基于蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量與二級結構的阿膠珠炮制程度評價方法研究

阿娜爾，劉 芬，許銘珊，孫 靜，李 宇，陳建波，董 玲*

（1.北京中醫(yī)藥大學中藥學院，北京 102488；2.北京中醫(yī)藥大學生命科學學院，北京 102488）

阿膠為馬科動物驢（Equus asinus L.）的干燥皮或鮮皮經(jīng)煎煮、濃縮制成的固體膠，具有補血滋陰、潤燥、止血等功效。《中華人民共和國藥典》2020 年版[1]（以下簡稱《中國藥典》2020 年版）收錄了阿膠、阿膠珠兩種飲片規(guī)格。阿膠珠為阿膠丁加蛤粉燙制而成，能降低滋膩之性，矯正不良氣味，便于調(diào)劑與服用，還能借蛤粉增強清熱化痰之功效[2，3]。蛋白質(zhì)和多肽是阿膠中的主要活性成分[4]，蛋白質(zhì)受熱易發(fā)生變性，阿膠丁加熱膨化為阿膠珠時，若加熱不足，蛋白質(zhì)變性不夠，則阿膠丁無法充分膨化，內(nèi)含溏心；若加熱太過，蛋白質(zhì)嚴重熱解，則阿膠珠焦化，藥效降低?，F(xiàn)行藥典及地方炮制規(guī)范對于阿膠珠炮制程度均缺少量化評價指標，故建立阿膠制珠炮制程度量化評價指標，有助于完善阿膠珠炮制規(guī)范，可有效控制并優(yōu)化阿膠珠生產(chǎn)工藝及成品質(zhì)量。因此，本研究嘗試利用凝膠滲透色譜（gel permeation chromatography，GPC）表征蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布，利用傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）表征蛋白質(zhì)二級結構，以反映阿膠受熱后的蛋白質(zhì)變性程度。探索根據(jù)蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量與二級結構評價阿膠珠炮制程度的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

阿膠珠A（采購于北京某藥房）；阿膠珠B、C、D（分別采購于3家四川制藥公司）；阿膠（由阿膠珠D的生產(chǎn)廠家提供）；牛血清白蛋白（純度：96%，相對分子質(zhì)量約6.64×104Da，上海源葉生物科技有限公司）；細胞色素C（純度：95%，相對分子質(zhì)量約1.25×104Da，北京萬佳標準物質(zhì)研發(fā)中心）；磷酸二氫鈉（AR，北京化工廠）；氫氧化鈉（AR，天津市大茂化學試劑廠）；純凈水。

1.2 阿膠珠水分與灰分測定

取適量阿膠珠樣品粉末，用DSH-50A-1型鹵素快速水分測定儀（上海佑科）測定其水分含量。

按《中國藥典》2020年版[1]四部通則2302進行總灰分含量測定。

1.3 阿膠珠溶化性測定

在250 mL 燒杯中注入200 mL 80 ℃熱水，稱取2.95～3.05 g阿膠珠，放入燒杯后不斷攪拌，記錄阿膠珠全部溶解所需要的時間，靜置后觀察燒杯底部沉淀量。

1.4 凝膠滲透色譜（GPC）

1.4.1 對照品溶液 取牛血清白蛋白、細胞色素C標準品適量，精密稱定，加水制成每1 mL 含牛血清白蛋白1.0 mg、細胞色素C 1.0 mg 的混合溶液，用0.45 μm水系微孔濾膜濾過，即得。

1.4.2 供試品溶液 取阿膠或阿膠珠樣品250 mg，加水約20 mL，超聲（300 W，50 kHz）處理1 h，放冷，加水定容至25 mL，搖勻，用0.45 μm 水系微孔濾膜濾過，即得。

1.4.3 色譜儀器與條件 本研究所用色譜系統(tǒng)為LC-20AT高效液相色譜儀、SPD-M20A紫外檢測器、SIL-20A 自動進樣器（日本島津），色譜柱為TSKgel G4000PWXL（7.8mm30cm，10μm），流動相為0.05mol·L-1、pH=7.2 的磷酸鹽緩沖溶液，流速0.4 mL·min-1，柱溫25 ℃，檢測波長280 nm，進樣體積5 L。

