陳 超,吳惠勤,黃曉蘭,黃 芳,劉夢云
(廣東省科學(xué)院 廣東省測試分析研究所(中國廣州分析測試中心) 廣東省中藥質(zhì)量安全 工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510070)
黃芪為豆科植物蒙古黃芪Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge.var.mongholicus(Bge.) Hsiao 或膜莢黃芪Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge.的干燥根[1]。黃芪甲苷即黃芪皂苷Ⅳ,因具有抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖、抗糖尿病、抗炎等多種藥理活性[2-4],自1995年版《中華人民共和國藥典》開始被作為黃芪藥材質(zhì)量控制的重要指標(biāo)之一。
2015年版《中華人民共和國藥典》[1](以下簡稱《中國藥典》)中黃芪含量測定項(xiàng)下,樣品采用索氏提取,提取液蒸干后用正丁醇萃取和氨試液除雜,正丁醇層蒸干后再利用D101大孔樹脂純化,純化后的溶液蒸干后定容,利用高效液相色譜-蒸發(fā)光檢測器(HPLC-ELSD)測定黃芪皂苷Ⅳ含量。與《中國藥典》相比,《香港中藥材標(biāo)準(zhǔn)》[5](以下簡稱《港標(biāo)》)對黃芪皂苷Ⅳ的測定方法更為簡便,采用甲醇超聲提取,用氨試液溶解提取物后再用水飽和的正丁醇萃取,測得的黃芪皂苷Ⅳ含量與《中國藥典》法測得的含量無顯著性差異[6-7]?!吨袊幍洹泛汀陡蹣?biāo)》對黃芪藥材中黃芪皂苷Ⅳ含量測定的前處理過程中均使用氨試液,但堿性溶液在去除黃酮等酚酸類物質(zhì)的同時,會引起其他皂苷類成分脫掉乙酰基或丙二?;鵞8]而轉(zhuǎn)化為黃芪皂苷Ⅳ,如黃芪皂苷Ⅰ和Ⅱ、異黃芪皂苷Ⅰ和Ⅱ、乙酰黃芪皂苷Ⅰ等[9];不同的堿處理方法和處理時間的長短均會影響黃芪皂苷Ⅳ的得率[10-11]?!吨袊幍洹泛汀陡蹣?biāo)》測得的黃芪皂苷Ⅳ含量并不是黃芪藥材中原始的含量,而是包含了其他黃芪皂苷類成分在堿性溶液中水解后的含量。由于氨試液振搖時間和振搖后放置時間均未明確規(guī)定,在實(shí)驗(yàn)過程中因檢測人員操作的差異性,導(dǎo)致黃芪皂苷Ⅳ同系物水解不完全,使得黃芪皂苷Ⅳ的重復(fù)性不佳[12],影響了對藥材進(jìn)行準(zhǔn)確的質(zhì)量評價。
目前,關(guān)于黃芪藥材中黃芪皂苷Ⅳ含量測定的方法主要有薄層掃描法、分光光度法、近紅外光譜法和HPLC法,其中HPLC-ELSD法最為常見。黃艷偉等[13]采用加速溶劑萃取法(ASE)減少了溶劑用量和提取時間,王玉等[14]采用Box-Behnken設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法優(yōu)化了黃芪藥材提取工藝中的乙醇濃度、提取時間和提取次數(shù),這些文獻(xiàn)中關(guān)于黃芪皂苷Ⅳ的凈化過程均采用《中國藥典》方法。此外,有文獻(xiàn)[15]采用在線固相萃取(SPE)-液相色譜法結(jié)合電霧式檢測器(CAD),將黃芪藥材用0.1 mol/L 氫氧化鉀-甲醇提取后,直接用其特有的裝置進(jìn)行含量測定,自動化程度高,確保了黃芪皂苷Ⅳ的提取率和重現(xiàn)性,但使用SPE柱加大了檢測成本。液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)法具有高靈敏度和選擇性,可以簡化樣品前處理過程,提高分析效率,適用于復(fù)雜樣品中微量成分的檢測。夏義平等[16]用堿性溶液提取藥材,調(diào)至中性后直接采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS)法測定黃芪中黃芪皂苷Ⅳ的含量,測定結(jié)果包含了轉(zhuǎn)化后的黃芪皂苷Ⅳ。
