基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)制模型的丹參提取動(dòng)力學(xué)研究

陳澤麒，謝欣媛，陳思銘，傅 豪，瞿海斌*

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)制模型的丹參提取動(dòng)力學(xué)研究

陳澤麒1, 2，謝欣媛1, 2，陳思銘1, 2，傅 豪1, 2，瞿海斌1, 2*

1. 浙江大學(xué)藥學(xué)院，藥物信息學(xué)研究所，浙江 杭州 310058 2. 組分中藥國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江大學(xué)交叉創(chuàng)新中心，浙江 杭州 310058

獲取丹參提取過程知識(shí)，提高丹參提取工藝質(zhì)量控制水平?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)制模型考察丹參提取過程中丹酚酸的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。首先基于機(jī)制模型，獲得不同工藝條件下丹酚酸的提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)，再通過響應(yīng)曲面法建立工藝參數(shù)與提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)間關(guān)系。建立了丹酚酸B（salvianolic acid B，SAB）、丹酚酸E（salvianolic acid E，SAE）、紫草酸（lithospermic acid，LA）、丹酚酸A（salvianolic acid A，SAA）和丹參素（salvianic acid，DSS）5個(gè)成分的提取動(dòng)力學(xué)模型。模型驗(yàn)證結(jié)果丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素峰面積的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)偏差分別為151.85、27.76、19.46、214.61、105.68，表明模型預(yù)測(cè)性能較好。揭示了丹參提取過程原料屬性、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量屬性間關(guān)系，為丹參提取過程質(zhì)量控制提供了理論知識(shí)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；機(jī)理模型；丹參；提??；動(dòng)力學(xué)模型；丹酚酸；紫草酸；丹參素

通過過程建模明確原料屬性、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量屬性之間關(guān)系，構(gòu)建出反映工藝過程變化特征及其對(duì)質(zhì)量影響的數(shù)學(xué)模型，從而獲取中藥生產(chǎn)過程知識(shí)，是實(shí)現(xiàn)中藥生產(chǎn)過程控制的基礎(chǔ)[1-2]。

工業(yè)過程建模主要包括機(jī)制建模、統(tǒng)計(jì)建模和混合建模3種。機(jī)制建模是通過分析工業(yè)過程中相關(guān)物理化學(xué)現(xiàn)象的機(jī)制來建立數(shù)學(xué)模型的方法，該方法可精確反映系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制以及輸入輸出關(guān)系，但是需要對(duì)工業(yè)過程相關(guān)物理化學(xué)現(xiàn)象具有深刻認(rèn)識(shí)[3-4]。統(tǒng)計(jì)建模是通過統(tǒng)計(jì)方法或者機(jī)器學(xué)習(xí)算法，分析工業(yè)過程采集到的數(shù)據(jù)從而建立模型的方法，又可稱為“黑箱模型”，該方法不需要對(duì)過程有深入理解，但是建立的模型反映的過程信息較少[1]?；旌辖5]通過結(jié)合機(jī)制建模和統(tǒng)計(jì)建模，可較好地提高模型有效性，避免模型過于復(fù)雜。

丹參已被制成各種中藥劑型，廣泛用于冠心病、心絞痛、心肌梗塞、腦血栓等疾病的治療及輔助治療[6-8]。但是，現(xiàn)階段丹參制劑產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大，如何保證丹參制劑產(chǎn)品質(zhì)量一致性，從而確保丹參制劑產(chǎn)品療效是目前亟需解決的問題。丹參提取工藝是丹參制劑產(chǎn)品生產(chǎn)的重要操作單元，通過對(duì)丹參提取工藝模型化研究可提高丹參提取液質(zhì)量，從而提高丹參制劑產(chǎn)品的質(zhì)量和臨床效果[9]?，F(xiàn)階段，丹參提取過程中丹酚酸的傳質(zhì)[10-12]和降解規(guī)律[13-14]已經(jīng)有了較多的研究基礎(chǔ)，但是提取過程工藝參數(shù)對(duì)丹酚酸傳質(zhì)和降解的影響機(jī)制仍不明確。因此，本研究采用混合建模方法，以已有的丹參提取過程動(dòng)力學(xué)研究為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出丹參提取機(jī)制模型，用于解釋丹酚酸在丹參提取過程的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合不同工藝參數(shù)下的丹酚酸提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)，再通過響應(yīng)曲面法[15]考察丹參提取工藝參數(shù)同丹酚酸提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)間的定量關(guān)系，最終建立包含原料屬性和工藝參數(shù)信息的丹參提取動(dòng)力學(xué)模型。

