地黄切片热风干燥特性和梓醇含量研究

魏国栋，高 山

（山东中医药高等专科学校，山东 烟台 264199）

0 引言

地黄是临床常用中药材，具有滋阴、补血等诸多药理作用，用药形式有鲜地黄、生地黄、熟地黄等。生地黄的传统加工方法为建造火炕将鲜地黄整体烘焙干燥，采用这种方法，地黄的干燥速度慢，加工耗时较长，常需4～5 d。加工初期，地黄内部升温慢，酶失活速度慢，各成分在酶作用下发生降解。地黄长期处于高温环境中，美拉德反应（导致体系酸化、非酶褐变主要原因）难以避免。由此导致地黄产后加工的质量劣变现象。

梓醇被认为是地黄中的主要活性成分之一，具有降血糖、缓泻、滋阴、抗炎和抗肝炎病等多种活性[1]。但是，经过产后加工，梓醇含量大幅下降。梓醇含量的降低可能与梓醇的酶促水解和酸水解有关。研究已经证实鲜地黄中含有的β-葡萄糖苷酶，是地黄中水解梓醇的酶[2]。同时，地黄中的梓醇也可以发生酸水解，导致梓醇含量降低[3]。

切片是中药材产地加工方法之一，多用于药材干燥的前处理。已有三七[4]、丹参[5]等鲜药切片后干燥以减少干燥时间、提高干燥效率的研究。目前，关于地黄切片干燥的研究已经开始，集中于干燥方法对地黄干燥质量和干燥效率的对比上[6-7]。但是，相关文献并没有对切片地黄干燥动力学进行系统研究，也没有探讨其对成分的影响。在此基础上，研究了切片对地黄干燥的影响，系统研究了切片地黄的干燥动力学，描述了切片地黄的干燥模型，探讨了切片对梓醇含量的影响。

1 材料仪器和试剂

1.1 材料

鲜地黄，2018年10月采挖自山东东平，经鉴定为玄参科（ScropHulariaceae）植物Rehmannia glutinosa Libosach.的块根，保存于4℃冰箱中，试验前从冰箱中取出放置2 h至室温。

1.2 仪器

LC-10AT型液相色谱系统，日本岛津制造所产品；ES-300A型电子天平，长沙湘平科技发展有限公司产品；AY-120型电子分析天平，日本岛津制造所产品；101-3型电热鼓风箱，上海市上海县第二五金厂产品；ML530型离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司产品；KQ2200DB型数控超声波清洗器（200 W，40 kHz）；Sartorius arium 611VF型纯水机，德国赛多利斯产品。

1.3 试剂

梓醇对照品（批号1011-200906），中国药品生物制品检定所提供；色谱纯甲醇，天津四友公司提供；色谱纯磷酸，天津科密欧公司提供；其他试剂均为国产分析纯。

2 试验方法

2.1 地黄干燥方法

试验前30 min打开热风干燥箱进行平衡。将鲜地黄切成1 cm的厚片，称质量后呈单层摆放，设置干燥温度分别为60，70，80，90℃，风速分别为1 m/s和2 m/s。每20 min称质量一次。当含水量降至0.08 g/g干物质[8]时停止试验。整块地黄称质量，于相同条件下干燥，记录干燥完成所用时间。

取3份地黄分别称质量后置于105℃烘箱中干燥至恒质量，计算含水量，取平均值作为最终的干基含水量。

2.2 梓醇含量测定

2.2.1 色谱条件

Phenomenex Luna 5μL C18色谱柱（250 mm×4.60 mm），流动相甲醇-0.1%磷酸（1∶99），流速1.0 mL/min，检测波长210 nm，柱温25℃，进样体积20μL，理论塔板数按梓醇峰计为9 000。

2.2.2 样品液制备

干燥后的地黄捣碎，过65目筛，称取粉末约1.0 g，置于50 mL锥形瓶中，加50%甲醇水溶液20 mL，超声处理30 min后以转速4 500 r/min离心20 min，倾倒上清液于50 mL容量瓶中。残渣加入50%甲醇水溶液20 mL后重复提取1次。合并2次的上清液，加50%甲醇水溶液至容量瓶刻度，摇匀。样品液以流动相稀释适当的倍数后，过0.45μm微孔滤膜，滤液进样20μL。

鲜地黄打浆后取10 g，于50 mL锥形瓶中加50%甲醇水溶液20 mL，超声30 min后以转速4 500 r/min离心20 min，倾倒上清液于50 mL容量瓶中。残渣加入50%甲醇水溶液20 mL后重复提取1次，从“合并2次上清液”开始同上操作。

