基于HPLC指紋圖譜結合化學計量學的甘草微波制與傳統炮制的差異研究

張育貴，張淑娟，吳紅偉，李東輝，牛江濤，司昕蕾，邊甜甜，李越峰

甘肅中醫藥大學藥學院 甘肅省中藥質量與標準研究重點實驗室 甘肅省中藥制藥工藝工程研究中心，蘭州 730000

甘草為豆科植物甘草GlycyrrhizauralensisFisch.、脹果甘草GlycyrrhizainflataBat.或光果甘草GlycyrrhizaglabraL.的干燥根和根莖，具有補脾益氣、清熱解毒、祛痰止咳、緩急止痛、調和諸藥等功效，主要用于脾胃虛弱，倦怠乏力，心悸氣短，咳嗽痰多，脘腹、四肢攣急疼痛，癰腫瘡毒，緩解藥物毒性和烈性，在我國藥用歷史悠久，有“十方九草，無草不成方”之說，被稱為“國老”[1]。相關文獻記載甘草的主要炮制品有蜜炙甘草、清炒甘草[2]，以及運用現代方法炮制的微波加熱制甘草[3]。微波加熱炮制是物料吸收微波能后通過偶極子旋轉和離子傳導2種方式從內、外同時加熱，而傳統的熱處理是以熱傳導、熱輻射的方式由外向內進行，溫度上升緩慢。微波加熱炮制的優點是被炮制藥物吸收微波能使細胞內部溫度迅速上升，細胞內外形成壓力差導致細胞壁破裂，從而使細胞內成分更易于溶出，并且微波加熱炮制不但火力和時間易控制，且操作簡單，加工后飲片色澤美觀，潔凈一致，彌補傳統炮制方法在工藝上的不足[4,5]。中藥炮制的目的主要是改變中藥的性味和功能，達到緩和藥性、減毒增效等作用[6]。甘草經炮制后增強補脾益胃、緩急止痛、托瘡排毒等功效，以便于臨床合理用藥，確保療效。研究表明，甘草中含有400多個化合物，主要分為黃酮類、三萜類、三萜皂苷類、二苯乙烯類、香豆素類等5類化合物，其中三萜皂苷類成分主要是甘草酸、甘草次酸等，黃酮類成分主要是甘草苷、異甘草苷、甘草素、異甘草素等[7]。化學計量學是一種新興的計數分析方法，能夠將中藥化學中色譜法、光譜法、氣相色譜-質譜法聯用技術等方法得出的大量樣本數據進行快速、全面地鑒別歸類，其方法主要包括聚類分析(cluster analysis，CA)、主成分分析(principal component analysis，PCA)、偏最小二乘判別分析(partial least square discrimina te analysis，PLS-DA)、正交偏最小二乘判別分析(orthogonal partial least square discrimina te analysis，OPLS-DA)等[8,9]。本文通過高效液相色譜(HPLC)指紋圖譜，并結合CA、PCA、PLS-DA、OPLS-DA等化學計量學方法比較甘草經微波制與傳統炮制的差異，為現代微波加熱炮制方法的可行性提供參考。

1 儀器與試藥

1.1 儀器

Agilent1260型高效液相色譜儀(美國安捷倫公司，包括在線脫氣機，四元泵，自動進樣器，柱溫箱，DAD型檢測器)；BT125D電子天平(賽多利斯科學儀器有限公司)；PL-S60超聲波清洗器(康士潔牌數碼超聲波清洗機)；FLP-500A高速多功能搖擺粉碎機(上海菲力博實業公司)；SHB-3循環水多用真空泵(鄭州杜甫儀器廠)；DHG-9123A電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀有限公司)；“中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統”(2012年，130723版)軟件；simca 14.1分析軟件；spss 19.0分析軟件。

1.2 試藥

對照品：芹糖甘草苷(批號：PS011457)、異甘草苷(批號：PS020442)、甘草素(批號：PS010083)、甘草苷(批號：PS012028)、甘草酸(批號：PS010448)，對照品均為色譜純，含量均≥98.0%，廠家均為成都普思生物科技股份有限公司。試劑：磷酸(分析純，批號：20140609，含量≥85.0%)；甲醇(色譜純，批號：20190713，含量≥99.9%)；乙腈(色譜純，批號：20190401，含量≥99.9%)；無水乙醇(分析純，20181217含量≥99.7%)；廠家均為天津大茂化學試劑廠。

