梔子藥材不同干燥方法水分動態過程模擬及其對多元活性成分的影響

王小浩,朱邵晴,谷 巍,巢建國,劉 琪,田 榮,周 晨,王 帆

(南京中醫藥大學藥學院,江蘇南京 210023)

梔子為茜草科梔子屬植物梔子(GardeniajasminoidesEllis.)的干燥成熟果實,梔子藥用始載于《神農本草經》,為臨床常用中藥,有瀉火除煩、清熱利濕、涼血解毒之功效[1]。具有保肝利膽[2-3]、抗凝血與血栓形成[4]、抗氧化[5]、抗炎鎮痛[6]等藥理活性。梔子為藥食同源品,列于衛生部發布的“既是食品又是藥品的物品名單”。梔子采收后的傳統干燥方法一般為入水中煮沸3～5 min撈出曬干以及蒸汽蒸3～10 min后曬干[7]。存在干燥耗時較長,易受天氣、環境條件影響、沒有定性標準、不適合中藥材產業化生產,且易致使有效性成分結構破壞,影響其品質等弊端。

近年來,有關梔子的研究多集中在化學成分及藥理作用方面,有關干燥領域的研究較少。干燥技術作為中藥產地加工的重要細節,直接影響中藥材產品的療效與品質。目前現代干燥設備與技術逐漸運用于中藥材的加工生產,且其具有更高效、集約的優勢,代表性的干燥方法如微波、紅外、真空及冷凍干燥。微波干燥物料內部水分遷移方向與熱量傳遞方向一致,因此干燥物料不易龜裂皺縮[8];中短波紅外干燥干燥效率高、能耗較低、其加熱過程中脫水與滅酶同步進行[9];遠紅外干燥穿透力強,物料干燥速度內部略大于外部,表面致密層不易形成[10];真空干燥過程溫度梯度、壓強梯度、濃度梯度同時作用于物料內部水分的遷移,使干燥物料能在相對較低的溫度條件下脫水,其所得干制品品質更高[11]。Weibull分布函數具有適用性廣、覆蓋性寬的特點,通過分析擬合參數能夠掌握干燥過程的水分擴散機制、能量消耗等信息。當前,Weibull分布函數在中藥材干燥中的應用也愈加廣泛,黃敬[12]、王鶴[13]、朱邵晴[14-15]利用Weibull函數分別對百合、枸杞子、當歸、黨參的干燥動力學特性進行研究。

鑒于此,本研究開展梔子藥材現代干燥加工方法研究,對其干燥過程水分動態變化進行數學擬合,計算梔子干燥過程的有效擴散系數和活化能,并探討不同加工方法及加工溫度對梔子活性成分含量的影響,從水分脫除及有效性成分含量兩種角度評價不同干燥方法梔子的品質,以期為新鮮梔子干燥加工的預測、調控、評價提高依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

梔子新鮮藥材 于2017年11月采自江西省元寶山農業發展有限公司種植基地(江西鄱陽),經南京中醫藥大學谷巍教授鑒定為茜草科植物梔子GardeniajasminoidesEllis的果實;西紅花苷Ⅰ(批號:lw16070301)、西紅花苷Ⅱ(批號:lw16030602)、梔子苷(批號:lw16052902)、京尼平-1-β-龍膽二糖苷(批號:lw16021804) 購自南京良緯生物科技有限公司,純度均大于98%;甲酸 色譜級,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乙腈、甲醇 色譜級,德國Merck公司;超純水 自制。