本文采用UPLC-MS/MS法考察了不同提取方式和凈化操作對黃芪藥材中游離黃芪皂苷Ⅳ提取率的影響,并利用具有超高分辨率的傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(FT-ICR-MS)分析其相關(guān)成分的差異性。本研究還闡明了4種黃芪皂苷Ⅳ同系物之間的轉(zhuǎn)化途徑,確定了導(dǎo)致《中國藥典》測定結(jié)果不穩(wěn)定的原因,優(yōu)化了含量測定的方法,最終建立了一種穩(wěn)定、高效的黃芪藥材中游離黃芪皂苷Ⅳ含量測定方法,可為準(zhǔn)確評價黃芪藥材質(zhì)量提供重要依據(jù)。
Agilent 1290 Infinity Ⅱ UPLC/6470 QQQ 超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Agilent公司);Agilent 1290 Infinity Ⅱ/Solarix 7.0 T 傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(美國Agilent公司/德國Bruker公司);AS 3120超聲波發(fā)生器(天津奧特賽恩斯儀器有限公司);HH-2型恒溫水浴鍋(常州澳華儀器有限公司);FCE-3000索氏提取器(上海喬躍電子有限公司);賽多利斯TP-114電子天平(美國Sartorious公司);D101型大孔吸附樹脂(東鴻化工有限公司);黃芪甲苷(黃芪皂苷Ⅳ)對照品(中國食品藥品檢定研究院,批號:110781-201717,含量:96.9%);乙腈(色譜純,德國Merck公司);甲酸(LC-MS級,美國Thermo Fisher Scientific公司);實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水,其余試劑均為分析純。
實(shí)驗(yàn)所用黃芪藥材(Y1、Y2和Y3)均為客戶委托送檢樣品,產(chǎn)地為甘肅,經(jīng)專家鑒定為蒙古黃芪Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge.var.mongholicus(Bge.) Hsiao(Y1和Y2)或膜莢黃芪Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge.(Y3)的干燥根。
精密稱取黃芪皂苷Ⅳ對照品適量,加甲醇溶解并定容,得198 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液;準(zhǔn)確移取一定量標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,用甲醇配制質(zhì)量濃度為0.387 0、0.774 0、1.548、3.095、6.190、12.38、24.75 mg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)工作液。
將藥材粉碎后過四號篩(65目,國家標(biāo)準(zhǔn)R40/3系列),精密稱取樣品粉末2 g,提取溶劑為甲醇,將直接提取后的溶液和提取后除雜的溶液過濾后,經(jīng)UPLC-MS/MS檢測,外標(biāo)法定量分析。
1.3.1 提取方式考察考察3種提取方式:A、將樣品粉末置于索氏提取器中,用甲醇冷浸過夜,索氏提取(85 ℃) 4 h,定容至100 mL;B、將樣品粉末置于索氏提取器中,用甲醇直接提取(85 ℃)5 h,定容至100 mL;C、超聲提取3次,每次加50 mL甲醇,提取時間分別為1、1、0.5 h,將提取液合并濃縮后定容至100 mL。按上述提取方式制備提取液,過濾后待測。
