阿娜爾,劉 芬,許銘珊,孫 靜,李 宇,陳建波,董 玲*
(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,北京 102488;2.北京中醫(yī)藥大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,北京 102488)
阿膠為馬科動(dòng)物驢(Equus asinus L.)的干燥皮或鮮皮經(jīng)煎煮、濃縮制成的固體膠,具有補(bǔ)血滋陰、潤(rùn)燥、止血等功效。《中華人民共和國(guó)藥典》2020 年版[1](以下簡(jiǎn)稱《中國(guó)藥典》2020 年版)收錄了阿膠、阿膠珠兩種飲片規(guī)格。阿膠珠為阿膠丁加蛤粉燙制而成,能降低滋膩之性,矯正不良?xì)馕?,便于調(diào)劑與服用,還能借蛤粉增強(qiáng)清熱化痰之功效[2,3]。蛋白質(zhì)和多肽是阿膠中的主要活性成分[4],蛋白質(zhì)受熱易發(fā)生變性,阿膠丁加熱膨化為阿膠珠時(shí),若加熱不足,蛋白質(zhì)變性不夠,則阿膠丁無(wú)法充分膨化,內(nèi)含溏心;若加熱太過(guò),蛋白質(zhì)嚴(yán)重?zé)峤?,則阿膠珠焦化,藥效降低。現(xiàn)行藥典及地方炮制規(guī)范對(duì)于阿膠珠炮制程度均缺少量化評(píng)價(jià)指標(biāo),故建立阿膠制珠炮制程度量化評(píng)價(jià)指標(biāo),有助于完善阿膠珠炮制規(guī)范,可有效控制并優(yōu)化阿膠珠生產(chǎn)工藝及成品質(zhì)量。因此,本研究嘗試?yán)媚z滲透色譜(gel permeation chromatography,GPC)表征蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布,利用傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy,F(xiàn)TIR)表征蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),以反映阿膠受熱后的蛋白質(zhì)變性程度。探索根據(jù)蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量與二級(jí)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)阿膠珠炮制程度的可行性。
阿膠珠A(采購(gòu)于北京某藥房);阿膠珠B、C、D(分別采購(gòu)于3家四川制藥公司);阿膠(由阿膠珠D的生產(chǎn)廠家提供);牛血清白蛋白(純度:96%,相對(duì)分子質(zhì)量約6.64×104Da,上海源葉生物科技有限公司);細(xì)胞色素C(純度:95%,相對(duì)分子質(zhì)量約1.25×104Da,北京萬(wàn)佳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研發(fā)中心);磷酸二氫鈉(AR,北京化工廠);氫氧化鈉(AR,天津市大茂化學(xué)試劑廠);純凈水。
取適量阿膠珠樣品粉末,用DSH-50A-1型鹵素快速水分測(cè)定儀(上海佑科)測(cè)定其水分含量。
按《中國(guó)藥典》2020年版[1]四部通則2302進(jìn)行總灰分含量測(cè)定。
在250 mL 燒杯中注入200 mL 80 ℃熱水,稱取2.95~3.05 g阿膠珠,放入燒杯后不斷攪拌,記錄阿膠珠全部溶解所需要的時(shí)間,靜置后觀察燒杯底部沉淀量。
1.4.1 對(duì)照品溶液 取牛血清白蛋白、細(xì)胞色素C標(biāo)準(zhǔn)品適量,精密稱定,加水制成每1 mL 含牛血清白蛋白1.0 mg、細(xì)胞色素C 1.0 mg 的混合溶液,用0.45 μm水系微孔濾膜濾過(guò),即得。
1.4.2 供試品溶液 取阿膠或阿膠珠樣品250 mg,加水約20 mL,超聲(300 W,50 kHz)處理1 h,放冷,加水定容至25 mL,搖勻,用0.45 μm 水系微孔濾膜濾過(guò),即得。
1.4.3 色譜儀器與條件 本研究所用色譜系統(tǒng)為L(zhǎng)C-20AT高效液相色譜儀、SPD-M20A紫外檢測(cè)器、SIL-20A 自動(dòng)進(jìn)樣器(日本島津),色譜柱為TSKgel G4000PWXL(7.8mm30cm,10μm),流動(dòng)相為0.05mol·L-1、pH=7.2 的磷酸鹽緩沖溶液,流速0.4 mL·min-1,柱溫25 ℃,檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm,進(jìn)樣體積5 L。