e2695高效液相色譜儀 美國Waters公司;2998 PDA光電二級管矩陣檢測器 美國Waters公司;FA1104N電子分析天平 上海精密儀器有限公司;3-18k高效冷凍離心機 德國Sigma公司;CG-9160多功能研磨機 中山長柏電器實業有限公司;SAK-W04805隧道式中短波紅外干燥機 江蘇泰州圣泰科紅外科技有限公司;DZF-6050真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;DHG-9240電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;EPED-10TF超純水器 南京易普易達科技發展有限公司;KQ250E超聲波清洗器 上海滬粵明科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 干燥方法 取梔子新鮮藥材20 kg,清洗晾干1 d后,混合均勻,平均分成9份,稱重,將9份梔子樣品分別放入蒸鍋,蒸汽殺青10 min后(本實驗水分比計算以晾干殺青后原料的水分比為100%計算),開啟電熱恒溫鼓風干燥箱、中短波紅外干燥機、真空干燥箱,分別調節溫度50、60、70 ℃,真空干燥箱壓力設為-20 kPa,待溫度穩定后放入物料,記錄干燥時間。干燥溫度為70 ℃時,每30 min左右取出稱重;干燥溫度為60 ℃時,每1.5 h左右取出稱重,其中,60 ℃真空干燥開始時每1.5 h左右取出稱重,干燥20 h后每5 h左右稱重;干燥溫度為50 ℃時,因干燥時間過長,干燥開始時每2 h取出稱重,干燥20 h后每5 h左右稱重,干燥30 h后每隔10 h作用稱重。記錄時間與重量,待濕基含水率降至10%時,停止干燥。具體干燥實驗參數見表1。

1.2.2 干燥參數的計算方法 梔子干燥過程中的干燥曲線采用水分比(MR,moisture ratio)隨干燥時間變化的曲線表示,MR用于表示一定干燥條件下不同干燥時刻的物料含水量,可以用來反映物料干燥速率的快慢,不同干燥時刻梔子的水分比MR按式(1)計算:

式(1)

式中,M0為初始干基含水率,g/g;Me為干燥至平衡時的干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥t時刻的干基含水率,g/g。干基含水率Mt按式(2)計算:

式(2)

式中,Wt為在任意干燥t時刻的總質量,g;G為干物質質量,g。

干燥速率(DR,drying rate)按照式(3)計算:

式(3)

式中,Mt1為t1時刻的干基含水率,g/g;Mt2為t2時刻的干基含水率,g/g。

1.2.3 Weibull函數對干燥曲線的模擬 用于干燥曲線模擬的Weibull分布函數由式(4)表示:

式(4)

式中,α與β為與干燥介質相關的經驗常數,分別定義為尺度參數α和形狀參數β。利用決定系數R2、均方根誤差RMSE、離差平方和χ2來衡量擬合程度,計算公式為:

式(5)

式(6)

式(7)

式中,MRexp,i為干燥實驗實測水分比;MRpre,i為利用模型預測水分比;N為實驗測得數據得組數;n為函數中參數得個數,其值為2。

如果物料干燥過程屬于降速干燥,則干燥過程的水分有效擴散系數Deff(moisture diffusion coefficient)可用Fick第二定律計算,即按式(8)計算:

式(8)

式中,Deff為干燥過程中物料的水分有效擴散系數,m2/s;L為體積等效半徑,本研究采用梔子材料品種近球形,其值為6×10-3m;t為干燥時間,s。對L、lnMR與t進行線性回歸,由斜率可計算出Deff。

如果物料干燥過程前期存在一個延滯階段,則可用估算水分有效擴散系數Dcal(calculated moisture diffusion coefficient)代替,計算公式如下:

式(9)

式中,Dcal表示估算水分有效擴散系數,m2/s;L表示梔子體積等效半徑,m;α表示尺度參數,min。

估算的水分有效擴散系數Dcal與水分有效擴散系數Deff存在關系式:

式(10)

式中,Rg是一個與幾何尺寸相關的系數。

干燥溫度對有效擴散系數的影響關系可用Arrhenius關系式表述,計算公式為:

式(11)

式中,D0為Arrhenius方程的指數前因子,為定值,m2/s;Ea為物料的干燥活化能,kJ/mol;R為摩爾氣體常數;T為干燥物料的溫度, ℃。

將式(9)帶入式(10),可得到:

式(12)

1.2.4 有效性化學成分含量測定方法 將9種已經干燥完成的梔子樣品投入研磨機中打粉,過80目篩。測定樣品中梔子苷、西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ、京尼平-1-β-龍膽二糖苷四種活性性成分含量。