方法學考察：分別取對照品溶液、供試品溶液及磷酸鹽緩沖溶液按照上述條件進行測定，譜峰分離度大于1.5，磷酸鹽緩沖溶液無明顯干擾；取對照品溶液按照上述色譜條件連續(xù)進樣6 次，色譜峰面積RSD值小于1.5%，表明此方法精密度良好；取阿膠樣品6份，每份250 mg，按“1.4.2”項下方法制備供試品溶液，按上述色譜條件進行測試，色譜峰（t=25.5 min）面積RSD值小于2.5%，表明此方法重復性良好。

1.5 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

本研究所用儀器為VERTEX 70 傅里葉變換紅外光譜儀（德國布魯克），配有Platinum ATR 衰減全反射附件。用無水乙醇清潔附件的內(nèi)反射晶體表面后，掃描空氣背景光譜，然后將適量樣品粉末置于內(nèi)反射晶體表面，用裝置自帶壓桿壓緊，掃描樣品光譜。光譜范圍4000～400 cm-1，光譜分辨率4 cm-1，單張光譜累積掃描32 次。原始光譜先進行ATR 校正（接觸因子設為0），然后進行自動基線校正與縱坐標歸一化處理，使2000～800 cm-1區(qū)域內(nèi)最高吸光度為1、最低吸光度為0。

2 結果

2.1 加熱程度對阿膠蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的影響

阿膠中蛋白質(zhì)（以及多肽）的含量為70%～90%[4]。由于驢皮原料、添加輔料等的差異，不同廠家或者不同批次阿膠中蛋白質(zhì)含量可能波動較大，故難以根據(jù)蛋白質(zhì)含量評價不同阿膠珠的炮制程度。加熱可能導致阿膠中蛋白質(zhì)發(fā)生熱解，因此，可以考慮根據(jù)蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量變化來判斷阿膠及阿膠珠的加熱程度。

驢皮含有的蛋白質(zhì)種類較多，在阿膠的生產(chǎn)過程中蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度的水解，從而產(chǎn)生一定的相對分子質(zhì)量分布輪廓?；谀z滲透色譜、聚丙烯酰胺凝膠電泳、高分辨質(zhì)譜等技術的研究結果表明，大部分阿膠的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量在5103 ～2.5105Da范圍內(nèi)[5～7]。不同廠家阿膠的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布有一定程度的差異，可能與生產(chǎn)過程中蛋白質(zhì)水解程度有關[8]。如圖1左所示，本研究使用的阿膠中大部分蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量在104～105數(shù)量級上連續(xù)分布，符合文獻報道的市售阿膠的凝膠色譜圖特征。

圖1 左 阿膠不同溫度烘烤后的蛋白質(zhì)GPC圖

圖1 右 阿膠不同溫度烘烤后的FTIR圖

《北京市中藥飲片炮制規(guī)范》（2008 年版）規(guī)定燙制阿膠珠的蛤粉溫度為140 ℃～160 ℃，已有對于阿膠珠炮制工藝的研究使用的加熱溫度一般為120 ℃～180 ℃[9～11]。故本研究考察了200 ℃以內(nèi)的燙制溫度對于阿膠蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量的影響。如圖1 左所示，在不超過140 ℃的溫度下加熱20 min，阿膠蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量分布未發(fā)生明顯變化。加熱溫度達到160 ℃或者更高時，保留時間25 min附近的最強色譜峰逐漸右移，說明蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量呈現(xiàn)整體降低趨勢。保留時間45 min 附近的色譜峰在160 ℃加熱時開始出現(xiàn)，加熱溫度越高，該峰強度越大，說明該峰可能對應阿膠蛋白質(zhì)的熱解產(chǎn)物。由此推測，若蛤粉溫度為140 ℃～160 ℃，阿膠燙制成珠后的蛋白質(zhì)分子沒有發(fā)生明顯熱解，相對分子質(zhì)量分布輪廓未發(fā)生直觀變化。

