超微粉碎技术是利用机械或流体动力的方法,将物料颗粒粉碎至微米级甚至纳米级微粉的过程。微粉是超微粉碎的最终产品, 具有一般颗粒所不具备的一些特殊理化性质, 如良好的溶解性、分散性、吸附性、化学反应活性等。其粒径限度至今尚无统一的标准, 根据对天然植物粉碎加工的实际情况, 结合《中华人民共和国药典》对粉末分等和药筛孔尺寸的规定, 普遍认为将微粉粒径界定为小于75 μm 较为合理。
1、超微粉碎的原理
超微粉碎的原理与普通粉碎相同, 只是细度要求更高, 它利用外加机械力, 使机械力转变成自由能, 部分地破坏物质分子间的内聚力, 来达到粉碎的目的。天然植物的机械粉碎过程, 就是用机械方法来增加天然植物的表面积, 表面积增加了, 亦引起自由能的增加, 但不稳定, 因为自由能有趋向于最小的倾向, 故微粉有重新结聚的倾向, 使粉碎过程达到一种粉碎与结聚的动态平衡, 于是粉碎便停止在一定阶段, 不再向下进行, 所以要采取措施阻止其结聚, 以使粉碎顺利进行。
2、超微粉碎的目的
第一, 增强天然植物有效成分在动物体内的吸收, 提高生物利用度, 增强药效。天然植物经超微粉碎后, 绝大多数细胞的细胞壁破裂, 细胞内的有效成分不需通过细胞壁屏障而直接与给药部位接触, 由于微粉粒径小, 比表面积大, 极易吸附在小肠壁上被吸收, 大大提高有效成分的吸收速度; 同时, 微粉与给药部位接触面积大, 有效成分在体内滞留时间延长, 吸收量也显著增加。
第二, 保留天然植物的属性和功能。天然植物以微粉形式入药, 保留了复方中全组分的药效学基础, 保留了传统天然植物的属性和功能。
第三, 提高天然植物制剂质量, 降低服用量,开发新剂型。超微粉碎后, 一些名贵天然植物可制成口服的散剂、胶囊、微囊, 也可以制成外用药剂和透皮制剂, 尚能将药食同用的天然植物微粉作为食品添加剂, 加入饮料和食品中。
第四, 改善环境卫生, 提高微粉卫生学质量。物料的超微粉碎是在密封及净化状态下进行, 不会造成新的污染, 提高微粉的卫生学质量。
3、超微粉碎的方法
3.1 普通超微粉碎方法
普通超微粉碎方法按性质分为物理方法和化学方法。天然植物超微粉碎普遍采用物理方法制备微粉, 不发生化学反应, 保持了物料原有的化学性质。根据粉碎过程中物料载体种类的不同又分为干法粉碎和湿法粉碎。其技术上要求:
① 产品粒径小, 粒度分布范围窄;
② 粉碎工艺简单, 自动化程度高;
③ 产出率高, 能耗低, 生产成本低;
④ 生产安全, 产品污染少, 纯度高。
3.2 低温超微粉碎方法
具有韧性、黏性、热敏性和纤维类物料的超微粉碎, 一直是微粉制备过程中的难点, 近年来针对上述成分的特性, 采用深冷冻超微粉碎方法, 取得了较好的结果。它是利用物料在不同温度下具有不同性质的特性, 将物料冷冻至脆化点或玻璃体温度之下, 使其成为脆性状态, 然后再用机械粉碎或气流粉碎方式, 使其超细化的方法。
3.2.1 原理
天然植物在低温下其韧性出现均匀地降低, 虽没有明显的脆性转变点, 但随着温度降低其脆性增加的规律是存在的, 并可找出一个脆性最大的低温范围。并且, 物料在快速降温情况下, 各部位由于不均匀收缩而产生内应力, 极易引起薄弱部位破裂和龟裂, 导致物料内部组织结合力降低, 当受到一定的冲击时, 极易破碎成细粉。
3.2.2 方法
主要有3 种:
①先将物料在液氮- 196 ℃下冷却, 达到低温脆化状态后, 迅速投入常温态的粉碎机中粉碎;
②在粉碎原料达到常温、粉碎机内部为低温情况下粉碎;
③物料与粉碎机内部均呈低温状态下粉碎。
3.2.3 优缺点
优点:
①可粉碎在常温下难以粉碎的物料, 如纤维类、热敏性和受热易变质的物质( 血液制品、蛋白质及酶等) ;
