低場核磁共振及成像技術(shù)分析天花粉干燥過程中水分變化規(guī)律

任永申，鄭堯，雷蕾，艾嬌，梁帥，鄧鑫，汪蘭

(1中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢 430074；2 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，武漢 430064)

中藥干燥過程是中藥加工的重要環(huán)節(jié)，干燥工藝及終點(diǎn)控制將直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)和療效.目前《中國藥典》收錄品種中90%以上的中藥飲片是干制飲片，然而長期以來對(duì)中藥干制過程及工藝條件設(shè)定不夠重視，對(duì)干燥過程多僅以“陰干/曬干”描述，對(duì)工藝條件無具體要求，對(duì)干燥終點(diǎn)無準(zhǔn)確判定指標(biāo)，嚴(yán)重影響中藥飲片質(zhì)量的一致性、穩(wěn)定性，給中藥安全有效用藥帶來較大的挑戰(zhàn).鑒于當(dāng)前中藥材供應(yīng)來源分散、產(chǎn)地加工條件參差不齊、水分控制模糊等因素，深入開展干制過程中水分變化規(guī)律研究，對(duì)規(guī)范中藥加工過程、科學(xué)界定干制工藝終點(diǎn)、保障中藥材質(zhì)量等具有重要意義.

低場核磁共振(LF-NMR)和磁共振成像(MRI)是利用氫原子核在磁場中的自旋弛豫特性，通過弛豫時(shí)間的變化從微觀的角度解釋樣品中水分的分布變化和遷移情況[1,2].由核磁共振原理可知，樣品中氫質(zhì)子(H)橫向弛豫時(shí)間(T2)因化學(xué)環(huán)境而不同，T2的大小反映樣品中水分自由度的大小，T2越長說明樣品與水分的結(jié)合度越小，流動(dòng)性越大，可用以表征樣品干燥過程中水分的遷移規(guī)律.LF-NMR被公認(rèn)為是調(diào)查各種食物中水的狀態(tài)、流動(dòng)性和分布的有力工具，并可為水遷移提供直接信息，由于可以準(zhǔn)確表征樣品中自由水、半結(jié)合水、結(jié)合水的水分分布狀態(tài)，現(xiàn)已成為水分探測領(lǐng)域的重要新興手段[3-6].

天花粉為葫蘆科植物栝樓TrichosantheskirilowiiMaxim或雙邊括樓TrichosanthesrosthorniiHarms的干燥根，甘、微苦，微寒，歸肺、胃經(jīng)，具有清熱瀉火，生津止渴，消腫排膿的功效，用于熱病煩渴，肺熱燥咳，內(nèi)熱消渴，瘡瘍腫毒[7].天花粉為常用根類藥材，常鮮用或干燥使用；鮮品含水量高，干燥周期長，受干燥條件影響大，自然干燥過程中易發(fā)生復(fù)雜的成分轉(zhuǎn)化或變質(zhì)，但目前尚缺乏對(duì)天花粉干燥過程中水分的狀態(tài)和含量變化的研究.由此，以天花粉為例，采用低場核磁技術(shù)，考察在不同干燥溫度、不同干燥時(shí)間下天花粉水分含量及狀態(tài)(自由水、束縛水分布)的變化規(guī)律，從而為優(yōu)化干燥工藝及準(zhǔn)確界定干燥終點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 藥材、試劑與儀器

新鮮天花粉(栝樓)采集于湖北巴東，經(jīng)鑒定為葫蘆科植物栝樓TrichosantheskirilowiiMaxim的根.

核磁共振成像分析儀(NMI20-025V-1，蘇州紐邁分析公司)，共振頻率21.3 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，線圈直徑25 mm，磁體溫度32 ℃；干燥箱(WGL-2308，天津泰斯特公司).

1.2 天花粉干燥條件

將新鮮天花粉洗凈，剖為四瓣，切成5 mm厚片，每組設(shè)置3個(gè)平行樣本，置于干燥箱中，分別選擇 40、50、60 ℃進(jìn)行干燥.隔一定時(shí)間取樣，稱定，低場核磁檢測、MRI成像檢測(表1).

