分的生物利用率，進(jìn)而徹底改變傳統(tǒng)中藥的不足。超細(xì)粉碎后的中藥微粉，因其易吸收、起效快以及少而精，服用攜帶方便，越來越受到中醫(yī)藥界的重視，尤其為患者所接受和歡迎。磨碎時(shí)，一般達(dá)到微米級粉碎即可使材料的組織細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞,獲得所需的物料特性。顆粒的微細(xì)化導(dǎo)致的表面積和孔隙率增加、細(xì)胞壁的破壞使超微粉體具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能,如良好的吸收性、吸附性、溶解性、化學(xué)活性和生物活性等[6-7]。目前，為滿足我國中藥生產(chǎn)行業(yè)需求，超細(xì)中藥及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的研究開發(fā)，已經(jīng)開展并取得了一定成效。

中藥材研磨的顆粒越細(xì)，其藥效作用越好。顆粒粒徑為1～75 μm的中藥材稱為超細(xì)粉碎中藥，顆粒粒徑為1～10 μm的中藥材為最佳藥效尺寸中藥。中藥類型與其顆粒尺寸的關(guān)系見表1。

表1 中藥類型與顆粒尺寸

相對于傳統(tǒng)中藥顆粒度，超細(xì)顆粒中藥的主要優(yōu)點(diǎn)如下：① 目前傳統(tǒng)中藥飲片利用低，有效成分流失量大，超細(xì)中藥可提高藥物有效成分的生物利用率，其有效成分的含量為傳統(tǒng)中藥的2倍左右，提高了中藥資源利用率；② 加快中藥被人體吸收的速度，使得中藥制品也可實(shí)現(xiàn)定向給藥和精確精準(zhǔn)給藥；③ 改變傳統(tǒng)中藥服用中“量大、色黑和純度低”的狀態(tài)和給藥途徑，使中藥服用和西藥一樣，濃縮而成，量小純度高，攜帶服用方便。

目前，在中藥研發(fā)及生產(chǎn)的國際化過程中，首先要進(jìn)行加工方法和加工設(shè)備的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，使超細(xì)顆粒中藥在使用中區(qū)別于傳統(tǒng)中藥劑型，這樣才能使其具有長久不斷發(fā)展的生命力。因此，要選擇合適的超細(xì)粉碎方法及相應(yīng)科學(xué)的加工工藝、加工環(huán)境和加工條件，且安全技術(shù)措施要符合《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》(Good Manufacture Practice of Medical Products，GMP)；確保達(dá)到中藥材粉碎的最佳粒徑范圍(對某類藥材)；能夠進(jìn)行相應(yīng)的分析檢測，包括加工后的藥物有效成分指標(biāo)、粒徑大小、毒副作用和加工過程污染控制指標(biāo)等。

由于中草藥中含有大量木質(zhì)素及其他成分，如纖維、淀粉、膠質(zhì)、脂肪、糖類及水分等，具有一定濕度，進(jìn)行超細(xì)加工難度較大。一般需要進(jìn)行深度干燥后進(jìn)行超細(xì)粉碎加工，而過度干燥又會增加藥物的堅(jiān)韌性，容易出現(xiàn)聚團(tuán)、氧化和裂變等現(xiàn)象，因此一般要對不同藥材進(jìn)行區(qū)別處理。而如果采用超低溫冷凍加工技術(shù)，就可以徹底解決以上存在的藥材粉磨問題，增大藥材粉碎的濕度范圍，使加工效果(有效成分指標(biāo)、粒徑大小、毒副作用和加工污染等)明顯提升。

2 中藥材超細(xì)粉磨

超細(xì)中藥制備方法分為物理法和化學(xué)法兩種，而超細(xì)粉碎工藝屬于物理法。超細(xì)中藥粉碎工藝是傳統(tǒng)工業(yè)粉碎與中藥特性相結(jié)合而形成的加工工藝[8]，而傳統(tǒng)的工業(yè)粉碎主要為三類:機(jī)械沖擊粉碎法、氣流粉碎法和球磨法。表2為超細(xì)中藥加工設(shè)備同其他傳統(tǒng)設(shè)備的對比。