1 提取動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)

1.1 傳質(zhì)過程

根據(jù)作者之前的研究結(jié)論[10]，丹酚酸B的傳質(zhì)模型如公式（1）所示，而經(jīng)丹酚酸B降解得到的系列產(chǎn)物在較高溫度下的傳質(zhì)速率要遠(yuǎn)大于降解速率，因此可忽略傳質(zhì)阻力的影響，得降解產(chǎn)物的傳質(zhì)模型如公式（2）所示。

dL/d＝aS/[L(1/S＋/L)]＋(L＋S)L/[L(1/S＋/L)] （1）

L＝S/(S＋L) （2）

L為提取溶劑中目標(biāo)成分含量（含量用液相峰面積表示），S為提取體系中時(shí)刻目標(biāo)成分的總量（無量綱），為藥材比表面積，L為提取過程提取溶劑體積（液相體積），S為藥材吸水膨脹后體積（固相體積），為平衡常數(shù)（無量綱），S為藥材內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)，L為藥材外傳質(zhì)系數(shù)

1.2 降解過程

丹參藥材中主要的酚酸類成分為丹酚酸B。在提取過程中，丹酚酸B會(huì)發(fā)生復(fù)雜降解反應(yīng)生成系列產(chǎn)物[14]。丹酚酸B主要的降解產(chǎn)物為丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素[14]，其主要降解路徑如圖1所示。

已知，酚酸類成分降解屬于一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)過程[16]，體系中丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素5個(gè)成分的含量隨時(shí)間的變化規(guī)律如下。

dS丹酚酸B/d＝?S丹酚酸B丹酚酸B（3）

dS丹酚酸E/d＝S丹酚酸B1－S丹酚酸E丹酚酸E（4）

dS紫草酸/d＝S丹酚酸B2－S紫草酸紫草酸（5）

dS丹酚酸A/d＝S紫草酸3（6）

圖1 提取過程丹酚酸B主要降解路徑[14]

dS丹參素/d＝S丹酚酸B4＋S丹酚酸E5（7）

丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸依次為丹酚酸B、丹酚酸E和紫草酸的降解速率常數(shù)，1為單位丹酚酸B降解生成單位丹酚酸E速率常數(shù)，2為單位丹酚酸B降解生成單位紫草酸速率常數(shù)，3為單位紫草酸降解生成單位丹酚酸A速率常數(shù)，4為單位丹酚酸B降解生成單位丹參素速率常數(shù)，5為單位丹酚酸E降解生成單位丹參素速率常數(shù)

整理積分公式（3）～（7）得提取體系中丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素5個(gè)成分含量的計(jì)算公式。由于，藥材中主要酚酸成分為丹酚酸B[17]，因此忽略初始時(shí)刻藥材中丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素含量。

S丹酚酸B＝0丹酚酸Bexp(?丹酚酸B) （8）

S丹酚酸E＝0丹酚酸B1/(丹酚酸B－丹酚酸E)[exp(?丹酚酸E)－exp(?丹酚酸B)] （9）

S紫草酸＝0丹酚酸B2/(丹酚酸B－紫草酸)[exp(?紫草酸)－exp(?丹酚酸B)] （10）

S丹酚酸A＝0丹酚酸B23/[紫草酸(丹酚酸B－紫草酸)][1－exp(?紫草酸)]－0丹酚酸B23/[丹酚酸B(丹酚酸B－紫草酸)][1－exp(?丹酚酸B)]（11）

S丹參素＝{0丹酚酸B4/丹酚酸B－0丹酚酸B15/[丹酚酸B(丹酚酸B－丹酚酸E)]}[1－exp(?丹酚酸B)]＋0丹酚酸B15/[丹酚酸E(丹酚酸B－丹酚酸E)]}[1－exp(?丹酚酸E)] （12）

0丹酚酸B為初始時(shí)刻藥材中丹酚酸B含量，下標(biāo)中丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素代表該物理量分別屬于丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素