2.2 加熱程度對阿膠蛋白質(zhì)二級結構的影響

根據(jù)上一節(jié)的分析，相對分子質(zhì)量分布輪廓能夠清晰判斷阿膠珠是否炮制太過（蛋白質(zhì)產(chǎn)生明顯熱解），但對于炮制終點之前的蛋白質(zhì)性質(zhì)變化并不敏感。理論上說，即便蛋白質(zhì)分子的一級結構沒有變化（此時相對分子質(zhì)量不變），其二級結構的變化也會導致紅外光譜上酰胺Ⅰ帶（主要為酰胺鍵C=O 伸縮振動吸收峰）和酰胺Ⅱ帶（主要為酰胺鍵N-H 彎曲振動吸收峰）的峰位置、強度或形狀的變化。因此，本研究使用能夠反映蛋白質(zhì)二級結構差異的紅外光譜，以更加敏銳地評價阿膠珠炮制程度。

如圖1右所示，阿膠的紅外光譜中3 281 cm-1為氨基N-H 與羥基O-H 伸縮振動吸收峰的疊加，2 923 cm-1和2 853 cm-1為亞甲基C-H反對稱和對稱伸縮振動吸收峰，1 744 cm-1為酯羰基C=O伸縮振動吸收峰，1 631 cm-1和1 537 cm-1為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶吸收峰，1 450 cm-1為C-H彎曲振動吸收峰，1 237 cm-1為C-O伸縮振動吸收峰。上述吸收峰中，2 923 cm-1、2 853 cm-1和1 744 cm-1等主要來自油脂類成分，可以反映阿膠中輔料豆油的多少。1 631 cm-1和1 537 cm-1是蛋白質(zhì)的特征吸收峰，其位置、強度或形狀受到蛋白質(zhì)二級結構的影響。

根據(jù)文獻報道[6]，阿膠生產(chǎn)過程中的煎煮等處理步驟可能嚴重破壞蛋白質(zhì)的空間結構，故不同企業(yè)所產(chǎn)阿膠的蛋白質(zhì)構象無明顯差異，均呈無規(guī)則卷曲狀態(tài)。如圖1右所示，阿膠經(jīng)不同溫度加熱后，酰胺Ⅰ帶沒有明顯變化，而酰胺Ⅱ帶呈現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象，后者可以反映阿膠蛋白質(zhì)的二級結構變化程度[12]。未加熱的阿膠酰胺Ⅱ帶位于1 537 cm-1，80 ℃加熱后即明顯紅移至1 525 cm-1。加熱溫度升高到100 ℃～140 ℃時，阿膠酰胺Ⅱ帶紅移至1 520 cm-1附近。加熱溫度升高到160 ℃～200 ℃時，阿膠酰胺Ⅱ帶紅移至1 515 cm-1附近。相對于蛋白質(zhì)，油脂類成分的熱穩(wěn)定性更高，所以加熱溫度不高于140 ℃時，2 923 cm-1、2 853 cm-1和1 744 cm-1等油脂類成分特征峰的位置沒有發(fā)生改變。加熱溫度高于160 ℃時，2923cm-1和2853cm-1兩個特征峰發(fā)生藍移，1744cm-1峰發(fā)生紅移，且1 710 cm-1附近的吸收強度有所增加，顯示一部分甘油三酯可能發(fā)生熱解，產(chǎn)生游離脂肪酸（其羰基C=O伸縮振動吸收峰在1 710 cm-1附近）。

綜上所述，根據(jù)凝膠色譜表征的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布，特別是保留時間25 min 附近色譜峰的位置、保留時間45 min 附近色譜峰的強度，可以區(qū)分加熱溫度140 ℃、160 ℃的阿膠。根據(jù)紅外光譜表征的蛋白質(zhì)二級結構，特別是酰胺Ⅱ帶的峰位置，可以反映阿膠加熱溫度從60 ℃到200 ℃的逐漸升高。

2.3 市售阿膠珠的性狀特征比較分析

2020 年版《中國藥典》對阿膠珠的性狀描述為“呈類球形。表面棕黃色或灰白色，附有白色粉末。體輕，質(zhì)酥，易碎。斷面中空或多孔狀，淡黃色至棕色?！币虼?，本研究從外觀顏色、質(zhì)地、內(nèi)部性狀等角度對4 種市售阿膠珠的性狀特征進行了比較，同時也對其溶化性及水分、總灰分含量進行了比較，結果見圖2、表1。結果可知，阿膠珠A、B、C、D外觀性狀特征均符合2020年版《中國藥典》要求。

