柴胡浸膏微波真空干燥动力学及其活性成分变化规律研究
任维，卿果1，余春游1，张永萍1,2,3，刘耀1,2,3，徐剑1,2,3*
(1.贵州中医药大学药学院，贵州 贵阳 550025；2.国家苗药工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025；3.贵州中药炮制与制剂工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025）
摘要：目的 探索柴胡浸膏在微波真空干燥过程的水分及其活性成分变化规律，以期有效提高其干燥效率和品质。方法 采用不同微波功率密度对柴胡浸膏进行干燥试验，研究干燥过程的水分比和干燥速率变化情况，采用6种常用的薄层干燥经验模型对柴胡浸膏干燥过程中水分比曲线进行模型拟合与验证，并运用HPLC测定柴胡浸膏的柴胡皂苷a、柴胡皂苷d的含量。结果 试验范围内，提高微波功率密度可以更有效地缩短干燥时间，模型拟合发现Page方程拟合度最高，柴胡皂苷a、柴胡皂苷d含量均随干燥时间延长而降低，且均表现为功率密度越大，活性成分降解率越大。结论 研究工作为提升柴胡浸膏干燥效率和干燥品质提供了理论基础和技术指导。
关键词：柴胡浸膏；微波真空干燥；干燥动力学；活性成分；降解规律。
Drying kinetics and active components changes of Bupleurum extract with microwave vacuum drying
REN Wei1,QING Guo1,YU Chunyou1, ZHANG Yongping1,2,3, LIU Yao1,2,3, XU Jian1,2,3*
(1.College of Pharmacy, Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550025, China; 2.Guizhou Engineering Research Center for Processing and Preparation of Traditional Chinese Medicines, Guiyang 550025, China; 3.National Engineering Research Center for Miao Medicine, Guiyang 550025, China)
Abstract: Objective To explore the change rule of moisture and its active ingredients in the microwave vacuum drying process of Bupleurum extract, in order to effectively improve its drying efficiency and quality. Methods Different microwave power densities were used to carry out drying tests on Bupleurum extract, to study the changes of moisture ratio and drying rate in the drying process, and six commonly used empirical models for thin-layer drying were used to fit and validate the moisture ratio curves in the drying process of Bupleurum extract and to determine the contents of Saikosaponin a and Saikosaponin d in Bupleurum extract by HPLC. Results Within the experimental range, increasing the microwave power density could shorten the drying time more effectively, and model fitting revealed that Page's equation had the highest fit, and that the contents of Saikosaponin a and Saikosaponin d both decreased with the extension of the drying time, and they both showed that the greater the power density, the greater the degradation rate of the active ingredients. Conclusion The research work provides theoretical basis and technical guidance for improving the drying efficiency and drying quality of Bupleurum extract.
Keywords:Bupleurum extract;microwave vacuum drying;drying kinetics;bioactive constituents;degradation dynamics.
柴胡为伞形科植物柴胡Bupleurum chinense DC或狭叶柴胡Bupleurum scorz-onerifolium Willd.的干燥根[1]，具有疏散退热，疏肝解郁，升举阳气等功效[2]，其主要活性成分为柴胡皂苷类[3]，其中柴胡皂苷a、d的含量较高[4]。柴胡的干浸膏作为制备中药固体制剂的重要中间体，直接影响着药品的质量[5]，而其浸膏的干燥对后续成型工艺、产品质量有较大的影响[6]。
中药浸膏的干燥方式仍以传统的热风干燥为主，其优点是操作简单，成本低，但对于黏度大、含糖量高和透气性差的浸膏而言，存在着干燥时耗长、浸膏内部温度高、有效活性成分易损失等缺点[7]。有研究表明微波真空干燥是一种适合中药浸膏的新型干燥方法[8]，该技术通过激发物料内水分等极性分子发生离子极化和偶极子转动实现物料整体加热，且加热过程中热量和水分传递方向一致，具有升温快、能耗低、干燥效率高等优势[9]，但是，连续的微波干燥过程是一种非常复杂的非稳态热量、质量和动量耦合传递过程[10]，在实际应用中往往会出现干燥不均匀而导致浸膏焦化、质地硬、假干燥等问题，温度的持续升高，也会使活性成分的转移率显著下降。现国内对中药浸膏干燥方面的研究较少，对浸膏干燥过程中引起活性成分发生降解的原因及程度的解释及定量分析较少[11]，未形成干燥共性技术和基础性研究，这导致浸膏干燥品质和干燥效率难以得到有效的保障。随着干燥技术的不断进步，采用数学模型来模拟干燥过程已成为食品与农产品干燥研究领域的重要内容[8]，但目前尚未见关于柴胡浸膏干燥动力学及干燥过程数学模型的相关研究。
因此，实验以柴胡浸膏为试验对象，探究不同微波功率密度对其干燥特性的影响及化学活性成分变化规律，以期为柴胡浸膏干燥的质量控制和干燥工艺优化提供理论依据和技术指导。
1 材料
柴胡浸膏微波真空干燥动力学及其活性成分变化规律研究
任维，卿果1，余春游1，张永萍1,2,3，刘耀1,2,3，徐剑1,2,3*
(1.贵州中医药大学药学院，贵州 贵阳 550025；2.国家苗药工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025；3.贵州中药炮制与制剂工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025）