1.3 提取動(dòng)力學(xué)模型

將公式（8）代入公式（1），公式（9）～（12）代入公式（2），得丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素的提取動(dòng)力學(xué)模型，依次為公式（13）～（17）。

S丹酚酸B＝/(－丹酚酸B)[ exp(?)＋exp(?丹酚酸B)]（13）

S丹酚酸E＝[0丹酚酸Bexp(?丹酚酸E)－exp(?丹酚酸B)]/[V(丹酚酸B－丹酚酸E)] （14）

S紫草酸＝[0丹酚酸Bexp(?紫草酸)－exp(?丹酚酸B)]/[V(丹酚酸B－紫草酸)] （15）

S丹酚酸A＝0丹酚酸B{[exp(?紫草酸)－1]/紫草酸－[exp(?丹酚酸B)－1]/丹酚酸B}/[V(紫草酸－丹酚酸B)] （16）

S丹參素＝0丹酚酸B[1－exp(?丹酚酸E)]/(V丹酚酸B)＋0丹酚酸B{[1－exp(?丹酚酸E)]/丹酚酸E－[1－exp(?丹酚酸B)]/丹酚酸B}/ [V(丹酚酸B－丹酚酸E)] （17）

其中，～為丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，與溫度、pH和氮?dú)饬髁肯嚓P(guān)。

＝0丹酚酸B/(丹酚酸BV)

＝(V＋V丹酚酸B)/(丹酚酸BV)

＝1V/(V丹酚酸E＋V)

＝2V/(V紫草酸＋V)

＝23V/(V丹酚酸A＋V)

＝4V/(V丹參素＋V)

＝15V/(V丹參素＋V)

此外，本研究進(jìn)一步通過響應(yīng)曲面法[15]建立工藝參數(shù)與丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)間的定量關(guān)系，模型形式如公式（18）所示。

lg＝0＋aX＋aX2＋aXX（18）

為各丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，1為溫度倒數(shù)，2為pH值，3為氮?dú)饬髁浚?為常數(shù)項(xiàng)，為回歸系數(shù)

2 儀器與試劑

2.1 儀器

XS105、AB204-N型電子分析天平，梅特勒-托利多上海有限公司；SE6001型電子天平，奧豪斯儀器有限公司；Milli-Q型超純水機(jī)，美國(guó)Millipore公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，河南予華儀器有限公司；Centrifuge 5424型高速離心機(jī)，德國(guó)Eppendorf公司；SHA-B型恒溫振蕩器，上海力辰儀器科技有限公司；Agilent 1260型高效液相色譜儀，配四元梯度泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱、紫外檢測(cè)器、ChemStation工作站，美國(guó)Agilent科技有限公司。

2.2 試劑

丹參藥材由正大青春寶藥業(yè)有限公司提供，經(jīng)浙江大學(xué)藥物信息學(xué)研究所潘堅(jiān)揚(yáng)高級(jí)實(shí)驗(yàn)師鑒定，為唇形科鼠尾草屬植物丹參Bge.的干燥根和根莖；一水合檸檬酸（批號(hào)20200721）、無水磷酸氫二鈉（批號(hào)20181025），分析純，均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈、甲醇，色譜純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%，均購自德國(guó)Merck公司；甲酸，色譜純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%，購自Roe Scientific公司；超純水由Milli-Q型超純水機(jī)制備得到；氮?dú)?，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%，購自杭州今工物資有限公司。

3 方法

3.1 色譜條件[18]

液相分離采用Waters Cortecs C18色譜柱（100 mm×4.6 mm，2.7 μm）；流動(dòng)相為0.4%甲酸水溶液（A）-0.4%甲酸乙腈溶液（B），線性洗脫程序：0～14 min，2%～11% B；14～29 min，11%～15% B；29～52 min，15%～20% B；52～60 min，20%～21% B；60～67 min，21%～40% B；67～68 min，40%～88% B；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm；體積流量0.8 mL/min；進(jìn)樣量3 μL；柱溫25 ℃。

3.2 丹參藥材中丹酚酸B含量測(cè)定

參考《中國(guó)藥典》2020年版方法[19]，精密稱取150.0 mg丹參粉末（過60目篩）于100 mL具塞錐形瓶中，精密加入80%甲醇水溶液50 mL，密塞，超聲處理（功率140 W、頻率42 kHz）30 min，放冷，用80%甲醇水溶液補(bǔ)足損失的質(zhì)量，搖勻，濾過，取續(xù)濾液，用80%甲醇水溶液稀釋1倍后按“3.1”項(xiàng)下色譜條件測(cè)定樣品中丹酚酸B含量。