1.2.4.1 對照品溶液的制備 精密稱取各對照品適量,加50%甲醇溶解,配制成質量濃度分別為0.2532、0.07273、0.05165、0.20253 mg/mL的梔子苷、西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ、京尼平-1-β-龍膽二糖苷的混合對照品儲備液。對照品溶液在注入液相色譜儀前經0.22 μm的微孔濾膜濾過,混合對照品儲備液在-80 ℃條件下貯藏,西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ對照品儲備液在-80 ℃條件下貯藏,其余對照品儲備液均在4 ℃條件下貯藏。制作標準曲線時將混合對照品儲備液放入水浴鍋中設置溫度30 ℃解凍20 min后使用。

1.2.4.2 供試品溶液的制備 精密稱取梔子藥材粉末(過80目篩)約0.1 g,置具塞錐形瓶中,精密加入50%甲醇25 mL,稱定重量,50 ℃超聲處理40 min,放置冷卻,再用50%甲醇補足失重,搖勻,過濾。取續濾液1 mL于5 mL量瓶中,用50%甲醇稀釋并定容至刻度,10000 r/min離心2 min,即得供試品溶液。重復三次進樣。

1.2.4.3 色譜條件 YMC-Pack ODS-A色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),柱溫30 ℃,流速0.8 mL/min,流動相乙腈(A)-0.1%甲酸水(B),梯度洗脫(0～15 min,5%～10% A;15～30 min,10%～15% A;30～37 min,15%～23% A;37～52 min,23%～35% A;52～60 min;35% A～60% A)。檢測波長238、440 nm,進樣體積10 μL。

1.3 數據處理

上述實驗數據均重復三次測定后取平均值,曲線擬合和TOPSIS分析采用SPSS 22.0及DPS 9.50數據處理軟件,其余數據分析在OFFICE 2003中完成,繪圖采用PHOTOSHOP CS6軟件。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方法及干燥溫度對梔子干燥特性影響

由圖1可知,梔子采用熱風干燥、真空干燥及紅外干燥在不同溫度下干燥水分比-時間曲線呈現相似規律,隨著干燥溫度提高,干燥至目標含水量所需時間減小。其可能原因是升高干燥溫度,能量通過干燥介質傳遞到被加熱的物料上,物料內部溫度積累快,有利于物料內部水分向外擴散,從而加速水分的蒸發與擴散[16]。紅外干燥相對于真空干燥與熱風干燥整體干燥時間縮短(在50、60、70 ℃溫度下,真空干燥時間分別為92.3、51.6、23.8 h,熱風干燥為65.6、30.4、25.3 h,紅外干燥為51.2、24.5、20.0 h),可能與紅外干燥輻射加熱快,梔子果實內部升溫快,進入降速階段較快有關。

圖1 不同干燥溫度對水分比影響Fig.1 Effect of different temperatures on water content 注：a.熱風干燥水分比曲線;b.真空干燥水分比曲線; c.紅外干燥水分比曲線。

由圖2a與圖2b可知,真空干燥與熱風干燥干燥速率隨時間變化呈先增高后降低的趨勢,這可能由于在熱風與真空干燥剛開始時,梔子表面與干燥箱內部有較大的溫度差,梔子果實表面溫度低于干燥箱環境溫度,其存在的溫度梯度使梔子表面存在的自由水急劇向外擴散,在此過程中,梔子果實表面與內部形成一定程度的濕度梯度,與此同時,干燥環境溫度向梔子果實內部傳遞,梔子內部溫度升高,在溫度梯度與濕度梯度雙向作用下,梔子自由水向外擴散效率達到最大值[17],其干燥速率也達到最大值,因此形成圖2a與圖2b所示的升速并達到最高干燥速率的階段。隨著干燥過程進行,梔子內部溫度與箱內溫度趨于一致,溫度梯度的作用減小,此時梔子干燥的動力源主要為梔子內部與表面的濕度梯度,而隨著干燥進行梔子中自由水減少,濕度梯度也變弱,由此干燥速率也逐漸下降,最終歸于零。而圖2c顯示出，紅外干燥屬于降速干燥，與真空干燥及熱風干燥不同,紅外干燥穿透力強,梔子果實內部果實升溫快,由于溫度梯度與濕度梯度雙向作用導致的升速階段時間較短,甚至在稱重間隔30 min難以觀測其升速階段,直接進入降速階段。