方法學(xué)考察:分別取對(duì)照品溶液、供試品溶液及磷酸鹽緩沖溶液按照上述條件進(jìn)行測(cè)定,譜峰分離度大于1.5,磷酸鹽緩沖溶液無(wú)明顯干擾;取對(duì)照品溶液按照上述色譜條件連續(xù)進(jìn)樣6 次,色譜峰面積RSD值小于1.5%,表明此方法精密度良好;取阿膠樣品6份,每份250 mg,按“1.4.2”項(xiàng)下方法制備供試品溶液,按上述色譜條件進(jìn)行測(cè)試,色譜峰(t=25.5 min)面積RSD值小于2.5%,表明此方法重復(fù)性良好。
本研究所用儀器為VERTEX 70 傅里葉變換紅外光譜儀(德國(guó)布魯克),配有Platinum ATR 衰減全反射附件。用無(wú)水乙醇清潔附件的內(nèi)反射晶體表面后,掃描空氣背景光譜,然后將適量樣品粉末置于內(nèi)反射晶體表面,用裝置自帶壓桿壓緊,掃描樣品光譜。光譜范圍4000~400 cm-1,光譜分辨率4 cm-1,單張光譜累積掃描32 次。原始光譜先進(jìn)行ATR 校正(接觸因子設(shè)為0),然后進(jìn)行自動(dòng)基線校正與縱坐標(biāo)歸一化處理,使2000~800 cm-1區(qū)域內(nèi)最高吸光度為1、最低吸光度為0。
阿膠中蛋白質(zhì)(以及多肽)的含量為70%~90%[4]。由于驢皮原料、添加輔料等的差異,不同廠家或者不同批次阿膠中蛋白質(zhì)含量可能波動(dòng)較大,故難以根據(jù)蛋白質(zhì)含量評(píng)價(jià)不同阿膠珠的炮制程度。加熱可能導(dǎo)致阿膠中蛋白質(zhì)發(fā)生熱解,因此,可以考慮根據(jù)蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量變化來(lái)判斷阿膠及阿膠珠的加熱程度。
驢皮含有的蛋白質(zhì)種類較多,在阿膠的生產(chǎn)過(guò)程中蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度的水解,從而產(chǎn)生一定的相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓。基于凝膠滲透色譜、聚丙烯酰胺凝膠電泳、高分辨質(zhì)譜等技術(shù)的研究結(jié)果表明,大部分阿膠的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量在5103 ~2.5105Da范圍內(nèi)[5~7]。不同廠家阿膠的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布有一定程度的差異,可能與生產(chǎn)過(guò)程中蛋白質(zhì)水解程度有關(guān)[8]。如圖1左所示,本研究使用的阿膠中大部分蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量在104~105數(shù)量級(jí)上連續(xù)分布,符合文獻(xiàn)報(bào)道的市售阿膠的凝膠色譜圖特征。
圖1 左 阿膠不同溫度烘烤后的蛋白質(zhì)GPC圖
圖1 右 阿膠不同溫度烘烤后的FTIR圖
《北京市中藥飲片炮制規(guī)范》(2008 年版)規(guī)定燙制阿膠珠的蛤粉溫度為140 ℃~160 ℃,已有對(duì)于阿膠珠炮制工藝的研究使用的加熱溫度一般為120 ℃~180 ℃[9~11]。故本研究考察了200 ℃以內(nèi)的燙制溫度對(duì)于阿膠蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的影響。如圖1 左所示,在不超過(guò)140 ℃的溫度下加熱20 min,阿膠蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量分布未發(fā)生明顯變化。加熱溫度達(dá)到160 ℃或者更高時(shí),保留時(shí)間25 min附近的最強(qiáng)色譜峰逐漸右移,說(shuō)明蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量呈現(xiàn)整體降低趨勢(shì)。保留時(shí)間45 min 附近的色譜峰在160 ℃加熱時(shí)開始出現(xiàn),加熱溫度越高,該峰強(qiáng)度越大,說(shuō)明該峰可能對(duì)應(yīng)阿膠蛋白質(zhì)的熱解產(chǎn)物。由此推測(cè),若蛤粉溫度為140 ℃~160 ℃,阿膠燙制成珠后的蛋白質(zhì)分子沒(méi)有發(fā)生明顯熱解,相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓未發(fā)生直觀變化。