1.3.2 凈化過程考察選擇Y1樣品粉末按提取方式B進(jìn)行提取,考察兩個提取溫度(85、95 ℃),每個溫度做4個平行樣,提取溶液均定容至100 mL,取0.5 mL過濾后待測(溶液a);剩余溶液蒸干后按《中國藥典》要求,殘?jiān)?0 mL水,微熱使其溶解,用水飽和的正丁醇振搖提取4次,每次40 mL,分別合并上層正丁醇液;分別將同一提取溫度下的2個平行樣,直接蒸干正丁醇層(溶液b);剩余2個平行樣,將正丁醇層用氨試液充分洗滌2次,每次40 mL,棄去下層氨液,正丁醇層蒸干(溶液c);蒸干后(蒸干溫度為95 ℃)的平行樣,分別用甲醇定容至100 mL。
色譜條件:色譜柱:Agilent HPH C18(50 mm×2.1 mm,1.9 μm);柱溫:35 ℃;流動相:0.1%甲酸水溶液(A)-乙腈(B);進(jìn)樣量:1 μL;流速:0.35 mL/min;梯度洗脫程序:0~10 min,10%~32% B;10~15 min,32% B;15~20 min,32%~90% B;20~20.5 min,90%~10% B;20.5~22 min,10% B。
低分辨質(zhì)譜條件:AJS 電噴霧離子源(ESI)正離子模式;干燥氣溫度:325 ℃;干燥氣流速:10 L/min;鞘氣溫度:350 ℃;鞘氣流速:11 L/min;霧化氣壓力:275.8 kPa(40 psi);碎片電壓:120 V;碰撞能量:12 eV;檢測方式:多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM);定量離子對:m/z785.6→143.2;定性離子對:m/z785.6→ 473.3。
高分辨質(zhì)譜條件:正或負(fù)離子模式;掃描范圍:m/z100~1 500;噴霧氣壓力:80 kPa;干燥氣流速:7 L/min;干燥氣溫度:250 ℃;毛細(xì)管入口電壓:4.0 kV;錐孔電壓:20 V;采樣大小為2 M(兆);累積時間為0.1 s;儀器進(jìn)樣前需用三氟乙酸鈉進(jìn)行校準(zhǔn),數(shù)據(jù)采集后根據(jù)已知成分的精確分子質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)再校準(zhǔn),以確保質(zhì)譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
表1 不同提取方式(直接測定提取液)下 游離黃芪皂苷Ⅳ的含量Table 1 Content of free astragaloside Ⅳ under different extraction methods(direct determination of the extracts)
李煥娟等[17]對比了本文中的3種提取方式,結(jié)果表明回流提取法測得的黃芪皂苷Ⅳ含量較高。但該文獻(xiàn)仍按照《中國藥典》方法,采用了正丁醇萃取和氨試液除雜過程。本研究選取3批黃芪藥材,按《中國藥典》方法測定黃芪皂苷Ⅳ的含量:Y1(含0.073%)和Y3(含0.081%)樣品合格,Y2(含0.019%)樣品不合格??疾臁?.3.1”中3種提取方式對黃芪皂苷Ⅳ提取率的影響,采用“1.4”方法測定含量。由表1可知,按《中國藥典》方法提取純化后總黃芪皂苷Ⅳ含量是直接提取后游離黃芪皂苷Ⅳ含量的5~15倍。提取方式B測定的含量最高,說明浸泡過夜不影響提取率,而提取時間直接影響提取次數(shù),提取次數(shù)才是影響提取率的關(guān)鍵因素。提取方式C測得的含量較低,說明超聲提取的提取率較低。相比之下,采用索氏提取法可避免繁瑣操作給定量分析帶來的誤差。因此,本研究確定最優(yōu)提取方法為方式B:采用索氏提取法,用甲醇于85 ℃提取5 h。