圖2 不同干燥溫度對干燥速率的影響Fig.2 Effect of different temperatures on drying date注：a.熱風干燥速率曲線;b.真空干燥速率曲線; c.紅外干燥速率曲線。

2.2 采用Weibull分布函數模擬干燥曲線

Weibull分布函數中的尺度參數α值約等于干燥過程中MR下降至37%時所需的時間,表示干燥過程的速率常數[18],以min表示。隨著干燥溫度升高,熱風干燥法α值由1395.5 min下降至577.44 min;紅外干燥法α值由1104.6 min下降至389.5 min;真空干燥法α值由3797.8 min下降至572.1 min。α值受干燥溫度影響明顯,溫度升高,α減小,說明升高溫度可以顯著縮短干燥時間、提高干燥效率[15]。在相同干燥溫度條件下,比較不同干燥方法下的α值,其高低依次為真空干燥>熱風干燥>紅外干燥,其中在50 ℃干燥溫度條件下,紅外干燥干燥過程完成63%所花費的時間比真空干燥縮減2693.16 min;60 ℃干燥溫度條件下縮減561.78 min;70 ℃干燥溫度條件下縮減182.64 min。這說明,當溫度提高時,由不同干燥方法導致的α值差異會變小。

形狀參數β與物料在傳質過程中開始階段的速率有關,β值在0.3～1時,物料干燥過程由內部水分擴散控制,表現為降速干燥的特點,β值大于1時,表明物料干燥前期存在滯后階段,即在干燥前期出現干燥速率先增高后下降的情況。

表2顯示,紅外干燥β值范圍為0.710～0.924;真空干燥β值范圍為1.113～1.352;熱風干燥β值范圍為1.063～1.178。形狀參數β與干燥方式、物料種類和狀態有關,真空干燥與熱風干燥β值都大于1,說明這兩種干燥方式下梔子干燥前期有滯后階段,而紅外干燥β值小于1,屬于降速干燥。其原因與紅外輻射加熱原理有關,輻射加熱傳透力強,物料內部溫度升溫快,傳質阻力小,其干燥過程由內部水分擴散控制。以上說明干燥方式對形狀參數β有較大影響,而干燥溫度對其影響較小。

表2 Weibull分布函數模擬梔子干燥過程模型參數值及R2、RMSE、χ2Table 2 Parameter values of Gardenia jasminoides Ellis drying curves modeled by Weibull distribution function

決定系數R2的取值區間為0.9936～0.9994、均方根誤差RMSE取值區間為5.892×10-3～3.047×10-2、離差平方和χ2取值區間為8.05410-6～1.061×10-3。由此可見,Weinull分布函數可準確描述梔子經不同干燥方法及溫度處理的干燥曲線。

2.3 梔子干燥過程中有效擴散系數與干燥活化能

干燥過程中的水分有效擴散系數是表征干燥過程特征的重要值,當β屬于0.3～1時,采用式(7)計算水分有效擴散系數Deff,當β大于1時,Fick公式不適用,采用式(8)計算估算水分有效擴散系數Dcal。根據表3,梔子藥材水分有效擴散系數Deff在1.765×10-10～5.749×10-10m2/s之間變化;估算水分有效擴散系數Dcal在0.632×10-10～6.162×10-10m2/s之間變化。相同干燥方法條件下,梔子藥材水分有效擴散系數與估算水分有效擴散系數隨著干燥溫度升高而增大,其規律與參數α變化規律相似。計算得出梔子藥材Rg范圍在9.250～12.306。