3.3 提取體系兩相體積測(cè)定

準(zhǔn)確稱取15 g丹參藥材于250 mL錐形瓶中，分別加入200 mL純凈水，恒溫靜置，充分浸泡吸水（浸泡時(shí)間大于12 h）后濾過，用濾紙吸干藥材表面水分后稱量得濕藥材質(zhì)量，并用體積法測(cè)量濕藥材體積[20]。根據(jù)吸水后藥材體積、質(zhì)量和干藥材質(zhì)量比值（依次為和）計(jì)算固相體積（S）和液相體積（L）。

S＝（19）

L＝－(－)（20）

為單次提取所需水的體積；為水的密度，近似為1 g/mL

3.4 丹參提取工藝

基于作者之前的研究結(jié)果[8]，溫度和攪拌對(duì)丹參提取過程存在顯著影響。此外已有研究表明[21-23]，pH值對(duì)丹酚酸降解影響非常顯著，因此本研究重點(diǎn)考察溫度、pH值、攪拌對(duì)丹參提取動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的影響。根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提取過程長(zhǎng)時(shí)間攪拌會(huì)對(duì)藥材造成破壞，從而影響藥材比表面積，因此以通氮?dú)夥绞教娲鷶嚢铇獢嚢?。采用D-最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行丹參提取工藝研究，具體實(shí)驗(yàn)條件見表1。丹參提取工藝操作流程：量取600 mL一定pH值的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液于1000 mL三頸燒瓶中，將緩沖液預(yù)熱至設(shè)定的提取溫度后加入50 g預(yù)先切成小段的丹參藥材進(jìn)行回流提取并打開氮?dú)忾y門，往三頸燒瓶底部通氮?dú)?，通過流量計(jì)控制氮?dú)饬髁?。每隔一定時(shí)間取樣，取樣量約為1 mL，取出后用冰箱迅速冷卻后按“3.1”項(xiàng)下色譜條件測(cè)定樣品中丹酚酸含量。

3.5 數(shù)據(jù)處理

本研究采用平均絕對(duì)偏差[11]（average absolute deviation，AAD）評(píng)估模型性能，其計(jì)算公式如下所示。

表1 丹參提取工藝參數(shù)D-最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和擬合結(jié)果

Table 1 D-optimal experimental design and fitting results of SMRR extraction process

序號(hào)溫度/KpH值氮?dú)饬髁?(L?min?1)lgk丹酚酸BlgAlgBlgk丹酚酸ElgClgk紫草酸lgDlgElgFlgG 1363.153.60.5?3.7952.021?2.030?2.726?4.524?2.204?3.553?5.762?4.096? 2353.156.00.5?3.4931.911?2.216?3.914?3.799?2.782?3.785?6.713?4.360?8.124 3353.156.61.5?3.1121.910?2.223?5.000?3.418?2.809?3.723?6.642?4.358?7.139 4353.156.60.5?3.2111.926?2.147?5.000?3.367?2.721?3.727?6.593?4.288?7.343 5363.154.81.5?3.5572.054?2.051?2.914?4.137?2.332?3.554?5.794?4.042? 6373.153.61.5?3.2812.152?1.927?2.473?4.139?2.029?3.436?5.222?3.779? 7353.153.61.0?????????? 8353.153.61.5?4.4381.883?2.234?3.124?5.199?2.648?3.817?6.877?4.487? 9363.156.61.0?2.6282.136?1.849?2.820?2.813?2.324?3.449?5.670?3.976?6.160 10353.154.20.5?4.0631.860?2.257?3.149?4.893?2.674?3.801?6.780?4.474? 11373.153.60.5?3.1422.160?1.921?2.474?4.165?2.017?3.410?5.228?3.816? 12373.156.60.5?2.3332.209?1.615?2.443?2.545?1.942?3.320?4.966?3.775?5.493 13363.155.41.0?3.3542.084?2.049?3.169?3.810?2.379?3.534?5.837?4.040?8.125 14373.156.61.5?2.3422.293?1.654?2.498?2.511?2.000?3.259?5.027?3.772?5.520 15373.154.81.0?3.1012.160?1.922?2.577?3.795?2.065?3.411?5.219?3.805?7.154 16363.155.41.0?3.2982.123?2.016?3.019?3.754?2.344?3.498?5.783?4.021?7.804 17363.155.41.0?3.270?2.044?2.059?3.048?3.742?2.344?3.539?5.705?4.006?7.634

