基于低场核磁共振和物性分析技术的牡丹皮饮片干燥特性及动力学研究

陈丽霞,叶丽芳,张英,吴孟华,曹晖,马志国*

(1.暨南大学 药学院,广东 广州 511400;2.暨南大学 岭南传统中药研究中心,广东 广州 511400;3.国家中药现代化工程技术研究中心岭南资源分中心,广东 广州 511400;4.广东省中医药信息化重点实验室,广东 广州 510632)

中药材经过浸润、闷润等软化处理,含水量较高,切制成饮片后,避免药材腐败变质,应及时干燥。饮片的干燥过程是影响其质量的一个重要环节。牡丹皮为毛茛科植物牡丹PaeoniasuffruticosaAndr.的干燥根皮,具有清热凉血、活血化瘀的功效［1］。有研究发现干燥方法不同对牡丹皮中的多种化学成分均有一定的影响［2］,目前未见关于牡丹皮饮片干燥动力学、水分相态及其分布变化、物性指标变化的报道,本研究有利于揭示牡丹皮饮片干燥过程中水分的散失规律,可为牡丹皮饮片干燥工艺参数的优选提供理论支撑。

目前,已有关于食品和中药材干燥动力学的研究报道［3-7］,研究表征牡丹皮饮片干燥过程中的含水量变化规律,这有利于保证中药饮片品质。近年来,低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)及其成像技术(magnetic resonance imaging,MRI)和物性分析技术在中药采收、加工及炮制研究中得到逐步应用［8-10］,特别是在中药水分和质地变化研究方面,是直观表征中药干燥过程的有力手段。本研究构建牡丹皮饮片干燥特性曲线,并结合低场核磁共振技术考察牡丹皮的水分相态及其迁移过程,利用物性分析仪考察其物性指标的变化,采用HPLC法考察干燥过程中芍药苷和丹皮酚的质量分数变化,这对优化牡丹皮干燥工艺和提高饮片质量具有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

牡丹皮3批(批号:MDP0101,MDP0102,MDP0103)购自安徽亳州,经暨南大学岭南传统中药研究中心张英副教授鉴定为毛茛科植物牡丹PaeoniasuffruticosaAndr.的干燥根皮。

丹皮酚(批号:RFS-D00211812016,纯度>98%),芍药苷(批号:RFS-S01011804016,纯度>98%)均购自成都瑞芬思生物科技有限公司;乙腈、磷酸均购自上海麦克林生化科技有限公司,均为色谱纯;水为纯净水,其余试剂均为分析纯。

中尺寸核磁共振成像分析仪(型号:Meso MR23-060H-1,上海纽迈分析仪器股份有限公司);物性测定仪(型号:TA-HD plus,Stable Micro System 公司,英国);液相色谱仪,DAD 检测器,四元低压梯度泵,在线真空脱气机,自动进样器,柱温箱(型号:Thermo Ultimate 3000,赛默飞世尔科技公司,美国);万分之一电子天平(型号:FA 2204B,上海佑科仪器仪表有限公司);十万分之一天平(型号:EX225DZH,奥豪斯仪器有限公司);数控超声波清洗器(型号:KQ5200DE,昆山市超声仪器有限公司);恒温培养箱(型号:XGQ-2000,余姚市星辰仪表厂);电热鼓风干燥箱(型号:101-2AB,天津市泰斯特仪器有限公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 牡丹皮饮片干燥过程

取牡丹皮药材1 500 g,洗净,将药材置于润药框内,盖2层湿纱布,再均匀喷洒适量水,20 ℃下润制,润透后取出,切成2 mm饮片,混匀后,平均分成3份,均匀平铺在托盘中,厚度约为1 cm,分别于45 ℃、55 ℃、65 ℃的鼓风干燥箱内干燥,记录不同时刻不同温度鼓风干燥牡丹皮饮片的质量,待质量恒定时,停止干燥。

1.2.2 干基含水率的测定

称取一定牡丹皮饮片,于干燥箱烘干至质量不再变化,得牡丹皮饮片的干重。牡丹皮饮片干基含水率按公式(1)计算［11］。

M=(Ww-Wd)/Wd

(1)

