刺五加水煎煮提取動(dòng)力學(xué)模型的建立

韓林辛， 倪 鍵*， 玄 律， 竇津晶

(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，北京 100102;2.北京市海淀區(qū)北太平莊醫(yī)院，北京 100088)

中藥在提取過程中的質(zhì)量參數(shù)、工藝參數(shù)、物料參數(shù)等是影響成品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，而有效成分的浸出量也因上述條件的不同而存在差異。本文研究了中藥刺五加提取過程的一些關(guān)鍵因素對(duì)有效成分含量的影響，對(duì)其隨提取時(shí)間、溶劑倍量和藥材粒度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了刺五加提取動(dòng)力學(xué)模型，并通過提取實(shí)驗(yàn)對(duì)該模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 中藥提取動(dòng)力學(xué)模型的推導(dǎo)

為提高中藥提取效率，應(yīng)對(duì)藥材有效成分的提取過程進(jìn)行定量研究和分析［1］，可將數(shù)學(xué)模擬方法應(yīng)用于提取過程進(jìn)行研究［2］。中草藥有效成分提取過程的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)從藥材固體向溶劑中的傳質(zhì)過程［3］。一般地說來，植物性藥材煎煮過程可由三個(gè)步驟組成［4］:第一步，溶劑向藥材內(nèi)部滲透;第二步，溶質(zhì)溶解到固液界面上;第三步，溶質(zhì)從固液界面向溶劑主體擴(kuò)散。一般地，浸提時(shí)溶劑的滲透和溶質(zhì)的溶解進(jìn)行的較快［5］。按照動(dòng)力學(xué)定律，在煎煮溶劑中，藥材中的溶質(zhì)溶解速率很大，使溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到溶液中去也是很快的，而擴(kuò)散作用的進(jìn)行卻慢得多。因此對(duì)煎煮速率具有決定性影響的是擴(kuò)散作用，而不是溶解速率，即多數(shù)情況下第三步為煎煮過程的控制因素。

由Fick第一定律可得:

其中dnB/dt為溶質(zhì)B的擴(kuò)散速率，dCB/dx為溶質(zhì)B的濃度梯度，S為固液界面積，nB為溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，D為擴(kuò)散系數(shù)。

根據(jù)希格比傳質(zhì)穿透模型理論，可近似認(rèn)為以藥材顆粒為一個(gè)傳質(zhì)單元，液相主體中小團(tuán)液體m借助藥材沸騰后的湍流渦旋運(yùn)動(dòng)由A點(diǎn)走向二相界面B點(diǎn)，并在界面上移動(dòng)一段距離后到達(dá)C點(diǎn)，然后脫離界面達(dá)到D點(diǎn)。這樣液團(tuán)m在界面上停留ts秒中，固相中可溶性成分不斷擴(kuò)散溶解到液團(tuán)m中，形成了一個(gè)不穩(wěn)定的傳質(zhì)過程。也可以這樣認(rèn)為，當(dāng)藥材粉碎顆粒在液相中上浮時(shí)，一液團(tuán)m可以先與氣泡頂部某處界面接觸。隨著藥材顆粒向上運(yùn)動(dòng)或其它維向運(yùn)動(dòng)，固液界面不斷更新，藥材顆粒中的可溶性成分不斷溶入液相主體中直到平衡。見圖1。

圖1 傳質(zhì)過程圖解

上述過程，可近似地用下面一維不穩(wěn)定傳質(zhì)方程表示:

為求解上述方程，可取一新變量

代入(1)式，用η代替(1)式中t與x得

邊界條件:

C10為藥材的初始濃度即溶液沸騰時(shí)溶液中溶質(zhì)的濃度，C1b為溶液主體濃度即沸騰是溶質(zhì)藥材的濃度。C1b－C10應(yīng)當(dāng)為藥材的有效成分濃度。

得:

由此得:

將(6)式微分得在x=0處，時(shí)間為t時(shí)

濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響不大，而對(duì)濃溶液，擴(kuò)散系數(shù)則是濃度的函數(shù)［6］。根據(jù)林亞平［7］等研究，認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)與溶液濃度的冪成正比，即

其中D0是一個(gè)僅與溶質(zhì)性質(zhì)和溫度等有關(guān)的的常數(shù)，稱之為溶質(zhì)的固有擴(kuò)散系數(shù)。

由nB=VCB，將(9)式代入到(8)中，得:

將(7)式代入(2)式中得:

則(10)變形為:

積分得:

煎煮過程中，一般把藥材粉碎成顆粒狀，以提高有效成分的提取率，假定藥材顆粒為小圓柱形，藥材顆粒數(shù)為ω，顆粒粒度為σ1，高為σ2，藥材總的干質(zhì)量為G，密度為ρ，則有:

(13)與(14)式相比得:

如果不計(jì)因蒸發(fā)而引起的溶劑蒸發(fā)。此時(shí)溶劑倍量可以用下式表示:

其中R為藥材充分吸收吸濕所需水體積與干的藥材質(zhì)量之比

(16)與(17)聯(lián)立得:

將(18)式代入(12)式得:

1

則(19)化簡(jiǎn)為:

(20)式即為本次推導(dǎo)出得的中藥煎煮過程的動(dòng)力學(xué)模型，它表示了煎煮出的有效成分濃度與溶劑倍量、顆粒粒度及煎煮時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系。

(1)若只改變煎煮時(shí)間時(shí)，對(duì)(20)取對(duì)數(shù)可得:

(2)若只改變顆粒粒度，對(duì)(20)取對(duì)數(shù)可得:

(3)若只改變?nèi)軇┍读浚瑢?duì)(20)取對(duì)數(shù)可得:

2 試驗(yàn)研究［9］

2.1 儀器與試藥

刺五加藥材(市售)(劉春生副教授鑒定 北京中醫(yī)藥大學(xué)生藥系);刺五加苷B對(duì)照品(A0253)、刺五加苷E對(duì)照品(A0254)(購自北京嘉信眾義科技有限公司);島津LC－20AT高效液相色譜儀，四元泵，DAD檢測(cè)器。甲醇、乙腈為色譜純(生產(chǎn)于北京化工廠)，水為高純水，其余試劑均為分析純。

2.2 刺五加苷有效成分含量測(cè)定方法

2.2.1 測(cè)定方法 刺五加根和根莖中的主要成分為酚苷類化合物，是主要的生物活性成分［10］，其中刺五加苷B、E為主要有效成分［11］，以刺五加藥材中的刺五加苷B和刺五加苷E含量之和為指標(biāo)，測(cè)定刺五加藥材的有效成分含量。液相色譜條件為:色譜柱:Intersil ODS C18(5 μm 150 ×4.6 mm)，流動(dòng)相 A為乙腈，B為水，梯度洗脫:0～11 min:A(10%)，B(90%);11.1 ～25 min:A(15%)，B(85%);25.1～35 min:A(10%)，B(90%)。檢測(cè)波長:刺五加苷B為264 nm，刺五加苷E為206 nm。柱溫:35℃。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線 分別將刺五加苷B對(duì)照品和刺五加苷E對(duì)照品溶于甲醇制成對(duì)照品溶液，用上述液相色譜條件繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程為:刺五加苷 B:Y=2 574 140X+14 075，r=0.999 2，刺五加苷B 在0.03 μg～0.23 μg范圍內(nèi)線性關(guān)系良好;刺五加苷 E:Y=5 020 944X+534，r=0.999 6，刺五加苷E在0.04 μg～0.26 μg范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。式中x為進(jìn)樣量，單位為μg，y為峰面積。

2.2.3 精密度試驗(yàn) 精密吸取對(duì)照品溶液10 μL，重復(fù)進(jìn)樣6次，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為0.66%、0.52%。實(shí)驗(yàn)證明精密度良好。

2.2.4重復(fù)性試驗(yàn) 取同一批號(hào)樣品，分別制備6份樣品供試液，測(cè)得峰面積值并計(jì)算含量，結(jié)果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為2.72%、2.32%。實(shí)驗(yàn)證明重復(fù)性良好。

2.2.5 穩(wěn)定性試驗(yàn) 精密吸取同一供試品溶液10 μL，分別于配制后 0、2、4、8、12、24、48 h 進(jìn)樣，測(cè)得峰面積值，結(jié)果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為0.86%、1.28%。實(shí)驗(yàn)證明穩(wěn)定性良好。