AAD＝(∑|pre－exp|)/（21）

pre和exp分別代表提取液中各丹酚酸峰面積的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值，為目標(biāo)成分建模樣本數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及響應(yīng)曲面法分析使用MODDE Pro 11.0.1（MKS Umetrics，Sweden）軟件完成，其余所有計(jì)算程序使用Matlab R2019b（美國(guó)Math Works公司）編寫。

4 結(jié)果

4.1 模型參數(shù)

4.1.1 丹參藥材中丹酚酸B含量 根據(jù)3次重復(fù)測(cè)量結(jié)果，單位質(zhì)量丹參藥材中丹酚酸B峰面積（0丹酚酸B）為（74 116 277±519 642）/g。

4.1.2 兩相體積 根據(jù)3次重復(fù)測(cè)量結(jié)果，得吸水后藥材體積對(duì)干藥材質(zhì)量比值（）為2.61±0.04，吸水后藥材質(zhì)量對(duì)干藥材質(zhì)量比值（）為2.78±0.02。根據(jù)公式（19）和公式（20）計(jì)算得V＝130.5 mL，V＝511.0 mL。

4.2 丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)擬合

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到各組丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)結(jié)果見表1。組1～3、組10～12提取緩沖液pH值和溫度均較低，丹酚酸E含量非常小，模型參數(shù)擬合誤差大，因此除去。組7因?qū)嶒?yàn)過程異常斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常而舍去。

4.3 響應(yīng)曲面法分析

根據(jù)表1中擬合結(jié)果，采用MODDE軟件建立模型參數(shù)與工藝參數(shù)間的回歸模型。經(jīng)模型顯著性分析，各回歸系數(shù)、值及2見表2。各酚酸動(dòng)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型2均大于0.904，說明模型可以很好的解釋工藝參數(shù)和動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)間的定量關(guān)系。氮?dú)饬髁炕貧w系數(shù)的值均大于0.05，表明氮?dú)饬髁繉?duì)各動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)影響均不顯著。

各丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)等高線圖見圖2，丹酚酸B、丹酚酸E和紫草酸化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖3。在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，丹酚酸動(dòng)力學(xué)參數(shù)與1/呈負(fù)相關(guān)，表明酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)均隨溫度升高而升高，這與實(shí)際動(dòng)力學(xué)情況相符；lg丹酚酸B、lg、lg與pH值呈正相關(guān)，表明pH值升高可以加快丹酚酸B降解生成丹酚酸E和紫草酸，這與丹酚酸B的酯鍵與呋喃環(huán)水解受堿催化有關(guān)，其中pH值對(duì)lg的影響較lg顯著，表明丹酚酸B的呋喃環(huán)水解更易受pH值影響；lg、lg、lg與pH值呈正相關(guān)，表明隨pH值升高丹酚酸A和丹參素生成速率均會(huì)升高；lg丹酚酸E和lg紫草酸在較低溫度下與pH值呈負(fù)相關(guān)，推測(cè)其主要發(fā)生受酸催化的脫羧反應(yīng)，但是丹酚酸E的降解速率要遠(yuǎn)小于紫草酸的降解速率，表明丹酚酸A主要由紫草酸降解生成；lg丹酚酸E和lg紫草酸在較高溫度下與pH值呈正相關(guān)，推測(cè)可能為1號(hào)位酯鍵（圖3）空間位阻小，所以結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，在較高溫度下才易發(fā)生水解有關(guān)，這也表明丹酚酸B主要降解路徑為呋喃環(huán)和2號(hào)位酯鍵的水解生成紫草酸和丹酚酸E。此外，隨著pH值增加，lg和lg也有明顯增加，即傳質(zhì)速率會(huì)增加，推測(cè)可能為pH緩沖液對(duì)丹參藥材表面存在一定程度破壞作用。

