基于低場(chǎng)核磁共振和物性分析技術(shù)的牡丹皮飲片干燥特性及動(dòng)力學(xué)研究

陳麗霞,葉麗芳,張英,吳孟華,曹暉,馬志國(guó)*

(1.暨南大學(xué) 藥學(xué)院,廣東 廣州 511400;2.暨南大學(xué) 嶺南傳統(tǒng)中藥研究中心,廣東 廣州 511400;3.國(guó)家中藥現(xiàn)代化工程技術(shù)研究中心嶺南資源分中心,廣東 廣州 511400;4.廣東省中醫(yī)藥信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510632)

中藥材經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)、悶潤(rùn)等軟化處理,含水量較高,切制成飲片后,避免藥材腐敗變質(zhì),應(yīng)及時(shí)干燥。飲片的干燥過(guò)程是影響其質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。牡丹皮為毛茛科植物牡丹PaeoniasuffruticosaAndr.的干燥根皮,具有清熱涼血、活血化瘀的功效［1］。有研究發(fā)現(xiàn)干燥方法不同對(duì)牡丹皮中的多種化學(xué)成分均有一定的影響［2］,目前未見(jiàn)關(guān)于牡丹皮飲片干燥動(dòng)力學(xué)、水分相態(tài)及其分布變化、物性指標(biāo)變化的報(bào)道,本研究有利于揭示牡丹皮飲片干燥過(guò)程中水分的散失規(guī)律,可為牡丹皮飲片干燥工藝參數(shù)的優(yōu)選提供理論支撐。

目前,已有關(guān)于食品和中藥材干燥動(dòng)力學(xué)的研究報(bào)道［3-7］,研究表征牡丹皮飲片干燥過(guò)程中的含水量變化規(guī)律,這有利于保證中藥飲片品質(zhì)。近年來(lái),低場(chǎng)核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)及其成像技術(shù)(magnetic resonance imaging,MRI)和物性分析技術(shù)在中藥采收、加工及炮制研究中得到逐步應(yīng)用［8-10］,特別是在中藥水分和質(zhì)地變化研究方面,是直觀表征中藥干燥過(guò)程的有力手段。本研究構(gòu)建牡丹皮飲片干燥特性曲線,并結(jié)合低場(chǎng)核磁共振技術(shù)考察牡丹皮的水分相態(tài)及其遷移過(guò)程,利用物性分析儀考察其物性指標(biāo)的變化,采用HPLC法考察干燥過(guò)程中芍藥苷和丹皮酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化,這對(duì)優(yōu)化牡丹皮干燥工藝和提高飲片質(zhì)量具有一定指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

牡丹皮3批(批號(hào):MDP0101,MDP0102,MDP0103)購(gòu)自安徽亳州,經(jīng)暨南大學(xué)嶺南傳統(tǒng)中藥研究中心張英副教授鑒定為毛茛科植物牡丹PaeoniasuffruticosaAndr.的干燥根皮。

丹皮酚(批號(hào):RFS-D00211812016,純度>98%),芍藥苷(批號(hào):RFS-S01011804016,純度>98%)均購(gòu)自成都瑞芬思生物科技有限公司;乙腈、磷酸均購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司,均為色譜純;水為純凈水,其余試劑均為分析純。

中尺寸核磁共振成像分析儀(型號(hào):Meso MR23-060H-1,上海紐邁分析儀器股份有限公司);物性測(cè)定儀(型號(hào):TA-HD plus,Stable Micro System 公司,英國(guó));液相色譜儀,DAD 檢測(cè)器,四元低壓梯度泵,在線真空脫氣機(jī),自動(dòng)進(jìn)樣器,柱溫箱(型號(hào):Thermo Ultimate 3000,賽默飛世爾科技公司,美國(guó));萬(wàn)分之一電子天平(型號(hào):FA 2204B,上海佑科儀器儀表有限公司);十萬(wàn)分之一天平(型號(hào):EX225DZH,奧豪斯儀器有限公司);數(shù)控超聲波清洗器(型號(hào):KQ5200DE,昆山市超聲儀器有限公司);恒溫培養(yǎng)箱(型號(hào):XGQ-2000,余姚市星辰儀表廠);電熱鼓風(fēng)干燥箱(型號(hào):101-2AB,天津市泰斯特儀器有限公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 牡丹皮飲片干燥過(guò)程