表1 4種市售阿膠珠的性狀特征測定結果

圖2 4家企業(yè)生產(chǎn)的阿膠珠

根據(jù)現(xiàn)行《中國藥典》對阿膠珠炮制工藝的規(guī)定，阿膠需要先切成1 cm 左右的丁，然后用蛤粉燙至成珠。雖然藥典未明確規(guī)定成品阿膠珠的尺寸，但是可以推測其直徑應不小于1 cm?！渡虾Ｊ兄兴庯嬈谥埔?guī)范》[13]（2018 年版）規(guī)定阿膠珠“直徑2 ～2.5 cm”，《浙江省中藥飲片炮制規(guī)范》[14]（2015 年版）規(guī)定阿膠珠“直徑2 ～4 cm”。由此可知，符合藥典炮制工藝的傳統(tǒng)阿膠珠的直徑一般在2 cm 左右。由圖2 可知，只有阿膠珠A 的炮制工藝可能符合藥典要求。但是阿膠珠A 的內(nèi)部有溏心，未達到藥典要求的炮制程度。阿膠珠B、C、D 的直徑明顯偏小，內(nèi)無溏心，說明這3種阿膠珠的加熱程度應當高于阿膠珠A。

由圖2、表1所示，阿膠珠A和B黏附蛤粉較多，故其灰分含量高，對于顏色、質(zhì)地也有明顯影響。因此，難以從表面顏色、內(nèi)部性狀、質(zhì)地等角度評價幾種阿膠珠炮制程度的相對高低。另外，阿膠珠A和B溶解速度較慢。這可能由于炮制不足導致膨化程度不夠，也可能是由于炮制太過導致蛋白質(zhì)焦化、難以溶解，還在一定程度上受到蛤粉含量的影響。

由此可知，內(nèi)部是否有溏心能夠直觀評價阿膠珠炮制程度，但是這只能判斷是否炮制不及（例如阿膠珠A），不能判斷是否炮制太過。

2.4 市售阿膠珠的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量比較分析

由圖3 左所示，阿膠珠D 與其原料阿膠的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布輪廓基本一致，在45 min 處沒有明顯的熱解產(chǎn)物峰。這說明阿膠珠D 的炮制過程未顯著影響蛋白質(zhì)一級結構。由圖4 可知，烘烤溫度不超過120 ℃時，所有阿膠珠的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布輪廓均無明顯改變，在45 min 處也無明顯的熱解產(chǎn)物峰；烘烤溫度達到180 ℃時，所有阿膠珠的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布輪廓均發(fā)生明顯改變，在45 min處出現(xiàn)明顯的熱解產(chǎn)物峰。由此推測，4種阿膠珠所含蛋白質(zhì)的一級結構在炮制過程中均無顯著改變，不同阿膠珠蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布輪廓的差異源自其阿膠原料的不同。

圖3 左阿膠與4種市售阿膠珠的蛋白質(zhì)GPC圖

圖3 右阿膠與4種市售阿膠珠FTIR圖

圖4 4種市售阿膠珠不同溫度烘烤后的蛋白質(zhì)GPC圖

如圖3 右所示，阿膠珠A 的最強峰保留時間約為23 min，阿膠珠B 的最強峰保留時間約為24 min，阿膠珠C、D 的最強峰保留時間約為25 min。此外，阿膠珠A、B 在12 ～16 min 區(qū)域的色譜峰強于阿膠珠C、D。這說明阿膠珠A的蛋白質(zhì)平均相對分子質(zhì)量最大，而且阿膠珠A、B 中都有一些相對分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)。如圖4所示，200 ℃烘烤后阿膠珠A的最強峰保留時間約為25 min，阿膠珠B、C、D 的最強峰保留時間位移至27 min 附近。再次說明阿膠珠A 的蛋白質(zhì)平均相對分子質(zhì)量最大。根據(jù)前述性狀特征分析，阿膠珠A 內(nèi)有溏心且溶解速度較慢，這可能與其蛋白質(zhì)平均相對分子質(zhì)量最大有關。140 ℃烘烤后阿膠珠B 中已經(jīng)出現(xiàn)45 min 處的熱解產(chǎn)物峰，160 ℃～200 ℃烘烤后阿膠珠B的該峰明顯強于其他阿膠珠。這表明阿膠珠B的蛋白質(zhì)在炮制過程中的變性程度可能高于其他阿膠珠，故受熱后更易分解。實驗發(fā)現(xiàn)，烘烤溫度越高，阿膠與阿膠珠樣品越難以在水中溶解。因此，阿膠珠B 的溶解速度較慢，可能由于炮制過程受熱程度較高所致。根據(jù)上述分析，可以初步推測炮制過程中加熱程度最低的為阿膠珠A，加熱程度最高的為阿膠珠B。