M是牡丹皮饮片的干基含水率,Ww是牡丹皮饮片湿重,Wd是牡丹皮饮片干重。

1.2.3 干燥速率测定

干燥速率表示单位时间内蒸发的水分量,按公式(2)计算［12］。

(2)

DR为干燥速率,Mt、Mt+Δt分别为t、t+Δt时刻样品的干基含水率,Δt为时间间隔。

1.2.4 水分比的计算

水分比(moisture ratio,MR)按公式(3)计算［13］。

(3)

Mt为牡丹皮饮片t时的干基含水率;M0为牡丹皮饮片最初的干基含水率;Me为牡丹皮饮片干燥达到平衡时的干基含水率。

一般可用最终含水量替代难以测得的Me,而最终含水量与M0和Mt相比可以忽略不计［14］,因此水分比计算公式可简化为公式(4)。

(4)

1.2.5 牡丹皮干燥过程水分迁移

(1)横向弛豫时间(T2)测定 取55 ℃下干燥时间为0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 h的牡丹皮样品,称取并记录质量。利用CPMG脉冲序列检测放于LF-NMR永久磁场中心位置的样品T2值,连续测定3次,取平均值。采集核磁信号,获取样品正视和俯视成像数据,利用 sirt 算法,反演迭代100 000次,得T2谱图。T2实验主要参数:主频SF=21 MHz,偏移频率O1=260 kHz,90°脉宽P1=10.00 μs,180°脉宽P2=19.04 μs,累加采集次数NS=4,回波时间TE=0.300 ms,回波个数NECH=8 000,采样频率SW=100 kHz。

(2)低场核磁共振成像(MRI)实验 取T2测定项下的样品,采集其横切面的H质子密度图像,利用MRI成像软件进行成像试验。MRI成像参数:层数6,层厚2 mm,层间隙2 mm,采集次数16,重复时间260 ms,视野100 mm×100 mm,频率方向256,编码步数192。

1.2.6 牡丹皮干燥过程质构特性研究

采用TA-HD plus物性测定仪测定55 ℃下干燥时间为0、0.5、1、1.5、2、3、4 h的牡丹皮样品的质构特性。参数设置:TA-9探头,预测试速度2.0 mm/s,测试速度1.5 mm/s,穿刺深度8.0 mm,返回速度1.5 mm/s,测力传感器10 000 g,触发点负荷为4 g。每个样品重复测定3次。获得参数:样品硬度、粘力、粘性、胶着性等。

1.2.7 牡丹皮饮片干燥过程中指标成分变化

参考文献［15］中的方法,采用HPLC测定55 ℃下干燥时间为0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 h的牡丹皮中芍药苷和丹皮酚的质量分数。

2 结果

2.1 牡丹皮饮片热风干燥曲线

2.1.1 牡丹皮饮片干基含水率变化

根据记录的不同时刻牡丹皮饮片的质量及相应计算公式,运用Origin 2022软件对数据进行处理分析,得到干燥过程中干基含水率随时间变化的曲线见图1。

图1 牡丹皮饮片不同干燥温度的干基含水率变化

温度会影响干基含水率下降趋势,温度越高,干基含水率下降越迅速;除此之外,牡丹皮饮片干基含水率随着干燥时间的延长而下降,且干基含水率的下降趋势由快变慢。45、55、65 ℃热风干燥时,牡丹皮干基含水率降低到0.13需要的时间分别是7.5、3.5、2.0 h。

2.1.2 牡丹皮饮片干燥速率变化

牡丹皮饮片不同干燥温度的干基含水率及干燥速率变化见表1。由表可知,牡丹皮饮片在45 ℃、55 ℃、65 ℃下分别干燥8.5、5、3.5 h时,干燥速率接近0。不同干燥温度下,牡丹皮的干燥速率曲线见图 2。由图可知,65 ℃干燥时,干燥过程为降速阶段;45 ℃、55 ℃干燥时,干燥过程主要分为恒速阶段和降速阶段。其中,45 ℃干燥时的恒速阶段长于55 ℃。