按“1.3.2”對Y1樣品進(jìn)行凈化過程的影響考察,結(jié)果顯示(見表2),直接提取后(溶液a)和繼續(xù)用正丁醇萃取后(溶液b)黃芪皂苷Ⅳ的測定結(jié)果無顯著性差異,說明蒸干提取液、正丁醇萃取和蒸干正丁醇萃取液(不加氨試液除雜)過程,均不會引起其他皂苷類成分的轉(zhuǎn)化,也不會使溶液中游離黃芪皂苷Ⅳ降解。而正丁醇萃取后再用氨試液除雜(溶液c),測得的結(jié)果顯著升高,與《中國藥典》方法測定的結(jié)果一致,表明氨試液除雜過程會提高黃芪皂苷Ⅳ的測定結(jié)果。
表2 Y1樣品不同凈化過程下黃芪皂苷Ⅳ的含量Table 2 Contents of astragaloside Ⅳ in Y1 sample under different purification processes
觀察不同提取溫度下索氏提取的回流情況,發(fā)現(xiàn)95 ℃下回流速度是85 ℃的1.5倍,因此相同時間內(nèi)提取溫度越高,提取次數(shù)越多。由表2可知,溶液c在85 ℃和95 ℃下提取5 h的結(jié)果無顯著性差異,可推斷這兩個提取溫度不會影響轉(zhuǎn)化后總黃芪皂苷Ⅳ的含量;而溶液a和b的結(jié)果有顯著性差異,說明提取溫度會影響樣品中游離黃芪皂苷Ⅳ的含量。因此,選擇索氏提取溫度為95 ℃,對游離黃芪皂苷Ⅳ的提取率更高。
將上述95 ℃下提取的溶液a、b和c分別用UPLC-FT-ICR-MS高分辨質(zhì)譜進(jìn)行分析,每個溶液重復(fù)測定3次,并分別采集正、負(fù)離子模式下的總離子流(TIC)圖。從負(fù)離子模式下的TIC圖(見圖1)可見有4個峰的強(qiáng)度變化顯著,其中與對照品的保留時間及其精確分子質(zhì)量比對后確認(rèn):1號峰為毛蕊異黃酮葡萄糖苷(4.1 min,C22H22O10,理論精確分子質(zhì)量為:491.118 40[M+HCOO]-/937.239 70[2M+HCOO]-);2號峰為黃芪皂苷Ⅳ(12.7 min,C41H68O14,理論精確分子質(zhì)量為:829.458 01[M+HCOO]-);將精確分子質(zhì)量、保留時間及其碎片離子與相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行比較,3號、4號和5號峰分別指認(rèn)為黃芪皂苷Ⅱ(15.1 min,C43H70O15,理論精確分子質(zhì)量為:871.468 58[M+HCOO]-)、黃芪皂苷Ⅰ(16.8 min,C45H72O16,理論精確分子質(zhì)量為:913.47814[M+HCOO]-)和丙二酰黃芪皂苷Ⅰ(17.3 min,C48H74O19,理論精確分子質(zhì)量為:953.474 06[M-H]-)。
圖1 提取溫度為95 ℃時不同凈化過程的TIC圖和EIC圖Fig.1 Total ion chromatograms and extracted ion chromatogram of different purification processes at the extract temperature of 95 ℃ solution a:after direct extraction;solution b:after n-butanol extraction;solution c:after impurity removal by ammonia solution
比較相對峰強(qiáng)度后,發(fā)現(xiàn)黃芪皂苷Ⅱ在溶液b中的相對含量增加,而在溶液c中的相對含量降低,說明有些成分不穩(wěn)定受熱易水解為黃芪皂苷Ⅱ,黃芪皂苷Ⅱ在堿性條件下也會水解。丙二酰黃芪皂苷Ⅰ在正丁醇萃取后(溶液c)的含量顯著降低,說明其在中性條件下不穩(wěn)定。相比其他成分,黃芪皂苷Ⅰ在溶液a中的相對含量最高,在氨試液洗滌后其相對含量顯著降低,同時黃芪皂苷Ⅳ含量顯著升高,由此可認(rèn)為黃芪皂苷Ⅰ轉(zhuǎn)化為黃芪皂苷Ⅳ的貢獻(xiàn)最大。