2.5 市售阿膠珠的蛋白質(zhì)二級結構比較分析

如圖3 右所示，阿膠珠D 與其原料阿膠的酰胺Ⅱ帶峰位置有明顯差異，前者在1 537 cm-1，后者在1 522 cm-1，反映了阿膠制珠后蛋白質(zhì)二級結構的變化。根據(jù)“2.2”節(jié)所述的酰胺Ⅱ帶位移規(guī)律，阿膠珠D制備時的有效加熱溫度可能在100 ℃左右。由于阿膠珠D 的尺寸小于2 cm，故其膨化時可能不需要將蛤粉預熱到較高溫度（例如140 ℃～160 ℃）。阿膠珠A、B、C的酰胺Ⅱ帶也都低于1 525 cm-1，但由于未知其所用阿膠原料的紅外光譜，故無法直接判斷三者制珠前后的酰胺Ⅱ帶位移大小。

本研究假設阿膠珠炮制過程中的蛋白質(zhì)二級結構變化基本為不可逆，若阿膠炮制成珠時以T 溫度加熱，所得到的阿膠珠再次加熱到不高于T溫度時，其蛋白質(zhì)二級結構與室溫阿膠珠的差異預期較小。基于該假設，在未知其阿膠原料的情況下，將不同阿膠珠用相同溫度加熱，比較加熱前后酰胺Ⅱ帶位移大小，可以初步推測不同阿膠珠在炮制時的受熱程度高低。如圖5 所示，不同阿膠珠在加熱后的酰胺Ⅱ帶均發(fā)生紅移。根據(jù)“2.4”節(jié)的分析結果，所有阿膠珠在炮制階段均無明顯的蛋白質(zhì)熱解，故其等效加熱程度應當不超過本研究所用的140 ℃烘烤。比較阿膠珠在室溫與140 ℃烘烤后的酰胺Ⅱ帶位移值，阿膠珠A 為8 cm-1，阿膠珠B 為3 cm-1，阿膠珠C為5 cm-1，阿膠珠D為7 cm-1。由此推測，炮制階段經(jīng)歷的加熱程度最低的是阿膠珠A，加熱程度最高的是阿膠珠B，這亦與“2.4”節(jié)的推測結果一致。

圖5 4種市售阿膠珠不同溫度烘烤后的FTIR圖

3 討論

本研究從性狀特征、蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量、二級結構等角度，對4 種市售阿膠珠在炮制階段可能經(jīng)受的加熱程度進行了比較分析。初步得出，利用性狀特征以及蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分布難以直接判斷阿膠珠在炮制階段的加熱程度相對高低，而根據(jù)蛋白質(zhì)二級結構對應的紅外光譜特征峰，可以直接對炮制不及、適中到太過的阿膠珠加熱程度相對高低進行比較。將阿膠珠樣品再次加熱后，根據(jù)蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量與二級結構的熱響應結果可以間接評價阿膠珠的炮制程度，但是操作較復雜，有一定局限性。綜上所述，紅外光譜法可作為物質(zhì)基礎層面上客觀量化阿膠珠炮制程度的評價方法，此法適用于炮制不及、適中到太過的大范圍樣品評價。然而，受到加熱設備及阿膠丁尺寸等影響，本研究所用加熱條件無法簡單移植于阿膠珠生產(chǎn)設備，故此方法在實踐中的準確性和耐用性還需要更多樣品進行驗證。

蛋白質(zhì)為許多動物、植物藥的主體成分。在研究此類藥材的炮制機制與終點指標時，蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量與二級結構都是值得考慮與嘗試的方面。