3 公式与模型

3.1 含水量计算公式

含水量用干基含水量即单位干物质中水分质量表示。含水比（MR）也常被用来反映物料干燥的水分变化情况。

式中：Mt——t时刻物料的干基含水量；

M0——0时刻物料的干基含水量。

3.2 模型

在生物材料的干燥研究中，对于MR与时间t的关系多用指数关系式来拟合。

生物材料干燥中常用的数学模型见表1。

表1 生物材料干燥中常用的数学模型

为了能更好地描述一个模型是否能符合试验得到的数据，使用均方根误差RMSE、决定系数R2、平均相对百分比误差P、卡方χ2等4个参数来进行定量分析，计算公式如下：

式中：MRexp——试验测定含水量比；

MRpre——模型预测含水量比；

N——数据个数；

z——模型中参数个数。

4 结果与分析

4.1 切片地黄热风干燥

试验测定得到地黄的初始含水量为4.26 g/g干物质。经过干燥，含水量下降为0.08 g/g干物质。

切片地黄的干燥曲线见图1。

图1 切片地黄的干燥曲线

由图1可知，风速为1.0 m/s，温度为60，70，80，90℃时，整块地黄的干燥时间分别为84，68，56，34 h。与之相比，在相同条件下，切片地黄的干燥时间缩短了79.4%～88.1%，分别为12.0，8.7，6.7，5.7 h，说明切片能够极大地缩短干燥过程。干燥结果同时表明，升高温度可以缩短地黄整体或切片的干燥时间。

切片地黄的干燥速率随含水量的变化见图2。

将风速从1.0 m/s升高到2.0 m/s，切片地黄在60℃下干燥时间缩短了1.7 h，而在90℃下干燥时间则延长了1 h。在干燥速率曲线上，风速从1.0 m/s升至2.0 m/s时，干燥效率没有明显的提升。提高风速会增加能源的消耗，增加产后加工的成本。而试验中发现增加风速不能明显提高干燥效率，其缩短干燥时间的作用有限，所以经过切片处理的地黄在干燥过程中增加风速不能取得期望的收益。

由图2可知，切片地黄的干燥速度随含水量的下降而降低，表现为降速干燥过程，这与材料中的水分含量和所散失水分性质相关。结合图1可知，干燥温度能够增加干燥效率，缩短干燥时间。

图2 切片地黄的干燥速率随含水量的变化

切片地黄不同温度下的干燥阶段见图3。

图3 切片地黄不同温度下的干燥阶段

将图1中风速为1 m/s时的数据转换为MR，然后求得MR的自然对数并对干燥时间作图。70～90℃下切片地黄干燥曲线可分为3个降速阶段，分别为第一、二和三降速阶段。而60℃下没有观察到明显的第三降速阶段。每一阶段Ln MR都随着干燥时间呈线性减少（R2＞0.98），表明每一阶段的干燥过程均符合一级反应动力学。

在第一降速阶段，失去的主要是自由水，起决定作用的是水分扩散。在第二降速阶段，干燥效率明显降低，失去的主要是结合水，这部分水分主要通过毛细管凝聚和多分子层吸附作用与地黄结合。在第三阶段则失去的水分更少，这很可能是因为强的分子间吸引力使单个或多个水分子层与地黄结合紧密，难以蒸发或散失。故此阶段切片地黄的干燥速度十分缓慢，干燥过程也基本完成[9-10]。

地黄切片后，有一部分水分会分布在切断面上，称之为表面自由水。据报道，表面自由水的蒸发可导致在干燥初期出现一个短期的恒速干燥阶段[9-10]。可能由于表面自由水太少，水分从地黄表面散失很快，并且20 min的称质量间隔太长，所以在试验的干燥曲线中并没有显现这一恒速干燥阶段。

4.2 切片地黄干燥参数计算

水分在地黄中的扩散可以被看作流体（水）在多孔固体（地黄）中的扩散，可以用Fick's第二定律来描述这一扩散过程。假设水分全部通过扩散散失，忽略样品体积的收缩，对于片状材料的长时间干燥，该公式的解为[11]：

式中：H——样品薄片厚度，mm；

Deff——有效扩散系数，m2/s。

以Ln(Mt/M0)对时间干燥时间t作图（图3），并对曲线进行线性回归，得到斜率k，即可根据公式（5）求得切片地黄的Deff。

风速1.0 m/s，不同干燥温度和干燥阶段下切片地黄Deff值见表2。

表2 风速1.0 m/s，不同干燥温度和干燥阶段下切片地黄Deff值

通过计算可得，不同干燥温度和干燥阶段下的切片地黄的Deff值。第二降速阶段的Deff值明显高于其他2个阶段。切片地黄Deff计算值符合一般食品如苹果、马铃薯等干燥的Deff范围10-8～10-12m2/s[12]。