表1 天花粉干燥工藝及取樣時(shí)間

1.3 低場核磁法測定樣品橫向弛豫時(shí)間

取樣后，將樣品降至室溫后稱量，然后放入永久磁場中心位置的直徑為25 mm的玻璃管中，利用硬脈沖自由感應(yīng)衰減(FID)序列獲得樣品中心頻率，再利用CPMG (carr-purcell- meiboom-gillsquence)脈沖序列測樣品橫向弛豫時(shí)間(T2)，連續(xù)測量3次，取平均值.采用多脈沖回波序列CPMG掃描采集核磁信號(hào)，通過調(diào)整MSE 序列中的選層梯度、相位編碼梯度和頻率編碼梯度，分別獲取樣品俯視和側(cè)視成像數(shù)據(jù)，然后利用sirt算法，迭代次數(shù)為10萬次進(jìn)行反演得到T2譜圖.T2試驗(yàn)主要參數(shù)：主頻 SF=20 MHz，偏移頻率 O1=638 KHz，90 度脈沖時(shí)間P1=8.52 ms，180 度脈沖時(shí)間 P2=16 ms，累加采樣次數(shù) NS=4，回波時(shí)間TE=1 ms，回波個(gè)數(shù) NECH=1500，信號(hào)接收帶寬SW=100 KHz.

1.4 低場核磁共振成像(MRI)檢測

采用多層自旋回波序列(MSE)采集樣品橫斷面的質(zhì)子H質(zhì)子密度圖像，采用MRI成像軟件進(jìn)行核磁共振成像實(shí)驗(yàn).MRI 成像參數(shù)：選層層厚2 mm，層間隙 1.5 mm，重復(fù)時(shí)間300 ms，回波時(shí)間20 ms，頻率編碼方向視野80 mm，相位編碼方向視野80 mm，采集次數(shù)20，頻率方向256，編碼步數(shù)192.

2 結(jié)果與分析

2.1 在50 ℃干燥過程中天花粉水分狀態(tài)變化

通過連續(xù)分布的CPMG弛豫曲線的多指數(shù)擬合獲得的T2弛豫時(shí)間的分布如圖所示.每條曲線是3個(gè)樣本的9次獨(dú)立測量的平均值.按照水分與底物結(jié)合的狀態(tài)，最短弛豫時(shí)間在0.1～10 ms之間的質(zhì)子池T21代表束縛水，弛豫時(shí)間在10～1000 ms之間的質(zhì)子池T22代表自由水，峰積分面積代表其相對(duì)含量[8].樣品的干燥過程中，橫向弛豫時(shí)間T2的大小反映了不同狀態(tài)的水分分布與變化情況，T2越小，水分自由度越小，表明水與所處環(huán)境中的大分子等的結(jié)合越緊密;T2越大，表明水分自由度越大，越容易除去.天花粉50 ℃干燥過程中弛豫時(shí)間T2和峰面積的變化見表2.

從表中可以得出，天花粉在干燥過程中束縛水(T21)和自由水(T22)隨著干燥時(shí)間的延長，水的流動(dòng)性變差，峰面積逐漸變小，說明在干燥過程中天花粉內(nèi)部水分的狀態(tài)和含量都發(fā)生了變化.通過不同的橫向弛豫時(shí)間T2對(duì)應(yīng)的峰面積可以得知天花粉在干燥過程中自由水和束縛水的相對(duì)含量.在干燥初始時(shí)，天花粉中水分含量為64.96%(自由水占比77.79%)；0～0.5 h，自由水的峰面積下降，束縛水的含量基本不變，說明此時(shí)主要干燥的是自由水；0.5～3.5 h，A21和A22都在減小，提示自由水和束縛水的含量都下降；3.5～7.5 h，自由水的含量下降，束縛水的含量上升，提示在干燥過程中，自由水逐漸向束縛水轉(zhuǎn)換，水分與組織的結(jié)合變緊密.7.5～12.5 h，兩種水的含量再次下降，提示在干燥過程中藥材組織逐漸被破壞，組織對(duì)水分的束縛減少，組織中束縛水和自由水逐漸減少，T2向左移動(dòng).干燥結(jié)束時(shí)，水分大部分為束縛水(A21)，少部分為自由水(A22)，水分與組織的結(jié)合變得更加緊密.

