基于过程分析技术(PAT)的苦参-土茯苓生物碱绿色高效提取工艺优化研究

针对传统生物碱提取工艺(AEP)有机溶剂用量大、污染严重的问题，研究人员以苦参(Sophora Flavescens)和土茯苓(Heterosmilax Japonica)为模型，引入过程分析技术(PAT)，通过近红外光谱(NIRS)在线监测结合高效液相色谱(HPLC)分析，优化出溶剂消耗降低23%、提取率提升65%的三相静态浸提新工艺，为中药绿色制造提供范例。

　　

在传统中药生产中，生物碱类活性成分的提取长期面临环境与效率的双重挑战。以苦参(Sophora Flavescens)和复方苦参注射液原料土茯苓(Heterosmilax Japonica)为例，其经典提取工艺(cAEP)需消耗11倍原料质量的酸性溶剂，耗时41小时并产生大量难处理的酸性废弃物。尽管超临界流体、低共熔溶剂(DESs)等绿色溶剂及超声辅助提取(UAE)等新技术不断涌现，但大多停留在实验室阶段。如何在不改变基础提取方法的前提下实现工艺升级，成为横亘在中药现代化道路上的关键难题。

针对这一瓶颈，来自振东集团的研究团队创新性地将过程分析技术(PAT)引入生物碱提取领域。他们以近红外光谱(NIRS)作为过程监测的核心手段，结合在线采样与离线高效液相色谱(HPLC)验证，首次系统揭示了传统工艺中热浸提步骤(HLP)的低效本质——该步骤不仅贡献甚微，还额外消耗25%的水资源。基于此发现，团队大胆摒弃HLP步骤，将原静态浸提(SLP)改造为三相分段浸提，并建立NIRS-HPLC联用的预测模型，实现对临界质量属性(CQA)的实时监控。

关键技术包括：1)采用NIRS实时采集过程光谱数据；2)通过HPLC定量分析苦参碱(matrine)、氧化苦参碱(oxymatrine)等标志性成分；3)构建光谱-含量预测模型实现动态控制；4)以振东集团提供的苦参(批号201204)和土茯苓(批号21010301)为原料开展验证。

【研究结果】

1. 传统工艺缺陷诊断：通过NIRS-HPLC联用分析证实，cAEP中HLP对总生物碱的贡献率不足5%，却消耗2.5倍原料质量的水资源。

2. 工艺重构方案：创新提出"三相静态浸提-动态浸提"新流程，其中三相浸提分别采用不同酸度的1%-AA溶剂梯度，总浸提时间缩短至16小时。

3. 过程控制优化：建立的PLS预测模型对matrine含量预测R²达0.93，实现浸提终点智能判断，溶剂更新时机精准控制。

4. 综合效益评估：新工艺使溶剂消耗降低23%，提取率提升65%，时间成本减少60%，且提取液浊度显著改善。

这项发表于《Sustainable Chemistry and Pharmacy》的研究，首次将PAT框架完整应用于中药生物碱提取领域。其突破性在于：一方面通过过程分析技术揭示了传统经验式工艺的固有缺陷，另一方面开创了"监测-建模-控制"的闭环优化模式。特别值得注意的是，该研究没有依赖昂贵的新型设备或溶剂，仅通过流程再造与智能控制就实现了绿色化升级，这种策略对现有生产线的改造具有极高的实操价值。正如作者团队强调的，这种PAT驱动的方法论可扩展到其他植物活性成分的提取，为中药制造业的低碳转型提供了可复制的技术模板。国家重点研发计划(2023YFC3504302)对该研究的支持，也体现了我国在绿色制药技术领域的战略布局。