1.3 藥材

生甘草(S1～S10)為市售成型飲片(來源見表1)，清炒甘草、微波制甘草和蜜炙甘草均由生甘草飲片自制所得。所購生甘草飲片和蜜炙甘草飲片經甘肅中醫藥大學藥學院王明偉副教授鑒定為2015版《中國藥典》“甘草”項下甘草豆科植物甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)飲片。

表1 10批生甘草飲片來源信息Table 1 Source of 10 batches of Glycyrrhizae Radix et Rhizoma pieces

續表1(Continued Tab.1)

2 方法與結果

2.1 清炒甘草、微波制甘草、蜜炙甘草飲片的制備

2.1.1 清炒甘草的制備

取收集的10批生甘草飲片，置炒炙容器內炒至表面深黃色，略有焦點，香味較濃時取出，放涼，篩去碎屑，得到10批自制清炒甘草飲片(C1～C10)[10]。

2.1.2 微波制甘草的制備

對收集10批次生甘草飲片篩選，均取厚度為0.5 cm飲片，均采用微波爐中火，微波加熱10 min進行炮制，取出，常溫晾干，得到10批自制微波制甘草飲片(W1～W10)[3]。

2.1.3 蜜炙甘草的制備

將煉蜜和水2∶1混合(W/W)加入生甘草片，拌勻，悶潤30 min，置炒鍋內，130 ℃炙炒20 min，取出，放涼，篩去碎屑。即得蜜炙甘草飲片(M1～M10)。每100 kg甘草加煉蜜25 kg[11]。

2.2 色譜條件

根據《中國藥典》2015版“甘草”項下色譜條件：Agilent1260 型高效液相色譜儀；色譜柱為Agilent HC-C18色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流動相為乙腈(A)-0.05%磷酸溶液(B)，梯度洗脫：0～8 min，19% A；8～35 min，19%→50% A；35～36 min，50%→100% A；36～40 min，100%→19% A；體積流量1 mL/min；進樣量10 μL；檢測波長237 nm。

2.3 混合對照品溶液的制備

精密稱取芹糖甘草苷、甘草苷、異甘草苷、甘草素、甘草酸對照品適量，分別加70%乙醇超聲溶解，制備成質量濃度分別為0.30、0.20、0.31、0.21、0.40 mg/mL 的單一對照品溶液；精密吸取上述儲備液適量，混合后加70%乙醇稀釋，使最終制成適宜濃度的混合對照品溶液。

2.4 供試品溶液的制備

取甘草飲片粉末(過三號篩)，精密稱定0.2 g，放入具塞錐形瓶中，加入濃度為70% 的乙醇溶液100 mL，密塞，天平稱重，置入超聲儀做超聲(功率250 W，頻率40 kHz)處理30 min，放置冷卻至室溫，再次稱重，用70%乙醇將以上步驟失去的重量補足，搖勻，取上清液過0.45 μm微孔濾膜，取續濾液作為待測供試品溶液。

2.5 方法學考察

2.5.1 精密度試驗

取生甘草樣品(編號：S1，批號：180920)按“2.4”項方法制備供試品溶液，在“2.2”項色譜條件下連續進樣6次，以成分甘草苷峰的保留時間和峰面積為參照，計算各主要色譜峰的相對保留時間和相對峰面積，結果表明共有峰的相對保留時間RSD均不大于1.81%，相對峰面積RSD均不大于2.32%，表明儀器精密度良好。

2.5.2 重復性試驗

平行取生甘草樣品(編號：S1，批號：180920)6份，按“2.4”項方法制備供試品溶液，在“2.2”項色譜條件下分別進樣測定分析，以成分甘草苷峰的保留時間和峰面積為參照，計算各主要色譜峰的相對保留時間和相對峰面積，結果表明共有峰的相對保留時間RSD均不大于1.68%，相對峰面積 RSD 均不大于2.65%，表明方法重復性良好。

2.5.3 穩定性試驗

取生甘草樣品(編號：S1，批號：180920)按“2.4”項方法制備供試品溶液，以“2.2”項下色譜條件，分別在0、2、4、8、12、24 h進樣測定分析。以成分甘草苷峰的保留時間和峰面積為參照，計算各主要色譜峰的相對保留時間和相對峰面積，結果表明共有峰的相對保留時間RSD 均不大于1.62%，相對峰面積RSD 均不大于2.86%，表明供試品溶液在24 h內穩定性良好。

