陳麗霞,葉麗芳,張英,吳孟華,曹暉,馬志國*

(1.暨南大學 藥學院,廣東 廣州 511400;2.暨南大學 嶺南傳統(tǒng)中藥研究中心,廣東 廣州 511400;3.國家中藥現(xiàn)代化工程技術研究中心嶺南資源分中心,廣東 廣州 511400;4.廣東省中醫(yī)藥信息化重點實驗室,廣東 廣州 510632)

中藥材經(jīng)過浸潤、悶潤等軟化處理,含水量較高,切制成飲片后,避免藥材腐敗變質(zhì),應及時干燥。飲片的干燥過程是影響其質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。牡丹皮為毛茛科植物牡丹PaeoniasuffruticosaAndr.的干燥根皮,具有清熱涼血、活血化瘀的功效［1］。有研究發(fā)現(xiàn)干燥方法不同對牡丹皮中的多種化學成分均有一定的影響［2］,目前未見關于牡丹皮飲片干燥動力學、水分相態(tài)及其分布變化、物性指標變化的報道,本研究有利于揭示牡丹皮飲片干燥過程中水分的散失規(guī)律,可為牡丹皮飲片干燥工藝參數(shù)的優(yōu)選提供理論支撐。

目前,已有關于食品和中藥材干燥動力學的研究報道［3-7］,研究表征牡丹皮飲片干燥過程中的含水量變化規(guī)律,這有利于保證中藥飲片品質(zhì)。近年來,低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)及其成像技術(magnetic resonance imaging,MRI)和物性分析技術在中藥采收、加工及炮制研究中得到逐步應用［8-10］,特別是在中藥水分和質(zhì)地變化研究方面,是直觀表征中藥干燥過程的有力手段。本研究構建牡丹皮飲片干燥特性曲線,并結合低場核磁共振技術考察牡丹皮的水分相態(tài)及其遷移過程,利用物性分析儀考察其物性指標的變化,采用HPLC法考察干燥過程中芍藥苷和丹皮酚的質(zhì)量分數(shù)變化,這對優(yōu)化牡丹皮干燥工藝和提高飲片質(zhì)量具有一定指導意義。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

牡丹皮3批(批號:MDP0101,MDP0102,MDP0103)購自安徽亳州,經(jīng)暨南大學嶺南傳統(tǒng)中藥研究中心張英副教授鑒定為毛茛科植物牡丹PaeoniasuffruticosaAndr.的干燥根皮。

丹皮酚(批號:RFS-D00211812016,純度>98%),芍藥苷(批號:RFS-S01011804016,純度>98%)均購自成都瑞芬思生物科技有限公司;乙腈、磷酸均購自上海麥克林生化科技有限公司,均為色譜純;水為純凈水,其余試劑均為分析純。

中尺寸核磁共振成像分析儀(型號:Meso MR23-060H-1,上海紐邁分析儀器股份有限公司);物性測定儀(型號:TA-HD plus,Stable Micro System 公司,英國);液相色譜儀,DAD 檢測器,四元低壓梯度泵,在線真空脫氣機,自動進樣器,柱溫箱(型號:Thermo Ultimate 3000,賽默飛世爾科技公司,美國);萬分之一電子天平(型號:FA 2204B,上海佑科儀器儀表有限公司);十萬分之一天平(型號:EX225DZH,奧豪斯儀器有限公司);數(shù)控超聲波清洗器(型號:KQ5200DE,昆山市超聲儀器有限公司);恒溫培養(yǎng)箱(型號:XGQ-2000,余姚市星辰儀表廠);電熱鼓風干燥箱(型號:101-2AB,天津市泰斯特儀器有限公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 牡丹皮飲片干燥過程

取牡丹皮藥材1 500 g,洗凈,將藥材置于潤藥框內(nèi),蓋2層濕紗布,再均勻噴灑適量水,20 ℃下潤制,潤透后取出,切成2 mm飲片,混勻后,平均分成3份,均勻平鋪在托盤中,厚度約為1 cm,分別于45 ℃、55 ℃、65 ℃的鼓風干燥箱內(nèi)干燥,記錄不同時刻不同溫度鼓風干燥牡丹皮飲片的質(zhì)量,待質(zhì)量恒定時,停止干燥。

1.2.2 干基含水率的測定

稱取一定牡丹皮飲片,于干燥箱烘干至質(zhì)量不再變化,得牡丹皮飲片的干重。牡丹皮飲片干基含水率按公式(1)計算［11］。

M=(Ww-Wd)/Wd

(1)

