水分在中药原料中的扩散行为研究＊

赵立杰，王优杰，冯怡，杜若飞

（上海中医药大学中药现代制剂技术教育部工程研究中心上海201203）

水分在中药原料中的扩散行为研究＊

赵立杰，王优杰，冯怡＊＊，杜若飞

（上海中医药大学中药现代制剂技术教育部工程研究中心上海201203）

目的：研究中药原料在不同温湿度条件下的吸湿行为。方法：应用膜扩散传质模型和菲克第二定律传质模型模拟和分析水分在中药原料中的扩散行为。结果：在25℃，相对湿度为50%时研究的13种中药原料的扩散系数最大，且扩散符合膜扩散传质过程。在其他温湿度环境下可能同时存在两种扩散机制。结论：水分在中药原料中的扩散可能存在多种扩散机制，并受环境因素影响明显。

吸湿扩散膜扩散菲克第二定律

中药制剂原料大部分是经过不同极性的溶媒提取、浓缩、干燥得到的无定型粉末，在其吸湿的过程中可能既有物理吸附又有化学吸附。近年来，对中药原料吸湿过程的模拟与分析[1-3]已经成为物理药剂学和工业药剂学研究的一个热点。同其他吸附现象相同，吸湿是发生于固体表面的一个包含多种吸附机制的复杂过程，其中可能影响中药制剂原料吸湿的可能机制包括：①以液膜扩散为主要动力的体扩散；②以颗粒扩散为主要动力的表面扩散；③发生在固体表面的吸湿与脱湿；④发生于固体表面功能性基团与水分子之间的化学反应。

中药原料的吸湿以及水分在中药原料中的扩散行为对中药制剂的生产、包装、储存等过程的设计和优化起着至关重要的作用[4-6]。目前，中药一般都存在程度不同易吸湿变质的特征，影响药品的稳定性，当水分吸附于中药原料或中药制剂的表面，并随吸湿的不断进行逐步向内部渗透，中药制剂原辅料的理化性质[7，8]、有效成分的化学稳定性[9]以及产品的品质[10，11]将直接受到影响。因此，充分了解中药原料的吸湿性以及水分在中药原料中的扩散行为和行为轨迹，有助于我们优化辅料、制剂工艺、技术在中药制剂中的应用及包装储存，从而降低中药的吸湿性。对于中药原料（提取物粉末）而言，其化学组成和微观物理结构均对其吸湿和水分扩散具有一定的影响作用[12]。由于毛细管吸附、浓度梯度、蒸汽压梯度等影响水分在中药原料中的吸附和扩散的因素时存在，因此很难通过理论或者实验的方法计算和测定水分在中药原料中的扩散系数。本研究根据中药的化学成分、用药部位以及功能主治选取了13种常用的中药的水提取物粉末作为研究对象，通过对其吸湿动力学曲线的模拟与分析，推断水分在中药原料中的扩散行为。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试药

KBF（E5.2）240型恒温恒湿箱（德国BINDER公司）；FA2104N型电子天平（上海精密科学仪器有限公司）。

五味子提取物（SCF）、栀子提取物（GF）、生姜提取物（ZRR）、款冬花提取物（FF）、葛根提取物（PLF）、陈皮提取物（CRP）、白前提取物（CSR）、益母草提取物（LH）、柴胡提取物（BR）、石菖蒲提取物（ATR）、黄芪提取物（AR）、炒白术提取物（AMR）、艾叶提取物（AAF）以上中药提取物均由华润三九制药有限公司惠赠。

1.2 实验方法

1.2.1 动态吸湿行为测定

取供试品2-5 g，精密称定重量（m1）平铺于干燥至恒重的扁形称量瓶（直径50 mm，高25 mm）中，厚度不超过5 mm，精密称定（m2），开启瓶盖在恒温恒湿箱（25℃，30%RH；25℃，50%RH；25℃，75%RH；15℃，75%RH；40℃，75%RH）中吸湿并分别于0.5、1、2、3、4、5、6、8、24 h，将瓶盖盖好，精密称定（m3），并通过公式1计算其吸湿量q。

1.2.2 水分扩散行为模拟

（1）膜扩散传质过程

其中，D为表观扩散速率常数，Qt为中药原料在任意时刻的吸湿量，Qt为中药原料的平衡吸湿量。

（2）Fick第二定律传质过程

根据Fick第二定律，假设：①中药原料是均匀且各向同性的；②由于吸湿引起的中药原料的其他变化，可以忽略不计；③在中药原料表面的水分和空气中水分的蒸汽压始终相同；④水分在中药原料中的扩散系数为常数。则水分在中药原料中扩散过程可以表达为：