2.6 甘草及其不同炮制品指紋圖譜測定

取上述生甘草飲片、清炒甘草飲片、微波制甘草飲片、蜜炙甘草飲片各10批，按“2.4”項下方法制備供試品溶液，在“2.2”項色譜條件下檢測，分別得到生甘草飲片(S1～S10)、清炒甘草飲片(C1～C10)、微波制甘草飲片(W1～W10)、蜜炙甘草飲片(M1～M10)HPLC指紋圖譜(見圖1)，分別導入“中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統”(2012年，130723版)，均以相似度軟件內S1為參照圖譜，采用平均數法，時間窗寬度為0.1，全譜峰匹配后得到生甘草飲片、清炒甘草飲片、微波制甘草飲片、蜜炙甘草飲片各10批次HPLC指紋圖譜疊加圖及共有模式圖(見圖2)，生甘草和蜜炙甘草均標定了17個共有峰，清炒甘草和微波制甘均標定了14個共有峰，其中16號共有峰峰型較好，峰面積較大，且在每個樣品中穩定存在，經對照品指認為甘草酸，故選該峰為參照峰。計算甘草不同炮制品批次樣品指紋圖譜與各自生成的對照指紋圖譜的相似度在0.883～0.991之間，其中樣品編號S5、C1、C5的相似度較小，在0.883～0.90之間(見表2)，相似度值表明甘草四種炮制品各批次之間總體相似度較高，炮制工藝穩定可行，能夠為評價不同炮制方法提供基礎。

圖1 混合標準品(MS)、微波制甘草(W)、蜜炙甘草(M)及清炒甘草(C)的HPLC圖Fig.1 HPLC chromatograms of mixed reference substance(MS),microwave-processed licorice(W),honey roasted licorice(M) and stir-fried licorice(C) 注：2：芹糖甘草苷；3：甘草苷；8：異甘草苷；10：甘草素；16：甘草酸。 Note:2:Glycyrrhiza uralensis;3:Glycyrrhizin;8:Isoliquiritin;10:Glycyrrhizin;16:Glycyrrhizinate.

表2 甘草四種炮制品的相似度Table 2 Similarity of four processed products of liquorice

圖2 甘草不同炮制品HPLC指紋圖譜Fig.2 HPLC fingerprint of different processed licorice products注：A：生甘草；B：蜜炙甘草；C：清炒甘草；D：微波制甘草；S1～S10為10批生甘草樣品；C1～C10為10批清炒甘草樣品；W1～W10為10批微波制甘草樣品；M1～M10為10批蜜炙甘草樣品，下同。Note:A:Raw licorice;B:Honey roasted licorice;C:Stir-fried licorice;D:Microwave-processed licorice;S1-S10 are 10 batches of raw licorice;C1-C10 are 10 batches of stir-fried licorice;W1-W10 are 10 batches of microwave-processed licorice;M1-M10 are 10 batches of honey roasted licorice,the same below.

2.7 化學識別模式分析

2.7.1 聚類分析(CA)

聚類分析是一種常見的無監督的化學計量學方法，可簡單有效的將具有相似特點的樣品歸為一類，能夠區分差異樣品[12]。將甘草飲片生品、清炒品、微波制品、蜜炙品各10批次共有峰的相對峰面積(見表3)導入SPSS 19.0分析軟件，采用組間Ward聯接方法，對甘草四種炮制品進行聚類分析(見圖3)。結果發現生甘草和蜜炙甘草在甘草四種炮制品種各自分類效果較好，而微波制甘草和清炒甘草無法分開，提示甘草經微波制和清炒后可能有一定共性，可以將甘草四種炮制品分為三類：Clade Ⅰ為蜜炙甘草，Clade Ⅱ為生甘草，Clade Ⅲ為清炒甘草和微波制甘草。

圖3 甘草四種炮制品的CA圖Fig.3 CA of four processed liquorice products

表3 甘草四種炮制品HPLC共有峰保留時間、相對峰面積Table 3 HPLC common peak retention time,relative peak area of the four processed liquorice products