史靜超等[18]分別測定了16批蒙古黃芪中4種主要皂苷的含量,其前處理過程僅用甲醇索氏提取,結(jié)果發(fā)現(xiàn)黃芪皂苷Ⅰ和黃芪皂苷Ⅱ的含量均較高,其中黃芪皂苷Ⅰ的含量最高,約為黃芪皂苷Ⅳ的10~30倍,其結(jié)論與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Chu等[9]研究發(fā)現(xiàn),中性條件下,丙二酰黃芪皂苷Ⅰ會部分水解為黃芪皂苷Ⅰ;堿性條件下,黃芪皂苷Ⅱ、黃芪皂苷Ⅰ和丙二酰黃芪皂苷Ⅰ均會部分水解為不含?;狞S芪皂苷Ⅳ,而丙二酰黃芪皂苷Ⅰ還會部分水解為黃芪皂苷Ⅱ。從唐冕等[19]總結(jié)的化學(xué)成分可知,黃芪藥材中存在大量含有?;脑碥疹惓煞?,而堿處理過程會導(dǎo)致上述成分脫掉?;鉃槠渌煞?,從而不能反映黃芪藥材中原始成分的情況。因此,在研究黃芪藥材中原始成分時,提取工藝不能加堿液,且在保證有效提取率的情況下,應(yīng)盡量縮短提取時間;為提高黃芪藥材中藥效成分黃芪皂苷Ⅳ的含量,可考慮用適當(dāng)?shù)膲A液對其進(jìn)行炮制。
結(jié)合本研究的結(jié)果,得到其轉(zhuǎn)化途徑如圖2所示。目前已報道[20-21]黃芪藥材中存在黃芪皂苷Ⅰ、異黃芪皂苷Ⅰ和新黃芪皂苷Ⅰ這3個乙?;谀咎巧先〈恢貌煌漠悩?gòu)體,而黃芪皂苷Ⅱ(乙?;谀咎巧系?位)的異構(gòu)體只報道了1個為異黃芪皂苷Ⅱ(乙?;谀咎巧系?位)。對溶液c提取黃芪皂苷Ⅱ?qū)?yīng)的離子,得到的提取離子(EIC)圖(見圖1)中存在分離度較好的3個峰,因此可推斷黃芪藥材中還存在1個乙?;谀咎巧?位的黃芪皂苷Ⅱ異構(gòu)體,將其命名為新黃芪皂苷Ⅱ。
圖2 中性或堿性條件下4種黃芪皂苷之間的轉(zhuǎn)化途徑Fig.2 The proposed transformation pathways between the four kinds of astragaloside in neutral and alkaline solutions
采用主成分分析(PCA)對上述UPLC-FT-ICR-MS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,在95%的置信區(qū)間下,根據(jù)PCA得分圖(圖3A)和荷載圖(圖3B)所示,溶液a、b和c的數(shù)據(jù)點(diǎn)被清晰分離。其中溶液a和b均落在負(fù)相關(guān)區(qū)域,而溶液c處于正相關(guān)區(qū)域,說明正丁醇萃取除去的成分相對較少,氨試液洗滌除去的成分相對較多。根據(jù)質(zhì)荷比的偏離程度(圖3B),得到主要影響得分結(jié)果的質(zhì)荷比分別為:m/z491.12(毛蕊異黃酮葡萄糖苷)、829.46(黃芪皂苷Ⅳ)、871.47(黃芪皂苷Ⅱ)、913.48(黃芪皂苷Ⅰ),該結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了上述4種成分為溶液a、b和c的主要差異性成分。毛蕊異黃酮葡萄糖苷是黃酮類成分,易溶于堿性溶液,因而正丁醇層的毛蕊異黃酮葡萄糖苷會被氨試液洗滌后除去。
將質(zhì)量濃度為1.0 mg/L的黃芪皂苷Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)溶液在正、負(fù)離子模式下分別進(jìn)行質(zhì)譜一級全掃描,選出基峰強(qiáng)度較高的母離子進(jìn)行二級質(zhì)譜分析,最后選擇在正離子模式下[16]進(jìn)行條件優(yōu)化。黃芪皂苷Ⅳ的[M+Na]+峰m/z807.5響應(yīng)較高,但選定該母離子做二級質(zhì)譜時,找不到響應(yīng)較高的定性和定量離子。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇[M+H]+峰m/z785.6為MRM掃描的母離子,以響應(yīng)較高的m/z143.2為定量離子,以m/z473.3為定性離子。此條件下,黃芪皂苷Ⅳ的低分辨質(zhì)譜圖及特征碎片結(jié)構(gòu)如圖4所示。