M是牡丹皮飲片的干基含水率,Ww是牡丹皮飲片濕重,Wd是牡丹皮飲片干重。

1.2.3 干燥速率測定

干燥速率表示單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分量,按公式(2)計算［12］。

(2)

DR為干燥速率,Mt、Mt+Δt分別為t、t+Δt時刻樣品的干基含水率,Δt為時間間隔。

1.2.4 水分比的計算

水分比(moisture ratio,MR)按公式(3)計算［13］。

(3)

Mt為牡丹皮飲片t時的干基含水率;M0為牡丹皮飲片最初的干基含水率;Me為牡丹皮飲片干燥達到平衡時的干基含水率。

一般可用最終含水量替代難以測得的Me,而最終含水量與M0和Mt相比可以忽略不計［14］,因此水分比計算公式可簡化為公式(4)。

(4)

1.2.5 牡丹皮干燥過程水分遷移

(1)橫向弛豫時間(T2)測定 取55 ℃下干燥時間為0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 h的牡丹皮樣品,稱取并記錄質(zhì)量。利用CPMG脈沖序列檢測放于LF-NMR永久磁場中心位置的樣品T2值,連續(xù)測定3次,取平均值。采集核磁信號,獲取樣品正視和俯視成像數(shù)據(jù),利用 sirt 算法,反演迭代100 000次,得T2譜圖。T2實驗主要參數(shù):主頻SF=21 MHz,偏移頻率O1=260 kHz,90°脈寬P1=10.00 μs,180°脈寬P2=19.04 μs,累加采集次數(shù)NS=4,回波時間TE=0.300 ms,回波個數(shù)NECH=8 000,采樣頻率SW=100 kHz。

(2)低場核磁共振成像(MRI)實驗 取T2測定項下的樣品,采集其橫切面的H質(zhì)子密度圖像,利用MRI成像軟件進行成像試驗。MRI成像參數(shù):層數(shù)6,層厚2 mm,層間隙2 mm,采集次數(shù)16,重復時間260 ms,視野100 mm×100 mm,頻率方向256,編碼步數(shù)192。

1.2.6 牡丹皮干燥過程質(zhì)構特性研究

采用TA-HD plus物性測定儀測定55 ℃下干燥時間為0、0.5、1、1.5、2、3、4 h的牡丹皮樣品的質(zhì)構特性。參數(shù)設置:TA-9探頭,預測試速度2.0 mm/s,測試速度1.5 mm/s,穿刺深度8.0 mm,返回速度1.5 mm/s,測力傳感器10 000 g,觸發(fā)點負荷為4 g。每個樣品重復測定3次。獲得參數(shù):樣品硬度、粘力、粘性、膠著性等。

1.2.7 牡丹皮飲片干燥過程中指標成分變化

參考文獻［15］中的方法,采用HPLC測定55 ℃下干燥時間為0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 h的牡丹皮中芍藥苷和丹皮酚的質(zhì)量分數(shù)。

2 結果

2.1 牡丹皮飲片熱風干燥曲線

2.1.1 牡丹皮飲片干基含水率變化

根據(jù)記錄的不同時刻牡丹皮飲片的質(zhì)量及相應計算公式,運用Origin 2022軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析,得到干燥過程中干基含水率隨時間變化的曲線見圖1。

圖1 牡丹皮飲片不同干燥溫度的干基含水率變化

溫度會影響干基含水率下降趨勢,溫度越高,干基含水率下降越迅速;除此之外,牡丹皮飲片干基含水率隨著干燥時間的延長而下降,且干基含水率的下降趨勢由快變慢。45、55、65 ℃熱風干燥時,牡丹皮干基含水率降低到0.13需要的時間分別是7.5、3.5、2.0 h。

2.1.2 牡丹皮飲片干燥速率變化

牡丹皮飲片不同干燥溫度的干基含水率及干燥速率變化見表1。由表可知,牡丹皮飲片在45 ℃、55 ℃、65 ℃下分別干燥8.5、5、3.5 h時,干燥速率接近0。不同干燥溫度下,牡丹皮的干燥速率曲線見圖 2。由圖可知,65 ℃干燥時,干燥過程為降速階段;45 ℃、55 ℃干燥時,干燥過程主要分為恒速階段和降速階段。其中,45 ℃干燥時的恒速階段長于55 ℃。

表1 牡丹皮飲片不同干燥溫度的干基含水率及干燥速率變化Table 1 Changes of M and drying rate of Moutan Cortex decoction pieces at different drying temperatures