表2 超細(xì)及常規(guī)中藥加工設(shè)備

在研究國內(nèi)外物料(如中藥材和非金屬礦等)粉磨技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒國際現(xiàn)代化制造中大多采用的振動磨、高壓輥磨方法[9-11]，基于傳統(tǒng)球磨機(jī)的原理策略，綜合機(jī)械沖擊粉碎機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種新型超細(xì)粉磨方法。該方法可涵蓋各種物料從超細(xì)到納米尺寸的粉磨。

中藥材超細(xì)粉磨的關(guān)鍵性能特點(diǎn):對脆、硬、軟和堅(jiān)韌物料及干濕式中草藥原材料均可粉磨加工,適應(yīng)性強(qiáng)；粉碎極限粒徑小于5 μm；輸入能量方式不受限制；粉磨時(shí)中藥材顆粒受力方向?yàn)殡p向受力；整個(gè)加工過程處在低溫狀態(tài)方式下，可在-10 ℃進(jìn)行，以利于藥材物料性能的保持。

對中藥材物料的粉碎主要在低溫環(huán)境中依靠捶打、撞擊和擠壓完成，以免中藥材物料瞬時(shí)高溫造成藥力失效，可將中藥材物料粒度加工到小于5 μm，更利于人體吸收。

在理論分析研究的基礎(chǔ)上[12-14]，進(jìn)行了關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)前期研究，提出了技術(shù)工藝方案，并獲取了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，形成了該技術(shù)的整體設(shè)計(jì)方案及工藝系統(tǒng)。對待粉磨的物料即中藥材原料，在外界旋轉(zhuǎn)動力T及震力的作用下，研磨介質(zhì)(簡稱磨介，即滾棒)做時(shí)而散開、時(shí)而聚合的上拋運(yùn)動，滾棒自身做同向自轉(zhuǎn),速度為ω′，滾棒群做公轉(zhuǎn)，速度為ω，通過內(nèi)外層的滾棒不斷交換位置，兩兩滾棒不斷沖撞、擠壓剪切中藥材物料，使物料被擠破剪斷。在破碎過程中大顆粒受力先被破碎，顆粒從大到小不斷地被破碎。整個(gè)破碎過程在-10 ℃的低溫環(huán)境中進(jìn)行，使堅(jiān)韌性中藥材變成易粉碎的濕脆體，提高了粉碎效率，且低溫條件下的這種粉磨方式可有效防止加工過程成分揮發(fā)或氧化，保證藥性不受損失。設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理簡圖如圖1所示。P為擠壓力，τ為剪切力。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理簡圖

3 測試及分析

通過對不同中藥材原料，如天麻、朱砂、三七、葛根、麥芽、神曲、山楂及生地等的單體及不同品種混合粉碎,研究了各自的粉磨規(guī)律；針對幾種疑難病的配方中藥材混合原料進(jìn)行粉碎規(guī)律研究，形成合理的粉磨方案，通過粉磨合理的超細(xì)粉末，可提高名貴中藥材的使用效率，使產(chǎn)品的有效物質(zhì)更易于吸收，并避免因煎煮、提取等方式對藥材功效的破壞。單種藥材(如天麻、朱砂、三七和葛根)粉碎效果見表3，粉磨后90%的顆粒粒徑小于5 μm。

將麥芽、神曲和山楂等幾種中藥材原料混合后進(jìn)行粉碎，粉碎前后樣品如圖2所示。

表3 單種中藥材粉碎效果

圖2 麥芽、神曲和山楂混合藥材粉磨加工

采用LS-909激光粒度分析儀對該粉磨后樣品的粒度分布進(jìn)行測量，樣品材質(zhì)折射率為1.52，樣品材質(zhì)吸率為0.1，分散介質(zhì)為空氣，分散介質(zhì)折射率為1，分析模式為通用模式，遮光比為1.92%，分析范圍為0.02～2 100 μm，擬合殘余為0.083，結(jié)果如圖3所示。

