基于物理指纹图谱与多变量数据分析构建枸杞浸膏微波真空干燥过程中质量一致性评价方法

余春游 卿 果 赵廷廷 徐 剑 张永萍 刘 耀 缪艳燕

贵州中医药大学药学院，贵州贵阳 550025

枸杞子属于茄科植物宁夏枸杞Lycium barbarumL.的干燥成熟果实[1]，在《神农本草经》里被列为上品[2]。枸杞子味甘、性平，归肝、肾经，具有滋补肝肾、益精明目等功效[3]，枸杞子富含多种生物活性成分，如多糖[4]、生物碱类[5]、黄酮类[6]及多酚类成分[7]，其中枸杞多糖含量最为丰富，具有抗氧化、抗肿瘤、调节免疫等作用[8]。受原料和制备工艺的影响，中药浸膏不仅化学性质存在差异，物理性质也存在波动[9]，现已有许多关于中药浸膏干燥的粉体学研究[10]，但未针对中药浸膏干燥过程中的整体特征进行研究，因此，本研究探讨采用微波真空干燥方法对枸杞浸膏在干燥过程中的质量变化进，根据中药浸膏体系的流变学、表面化学、电化学等物理化学特性选定其物理质量属性参数，构建物理指纹图谱，采用多变量数据分析方法筛选出差异性指标，以期建立枸杞浸膏微波真空干燥过程中质量一致性评价方法，为枸杞浸膏微波真空干燥的质量控制提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 仪器

YJ13/2B-G型密闭二连体煎药机（北京东华原医疗设备有限公司）；WBZ-10型智能化静态微波真空干燥机（贵阳新奇微波工业有限公司）；希玛AS842A手持远红外测温仪（深圳吉格机电设备有限公司）；FA1004型电子分析天平（上海西艾爱电子有限公司）；DDS-307A微机电导率仪（北京顺科达科技有限公司）；DelasMax PRO贝克曼粒径仪（美国贝克曼公司）；BZY100表界面张力仪（瑞柯仪器有限公司）；PHS-3C PH仪（上海虹益仪器仪表有限公司）；DHS-50-1电子水分测定仪（上海越平科学仪器制造有限公司）；NDJ-5S数字式粘度计（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）。

1.2 试药

枸杞子药材购于贵州同济堂中药饮片有限公司，经贵州中医药大学药学院张永萍教授鉴定为茄科植物宁夏枸杞的干燥成熟果实。

1.3 实验方法

1.3.1 枸杞浸膏的制备 称取枸杞饮片适量，加入10倍量水浸提2 h，提取两次，提取温度为90℃，过滤提取液；在80℃条件下，减压浓缩至相对密度为1.30的膏状，于室温环境中静置至25℃左右，反复颠倒混匀，备用。

1.3.2 浸膏的干燥方法 取枸杞浸膏100 g，倒入直径为20 cm的陶瓷圆形物料盘中，置于微波真空干燥机内，将真空度设为-0.05 MPa，分别用不同功率进行干燥。记录每分钟需要测量的相关参数，并且每分钟所测量的参数都需要重新称取100 g相同初始参数的浸膏进行干燥，来确保试验的连续性，当浸膏含水率低于10%时，即为干燥完成。

1.3.3 浸膏干燥参数计算方法 为使指标测量值更接近真实值，本研究将物料圆盘从中心向边缘分成3等分，在3个区域分别取部分浸膏测量相关参数，计算其平均值。

1.4 枸杞浸膏物理质量属性的检测方法

密度：采用质量体积法进行测定；固含量：采用烘干法测定；动力黏度：使用粘度计进行测定[11]；pH值：使用pH计进行测量；电导率：使用电导率仪来进行测定；导热率：使用远红外测温仪分来进行温度测定，根据传热学中导热率的定义和公式计算得出；平均粒径：实验测量前用去离子水将浸膏稀释50倍，混匀后倒入比色皿中，使用激光粒径仪进行测定；表面张力：实验使用表面张力测量仪进行测定[12]。

2 结果与分析

2.1 枸杞浸膏干燥过程物性测量结果

相对初始密度为1.30，微波功率为300、500和1000 W条件下枸杞浸膏微波真空干燥过程中的8个物理质量属性参数测量结果见表1～3。

表2 500 W功率条件下枸杞浸膏物理质量属性检测结果

表3 1000 W功率条件下枸杞浸膏物理质量属性检测结果

2.2 枸杞浸膏物理指纹图谱的构建

2.2.1 物理属性指标的标准化转化 各指标标准化转换公式见表4。

表4 物理属性参数的标准化转换关系及转化值范围

2.2.2 物理指纹图谱的构建 采用Origin 2018软件将转换后的不同微波功率干燥的枸杞浸膏物性参数连接起来，绘制的雷达图如图1所示，可以直观展示出浸膏的各项指标水平。通过直观评价法[13]能够知道不同干燥时间的浸膏在雷达图中参数指标的分布情况，由图1a可知，枸杞浸膏干燥过程中σ、Kf、SC和μ这4个指标变化较大，pH指标的分布均在同一位置，ρ、d指标分布变化较小，SC、μ、γ指标随着干燥时间增加，水平差异越大，σ指标水平随着干燥过程越来越小，干燥时间越长，其变化趋势越明显，图1b、1c的现象与之相似。