圖2 牡丹皮飲片不同干燥溫度的干燥速率變化

2.1.3 牡丹皮飲片水分比變化

圖3為牡丹皮飲片不同干燥溫度的水分比變化曲線。牡丹皮飲片水分比隨著干燥時間的延長而下降,開始水分比下降較快,后期趨勢變緩,趨于平衡;溫度會影響水分比下降速度,溫度越高,水分比下降越迅速,干燥時間越短。

2.2 牡丹皮干燥過程水分遷移

2.2.1 橫向弛豫時間

根據(jù)T2的差異,牡丹皮干燥過程中水分的存在狀態(tài)可以分為結合水、不易流動水和自由水,對應的弛豫時間分別為T21(0.1～10 ms)、T22(10～100 ms)、T23(100～1 000 ms)［16］。單位質(zhì)量峰面積A21、A22、A23分別代表3種水的質(zhì)量分數(shù)。

圖3 牡丹皮飲片不同干燥溫度的水分比變化

A總表示單位質(zhì)量總峰面積,越大則表明其總含水量越高。T2可以反映樣品水自由度的高低,T2越小表示水自由度越低,在T2譜上峰的位置較靠左,反之,T2越大說明水越自由,在T2譜上峰的位置較靠右［17］。

按樣品質(zhì)量歸一化處理,不同干燥時間下牡丹皮的T2檢測結果,如表2和圖4所示。牡丹皮干燥過程中有3個弛豫峰,以3個弛豫時間為主,說明牡丹皮內(nèi)部含有3個水群。干燥初始,即牡丹皮潤透時,水分的存在狀態(tài)主要是不易流動水。干燥1～2 h,不易流動水逐漸向結合水轉(zhuǎn)變。干燥2 h時,牡丹皮含水量已經(jīng)較低,繼續(xù)干燥,3～5 h時,出現(xiàn)了結合水向不易流動水轉(zhuǎn)化的情況,導致不易流動水、自由水比例上升。整個干燥過程,隨著干燥時間的延長,單位質(zhì)量總峰面積不斷減少,說明牡丹皮總含水量不斷減少。

表2 牡丹皮干燥過程中T2圖譜單位質(zhì)量峰面積及比例變化Table 2 Variation of unit mass peak areas and ratios about T2 during drying of Moutan Cortex

圖4 不同干燥時間牡丹皮的T2分布

2.2.2 牡丹皮干燥過程的MRI變化

MRI圖像可以直觀顯示樣品內(nèi)部水分信息,其輪廓分明清晰,亮度高,說明H質(zhì)子密度高,樣品含水量高,亮度低則反之［18］。為了更好地觀察圖像細節(jié),用圖像處理軟件將灰度圖轉(zhuǎn)為偽彩圖。不同干燥時間牡丹皮橫切面的MRI偽彩圖見圖5,含水量高的區(qū)域用黃色表示,含水量低的區(qū)域用藍色表示。由圖5可知,初始狀態(tài)時,整個藥材的含水量較高,隨著干燥時間的增加,黃紅色部分面積逐漸由外圈向內(nèi)收縮,表明藥材水分逐漸由外向內(nèi)散失。干燥過程中,牡丹皮也不斷皺縮。

2.3 牡丹皮干燥過程質(zhì)構特性變化

牡丹皮干燥過程中的質(zhì)構特性見表3,以針移動穿刺的時間為橫坐標,牡丹皮硬度為縱坐標,繪制質(zhì)構曲線,見圖6。曲線最高點對應的穿刺時間為牡丹皮最大硬度時的時間。由結果可知,隨干燥時間的增加,牡丹皮硬度逐漸增加。干燥過程中,前2 h牡丹皮各物性指標較低,硬度曲線重合度高,干燥2 h時硬度明顯上升。

圖5 不同干燥時間牡丹皮MRI變化

2.4 牡丹皮飲片干燥過程中指標成分變化

牡丹皮飲片干燥過程中芍藥苷、丹皮酚質(zhì)量分數(shù)變化情況見表4。隨著干燥時間的延長,牡丹皮飲片中指標成分芍藥苷、丹皮酚的質(zhì)量分數(shù)未發(fā)生明顯變化。由此表明,芍藥苷、丹皮酚在55 ℃干燥比較穩(wěn)定。

表3 不同干燥時間牡丹皮的質(zhì)構變化Table 3 Texture changes of Moutan Cortex at different drying time