2.7.2 主成分分析(PCA)

將甘草生品、清炒品、微波制品、蜜炙品各10批次共有峰的峰面積數據(清炒甘草和蜜炙甘草4號、5號、11號峰面積記為0)導入SIMCA 14.1分析軟件，基于PCA建立無監督的模式識別模型，觀察樣品的組內聚集和組間分離趨勢[13]，結果如圖4A，自動擬合出三個主成分(PC1、PC2、PC3)，累計貢獻率達到71.359%，能夠較全面的反應出甘草四種炮制品種之間的樣品差異。從PCA得分圖顯示，甘草不同炮制品的樣品基本可以各自聚為一類，其中生甘草和蜜炙甘草在距離上完全顯示出差異，清炒甘草和微波制甘草距離較近，且有一部分沒有完全分開，反映出甘草經清炒和微波制后在在某些方面的相似性，該結果與CA結果一致。

圖4B-1和圖4B-2分別為PC1與PC2、PC1與PC3的載荷圖，載荷圖能夠反映各色譜峰在主成分中所占的比例，其中離X=0縱軸距離越遠的點對PC1的貢獻越大，而離Y=0 縱軸距離越遠的點對PC2、PC3的貢獻越大[14]。可見，甘草四種炮制品中除生品、蜜炙品和清炒品、微波制品的4號、5號和11號三個差異峰對PC1貢獻度較大外，8號峰距離X=0的縱軸距離最遠，對PC1的貢獻度最大，其余峰按貢獻度從大到小依次為7>16>15>13>6>3>10>1>9>17>14>2>12；圖4B-1顯示，對PC2的貢獻度從大到小依次為2>16>1>12>15>11>4>3>10>5>14>17>9>7>8>13>6，圖4B-2顯示對PC3的貢獻度從大到小依次為17>14>13>3>9>10>6>7>5>4>11>1>2>16>8>15>12。根據HPLC對照品色譜峰指認出8號峰為異甘草苷，2號峰為芹糖甘草苷，3號峰為甘草苷，10號峰為甘草素，16號峰為甘草酸。根據載荷圖結果發現，造成甘草四種炮制品差異的峰除了4、5、11號峰為生甘草和蜜炙甘草特有成分峰外，主要為8號峰異甘草苷。

圖4 甘草四種炮制品PCA模型的得分圖(A)及載荷圖(B)Fig.4 PCA model scores diagram (A) and loading diagram (B) of four processed liquorice products注：S：生甘草；M：蜜炙甘草；C：清炒甘草；W：微波制甘草，下同。Note:S:Raw licorice;M:Honey roasted licorice;C:Stir-fried licorice;W:Microwave-processed licorice,the same below.

2.7.3 偏最小二乘法-判別分析(PLS-DA)與正交偏最小二乘-判別分析(OPLS-DA)

PLS-DA及OPLS-DA均屬于有監督的模式識別分析。在PCA的基礎上對甘草四種炮制品進行PLS-DA，結果如圖5A。PLS-DA模型中以R2Y和Q2Y分別表示累積的自變量(X)對Y的解釋能力和模型的預測能力，當Q2Y>0.50且0

圖5 甘草四種炮制品PLS-DA模型得分圖(A)及模型檢驗圖(B)Fig.5 OPLS-DA model score diagram (A) and model test diagram (B) of four processed liquorice products