由表2可知，温度越高，Deff值越大。温度对Deff的影响常用Arrhenius公式来描述[10，12]：

式中：D0——指前因子，m2/s；

Ea——活化能，kJ/mol；

R——气体常数，kJ/mol·K；

T——干燥温度的绝对温度值，K。有效扩散系和干燥温度的Arrhenius曲线见图4。线性回归后曲线的斜率等于Ea/R。由此计算切片地黄第一和第二降速阶段的Ea数值分别为21.46和21.08 kJ/mol，低于文献报道的切片地黄干燥的活化能值（32.56 kJ/mol和34.27 kJ/mol），以及整块地黄干燥的活化能值（47.14 kJ/mol和38.26 kJ/mol）[8]，但仍在大多数食品干燥的活化能的范围之内（12.7～110 kJ/mol）[12]。

图4 有效扩散系和干燥温度的Arrhe nius曲线

4.3 切片地黄干燥模型

选取了在物料干燥中常用的10个干燥模型（见表1），采用SPSS 17.0软件中的Levenberg-Marquardt方法进行非线性最小二乘回归分析，将试验数据与模型进行拟合，选择与试验数据拟合最好的模型。依据试验取得的数据，对相关模型参数进行计算，得到表3中的数据。R2值越大，χ2、RMSE、p值越小时，模型与试验数据拟合程度越好。由表3可知，模型6即Midilli模型的R2为0.996～0.999，χ2为2.9×10-5～17.4×10-5、RMSE为5.04×10-3～11.9×10-3、p为7.20%～14.68%，比其他9个模型有相对更大的R2和更小的χ2、RMSE、p值。因此，选用Midilli模型对来描述切片地黄的干燥。Rhim J等人[8]在研究整块地黄和切片地黄的干燥时，采用的是Logarithmic模型。刘云宏等人[13]确定地黄的薄层真空红外干燥模型的形式为Modified Page方程，之后以Fourier方程和Fick定律为基础推导干燥模型[14]。

风速为1 m/s时不同温度下干燥不同模型参数值计算结果见表3，风速为1.0 m/s时切片地黄干燥的测定值与Midilli模型预测值对比见图5。

图5 风速为1.0 m/s时切片地黄干燥的测定值与Midilli模型预测值对比

表3 风速为1 m/s时不同温度下干燥不同模型参数值计算结果

4.4 梓醇含量

测定在风速为1 m/s时不同温度下干燥的整块地黄和切片地黄中梓醇的含量。

风速1.0 m/s时不同温度下干燥地黄和鲜地黄的梓醇含量比较见图6。

图6 风速1.0 m/s时不同温度下干燥地黄和鲜地黄的梓醇含量比较

鲜地黄中梓醇的含量为3.89%。经过干燥和切片地黄、整块地黄中梓醇含量分别下降了22.3%～46.5%，38.4%～60.9%。切片地黄的梓醇含量是整块地黄中梓醇含量的126.0%～151.0%，表明对地黄进行切片处理可以提高干燥后地黄中梓醇的含量。与低温干燥相比，在高温干燥时地黄中梓醇含量下降地更多。在试验选定的温度条件下，70℃下干燥的地黄中的梓醇含量最高。

研究表明地黄烘制过程中，梓醇可以发生β-葡萄糖苷酶促降解和酸水解[2-3]。整块地黄中梓醇含量低，这一是由于整块地黄升温慢，β-葡萄糖苷酶灭活速度慢，在酶催化下梓醇发生了降解。地黄切片处理后，在干燥时温度能够快速上升，从而使酶活性迅速丧失，减少酶促降解。另外，整块地黄干燥时间比切片地黄干燥时间长，梓醇酸降解时间长，导致梓醇降解量大。高温干燥地黄中梓醇含量低也表明温度能够加速梓醇的降解[3]。高温干燥时虽然β-葡萄糖苷酶灭活速度会快一些，但是地黄体系pH值迅速降低[15]，加速了梓醇的酸降解[3]。

5 结论

地黄切片后能够增大干燥速率，缩短79.4%～88.1%的干燥时间。升温可以进一步缩短干燥时间，但是一定范围内增大风速则不能达到预期效果。切片地黄的干燥是降速干燥过程，可以分成3个阶段，每个阶段有不同的失水机制。切片地黄第一和第二降速失水阶段的Deff为3.67×10-9～6.94×10-9和4.98×10-9～9.02×10-9m2/s，活化能分别为21.46 kJ/mol和21.08 kJ/mol。对10种干燥模型的筛选结果表明，Midilli模型能够很好地描述切片地黄的干燥过程。切片同时可以提高地黄干燥后的梓醇含量。

鲜地黄加工成生地黄后，一般比较坚硬，在临床应用之前，大多需要再进行润透、切片等。鲜地黄直接切片干燥不仅能减少后期加工工序，降低加工成本，还能缩短地黄干燥时间、减少梓醇的损失，符合中药材加工与中药饮片炮制一体化的发展趋势[16]，为鲜地黄产后加工方法的改良提供了新方向。