2.2.6 回收率試驗(yàn) 精密稱取含量已知的刺五加樣品6份，每份約0.5g，分別精密加入適量刺五加苷B和刺五加苷E對(duì)照品，按樣品溶液的制備項(xiàng)下操作，進(jìn)行HPLC分析平均回收率。結(jié)果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為2.23%、2.47%。詳見表1。

2.3 刺五加水煎煮提取實(shí)驗(yàn)

2.3.1 干藥材吸溶劑率的測(cè)定 取不同質(zhì)量的刺五加藥材顆粒分別置與燒杯中，分別向其中緩緩加入水，直至藥材充分吸濕，記錄溶劑體積，結(jié)果見表2。

將四組數(shù)據(jù)所得結(jié)果求平均值得藥材的吸溶劑率R=2.37 mL/g。

2.3.2f1的測(cè)定與計(jì)算

表1 回收率試驗(yàn)結(jié)果

表2 藥材充分吸濕所需要溶劑體積

2.3.3 刺五加水煎煮提取方法 采用三口圓底燒瓶，電熱套加熱進(jìn)行水煎煮提取，為減少水分蒸發(fā)，安裝冷凝回流裝置?？紤]到刺五加材質(zhì)堅(jiān)硬，將其粉碎過細(xì)不適于中試生產(chǎn)，故本實(shí)驗(yàn)固定粒度因素(σ1=296.25 μm)，實(shí)驗(yàn)考察藥材提取時(shí)間(以t表示)，固液比(以M表示)兩因素對(duì)有效成分含量的影響。

2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.4.1 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響 升高溫度能加快分子運(yùn)動(dòng)，提高分子擴(kuò)散速率，從而可以提高提取速率，提高有效成分的提取率［12］。采用高效液相色譜法測(cè)定上述實(shí)驗(yàn)條件下有效成分的濃度，結(jié)果見表3。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做lnCB～lnt曲線，考察煎煮出的有效成分濃度是否遵守(21)式，結(jié)果見圖2。

由圖線性回歸可得，當(dāng)M=8 mL/g，σ=296.25 μm時(shí)，線性回歸方程為y=0.054 9x－2.904 9，R2=0.994 7;當(dāng)M=10 mL/g，σ =296.25 μm 時(shí)，線性回歸方程為y=0.054 4x－2.933 1，R2=0.991 9;當(dāng)M=14 mL/g，σ =296.25 μm 時(shí)，線性回歸方程為y=0.054 4x－ 2.942，R2=0.998 8;當(dāng)M=16 mL/g，σ =296.25 μm 時(shí)，線性回歸方程為y=0.054 4x－ 2.962 3，R2=0.998 6。在上述理論推導(dǎo)中，若只改變煎煮時(shí)間，則理論方程可以轉(zhuǎn)化為

表3 提取時(shí)間對(duì)提取率影響

圖2 提取時(shí)間對(duì)有效成分濃度影響

2.3.4.2 溶劑倍量M對(duì)提取的影響 采用高效液相色譜法測(cè)定各實(shí)驗(yàn)條件下刺五加苷B和E的濃度，結(jié)果見表4。

表4 溶劑倍量對(duì)提取影響

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做lnC～ln(M－R)曲線，考察煎煮出的有效成分濃度是否遵守(23)式，結(jié)果見圖3。

圖3 溶劑倍量對(duì)提取影響

由圖2，圖3看出，lnCB～ lnt與lnCB～ln(M－R)均成較好的線性關(guān)系，因此可以認(rèn)為，水煎煮提取刺五加中刺五加苷B和刺五加苷E的過程，基本與所建立的動(dòng)力學(xué)理論模型相吻合。

2.3.4 方程的建立

各a和n值求均值得a=3.98×10－9，n=－8.580 1，將兩者代入(20)式中，求得本次研究所建立的刺五加水煎煮提取過程動(dòng)力學(xué)模型:

3 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了在不同溶劑倍量和不同提取時(shí)間條件下，水煎煮提取刺五加中刺五加苷B和刺五加苷E的濃度變化情況，建立了動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在單因素變化的情況下，lnC對(duì)lnt和ln(M－R)均成線性關(guān)系，符合本模型。

但應(yīng)指出，本次建立的動(dòng)力學(xué)模型是從工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際操作出發(fā)，其他溫度條件對(duì)刺五加苷動(dòng)力學(xué)方程的影響有待進(jìn)一步研究。

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