圖3 麥芽、神曲和山楂混合藥材粉磨后的粒度分布

重量比表面積為351.530 m2·kg-1，D10、D25、D50、D75和D90分別為顆粒累積分布達(dá)到10%、25%、50%、75%和90%時(shí)所對應(yīng)的粒徑，即小于此粒徑的顆粒占全部顆粒的10%、25%、50%、75%和90%；Span為樣品粒徑分布寬度的一種度量，類似于標(biāo)準(zhǔn)方差；D(3,2)為比表面積平均粒徑；D(4,3)為體積平均粒徑。且D10=7.536 μm，D25=13.955 μm，D50=27.405 μm，D75=53.526 μm，D90=82.096 μm，D(3,2)=17.068 μm，D(4,3)=37.248 μm，Span=2.272。

將生地等20種藥材混合后進(jìn)行粗加工，得到半成品粉末如圖4(a)所示；再對該半成品粉末分別進(jìn)行30 min、35 min粉磨，得到的樣品如圖4(b)～4(c)所示。中藥材混合粉磨30 min后的粒度分布如圖5所示，遮光比為1.80%，分析范圍為0.02～2 100 μm，擬合殘余為0.075，且D10=2.591 μm，D25=5.449 μm，D50=12.631 μm，D75=31.422 μm，D90=57.513 μm，D(3,2)=6.227 μm，D(4,3)=22.680 μm，Span=4.348。重量比表面積為963.556 m2·kg-1。中藥材混合粉磨35 min后的粒度分布如圖6所示。遮光比為2.83%，分析范圍為0.02～2 100 μm，擬合殘余為0.073，且D10=2.494 μm，D25=5.538 μm，D50=12.290 μm，D75=28.940 μm，D90=55.038 μm，D(3,2)=6.047 μm，D(4,3)=21.261 μm，Span=4.275。重量比表面積為992.215 m2·kg-1。

天麻、朱砂、三七和葛根四種藥材分別粉磨時(shí)，發(fā)現(xiàn)單種藥材易粉碎，藥材粉碎效果較好，加工處理15 min即可達(dá)到粉磨要求；麥芽、神曲和山楂等三種藥材原料混合直接粉磨加工30 min后(如圖2所示)，藥材未經(jīng)過粗加工，其中的山楂較難粉碎(對于較難粉碎的中藥材，建議經(jīng)過粗加工粉碎，再與配方需要的相關(guān)藥材混合粉碎，增加粉碎時(shí)間，以達(dá)到預(yù)期效果)，故有大顆粒存在，其D90為82.096 μm(如圖3所示)，而極限顆粒(需加工的最小顆粒)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,有50%以上的顆粒的粒徑小于27.405 μm，即累積分布為50%，已達(dá)到超細(xì)中藥使用要求。

圖4 中藥材混合粉磨加工

圖5 中藥材混合粉磨30 min后的粒度分布

圖6 中藥材混合粉磨35 min后的粒度分布

Fig.6 Particle size distribution of traditional Chinese medicine after 35 min grinding

生地等20種藥材(某皮膚病配方藥材)，由于含有生地等難加工藥材，但經(jīng)過了粗加工，因此效果較未加工有了較大改觀。這種配方的20種混合藥材加工時(shí)，延長粉碎時(shí)間(多粉碎5 min)，總體效果有一定提高，如圖5～6所示。表4為多種難加工中藥材粉碎實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由表4可知，粉碎時(shí)間由30 min增加到35 min，累積分布達(dá)到50%時(shí)所對應(yīng)的粒徑由12.631 μm 減小到 12.290 μm。

表4 多種難加工中藥材粉碎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

針對中藥材原料的粉磨實(shí)際要求，在理論分析基礎(chǔ)上，提出了一種中藥材超細(xì)粉末制備方法，使藥物在磨介的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)中沖撞、擠壓和剪切，實(shí)現(xiàn)快速高效的粉磨；通過對一般單種藥材的粉磨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)過15 min粉磨后，粒徑小于5 μm的顆粒體積含量占全部顆粒的95%。對于難加工混合藥材，對比不同加工階段、加工時(shí)長等條件下的加工結(jié)果，經(jīng)過粗加工且加長粉磨時(shí)間，可提高粉磨效率，約50%的顆粒的粒徑小于12.290 μm，中藥材超細(xì)粉磨后的使用效果明顯提升。