表2 天花粉50 ℃干燥過程中弛豫時(shí)間T2和峰面積的變化

2.2 不同干燥溫度的干燥過程中水分含量與形態(tài)變化

干燥溫度和干燥時(shí)間是藥材炮制的重要參數(shù)，對(duì)藥材的品質(zhì)和外觀的形成均有影響.圖1表明，在不同干燥溫度條件下，天花粉的水分狀態(tài)變化規(guī)律相似，橫向馳豫時(shí)間T2逐漸縮短，水分由低熵、低序狀態(tài)的自由水向高能級(jí)、有序狀態(tài)的束縛水移動(dòng)，且干燥溫度越高，天花粉失水越快.干燥12.5 h，40 ℃下天花粉未干燥徹底；50 ℃和60 ℃下，天花粉已接近干燥終點(diǎn).

圖1 不同干燥溫度下天花粉橫向弛豫時(shí)間T2的變化

2.3 天花粉干燥過程中的 MRI 圖像變化

利用 MRI成像技術(shù)獲得的天花粉在干燥過程中H質(zhì)子密度圖像變化，圖中紅色代表的水分含量高，黃色代表水分含量較低，綠色代表水分含量最少(圖2).圖2顯示，在干燥開始時(shí)，天花粉外層先開始失水；隨著干燥時(shí)間的延長，水分減失開始向內(nèi)層延伸；干燥后期，水分僅殘存于內(nèi)層且含量很低，在MRI圖中幾乎不能檢識(shí).MRI圖中的變化和橫向弛豫時(shí)間T2的變化一致，溫度越高，藥材失水越快.

圖2 不同干燥溫度下天花粉的MRI圖

3 結(jié)語

在天花粉干燥過程中，水的流動(dòng)性變差，峰面積逐漸變小，水分由低熵、低序狀態(tài)的自由水向高能級(jí)、有序狀態(tài)的束縛水移動(dòng)；隨著干燥的進(jìn)行，藥材組織逐漸被破壞，組織對(duì)水分的束縛減少，組織中束縛水和自由水逐漸減少；干燥后期，自由水基本消失，只剩下少量的束縛水且束縛水與組織的結(jié)合更加緊密.在實(shí)驗(yàn)條件下，50 ℃和60 ℃能使天花粉較快達(dá)到干燥終點(diǎn)，40 ℃在12.5 h內(nèi)難以達(dá)到干燥狀態(tài)，表明溫度對(duì)干燥過程具有較大影響，提示需要對(duì)傳統(tǒng)使用的藥材“陰干/曬干”模式進(jìn)行研究以確定更為標(biāo)準(zhǔn)的干燥模式.在干燥過程中低場核磁成像(MRI)給出了更加直觀的水分變化規(guī)律，結(jié)果也顯示了飲片由外而內(nèi)的干燥失水過程.兩者都揭示了干燥溫度不同時(shí)，水分的狀態(tài)變化相似，溫度越高，藥材失水越快.本研究初步揭示了天花粉干燥過程中水分的變化規(guī)律.低場核磁共振及成像技術(shù)作為近年來新興的一種研究方法，在水分測定研究中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的與差式掃描量熱法(DSC)、卡爾·費(fèi)休法、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DM-TA)、烘箱干燥等常規(guī)水分分析方法相比[9]，其能夠提供樣品內(nèi)部水分狀態(tài)信息而不會(huì)對(duì)樣品造成干擾，研究結(jié)果更加直觀、數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、檢測更加快捷.該方法的建立為根類藥材炮制方法的優(yōu)化提供了更為直觀的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)支撐.