2.7.4 差異成分分析

基于上述實驗結果，分別對微波制甘草和生甘草、微波制甘草和蜜炙甘草建立OPLS-DA模型，如圖6B、C；經驗證，模型均具有良好的預測能力。然后在OPLS-DA模型基礎上對微波制甘草和生甘草、微波制甘草和清炒甘草、微波制甘草和蜜炙甘草的共有峰面積進行差異成分分析。根據變量重要性投影(VIP)法，VIP>1.0時，說明二者成分差異具有統計學意義，VIP值越大，說明對應色譜峰對于二者的分類貢獻度越大。微波制甘草和生甘草OPLS-DA模型的VIP見圖7，其中在17個成分峰當中VIP>1.0的有6個峰，按VIP值大小依次為4、11、5、2、1、8號色譜峰，其中除去微波制甘草不含有的4、11、5號色譜峰，確定出微波制甘草和生甘草的主要差異色譜峰為2、1、8號。微波制甘草和清炒甘草OPLS-DA模型的VIP見圖8，由于微波制甘草和清炒甘草的HPLC指紋圖譜均不含4、5、11號色譜峰，因此二者在此三個峰的VIP值為0；剩余14個成分峰中VIP>1.0的有9個色譜峰，按VIP大小依次為：7、2、9、15、6、13、17、16、14號色譜峰。微波制甘草和蜜炙甘草OPLS-DA模型的VIP見圖9，其中在17個成分峰當中VIP>1.0的有7個峰，按VIP值大小依次為4、11、8、5、13、7、16號色譜峰，其中去掉峰微波制甘草不含有的4、11、5號色譜，確定出微波制甘草和蜜炙甘草的主要差異色譜峰為8、13、7、16號色譜峰。差異成分中2號峰為芹糖甘草苷，8號峰為異甘草苷，16號峰為甘草酸。

圖6 甘草微波炮制品與其他炮制品的OPLS-DA得分圖Fig.6 OPLS-DA score chart of licorice microwave processed products and other processed product

圖7 微波制甘草和生甘草OPLS-DA模型的VIPFig.7 VIP of microwave-processed licorice and raw licorice OPLS-DA model

圖8 微波制甘草和清炒甘草OPLS-DA模型的VIPFig.8 VIP of stir-fried licorice and microwave-processed liquorice OPLS-DA model

3 討論

中醫藥的發展離不開傳承與創新，運用現代炮制技術炮制中藥是對中藥炮制技術的創新，有利于中醫藥現代化的發展。微波加熱的現代炮制方法不僅操作簡單而且耗時短，能有效提高能源的利用率，干燥時所需溫度低，且干燥用時短，較之傳統的炮制法有非常明顯的優勢。本實驗建立甘草生品及其炮制品的HPLC指紋圖譜，并結合化學計量學方法，比較甘草經微波制與傳統炮制的差異。從指紋圖譜可以直觀看出，甘草生品與蜜炙品化學組分相同，而經清炒和微波制后少了4、5、11號色譜峰，提示生甘草在清炒或微波加熱炮制過程中，某些成分可能發生了變化，經對照品比對，未能指認，需進一步研究；相似度評價顯示甘草生品及炮制品各批次間相似度高，說明炮制工藝穩定可行。CA顯示，甘草蜜炙品與其他炮制品可清晰區分，表明蜜炙過程中輔料煉蜜的加入對甘草化學成分含量的影響較大；甘草生品和蜜炙品能各自聚類，清炒品和微波制品不能各自聚類，表明清炒和微波制甘草化學特征相似，提示微波加熱炮制方法具有一定可行性。PCA和OPLS-DA顯示，甘草生品及其炮制品基本能各自聚類，清炒品和微波制品存在小部分交叉，與CA結果一致。清炒品和微波制品進一步做兩兩比較的OPLS-DA后，聚類效果好，因此OPLS-DA分析更適用于甘草及其炮制品的判別分析；PCA得到與甘草不同炮制品關系密切的成分為4、5、11、8號峰，OPLS-DA差異成分分析顯示，微波制甘草和生甘草的主要差異色譜峰為2、1、8號色譜峰，微波制甘草和清炒甘草的差異成分峰為7、2、9、15、6、13、17、16、14號色譜峰，微波制甘草和蜜炙甘草的主要差異色譜峰為8、13、7、16號色譜峰，這些成分可能是甘草微波制品與生品及其他炮制品功效差異的物質基礎。

綜上可知，甘草經過微波加熱炮制后化學成分的確發生了變化，并且有其獨特的優勢。盡管CA、PCA及PLS-DA分析結果顯示出甘草經微波制與清炒后距離較近，在一定程度上存在共性，這可能是由于這兩種炮制方法均為甘草不加輔料加熱炮制的共性造成；但OPLS-DA分析中的VIP結果顯示，微波制甘草與清炒甘草相較于蜜炙及生甘草在化學成分上有很大差異，顯示出微波加熱與普通加熱原理上的不同。運用現代化炮制技術對于中藥現代化的發展具有推動作用，研究并闡明其炮制原理更能產生深遠影響。甘草所含化學成分復雜，其化學成分及含量的變化是否能引起功效差異有待于后續藥理學實驗驗證。