表3 梔子干燥過程水分有效擴散系數Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of Gardenia jasminoides Ellis during drying

干燥活化能表示物料在干燥過程中脫除單位水分所需的能量,通過干燥活化能可反映物料干燥難易程度及能耗。干燥活化能越大,表明其越難干燥,能耗越大。真空干燥與熱風干燥因為無法直接計算Deff,,可利用式(11),估算水分有效水分系數的自然對數lnDcal與1/(T+273.15)呈線性關系,其斜率為(-Ea/R),由斜率可計算出干燥活化能Ea,見圖3;紅外干燥可利用式(10),利用lnDeff與1/(T+273.15)的線性關系,同理求出干燥活化能Ea,見圖4。梔子熱風干燥、紅外干燥、真空干燥的干燥活化能分別為40.74、54.73、87.46 kJ/mol,表明脫出同等量水分熱風干燥所需能量最低,真空干燥所需能量最高。干燥活化能是物料的本質屬性,與物料的品種、成分與組織有關[19],不同干燥方式干燥活化能不同,可能與不同干燥方式對物料內部組織結構有不同影響有關[20]。此外,圖3中兩直線交點處的意義為,在該溫度下,梔子熱風干燥與真空干燥完成63%干燥過程、參數α、Dcal值完全相同,此溫度值為68.64 ℃,表明在該溫度以下,熱風干燥不僅干燥速率大,且干燥活化能比真空干燥小,在該溫度以上,真空干燥干燥速率比熱風干燥大,干燥活化能也較小。

圖4 紅外干燥水分有效擴散系數與干燥溫度的關系曲線Fig.4 The relation curve between Deffand drying temperture in infrared drying method

圖3 真空干燥、熱風干燥估算水分有效擴散系數與干燥溫度的關系曲線Fig.3 The relation curve between Dcal and drying temperture in vacuum drying and air drying methods

2.4 梔子活性成分含量測定研究

本研究基于高效液相色譜技術,建立了同時測定梔子苷、西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ、京尼平-1-β-龍膽二糖苷四種活性成分的分析方法,并對其進行方法學考察,代表性色譜見圖5。

圖5 梔子及其對照品HPLC圖Fig.5 HPLC chromatograms of Gardenia jasminoides Ellis and the standards注:1.京尼平-1-β-龍膽二糖苷；2.梔子苷；3.西紅花苷Ⅰ;4.西紅花苷Ⅱ；A:混合對照品(238 nm);B:樣品(238 nm);C:混合對照品(440 nm);D:樣品(440 nm)。

2.4.1 線性范圍 將1.2.4.1項下配制的不同濃度的混合對照品,分別稀釋50、100、200、500、1000、5000倍。按1.2.4.3項所述色譜條件分別進樣10 μL,對照品的濃度為橫坐標,峰面積的積分值為縱坐標。繪制標準曲線,結果見表4。

表4 各對照品線性關系及范圍Table 4 Linear regression data,determination coefficients and linear ranges of the standard compounds

2.4.2 精密度試驗 取1.2.4.1項下配制的不同濃度的混合對照品,按1.2.4.3項所述色譜條件連續進樣6次,計算各對照品成分的峰面積的RSD,結果梔子苷、西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ和京尼平-1-β-龍膽二糖苷的RSD(n=6)為0.96%、1.5%、0.64%、1.7%。結果說明儀器精密度良好。

2.4.3 重復性試驗 精密稱取同一樣品6份,按1.2.4.2項下配制供試品溶液,按1.2.4.3項色譜條件進樣。結果梔子苷、西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ和京尼平-1-β-龍膽二糖苷的RSD(n=6)分別為1.3%、0.95%、1.4%、1.6%。說明方法的重復性良好。

2.4.4 穩定性實驗 取編號為1的樣品,按1.2.4.2項下配制供試品溶液,按1.2.4.3項色譜條件下于0、2、4、8、10、16、24、36 h測定,測得峰面積RSD(n=6)分別為梔子苷 0.8%、西紅花苷Ⅰ 0.7%、西紅花苷Ⅱ 0.6%、京尼平-1-β-龍膽二糖苷1.3%。表明供試品在36 h內穩定性良好。