取牡丹皮藥材1 500 g,洗凈,將藥材置于潤(rùn)藥框內(nèi),蓋2層濕紗布,再均勻噴灑適量水,20 ℃下潤(rùn)制,潤(rùn)透后取出,切成2 mm飲片,混勻后,平均分成3份,均勻平鋪在托盤中,厚度約為1 cm,分別于45 ℃、55 ℃、65 ℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥,記錄不同時(shí)刻不同溫度鼓風(fēng)干燥牡丹皮飲片的質(zhì)量,待質(zhì)量恒定時(shí),停止干燥。

1.2.2 干基含水率的測(cè)定

稱取一定牡丹皮飲片,于干燥箱烘干至質(zhì)量不再變化,得牡丹皮飲片的干重。牡丹皮飲片干基含水率按公式(1)計(jì)算［11］。

M=(Ww-Wd)/Wd

(1)

M是牡丹皮飲片的干基含水率,Ww是牡丹皮飲片濕重,Wd是牡丹皮飲片干重。

1.2.3 干燥速率測(cè)定

干燥速率表示單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量,按公式(2)計(jì)算［12］。

(2)

DR為干燥速率,Mt、Mt+Δt分別為t、t+Δt時(shí)刻樣品的干基含水率,Δt為時(shí)間間隔。

1.2.4 水分比的計(jì)算

水分比(moisture ratio,MR)按公式(3)計(jì)算［13］。

(3)

Mt為牡丹皮飲片t時(shí)的干基含水率;M0為牡丹皮飲片最初的干基含水率;Me為牡丹皮飲片干燥達(dá)到平衡時(shí)的干基含水率。

一般可用最終含水量替代難以測(cè)得的Me,而最終含水量與M0和Mt相比可以忽略不計(jì)［14］,因此水分比計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為公式(4)。

(4)

1.2.5 牡丹皮干燥過(guò)程水分遷移

(1)橫向弛豫時(shí)間(T2)測(cè)定 取55 ℃下干燥時(shí)間為0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 h的牡丹皮樣品,稱取并記錄質(zhì)量。利用CPMG脈沖序列檢測(cè)放于LF-NMR永久磁場(chǎng)中心位置的樣品T2值,連續(xù)測(cè)定3次,取平均值。采集核磁信號(hào),獲取樣品正視和俯視成像數(shù)據(jù),利用 sirt 算法,反演迭代100 000次,得T2譜圖。T2實(shí)驗(yàn)主要參數(shù):主頻SF=21 MHz,偏移頻率O1=260 kHz,90°脈寬P1=10.00 μs,180°脈寬P2=19.04 μs,累加采集次數(shù)NS=4,回波時(shí)間TE=0.300 ms,回波個(gè)數(shù)NECH=8 000,采樣頻率SW=100 kHz。

(2)低場(chǎng)核磁共振成像(MRI)實(shí)驗(yàn) 取T2測(cè)定項(xiàng)下的樣品,采集其橫切面的H質(zhì)子密度圖像,利用MRI成像軟件進(jìn)行成像試驗(yàn)。MRI成像參數(shù):層數(shù)6,層厚2 mm,層間隙2 mm,采集次數(shù)16,重復(fù)時(shí)間260 ms,視野100 mm×100 mm,頻率方向256,編碼步數(shù)192。

1.2.6 牡丹皮干燥過(guò)程質(zhì)構(gòu)特性研究

采用TA-HD plus物性測(cè)定儀測(cè)定55 ℃下干燥時(shí)間為0、0.5、1、1.5、2、3、4 h的牡丹皮樣品的質(zhì)構(gòu)特性。參數(shù)設(shè)置:TA-9探頭,預(yù)測(cè)試速度2.0 mm/s,測(cè)試速度1.5 mm/s,穿刺深度8.0 mm,返回速度1.5 mm/s,測(cè)力傳感器10 000 g,觸發(fā)點(diǎn)負(fù)荷為4 g。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。獲得參數(shù):樣品硬度、粘力、粘性、膠著性等。