表1 牡丹皮饮片不同干燥温度的干基含水率及干燥速率变化Table 1 Changes of M and drying rate of Moutan Cortex decoction pieces at different drying temperatures

图2 牡丹皮饮片不同干燥温度的干燥速率变化

2.1.3 牡丹皮饮片水分比变化

图3为牡丹皮饮片不同干燥温度的水分比变化曲线。牡丹皮饮片水分比随着干燥时间的延长而下降,开始水分比下降较快,后期趋势变缓,趋于平衡;温度会影响水分比下降速度,温度越高,水分比下降越迅速,干燥时间越短。

2.2 牡丹皮干燥过程水分迁移

2.2.1 横向弛豫时间

根据T2的差异,牡丹皮干燥过程中水分的存在状态可以分为结合水、不易流动水和自由水,对应的弛豫时间分别为T21(0.1～10 ms)、T22(10～100 ms)、T23(100～1 000 ms)［16］。单位质量峰面积A21、A22、A23分别代表3种水的质量分数。

图3 牡丹皮饮片不同干燥温度的水分比变化

A总表示单位质量总峰面积,越大则表明其总含水量越高。T2可以反映样品水自由度的高低,T2越小表示水自由度越低,在T2谱上峰的位置较靠左,反之,T2越大说明水越自由,在T2谱上峰的位置较靠右［17］。

按样品质量归一化处理,不同干燥时间下牡丹皮的T2检测结果,如表2和图4所示。牡丹皮干燥过程中有3个弛豫峰,以3个弛豫时间为主,说明牡丹皮内部含有3个水群。干燥初始,即牡丹皮润透时,水分的存在状态主要是不易流动水。干燥1～2 h,不易流动水逐渐向结合水转变。干燥2 h时,牡丹皮含水量已经较低,继续干燥,3～5 h时,出现了结合水向不易流动水转化的情况,导致不易流动水、自由水比例上升。整个干燥过程,随着干燥时间的延长,单位质量总峰面积不断减少,说明牡丹皮总含水量不断减少。

表2 牡丹皮干燥过程中T2图谱单位质量峰面积及比例变化Table 2 Variation of unit mass peak areas and ratios about T2 during drying of Moutan Cortex

图4 不同干燥时间牡丹皮的T2分布

2.2.2 牡丹皮干燥过程的MRI变化

MRI图像可以直观显示样品内部水分信息,其轮廓分明清晰,亮度高,说明H质子密度高,样品含水量高,亮度低则反之［18］。为了更好地观察图像细节,用图像处理软件将灰度图转为伪彩图。不同干燥时间牡丹皮横切面的MRI伪彩图见图5,含水量高的区域用黄色表示,含水量低的区域用蓝色表示。由图5可知,初始状态时,整个药材的含水量较高,随着干燥时间的增加,黄红色部分面积逐渐由外圈向内收缩,表明药材水分逐渐由外向内散失。干燥过程中,牡丹皮也不断皱缩。

2.3 牡丹皮干燥过程质构特性变化

牡丹皮干燥过程中的质构特性见表3,以针移动穿刺的时间为横坐标,牡丹皮硬度为纵坐标,绘制质构曲线,见图6。曲线最高点对应的穿刺时间为牡丹皮最大硬度时的时间。由结果可知,随干燥时间的增加,牡丹皮硬度逐渐增加。干燥过程中,前2 h牡丹皮各物性指标较低,硬度曲线重合度高,干燥2 h时硬度明显上升。

图5 不同干燥时间牡丹皮MRI变化

2.4 牡丹皮饮片干燥过程中指标成分变化

牡丹皮饮片干燥过程中芍药苷、丹皮酚质量分数变化情况见表4。随着干燥时间的延长,牡丹皮饮片中指标成分芍药苷、丹皮酚的质量分数未发生明显变化。由此表明,芍药苷、丹皮酚在55 ℃干燥比较稳定。

表3 不同干燥时间牡丹皮的质构变化Table 3 Texture changes of Moutan Cortex at different drying time