表2 酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)方差分析結(jié)果

Table 2 ANOVA results of phenolic acid kinetic model parameters

模型參數(shù)常數(shù)項(xiàng)1/TpH1/T2pH2pH/TR2 lgk丹酚酸B14.243 (0.000)?6 320.120 (0.000)?0.445 (0.000)?0.077 (0.008)?0.976 lgA7.492 (0.000)?2 025.370 (0.000)0.028 (0.001)???0.949 lgB?2.036 (0.000)206.608 (0.000)1.294 (0.000)?0.034 (0.001)?574.747 (0.000)0.980 lgk丹酚酸E?36.440 (0.000)12 580.100 (0.000)11.440 (0.001)???4 245.130 (0.001)0.904 lgC9.751 (0.000)?5 998.230 (0.000)0.573 (0.000)???0.977 lgk紫草酸4.183 (0.000)?2 335.260 (0.000)1.216 (0.092)???447.987 (0.012)0.980 lgD3.835 (0.000)?2 749.920 (0.000)0.036 (0.000)???0.965 lgE?173.562 (0.000)132 139.000 (0.000)0.067 (0.000)?25 902 300 (0.000)??0.994 lgF6.694 (0.000)?4 075.500 (0.000)0.156 (0.011)??0.012 (0.008)?0.962 lgG89.346 (0.000)?37 551.500 (0.000)?9.325 (0.000)??3 809.580 (0.013)0.959

括號(hào)內(nèi)為各回歸系數(shù)相應(yīng)的值，“?”處代表該因子對(duì)模型的影響不顯著

the parentheses are the correspondingvalues of each regression coefficient, “?” indicates the corresponding item with no significance

根據(jù)響應(yīng)曲面法所得的模型預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)值關(guān)系圖見圖4，從圖中可以發(fā)現(xiàn)組6、9、14的丹酚酸B、丹酚酸E和丹參素（負(fù)值）擬合結(jié)果極差，主要原因?yàn)榇?組溫度和pH值均較大，體系中丹酚酸降解極快，酯鍵或呋喃環(huán)水解會(huì)產(chǎn)生明顯逆反應(yīng)。由于所推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)模型未包含逆反應(yīng)過程，因此剔除上述3組數(shù)據(jù)后進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸模型。

圖2 丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)等高線圖

①-1號(hào)位酯鍵 ②-2號(hào)位酯鍵 ③-呋喃環(huán)

圖4 酚酸動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值

4.4 回歸系數(shù)優(yōu)化

剔除3組（組6、9、14）數(shù)據(jù)后，選擇組1～5、8、10、11、13、15～17為建模組，以“4.3”項(xiàng)下回歸系數(shù)擬合結(jié)果作為初始值，基于建模組數(shù)據(jù)，利用Matlab R2019b中l(wèi)sqcurvefit函數(shù)優(yōu)化回歸系數(shù)，并以組12數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化后結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化后的回歸系數(shù)如表3所示。經(jīng)優(yōu)化后的模型預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)值關(guān)系見圖5，與響應(yīng)曲面法獲得的結(jié)果相比，丹酚酸B、丹酚酸E、丹酚酸A和丹參素預(yù)測(cè)效果有了明顯改善。利用公式（21）計(jì)算丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A、丹參素峰面積的平均絕對(duì)偏差，結(jié)果分別為299.00、120.24、33.06、164.72、42.97。平均絕對(duì)偏差值較小，表明實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值非常接近，動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)性能良好。

4.5 模型驗(yàn)證

利用驗(yàn)證組（組12）對(duì)建立好的丹參提取動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。表4中列出了驗(yàn)證組丹酚酸的平均峰面積和模型預(yù)測(cè)的平均絕對(duì)偏差。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可知，模型預(yù)測(cè)值的平均絕對(duì)偏差較小，實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值基本符合，表明本研究建立的丹參提取動(dòng)力學(xué)模型具有較好的預(yù)測(cè)能力。

5 討論

本研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)理模型方法考察丹參提取過程中丹酚酸的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。通過響應(yīng)曲面法分析發(fā)現(xiàn)，溫度和pH值對(duì)丹酚酸傳質(zhì)和降解均存在顯著影響，而氮?dú)饬髁繉?duì)丹酚酸提取過程并無顯著影響。溫度和pH值同酚酸降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系表明，在本實(shí)驗(yàn)工藝范圍內(nèi)，丹酚酸B主要的降解位點(diǎn)為1號(hào)位酯鍵和呋喃環(huán)，丹酚酸E和紫草酸主要發(fā)生脫羧反應(yīng)，丹酚酸A主要由紫草酸降解生成，間接證明本研究所用丹酚酸B降解網(wǎng)絡(luò)的合理性。最后，對(duì)優(yōu)化后的丹酚酸動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型具有較好的預(yù)測(cè)精度，能夠反映丹酚酸B、丹酚酸E、紫草酸、丹酚酸A和丹參素含量的變化規(guī)律。