②可提高对易燃、易爆物品粉碎的安全性;
③对含芳香性、挥发性成分的天然植物行低温超微粉碎, 可避免有效成分的损失;
④在低温环境下细菌的繁殖受到抑制, 避免产品污染;
⑤有利于改善物料的流动性。
缺点:
生产成本极高, 对于低附加值的产品难以承受, 故多用于附加值较高的生物类产品的超细化。
4 粉碎设备
为了满足不同物料粉碎的需要, 市场上已推出各种不同类型的粉碎设备。下面介绍符合GMP 要求的超微粉碎机组。
4.1 粉碎设备特点
第一, 适用于干式超微粉碎工艺, 由于气流速度高, 冲击力大, 可生产出0.5～10 μm( 500～10 000nm) 的粉碎颗粒。
第二, 粉体在气流膨胀情况下粉碎, 不会升温, 适用于热敏性、低熔点、含糖分及有挥发性物料的超微粉碎。
第三, 设备设计完全按照GMP 要求: ①通过气源三级过滤( 粗过滤、精密过滤、除菌过滤) , 全系统密闭粉碎, 材料选用、粉碎过程物料自身碰撞粉碎, 以及采用特殊设计, 杜绝油进入, 实现粉碎物料和环境的无污染; ②采用自动化、智能化控制系统, 实现精确控制粉碎过程, 保证粒度分布窄,且均匀; ③设备结构简单, 内、外壁光洁度高, 无死角, 易清洗。
5、粉体表面改性技术
随着超微粉碎技术的发展, 对微粉的性能要求越来越高, 如粒度分布范围要求越来越窄; 要有高度的分散性; 与其他物料有较好的相容性等。所以, 从某种意义上来讲, 粉体的表面改性技术比超微粉体的制备和分级技术更为重要, 因为超微粉体的输送、混合、均化、填充、包装、储存等问题,给超微粉体的应用带来极大的困难, 有时甚至无法体现超微粉体的特有功能和优势, 因此改善超微粉体的表面特性是亟待解决的课题。
5.1 表面改性方法
常用的方法有:
①表面包覆改性: 采用高聚物或树脂, 借助黏附力对粉体进行包覆改性;
②高能表面改性: 利用等离子体、电晕放电、紫外线或辐射等手段进行表面改性;
③沉积反应改性法: 利用化学反应将生成物沉积在改性物体的表面, 形成一层极薄的包覆改性膜, 改变超细粉体的表面改性。
5.2 表面改性剂种类
表面活性剂: 如阳离子型、阴离子型。
偶联剂: 如硅烷类、钛酸酯类、锆铝酸盐。
有机聚合物: 聚丙烯、聚乙烯。
5.3 表面改性工艺及设备
在超微粉碎过程中进行表面改性处理。将表面改性剂超细化处理后或用其他溶剂将其溶解成溶液, 加入待超微化的粗粒中, 混合均匀后一同加入超微粉碎设备中。物料在进行超微粉碎时产生的新生粒子具有较高的表面能和表面电荷, 使表面改性剂与新生粒子的外表紧密结合, 达到较好的作用。在超微粉碎后对超微粉进行表面改性处理。将已超细化的物料与表面改性剂一起加入改性设备中, 用机械进行搅拌, 使表面改性剂均匀地粘附于粉粒的表面, 并在外加机械力的作用下达到改性目的。
机械化学改性处理。通过强烈的机械作用如挤压、摩擦、撕切, 颗粒产生游离基, 并与表面改性剂发生吸附, 完成包膜或成膜等改性过程。
6 超微粉体的包装、贮存和运输
超微粉体单个粒子往往处于不稳定状态, 与空气接触时又极易吸附空气中的水分而团聚结块, 因此包装材料的密闭性要好, 要防潮、防水, 外层要用金属桶、硬纸板桶或硬塑料桶包装。
要贮存在阴凉、干燥、通风、避光处。运输时应避免挤压, 外加软包装材料, 减轻碰撞、振动。
现在，随着科技的发展，最新的超低温物理研磨超微粉碎机已经问世，被欧、日垄断十余年的技术被泰安正信科技有限责任公司打破，该公司研发的超低温物理研磨超微粉碎机拥有自主知识产权和国家专利，是目前唯一投入大规模工业化生产的超低温物理研磨超微粉碎机和中药超微粉碎机，对于推动中国灵芝、灵芝孢子粉等中药现代化发展有重要作用。