图1 枸杞浸膏理指纹图谱叠加图

2.3 物理指纹图谱的应用评价

根据枸杞浸膏绘制的雷达图，对其不同微波功率条件下的物理指纹图谱进行相似度分析，运用Origin 2018软件计算不同干燥条件下的Pearson相关系数，若相似度的绝对值越接近1，说明其表征的物理性质也越相似，由表5可知，在各功率条件下枸杞浸膏微波真空干燥过程中相似度均随着干燥过程先增加再减小，功率越低相似度总体越高。相似度分析结果表明，枸杞浸膏物理指纹图谱的8项指标存在普遍的相关性，进一步利用多变量数据分析法对指标分类与简化，以提高枸杞浸膏品质评价的分析效率。

表5 枸杞浸膏各功率条件下相似度计算结果

2.4 枸杞浸膏物理质量属性的多变量数据分析

本文采用SIMCA 14.1软件对枸杞浸膏标准化后的物性参数进行主成分分析[14]，结果显示，特征值＞1的主成分有2个，方差贡献率分别为62.9%、18.5%，累积方差贡献率为81.4%，能够概括样品数据的大部分信息。由图2主成分分析得分图可知，不同微波功率干燥枸杞浸膏物理性质出现了相似的特点，其中A0、B0、C0为初始浸膏得分点，其物性参数相同，在得分图中处于同一位置。另外，A1～A23、B1～B13、C1～C7在得分图中均呈先从左往右并且连续下降的趋势，后连续上升的趋势，表明在干燥过程中ρ、SC、μ、Kf、σ和γ的波动会影响浸膏的PCA得分分布情况。

图2 枸杞浸膏主成分得分图

枸杞浸膏干燥过程物理性质前两个主成分的载荷图见图3，由图可知，除参数Kf和d变量对第一主成分贡献较小外，其他6个变量对第一主成分的贡献差不多，并且ρ、SC、μ和γ与pH、σ成负相关关系；主成分二中Kf和d具有较大载荷，与其关联性较强，并且二者呈正相关。

图3 枸杞浸膏主成分载荷图

为进一步筛选出对上述样本分类贡献较大的关键辨识指标，对枸杞浸膏标准化后的物理属性参数指标数据进行偏最小二乘判别分析法（partial least squares discriminant analysis method，PLS-DA）分析，结合变量投影重要性（variable importance inproject，VIP）可更直观地看出各物性参数的影响程度，VIP值＞1.0为有意义变量[15]。由图4可知，不同功率下微波真空干燥过程中枸杞浸膏之间筛选得到具有统计学意义的差异性指标共3个，其影响程度依次为pH＞Kf＞μ。

图4 不同功率条件下枸杞浸膏样品的VIP值

3 讨论

本研究考查了微波真空干燥过程中不同功率对枸杞浸膏的ρ、SC、μ、pH、σ、Kf、d和γ这8个物理属性指标的影响，通过对其物理指纹图谱的研究并结合多变量数据分析得出结论：①微波真空干燥过程对枸杞浸膏的ρ、SC、μ、γ、σ影响较大，ρ、μ、γ随干燥时间逐渐增大；σ随干燥时间逐渐减小，μ在干燥前期先减小，在干燥后期迅速增大；②枸杞浸膏在不同功率干燥过程中，pH、d变化幅度不大，表明在微波真空干燥过程中不会对浸膏的pH产生影响，浸膏中不溶性物质不会聚集或分散；③物理指纹图谱相似度评价中，枸杞浸膏干燥前期与干燥后期的相似度均＜0.9，干燥中期相似度＞0.9，说明干燥中期浸膏物理指标均相对稳定，即在干燥过程中应尽量延长干燥中期的时间，缩短干燥前期与干燥后期的时间；④通过PLS-DA分析找到枸杞浸膏不同功率微波真空干燥条件下主要物理属性差异性指标是pH、Kf和μ，因此，在干燥过程中，这3个物理指标发生异常波动，浸膏的质量可能会受到影响，可考虑作为枸杞浸膏干燥工艺的关键质量控制指标。