本實(shí)驗(yàn)選擇乙腈-水流動相體系,由于流動相中加入甲酸有助于[M+H]+的形成,可提高響應(yīng)并改善峰形[22],因此考察了水相分別添加0.1%甲酸和10 mmol/L甲酸銨對待測物分離效果和響應(yīng)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,水相中加入0.1%甲酸后,黃芪皂苷Ⅳ的峰形相對較好,且靈敏度高,故選擇乙腈-0.1%甲酸水溶液作為流動相。
考察了不同型號的3種C18色譜柱Agilent Poroshell 120 EC-C18(3.0 mm×100 mm,2.7 μm)(柱A)、Agilent Poroshell 120 SB-C18(100 mm×2.1 mm,2.7 μm)(柱B)和Agilent HPH C18(50 mm×2.1 mm,1.9 μm)(柱C)的分離效果。結(jié)果顯示,在一定梯度洗脫程序下,這3種色譜柱均能得到很好的分離效果,而使用色譜柱C所需分析時間最短,因此選擇Agilent HPH C18(50 mm×2.1 mm,1.9 μm)作為本方法的分離柱。
按照“1.4”條件對配制的系列標(biāo)準(zhǔn)工作液進(jìn)行UPLC-MS/MS測定,以對照品的質(zhì)量濃度(x,mg·L-1)為橫坐標(biāo),所得峰面積(y)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示黃芪皂苷Ⅳ在0.387 0~24.75 mg/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系,回歸方程為y=3 633x-543,相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 8。以信噪比S/N=3計(jì)算檢出限(LOD)為1.0 mg/kg;以信噪比S/N=10計(jì)算定量下限(LOQ)為3.0 mg/kg。
取Y1樣品,分別進(jìn)行低、中、高3個濃度水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),索氏提取前,分別準(zhǔn)確加入198 mg/L的黃芪皂苷Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液0.2、1、5 mL,在95 ℃下用甲醇索氏提取5 h,提取溶液均定容至100 mL;另取6份Y1樣品,采用上述提取條件進(jìn)行精密度實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示,低、中、高3個加標(biāo)水平下的回收率為94.5%~105%,6份平行樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.4%,表明該方法具有較好的準(zhǔn)確度和精密度,適用于黃芪藥材中黃芪皂苷Ⅳ的含量測定。
本研究發(fā)現(xiàn)黃芪皂苷Ⅳ含量測定的前處理過程中氨試液除雜會導(dǎo)致大量黃芪皂苷Ⅳ同系物水解為黃芪皂苷Ⅳ,從而顯著提高黃芪皂苷Ⅳ的含量。其中,甲醇直接提取測得的黃芪皂苷Ⅰ相對含量最高,且在堿處理后可徹底水解為具有多種藥理活性的黃芪皂苷Ⅳ。按2015年版《中國藥典》測定的不是游離黃芪皂苷Ⅳ,還包含其他皂苷類成分水解后的含量。此外,還發(fā)現(xiàn)黃芪藥材中存在目前尚未報道的黃芪皂苷Ⅱ異構(gòu)體,將其命名為新黃芪皂苷Ⅱ。本研究建立的黃芪藥材中游離黃芪皂苷Ⅳ含量的測定方法,具有操作簡單、靈敏度高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),可準(zhǔn)確反映黃芪藥材的質(zhì)量情況。