圖6 不同干燥時間牡丹皮的質(zhì)構變化

表4 牡丹皮飲片干燥過程中指標成分質(zhì)量分數(shù)變化Table 4 Changes of component content of Moutan Cortex decoction pieces during drying

3 討論

干燥對于中藥飲片加工是一個必不可少的步驟。不管是趁鮮切制還是水處理軟化后切制,都要經(jīng)過干燥才利于保存。目前企業(yè)的飲片加工干燥多以飲片含水量及性狀為評價指標,一些適合監(jiān)測樣品干燥過程含水量變化的新技術也逐漸成熟,尚缺乏干燥動力學結合新技術研究為中藥飲片干燥工藝提供科學理論依據(jù)。本研究通過測定牡丹皮飲片干燥過程中的干基含水率等干燥參數(shù),分析牡丹皮飲片干燥動力學變化,闡釋其干燥特性,對闡明牡丹皮飲片干燥機制具有一定意義。低場核磁共振及其成像技術,可直觀顯示出牡丹皮含水量,表征其干燥過程;利用物性分析技術檢測牡丹皮干燥過程中的各物性指標,再與中藥炮制的傳統(tǒng)感官判斷標準、指標性成分含量變化相結合,可為飲片干燥終點的判斷和工藝優(yōu)化提供客觀評價指標。

本研究中牡丹皮飲片在45 ℃、55 ℃、65 ℃下干燥所需時間分別為8.5、5.0、3.5 h,表明一定溫度范圍內(nèi),溫度越高,干燥至平衡含水量所用時間越短,這是由空氣和牡丹皮飲片之間的傳質(zhì)推動力所造成的。溫度越高,空氣的相對濕度越低,空氣和飲片所含水分差別越大,它們之間的傳質(zhì)推動力就越大,達到平衡所需要的時間短,即干燥所需要的時間就短,干燥速率就大［11］。所以,在合理條件下,溫度越高對飲片干燥越有利。但牡丹皮中的主要活性成分丹皮酚,受熱易升華,干燥溫度不易過高,從提高干燥效率和減少成分損失的角度綜合分析55 ℃為牡丹皮飲片的最佳干燥溫度。在恒速階段,牡丹皮飲片內(nèi)部水分向表面遷移的速率與水分自飲片表面汽化的速率相適應,使物料表面維持濕潤狀態(tài);當進入降速階段,牡丹皮飲片內(nèi)部水分向表面遷移的速率小于水分自飲片表面汽化的速率,飲片表面不能再維持全部濕潤,從而形成部分干區(qū)［19］。結合低場核磁共振MRI圖像,干燥0.5 h時,干燥速率為0.28 g·g-1·h-1,MRI圖像中可清晰地觀察到與牡丹皮橫切面一致的水分分布輪廓。經(jīng)過短暫的恒速階段,進入降速階段,飲片表面出現(xiàn)部分干區(qū),含水量顯著降低。干燥2 h時,干燥速率降至0.23 g·g-1·h-1,干燥處于降速階段,此時牡丹皮的含水量低于成像檢測限,無法成像,但從表1可知T2圖譜單位質(zhì)量總峰面積也仍在不斷下降,表明此時樣品仍未完全干燥。干燥5 h時,干燥速率接近零,T2單位質(zhì)量信號幅值曲線趨于平緩,表明牡丹皮飲片已達到干燥終點。

由T2檢測結果可知,干燥初期牡丹皮水分的存在形式主要是不易流動水,未發(fā)現(xiàn)傷水現(xiàn)象,這符合中藥潤制“藥透水盡”的傳統(tǒng)經(jīng)驗,既達到軟化目的又盡量減少有效成分的損失。干燥3～5 h,出現(xiàn)結合水比例下降,不易流動水、自由水比例上升的情況。Chen等［20］研究大豆渣干燥過程也出現(xiàn)了干燥后期結合水比例下降的情況。在干燥后期,含水量低,剩余水的結合力增強,但部分結合水受熱結合力減弱,結合水向不易流動水和自由水轉(zhuǎn)化散失,結合水比例下降。本研究僅對牡丹皮飲片干燥過程進行科學表征分析,后期可應用干燥動力學結合低場核磁共振和物性分析技術對藥材及飲片干燥工藝進行優(yōu)化。

作者貢獻聲明

陳麗霞:實施實驗,統(tǒng)計分析數(shù)據(jù),撰寫論文;葉麗芳:設計并實施實驗;張英:設計實驗;吳孟華:設計實驗;曹暉:提出研究思路;馬志國:提出研究思路和框架,修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業(yè)、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。