当边界条件设定为：

其中，Q∞为平衡含水量，Q0为吸湿起始阶段的含水量，l为中药原料的铺放厚度。则，公式3的特解[13]为：

其中，R为气体常数8.314 J·K-1·mol-1。

2 结果与分析

2.1 中药原料的吸湿—时间曲线

分别通过恒温恒湿箱设定不同的温湿度条件模拟生产环境（25℃相对湿度50%），吸湿试验常用环境（25℃相对湿度75%），加速试验环境（40℃相对湿度75%），低湿环境（25℃相对湿度30%）以及低温环境（15℃相对湿度75%），各中药原料的吸湿—时间曲线见图1。对于大部分中药原料而言，在吸湿的初始阶段（约1.5 h）吸湿速度较快，而且随环境的温度和湿度的增高而增大。

分别将13种中药提取物置于25℃，相对湿度分别为30%、50%、75%以及相对湿度为75%，温度为15℃、40℃的条件下的吸湿—时间曲线进行对比分析，结果见图2、图3。从此可以看出，当环境温度相同时，相对湿度越高吸湿速度越快，吸湿量越大；而环境湿度相同时，随吸湿时间的延长在不同温度条件下最终可能达到的吸湿量趋于相近，环境温度越高吸湿速度越快。

2.2 水分在中药原料中的扩散行为模拟

应用OriginPro9.0（OriginLabCorporation，Northampton，MA，USA）的非线性拟合模块分别将13种中药提取物粉末的在不同吸湿条件下的吸湿数据应用不同数学模型拟合，结果见表1、表2。结果表明，水分在中药原料中的扩散可能受多种因素控制，除了中药原料中水分形成的饱和蒸气压与环境空气中水分的饱和蒸气压的差值外，水分在中药原料中的扩散行为还受到到膜扩散、颗粒内部水分的扩散等因素的影响。从表1的结果可知，在25℃，相对湿度为50%时，中药原料的水分扩散行为符合膜扩散控制过程。在其他试验条件下，两种不同扩散理论模型对于中药原料在不同环境条件下的吸湿行为的模拟效果均比较理想，但又存在一定的偏差。

图1 13种中药提取物吸湿曲线

2.3 环境温湿度对水分扩散行为的影响

环境的湿度影响水分在中药原料中的扩散行为，相对湿度为50%时研究的13种中药原料的扩散系数最大（图4）。其原因可能是随物料的吸湿量增加导致其孔隙率的减少，其水分在物料表面的扩散从汽相扩散逐渐转变为液相扩散；同时，中药原料中大分子物质随吸湿量的增加，水分的增塑作用逐渐加强并进一步导致其空间运动的增加，扩散系数增加[14]；当含水量达到一定程度时，引起了大分子的弛豫现象[15]，进而改变了其吸湿机制，其扩散系数降低。有研究表明，物料的扩散系数可能与其单分子层饱和吸附值相关，当物料的含水量与其单分子层饱和吸附值接近时，其扩散系数最大对比研究对象的初始含水量与其在相对湿度为30%、50%、75%时的单分子层饱和吸附值，结果与文献研究相符[16]。

图2 湿度对中药提取物吸湿行为的影响

图3 温度对中药提取物吸湿行为的影响

表1 膜扩散传质模型拟合参数

表2 Fick第二定律传质模型拟合参数

图4 不同温湿度对中药原料膜扩散系数的影响

水分在中药原料中的扩散系数随环境温度的升高而升高如图5所示，进步研究显示，中药原料的水分扩散系数的对数与环境的绝对温度倒数呈线性关系（R2≥0.85），具体结果见表3。由表3可知，水分在中药原料中的扩散系数随环境温度的变化符合阿伦尼乌斯方程与前期研究的吸湿动力学结论相符，这与文献报道的在食品等领域的研究结果相符[17]。

3 讨论

吸湿现象普遍存在于制药工业、食品工业以及化妆品工业中，吸湿不但与物料的化学结构相关，同时也与其物料属性[18]和微观结构[19]相关。当中药原料接触到环境中的湿空气时，空气中的水蒸气在饱和蒸汽压差的作用下在中药原料的表面凝结，并不断向中药原料的内部扩散和渗透。同时，由于中药原料中所存在的大量介孔的毛细管作用[20]，水蒸气在其内部逐步凝结富集。因此，中药原料的吸湿过程中水分在其中的运动轨迹相对复杂，同时存在多分子层吸附和毛细管凝结等现象。根据开尔文公式[21]，当环境的相对湿度越大，毛细管现象的发生越容易，中药原料的吸湿行为相对而言就越复杂，水分在中药原料中的扩散行为同样表现出多种扩散机制共同作用的结果。同时，由于大分子成分在水分的作用下发生的塑性行为变化以及空间构象的改变也进一步影响了中药原料的微观结构，进而影响了其吸湿行为及水分在其中的扩散行为。而无论是多分子层吸附还是毛细管凝结现象的发生都是温度依赖性的，从其化学动力学的本质而言都是符合阿伦尼乌斯方程的吸附过程，因此，在研究温度范围内中药原料的水分扩散常数随环境温度的变化符合阿伦尼乌斯方程。