2.4.5 加樣回收率試驗 取已知含量的梔子樣品共六份,每份0.1 g,精密稱定,分別精密加入一定量的四個對照品,按1.2.4.2項下配制供試品溶液,按1.2.4.3項色譜條件進樣。測得樣品中梔子苷、西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ和京尼平-1-β-龍膽二糖苷的平均回收率(n=6)為98.23%、97.40%、98.25%、97.37%。RSD分別為1.2%、1.7%、0.8%、1.4%。

2.4.6 各樣品含量測定 取新鮮樣品及九種不同干燥方法及溫度條件下干燥完成的梔子樣品,磨成粉末后,取各粉末0.1 g,按1.2.4.2項下配制供試品溶液,按1.2.4.3項色譜條件進樣,每批平行測定三次。記錄峰面積,按回歸方程計算各成分質量分數。

從表5可知,新鮮樣品中京尼平-1-β-龍膽二糖苷、西紅花苷Ⅰ和西紅花苷Ⅱ含量較低于干燥后的樣品,可能是由于干燥過程中其他物質會轉化成這三種成分。隨著干燥溫度從50 ℃上升至70 ℃,京尼平-1-β-龍膽二糖苷、西紅花苷Ⅰ和西紅花苷Ⅱ的含量有較明顯升高趨勢。可能是由于干燥溫度升高,抑制了梔子中某些酶的活性,從而起到殺酶保苷作用。另外,紅外干燥相對有利于梔子苷、西紅花苷Ⅰ和西紅花苷Ⅱ三種成分的保留,真空干燥有利于京尼平-1-β-龍膽二糖苷的保留。

表5 樣品測定結果(mg·g-1)Table 5 Determination of contents in samples(mg·g-1)

2.4.7 TOPSIS綜合評價 采用TOPSIS綜合分析法,該方法通過各干燥方法與理想解之間的加權歐式距離D+與D-,從而得到各干燥方法與理想方案的相對接近度Ci作為評判標準。以四種活性成分作為評價指標,對不同干燥方法及溫度下的樣品進行評價。結果見表6。

表6 TOPSIS綜合評價結果Table 6 Comprehensive evalution results by TOPSIS

由表6綜合評價結果可知,50 ℃紅外干燥方法得到的梔子樣品內在品質最高,其次為70 ℃紅外干燥方法所得樣品。

3 結論

本研究表明Weinull分布函數可準確描述梔子經不同干燥方法及溫度處理的干燥曲線。同時探討了不同干燥溫度與干燥方式對干燥速率、尺度參數α、形狀參數β、干燥活化能等描述干燥機理的參數的影響,由結果可知,紅外干燥屬于降速干燥,計算所得形狀參數β值小于1,熱風干燥與真空干燥干燥過程先升速后降速,形狀參數β值大于1;尺度參數α值隨著干燥溫度升高而升高,且當干燥溫度提高時,由干燥方式導致的α值差距會縮小,說明干燥溫度對尺度參數α值的影響占主導作用;干燥活化能計算結果顯示,3種干燥方式干燥活化能排序為真空干燥>紅外干燥>熱風干燥,同時測定九種干燥樣品中西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ、京尼平-1-β-龍膽二糖苷、梔子苷的含量,并以這四種成分含量作為評價指標,進行TOPSIS評價。結果表明,提高干燥溫度(70 ℃)有利于西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ、京尼平-1-β-龍膽二糖苷三種成分的保留;干燥過程可能會促使梔子中一些其他成分轉化為西紅花苷Ⅰ、西紅花苷Ⅱ及京尼平-1-β-龍膽二糖苷。基于活性成分綜合評價結果顯示,50 ℃紅外干燥方法得到的樣品品質較佳,綜合考慮干燥時間與干燥能耗,70 ℃紅外干燥方法可作為梔子藥材的適宜干燥方法。