根據(jù)上一節(jié)的分析,相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓能夠清晰判斷阿膠珠是否炮制太過(guò)(蛋白質(zhì)產(chǎn)生明顯熱解),但對(duì)于炮制終點(diǎn)之前的蛋白質(zhì)性質(zhì)變化并不敏感。理論上說(shuō),即便蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化(此時(shí)相對(duì)分子質(zhì)量不變),其二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)導(dǎo)致紅外光譜上酰胺Ⅰ帶(主要為酰胺鍵C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰)和酰胺Ⅱ帶(主要為酰胺鍵N-H 彎曲振動(dòng)吸收峰)的峰位置、強(qiáng)度或形狀的變化。因此,本研究使用能夠反映蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)差異的紅外光譜,以更加敏銳地評(píng)價(jià)阿膠珠炮制程度。
如圖1右所示,阿膠的紅外光譜中3 281 cm-1為氨基N-H 與羥基O-H 伸縮振動(dòng)吸收峰的疊加,2 923 cm-1和2 853 cm-1為亞甲基C-H反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰,1 744 cm-1為酯羰基C=O伸縮振動(dòng)吸收峰,1 631 cm-1和1 537 cm-1為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶吸收峰,1 450 cm-1為C-H彎曲振動(dòng)吸收峰,1 237 cm-1為C-O伸縮振動(dòng)吸收峰。上述吸收峰中,2 923 cm-1、2 853 cm-1和1 744 cm-1等主要來(lái)自油脂類成分,可以反映阿膠中輔料豆油的多少。1 631 cm-1和1 537 cm-1是蛋白質(zhì)的特征吸收峰,其位置、強(qiáng)度或形狀受到蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[6],阿膠生產(chǎn)過(guò)程中的煎煮等處理步驟可能嚴(yán)重破壞蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),故不同企業(yè)所產(chǎn)阿膠的蛋白質(zhì)構(gòu)象無(wú)明顯差異,均呈無(wú)規(guī)則卷曲狀態(tài)。如圖1右所示,阿膠經(jīng)不同溫度加熱后,酰胺Ⅰ帶沒(méi)有明顯變化,而酰胺Ⅱ帶呈現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象,后者可以反映阿膠蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化程度[12]。未加熱的阿膠酰胺Ⅱ帶位于1 537 cm-1,80 ℃加熱后即明顯紅移至1 525 cm-1。加熱溫度升高到100 ℃~140 ℃時(shí),阿膠酰胺Ⅱ帶紅移至1 520 cm-1附近。加熱溫度升高到160 ℃~200 ℃時(shí),阿膠酰胺Ⅱ帶紅移至1 515 cm-1附近。相對(duì)于蛋白質(zhì),油脂類成分的熱穩(wěn)定性更高,所以加熱溫度不高于140 ℃時(shí),2 923 cm-1、2 853 cm-1和1 744 cm-1等油脂類成分特征峰的位置沒(méi)有發(fā)生改變。加熱溫度高于160 ℃時(shí),2923cm-1和2853cm-1兩個(gè)特征峰發(fā)生藍(lán)移,1744cm-1峰發(fā)生紅移,且1 710 cm-1附近的吸收強(qiáng)度有所增加,顯示一部分甘油三酯可能發(fā)生熱解,產(chǎn)生游離脂肪酸(其羰基C=O伸縮振動(dòng)吸收峰在1 710 cm-1附近)。
綜上所述,根據(jù)凝膠色譜表征的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布,特別是保留時(shí)間25 min 附近色譜峰的位置、保留時(shí)間45 min 附近色譜峰的強(qiáng)度,可以區(qū)分加熱溫度140 ℃、160 ℃的阿膠。根據(jù)紅外光譜表征的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),特別是酰胺Ⅱ帶的峰位置,可以反映阿膠加熱溫度從60 ℃到200 ℃的逐漸升高。