1.2.7 牡丹皮飲片干燥過(guò)程中指標(biāo)成分變化

參考文獻(xiàn)［15］中的方法,采用HPLC測(cè)定55 ℃下干燥時(shí)間為0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 h的牡丹皮中芍藥苷和丹皮酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果

2.1 牡丹皮飲片熱風(fēng)干燥曲線

2.1.1 牡丹皮飲片干基含水率變化

根據(jù)記錄的不同時(shí)刻牡丹皮飲片的質(zhì)量及相應(yīng)計(jì)算公式,運(yùn)用Origin 2022軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,得到干燥過(guò)程中干基含水率隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖1。

圖1 牡丹皮飲片不同干燥溫度的干基含水率變化

溫度會(huì)影響干基含水率下降趨勢(shì),溫度越高,干基含水率下降越迅速;除此之外,牡丹皮飲片干基含水率隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而下降,且干基含水率的下降趨勢(shì)由快變慢。45、55、65 ℃熱風(fēng)干燥時(shí),牡丹皮干基含水率降低到0.13需要的時(shí)間分別是7.5、3.5、2.0 h。

2.1.2 牡丹皮飲片干燥速率變化

牡丹皮飲片不同干燥溫度的干基含水率及干燥速率變化見(jiàn)表1。由表可知,牡丹皮飲片在45 ℃、55 ℃、65 ℃下分別干燥8.5、5、3.5 h時(shí),干燥速率接近0。不同干燥溫度下,牡丹皮的干燥速率曲線見(jiàn)圖 2。由圖可知,65 ℃干燥時(shí),干燥過(guò)程為降速階段;45 ℃、55 ℃干燥時(shí),干燥過(guò)程主要分為恒速階段和降速階段。其中,45 ℃干燥時(shí)的恒速階段長(zhǎng)于55 ℃。

表1 牡丹皮飲片不同干燥溫度的干基含水率及干燥速率變化Table 1 Changes of M and drying rate of Moutan Cortex decoction pieces at different drying temperatures

圖2 牡丹皮飲片不同干燥溫度的干燥速率變化

2.1.3 牡丹皮飲片水分比變化

圖3為牡丹皮飲片不同干燥溫度的水分比變化曲線。牡丹皮飲片水分比隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而下降,開(kāi)始水分比下降較快,后期趨勢(shì)變緩,趨于平衡;溫度會(huì)影響水分比下降速度,溫度越高,水分比下降越迅速,干燥時(shí)間越短。

2.2 牡丹皮干燥過(guò)程水分遷移

2.2.1 橫向弛豫時(shí)間

根據(jù)T2的差異,牡丹皮干燥過(guò)程中水分的存在狀態(tài)可以分為結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水,對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間分別為T21(0.1～10 ms)、T22(10～100 ms)、T23(100～1 000 ms)［16］。單位質(zhì)量峰面積A21、A22、A23分別代表3種水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖3 牡丹皮飲片不同干燥溫度的水分比變化

A總表示單位質(zhì)量總峰面積,越大則表明其總含水量越高。T2可以反映樣品水自由度的高低,T2越小表示水自由度越低,在T2譜上峰的位置較靠左,反之,T2越大說(shuō)明水越自由,在T2譜上峰的位置較靠右［17］。

按樣品質(zhì)量歸一化處理,不同干燥時(shí)間下牡丹皮的T2檢測(cè)結(jié)果,如表2和圖4所示。牡丹皮干燥過(guò)程中有3個(gè)弛豫峰,以3個(gè)弛豫時(shí)間為主,說(shuō)明牡丹皮內(nèi)部含有3個(gè)水群。干燥初始,即牡丹皮潤(rùn)透時(shí),水分的存在狀態(tài)主要是不易流動(dòng)水。干燥1～2 h,不易流動(dòng)水逐漸向結(jié)合水轉(zhuǎn)變。干燥2 h時(shí),牡丹皮含水量已經(jīng)較低,繼續(xù)干燥,3～5 h時(shí),出現(xiàn)了結(jié)合水向不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)化的情況,導(dǎo)致不易流動(dòng)水、自由水比例上升。整個(gè)干燥過(guò)程,隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),單位質(zhì)量總峰面積不斷減少,說(shuō)明牡丹皮總含水量不斷減少。