表3 回歸系數(shù)優(yōu)化結(jié)果

Table 3 Optimized results of regression coefficients

模型參數(shù)常數(shù)項(xiàng)1/TpH1/T2pH2pH/T lgk丹酚酸B17.242?7 014.186?1.018?0.146? lgA7.607?2 043.8050.015??? lgB8.148?3 785.927?0.863??0.014355.184 lgk丹酚酸E?84.19028 628.94623.242??8 283.846? lgC10.570?6 730.1720.780??? lgk紫草酸11.161?4 833.202?0.279??86.446 lgD4.008?2 816.8200.040??? lgE?150.027114 827.2200.021?22 692 084?? lgF8.571?4 172.028?0.587?0.069? lgG96.846?41 016.786?11.207??4 571.111

圖5 優(yōu)化后的酚酸動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值

本研究通過建立丹酚酸提取過程動(dòng)力學(xué)模型，揭示了丹參藥材屬性、提取工藝參數(shù)和丹酚酸含量之間的關(guān)系，加深了對(duì)丹參提取過程的理解，為丹參提取過程質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)。此外，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合方法無需提供初始值便可快速獲得較優(yōu)的結(jié)果，適合于動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，參數(shù)繁多且缺乏深入理解的過程建模。

圖6 驗(yàn)證組預(yù)測(cè)結(jié)果

表4 驗(yàn)證組丹酚酸類成分的平均峰面積和模型預(yù)測(cè)平均絕對(duì)偏差

Table 4 Average peak area and average absolute deviation of salvianolic acid in validation group

成分平均峰面積平均絕對(duì)偏差丹酚酸B9 109.97151.85丹酚酸E465.6027.76紫草酸785.9419.46丹酚酸A1 631.51214.61丹參素647.29105.68

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Study on extraction kinetics ofetbased on data-driven and mechanism model

CHEN Ze-qi1, 2, XIE Xin-yuan1, 2, CHEN Si-ming1, 2, FU Hao1, 2, QU Hai-bin1, 2

1. Pharmaceutical Informatics Institute, College of Pharmaceutical Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China 2. Innovation Center in Zhejiang University, State Key Laboratory of Component-Based Chinese Medicine, Hangzhou 310058, China

In order to obtain the process knowledge of Danshen (et, SMRR) extraction and improve the level of quality control in extraction process.The transfer and transformation rules of salvianolic acid in the extraction process of SMRR were studied based on data-driven and mechanism modeling methods. First, the extraction kinetic parameters of salvianolic acid under different process conditions were obtained by mechanism model, and then the relationship between the extraction kinetic parameters and process parameters was established by response surface methodology.The extraction kinetics models of salvianolic acid B, salvianolic acid E, lithospermic acid, salvianolic acid A, and salvianic acid were established. The results of model validation showed that the average absolute deviations of salvianolic acid B, salvianolic acid E, lithospermic acid, salvianolic acid A, and salvianic acid were 151.85, 27.76, 19.46, 214.61, 105.68, respectively, indicating that the models performed well.This study revealed the relationship among raw material attributes, process parameters and product quality attributes in the extraction process of SMRR, and provided theoretical knowledge for the quality control of its extraction process.

data-driven; mechanism model;et; extraction; kinetic model;salvianolic acid; lithospermic acid; danshensu

R283.6

A

0253 - 2670(2022)01 - 0051 - 09

10.7501/j.issn.0253-2670.2022.01.008

2021-07-18

國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(xiàng)（2018ZX09201011-002）

陳澤麒，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹兴幙茖W(xué)與工程學(xué)。E-mail: chenzq@zju.edu.cn

瞿海斌，博士生導(dǎo)師，教授，從事中藥制藥過程質(zhì)量控制研究。Tel: (0571)88208428 E-mail: quhb@zju.edu.cn

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]