2020 年版《中國(guó)藥典》對(duì)阿膠珠的性狀描述為“呈類球形。表面棕黃色或灰白色,附有白色粉末。體輕,質(zhì)酥,易碎。斷面中空或多孔狀,淡黃色至棕色?!币虼?,本研究從外觀顏色、質(zhì)地、內(nèi)部性狀等角度對(duì)4 種市售阿膠珠的性狀特征進(jìn)行了比較,同時(shí)也對(duì)其溶化性及水分、總灰分含量進(jìn)行了比較,結(jié)果見圖2、表1。結(jié)果可知,阿膠珠A、B、C、D外觀性狀特征均符合2020年版《中國(guó)藥典》要求。
表1 4種市售阿膠珠的性狀特征測(cè)定結(jié)果
圖2 4家企業(yè)生產(chǎn)的阿膠珠
根據(jù)現(xiàn)行《中國(guó)藥典》對(duì)阿膠珠炮制工藝的規(guī)定,阿膠需要先切成1 cm 左右的丁,然后用蛤粉燙至成珠。雖然藥典未明確規(guī)定成品阿膠珠的尺寸,但是可以推測(cè)其直徑應(yīng)不小于1 cm?!渡虾J兄兴庯嬈谥埔?guī)范》[13](2018 年版)規(guī)定阿膠珠“直徑2 ~2.5 cm”,《浙江省中藥飲片炮制規(guī)范》[14](2015 年版)規(guī)定阿膠珠“直徑2 ~4 cm”。由此可知,符合藥典炮制工藝的傳統(tǒng)阿膠珠的直徑一般在2 cm 左右。由圖2 可知,只有阿膠珠A 的炮制工藝可能符合藥典要求。但是阿膠珠A 的內(nèi)部有溏心,未達(dá)到藥典要求的炮制程度。阿膠珠B、C、D 的直徑明顯偏小,內(nèi)無(wú)溏心,說(shuō)明這3種阿膠珠的加熱程度應(yīng)當(dāng)高于阿膠珠A。
由圖2、表1所示,阿膠珠A和B黏附蛤粉較多,故其灰分含量高,對(duì)于顏色、質(zhì)地也有明顯影響。因此,難以從表面顏色、內(nèi)部性狀、質(zhì)地等角度評(píng)價(jià)幾種阿膠珠炮制程度的相對(duì)高低。另外,阿膠珠A和B溶解速度較慢。這可能由于炮制不足導(dǎo)致膨化程度不夠,也可能是由于炮制太過(guò)導(dǎo)致蛋白質(zhì)焦化、難以溶解,還在一定程度上受到蛤粉含量的影響。
由此可知,內(nèi)部是否有溏心能夠直觀評(píng)價(jià)阿膠珠炮制程度,但是這只能判斷是否炮制不及(例如阿膠珠A),不能判斷是否炮制太過(guò)。
由圖3 左所示,阿膠珠D 與其原料阿膠的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓基本一致,在45 min 處沒(méi)有明顯的熱解產(chǎn)物峰。這說(shuō)明阿膠珠D 的炮制過(guò)程未顯著影響蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)。由圖4 可知,烘烤溫度不超過(guò)120 ℃時(shí),所有阿膠珠的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓均無(wú)明顯改變,在45 min 處也無(wú)明顯的熱解產(chǎn)物峰;烘烤溫度達(dá)到180 ℃時(shí),所有阿膠珠的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓均發(fā)生明顯改變,在45 min處出現(xiàn)明顯的熱解產(chǎn)物峰。由此推測(cè),4種阿膠珠所含蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)在炮制過(guò)程中均無(wú)顯著改變,不同阿膠珠蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布輪廓的差異源自其阿膠原料的不同。
圖3 左阿膠與4種市售阿膠珠的蛋白質(zhì)GPC圖
圖3 右阿膠與4種市售阿膠珠FTIR圖
圖4 4種市售阿膠珠不同溫度烘烤后的蛋白質(zhì)GPC圖
如圖3 右所示,阿膠珠A 的最強(qiáng)峰保留時(shí)間約為23 min,阿膠珠B 的最強(qiáng)峰保留時(shí)間約為24 min,阿膠珠C、D 的最強(qiáng)峰保留時(shí)間約為25 min。此外,阿膠珠A、B 在12 ~16 min 區(qū)域的色譜峰強(qiáng)于阿膠珠C、D。這說(shuō)明阿膠珠A的蛋白質(zhì)平均相對(duì)分子質(zhì)量最大,而且阿膠珠A、B 中都有一些相對(duì)分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)。如圖4所示,200 ℃烘烤后阿膠珠A的最強(qiáng)峰保留時(shí)間約為25 min,阿膠珠B、C、D 的最強(qiáng)峰保留時(shí)間位移至27 min 附近。再次說(shuō)明阿膠珠A 的蛋白質(zhì)平均相對(duì)分子質(zhì)量最大。根據(jù)前述性狀特征分析,阿膠珠A 內(nèi)有溏心且溶解速度較慢,這可能與其蛋白質(zhì)平均相對(duì)分子質(zhì)量最大有關(guān)。140 ℃烘烤后阿膠珠B 中已經(jīng)出現(xiàn)45 min 處的熱解產(chǎn)物峰,160 ℃~200 ℃烘烤后阿膠珠B的該峰明顯強(qiáng)于其他阿膠珠。這表明阿膠珠B的蛋白質(zhì)在炮制過(guò)程中的變性程度可能高于其他阿膠珠,故受熱后更易分解。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),烘烤溫度越高,阿膠與阿膠珠樣品越難以在水中溶解。因此,阿膠珠B 的溶解速度較慢,可能由于炮制過(guò)程受熱程度較高所致。根據(jù)上述分析,可以初步推測(cè)炮制過(guò)程中加熱程度最低的為阿膠珠A,加熱程度最高的為阿膠珠B。