表2 牡丹皮干燥過(guò)程中T2圖譜單位質(zhì)量峰面積及比例變化Table 2 Variation of unit mass peak areas and ratios about T2 during drying of Moutan Cortex

圖4 不同干燥時(shí)間牡丹皮的T2分布

2.2.2 牡丹皮干燥過(guò)程的MRI變化

MRI圖像可以直觀顯示樣品內(nèi)部水分信息,其輪廓分明清晰,亮度高,說(shuō)明H質(zhì)子密度高,樣品含水量高,亮度低則反之［18］。為了更好地觀察圖像細(xì)節(jié),用圖像處理軟件將灰度圖轉(zhuǎn)為偽彩圖。不同干燥時(shí)間牡丹皮橫切面的MRI偽彩圖見(jiàn)圖5,含水量高的區(qū)域用黃色表示,含水量低的區(qū)域用藍(lán)色表示。由圖5可知,初始狀態(tài)時(shí),整個(gè)藥材的含水量較高,隨著干燥時(shí)間的增加,黃紅色部分面積逐漸由外圈向內(nèi)收縮,表明藥材水分逐漸由外向內(nèi)散失。干燥過(guò)程中,牡丹皮也不斷皺縮。

2.3 牡丹皮干燥過(guò)程質(zhì)構(gòu)特性變化

牡丹皮干燥過(guò)程中的質(zhì)構(gòu)特性見(jiàn)表3,以針移動(dòng)穿刺的時(shí)間為橫坐標(biāo),牡丹皮硬度為縱坐標(biāo),繪制質(zhì)構(gòu)曲線,見(jiàn)圖6。曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的穿刺時(shí)間為牡丹皮最大硬度時(shí)的時(shí)間。由結(jié)果可知,隨干燥時(shí)間的增加,牡丹皮硬度逐漸增加。干燥過(guò)程中,前2 h牡丹皮各物性指標(biāo)較低,硬度曲線重合度高,干燥2 h時(shí)硬度明顯上升。

圖5 不同干燥時(shí)間牡丹皮MRI變化

2.4 牡丹皮飲片干燥過(guò)程中指標(biāo)成分變化

牡丹皮飲片干燥過(guò)程中芍藥苷、丹皮酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況見(jiàn)表4。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),牡丹皮飲片中指標(biāo)成分芍藥苷、丹皮酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未發(fā)生明顯變化。由此表明,芍藥苷、丹皮酚在55 ℃干燥比較穩(wěn)定。

表3 不同干燥時(shí)間牡丹皮的質(zhì)構(gòu)變化Table 3 Texture changes of Moutan Cortex at different drying time

圖6 不同干燥時(shí)間牡丹皮的質(zhì)構(gòu)變化

表4 牡丹皮飲片干燥過(guò)程中指標(biāo)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Table 4 Changes of component content of Moutan Cortex decoction pieces during drying