水分在中药原料中的扩散行为在中等湿度环境下（相对湿度为50%）以膜扩散为主，在其他湿度条件下可能同时存在两种扩散机制。其中，在15℃、75%RH时，除了在款冬花、益母草、炒白术提取物中水分以Fick扩散为主要扩散机制，其余中药原料的水分扩散机制以膜扩散为主；在40℃、75%RH时，五味子、款冬花、陈皮、白前、柴胡、黄芪提取物中水分主要以Fick扩散为主要扩散机制，其余中药原料的水分扩散机制以膜扩散为主；在25℃、30%RH时，除了在款冬花、生姜、白前、益母草提取物中水分以膜扩散为主要扩散机制，其余中药原料的水分扩散机制以Fick扩散为主；而在25℃、30%RH时，栀子、生姜、陈皮、益母草、石菖蒲等提取物中水分主要以膜扩散为主要扩散机制，其余中药原料的水分扩散机制以Fick扩散为主。

表3 扩散系数与1/T的线性拟合结果

中药原料的吸湿过程中，水分不断向中药原料的内部扩散，且扩散过程与环境及中药原料的初始含水量相关，也可能与粉末的理化性质如粒度、物料流变性、来源等因素相关。由于研究的样本量较小尚未发现规律，初步研究结果表明，粉末的粒径对其吸湿行为有明显的影响，随着粒径的增加，吸湿速率降低。其余相关因素对水分在中药原料中的扩散行为的影响尚需进一步研究。

图5 不同温湿度对中药原料Fick第二定律扩散系数的影响

4 结论

本研究应用吸湿动力学的方法和扩散理论模拟并分析了不同温湿度环境条件下水分在中药原料中的扩散行为和环境因素对其扩散系数的影响。结果表明，水分在中药原料中的扩散行为在中等湿度环境下（相对湿度为50%）以膜扩散为主。水分在中药原料中的扩散速率常数随温度的升高而增大，且符合阿伦尼乌斯方程。因此，在中药原料的吸湿过程中，水分在中药原料一部分被吸附于中药原料的表面；另一部分被中药原料吸收，甚至可能和部分化学成分发生简单的化学反应。本文的研究结果初步解释了水分在中药原料内部的扩散行为，为进一步研究中药原料吸湿的机理和防潮策略的选择提供实验依据和理论支持。

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Moisture Diffusivity in Chinese Herbal Medicine Ingredients

Zhao Lijie,Wang Youjie,Feng Yi,Du Ruofei
(Engineering Research Center of Modern Preparation Technology of Traditional Chinese Medicine,Ministry of Education, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine,Shanghai 201203,China)

This paper was aimed to study the moisture adsorption of Chinese herbal medicine ingredients at different environment.The film mass transfer model and FickƳs second law were applied to evaluate the moisture diffusion for Chinese herbal medicine ingredients.The results showed that under the temperature of 25℃and 50%relative humidity, the diffusion coefficient of 13 medicine ingredients reached the highest.The diffusivity was controlled by film mass transfer.However,both film mass transfer and Fick Ƴ s second law can be existed at the same time under different temperature and humidity.It was concluded that the diffusion of water in the traditional Chinese medicine might have been driven by a variety of diffusion mechanism,which was obviously affected by environmental factors.

Moisture adsorption,diffusivity,film mass transfer,FickƳs second law

10.11842/wst.2017.04.023

R283

A

（责任编辑：马雅静，责任译审：王晶）

2017-03-15

修回日期：2017-04-20

＊上海市卫计委科研项目（ZY3-CCCX-3-5001）：中药制剂关键技术研究与应用，负责人：冯怡；上海市科委平台资助项目（15DZ2292000）：上海

市中药固体制剂专业技术服务平台，负责人：冯怡；国家自然科学基金委青年科学基金项目（81403110）：基于人工神经网络算法的中药硬胶囊剂设计原理研究，负责人：杜若飞；国家自然科学基金青年科学基金项目（81503263）：羟丙基甲基纤维素改善中药喷雾干燥热熔型黏壁及其机理研究，负责人：王优杰；上海市教育委员会预算内项目（2014YSN23）：固体中药制剂原料吸湿行为模拟与分析，负责人：赵立杰。

＊＊通讯作者：冯怡，教授，主要研究方向：中药制剂关键技术研究。