图6 不同干燥时间牡丹皮的质构变化

表4 牡丹皮饮片干燥过程中指标成分质量分数变化Table 4 Changes of component content of Moutan Cortex decoction pieces during drying

3 讨论

干燥对于中药饮片加工是一个必不可少的步骤。不管是趁鲜切制还是水处理软化后切制,都要经过干燥才利于保存。目前企业的饮片加工干燥多以饮片含水量及性状为评价指标,一些适合监测样品干燥过程含水量变化的新技术也逐渐成熟,尚缺乏干燥动力学结合新技术研究为中药饮片干燥工艺提供科学理论依据。本研究通过测定牡丹皮饮片干燥过程中的干基含水率等干燥参数,分析牡丹皮饮片干燥动力学变化,阐释其干燥特性,对阐明牡丹皮饮片干燥机制具有一定意义。低场核磁共振及其成像技术,可直观显示出牡丹皮含水量,表征其干燥过程;利用物性分析技术检测牡丹皮干燥过程中的各物性指标,再与中药炮制的传统感官判断标准、指标性成分含量变化相结合,可为饮片干燥终点的判断和工艺优化提供客观评价指标。

本研究中牡丹皮饮片在45 ℃、55 ℃、65 ℃下干燥所需时间分别为8.5、5.0、3.5 h,表明一定温度范围内,温度越高,干燥至平衡含水量所用时间越短,这是由空气和牡丹皮饮片之间的传质推动力所造成的。温度越高,空气的相对湿度越低,空气和饮片所含水分差别越大,它们之间的传质推动力就越大,达到平衡所需要的时间短,即干燥所需要的时间就短,干燥速率就大［11］。所以,在合理条件下,温度越高对饮片干燥越有利。但牡丹皮中的主要活性成分丹皮酚,受热易升华,干燥温度不易过高,从提高干燥效率和减少成分损失的角度综合分析55 ℃为牡丹皮饮片的最佳干燥温度。在恒速阶段,牡丹皮饮片内部水分向表面迁移的速率与水分自饮片表面汽化的速率相适应,使物料表面维持湿润状态;当进入降速阶段,牡丹皮饮片内部水分向表面迁移的速率小于水分自饮片表面汽化的速率,饮片表面不能再维持全部湿润,从而形成部分干区［19］。结合低场核磁共振MRI图像,干燥0.5 h时,干燥速率为0.28 g·g-1·h-1,MRI图像中可清晰地观察到与牡丹皮横切面一致的水分分布轮廓。经过短暂的恒速阶段,进入降速阶段,饮片表面出现部分干区,含水量显著降低。干燥2 h时,干燥速率降至0.23 g·g-1·h-1,干燥处于降速阶段,此时牡丹皮的含水量低于成像检测限,无法成像,但从表1可知T2图谱单位质量总峰面积也仍在不断下降,表明此时样品仍未完全干燥。干燥5 h时,干燥速率接近零,T2单位质量信号幅值曲线趋于平缓,表明牡丹皮饮片已达到干燥终点。

由T2检测结果可知,干燥初期牡丹皮水分的存在形式主要是不易流动水,未发现伤水现象,这符合中药润制“药透水尽”的传统经验,既达到软化目的又尽量减少有效成分的损失。干燥3～5 h,出现结合水比例下降,不易流动水、自由水比例上升的情况。Chen等［20］研究大豆渣干燥过程也出现了干燥后期结合水比例下降的情况。在干燥后期,含水量低,剩余水的结合力增强,但部分结合水受热结合力减弱,结合水向不易流动水和自由水转化散失,结合水比例下降。本研究仅对牡丹皮饮片干燥过程进行科学表征分析,后期可应用干燥动力学结合低场核磁共振和物性分析技术对药材及饮片干燥工艺进行优化。

作者贡献声明

陈丽霞:实施实验,统计分析数据,撰写论文;叶丽芳:设计并实施实验;张英:设计实验;吴孟华:设计实验;曹晖:提出研究思路;马志国:提出研究思路和框架,修改论文。

利益冲突声明

本研究未受到企业、公司等第三方资助,不存在潜在利益冲突。