3 討論

干燥對(duì)于中藥飲片加工是一個(gè)必不可少的步驟。不管是趁鮮切制還是水處理軟化后切制,都要經(jīng)過(guò)干燥才利于保存。目前企業(yè)的飲片加工干燥多以飲片含水量及性狀為評(píng)價(jià)指標(biāo),一些適合監(jiān)測(cè)樣品干燥過(guò)程含水量變化的新技術(shù)也逐漸成熟,尚缺乏干燥動(dòng)力學(xué)結(jié)合新技術(shù)研究為中藥飲片干燥工藝提供科學(xué)理論依據(jù)。本研究通過(guò)測(cè)定牡丹皮飲片干燥過(guò)程中的干基含水率等干燥參數(shù),分析牡丹皮飲片干燥動(dòng)力學(xué)變化,闡釋其干燥特性,對(duì)闡明牡丹皮飲片干燥機(jī)制具有一定意義。低場(chǎng)核磁共振及其成像技術(shù),可直觀顯示出牡丹皮含水量,表征其干燥過(guò)程;利用物性分析技術(shù)檢測(cè)牡丹皮干燥過(guò)程中的各物性指標(biāo),再與中藥炮制的傳統(tǒng)感官判斷標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)性成分含量變化相結(jié)合,可為飲片干燥終點(diǎn)的判斷和工藝優(yōu)化提供客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本研究中牡丹皮飲片在45 ℃、55 ℃、65 ℃下干燥所需時(shí)間分別為8.5、5.0、3.5 h,表明一定溫度范圍內(nèi),溫度越高,干燥至平衡含水量所用時(shí)間越短,這是由空氣和牡丹皮飲片之間的傳質(zhì)推動(dòng)力所造成的。溫度越高,空氣的相對(duì)濕度越低,空氣和飲片所含水分差別越大,它們之間的傳質(zhì)推動(dòng)力就越大,達(dá)到平衡所需要的時(shí)間短,即干燥所需要的時(shí)間就短,干燥速率就大［11］。所以,在合理?xiàng)l件下,溫度越高對(duì)飲片干燥越有利。但牡丹皮中的主要活性成分丹皮酚,受熱易升華,干燥溫度不易過(guò)高,從提高干燥效率和減少成分損失的角度綜合分析55 ℃為牡丹皮飲片的最佳干燥溫度。在恒速階段,牡丹皮飲片內(nèi)部水分向表面遷移的速率與水分自飲片表面汽化的速率相適應(yīng),使物料表面維持濕潤(rùn)狀態(tài);當(dāng)進(jìn)入降速階段,牡丹皮飲片內(nèi)部水分向表面遷移的速率小于水分自飲片表面汽化的速率,飲片表面不能再維持全部濕潤(rùn),從而形成部分干區(qū)［19］。結(jié)合低場(chǎng)核磁共振MRI圖像,干燥0.5 h時(shí),干燥速率為0.28 g·g-1·h-1,MRI圖像中可清晰地觀察到與牡丹皮橫切面一致的水分分布輪廓。經(jīng)過(guò)短暫的恒速階段,進(jìn)入降速階段,飲片表面出現(xiàn)部分干區(qū),含水量顯著降低。干燥2 h時(shí),干燥速率降至0.23 g·g-1·h-1,干燥處于降速階段,此時(shí)牡丹皮的含水量低于成像檢測(cè)限,無(wú)法成像,但從表1可知T2圖譜單位質(zhì)量總峰面積也仍在不斷下降,表明此時(shí)樣品仍未完全干燥。干燥5 h時(shí),干燥速率接近零,T2單位質(zhì)量信號(hào)幅值曲線趨于平緩,表明牡丹皮飲片已達(dá)到干燥終點(diǎn)。

由T2檢測(cè)結(jié)果可知,干燥初期牡丹皮水分的存在形式主要是不易流動(dòng)水,未發(fā)現(xiàn)傷水現(xiàn)象,這符合中藥潤(rùn)制“藥透水盡”的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),既達(dá)到軟化目的又盡量減少有效成分的損失。干燥3～5 h,出現(xiàn)結(jié)合水比例下降,不易流動(dòng)水、自由水比例上升的情況。Chen等［20］研究大豆渣干燥過(guò)程也出現(xiàn)了干燥后期結(jié)合水比例下降的情況。在干燥后期,含水量低,剩余水的結(jié)合力增強(qiáng),但部分結(jié)合水受熱結(jié)合力減弱,結(jié)合水向不易流動(dòng)水和自由水轉(zhuǎn)化散失,結(jié)合水比例下降。本研究?jī)H對(duì)牡丹皮飲片干燥過(guò)程進(jìn)行科學(xué)表征分析,后期可應(yīng)用干燥動(dòng)力學(xué)結(jié)合低場(chǎng)核磁共振和物性分析技術(shù)對(duì)藥材及飲片干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化。

作者貢獻(xiàn)聲明

陳麗霞:實(shí)施實(shí)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù),撰寫(xiě)論文;葉麗芳:設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn);張英:設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);吳孟華:設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);曹暉:提出研究思路;馬志國(guó):提出研究思路和框架,修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業(yè)、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。