如圖3 右所示,阿膠珠D 與其原料阿膠的酰胺Ⅱ帶峰位置有明顯差異,前者在1 537 cm-1,后者在1 522 cm-1,反映了阿膠制珠后蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。根據(jù)“2.2”節(jié)所述的酰胺Ⅱ帶位移規(guī)律,阿膠珠D制備時(shí)的有效加熱溫度可能在100 ℃左右。由于阿膠珠D 的尺寸小于2 cm,故其膨化時(shí)可能不需要將蛤粉預(yù)熱到較高溫度(例如140 ℃~160 ℃)。阿膠珠A、B、C的酰胺Ⅱ帶也都低于1 525 cm-1,但由于未知其所用阿膠原料的紅外光譜,故無(wú)法直接判斷三者制珠前后的酰胺Ⅱ帶位移大小。
本研究假設(shè)阿膠珠炮制過(guò)程中的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化基本為不可逆,若阿膠炮制成珠時(shí)以T 溫度加熱,所得到的阿膠珠再次加熱到不高于T溫度時(shí),其蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)與室溫阿膠珠的差異預(yù)期較小?;谠摷僭O(shè),在未知其阿膠原料的情況下,將不同阿膠珠用相同溫度加熱,比較加熱前后酰胺Ⅱ帶位移大小,可以初步推測(cè)不同阿膠珠在炮制時(shí)的受熱程度高低。如圖5 所示,不同阿膠珠在加熱后的酰胺Ⅱ帶均發(fā)生紅移。根據(jù)“2.4”節(jié)的分析結(jié)果,所有阿膠珠在炮制階段均無(wú)明顯的蛋白質(zhì)熱解,故其等效加熱程度應(yīng)當(dāng)不超過(guò)本研究所用的140 ℃烘烤。比較阿膠珠在室溫與140 ℃烘烤后的酰胺Ⅱ帶位移值,阿膠珠A 為8 cm-1,阿膠珠B 為3 cm-1,阿膠珠C為5 cm-1,阿膠珠D為7 cm-1。由此推測(cè),炮制階段經(jīng)歷的加熱程度最低的是阿膠珠A,加熱程度最高的是阿膠珠B,這亦與“2.4”節(jié)的推測(cè)結(jié)果一致。
圖5 4種市售阿膠珠不同溫度烘烤后的FTIR圖
本研究從性狀特征、蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量、二級(jí)結(jié)構(gòu)等角度,對(duì)4 種市售阿膠珠在炮制階段可能經(jīng)受的加熱程度進(jìn)行了比較分析。初步得出,利用性狀特征以及蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量分布難以直接判斷阿膠珠在炮制階段的加熱程度相對(duì)高低,而根據(jù)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的紅外光譜特征峰,可以直接對(duì)炮制不及、適中到太過(guò)的阿膠珠加熱程度相對(duì)高低進(jìn)行比較。將阿膠珠樣品再次加熱后,根據(jù)蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量與二級(jí)結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)結(jié)果可以間接評(píng)價(jià)阿膠珠的炮制程度,但是操作較復(fù)雜,有一定局限性。綜上所述,紅外光譜法可作為物質(zhì)基礎(chǔ)層面上客觀量化阿膠珠炮制程度的評(píng)價(jià)方法,此法適用于炮制不及、適中到太過(guò)的大范圍樣品評(píng)價(jià)。然而,受到加熱設(shè)備及阿膠丁尺寸等影響,本研究所用加熱條件無(wú)法簡(jiǎn)單移植于阿膠珠生產(chǎn)設(shè)備,故此方法在實(shí)踐中的準(zhǔn)確性和耐用性還需要更多樣品進(jìn)行驗(yàn)證。
蛋白質(zhì)為許多動(dòng)物、植物藥的主體成分。在研究此類藥材的炮制機(jī)制與終點(diǎn)指標(biāo)時(shí),蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量與二級(jí)結(jié)構(gòu)都是值得考慮與嘗試的方面。