摘要：目的 探索柴胡浸膏在微波真空干燥过程的水分及其活性成分变化规律，以期有效提高其干燥效率和品质。方法 采用不同微波功率密度对柴胡浸膏进行干燥试验，研究干燥过程的水分比和干燥速率变化情况，采用6种常用的薄层干燥经验模型对柴胡浸膏干燥过程中水分比曲线进行模型拟合与验证，并运用HPLC测定柴胡浸膏的柴胡皂苷a、柴胡皂苷d的含量。结果 试验范围内，提高微波功率密度可以更有效地缩短干燥时间，模型拟合发现Page方程拟合度最高，柴胡皂苷a、柴胡皂苷d含量均随干燥时间延长而降低，且均表现为功率密度越大，活性成分降解率越大。结论 研究工作为提升柴胡浸膏干燥效率和干燥品质提供了理论基础和技术指导。
关键词：柴胡浸膏；微波真空干燥；干燥动力学；活性成分；降解规律。
Drying kinetics and active components changes of Bupleurum extract with microwave vacuum drying
REN Wei1,QING Guo1,YU Chunyou1, ZHANG Yongping1,2,3, LIU Yao1,2,3, XU Jian1,2,3*
(1.College of Pharmacy, Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550025, China; 2.Guizhou Engineering Research Center for Processing and Preparation of Traditional Chinese Medicines, Guiyang 550025, China; 3.National Engineering Research Center for Miao Medicine, Guiyang 550025, China)
Abstract: Objective To explore the change rule of moisture and its active ingredients in the microwave vacuum drying process of Bupleurum extract, in order to effectively improve its drying efficiency and quality. Methods Different microwave power densities were used to carry out drying tests on Bupleurum extract, to study the changes of moisture ratio and drying rate in the drying process, and six commonly used empirical models for thin-layer drying were used to fit and validate the moisture ratio curves in the drying process of Bupleurum extract and to determine the contents of Saikosaponin a and Saikosaponin d in Bupleurum extract by HPLC. Results Within the experimental range, increasing the microwave power density could shorten the drying time more effectively, and model fitting revealed that Page's equation had the highest fit, and that the contents of Saikosaponin a and Saikosaponin d both decreased with the extension of the drying time, and they both showed that the greater the power density, the greater the degradation rate of the active ingredients. Conclusion The research work provides theoretical basis and technical guidance for improving the drying efficiency and drying quality of Bupleurum extract.
Keywords:Bupleurum extract;microwave vacuum drying;drying kinetics;bioactive constituents;degradation dynamics.
柴胡为伞形科植物柴胡Bupleurum chinense DC或狭叶柴胡Bupleurum scorz-onerifolium Willd.的干燥根[1]，具有疏散退热，疏肝解郁，升举阳气等功效[2]，其主要活性成分为柴胡皂苷类[3]，其中柴胡皂苷a、d的含量较高[4]。柴胡的干浸膏作为制备中药固体制剂的重要中间体，直接影响着药品的质量[5]，而其浸膏的干燥对后续成型工艺、产品质量有较大的影响[6]。
中药浸膏的干燥方式仍以传统的热风干燥为主，其优点是操作简单，成本低，但对于黏度大、含糖量高和透气性差的浸膏而言，存在着干燥时耗长、浸膏内部温度高、有效活性成分易损失等缺点[7]。有研究表明微波真空干燥是一种适合中药浸膏的新型干燥方法[8]，该技术通过激发物料内水分等极性分子发生离子极化和偶极子转动实现物料整体加热，且加热过程中热量和水分传递方向一致，具有升温快、能耗低、干燥效率高等优势[9]，但是，连续的微波干燥过程是一种非常复杂的非稳态热量、质量和动量耦合传递过程[10]，在实际应用中往往会出现干燥不均匀而导致浸膏焦化、质地硬、假干燥等问题，温度的持续升高，也会使活性成分的转移率显著下降。现国内对中药浸膏干燥方面的研究较少，对浸膏干燥过程中引起活性成分发生降解的原因及程度的解释及定量分析较少[11]，未形成干燥共性技术和基础性研究，这导致浸膏干燥品质和干燥效率难以得到有效的保障。随着干燥技术的不断进步，采用数学模型来模拟干燥过程已成为食品与农产品干燥研究领域的重要内容[8]，但目前尚未见关于柴胡浸膏干燥动力学及干燥过程数学模型的相关研究。
因此，实验以柴胡浸膏为试验对象，探究不同微波功率密度对其干燥特性的影响及化学活性成分变化规律，以期为柴胡浸膏干燥的质量控制和干燥工艺优化提供理论依据和技术指导。
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型微波真空干燥机（贵州新奇微波工业有限责任公司）；DHS-50-1电子水分测定仪（上海越平科学仪器制造有限公司）；Waters e2695高效液相色谱仪（沃特世科技有限公司国Waters公司）。
1.2 药材与试剂
柴胡饮片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伞形科植物柴胡Bupleurum chinense DC的干燥根。
柴胡皂苷a（批号110777-201912，纯度>95%）、柴胡皂苷d（批号110778-201912，纯度>96%）均购自中国食品药品检定研究院；乙腈和甲醇为色谱纯，均购自赛默科技有限公司。
2 方法
2.1柴胡浸膏的制备
称取适量柴胡饮片，加入10倍量水煎煮3次，每次1.5 h，过滤，合并滤液，在80℃条件下将提取液减压浓缩至相对密度为1.20的浸膏（25 ℃），反复颠倒混匀，备用。
2.2浸膏的干燥方法
取柴胡浸膏100 g，倒入微波真空干燥箱内的陶瓷物料盘中，真空度设为-0.05 MPa，分别用不同功率进行干燥，记录浸膏重量（为确保试验的连续性，下一次干燥需重新称取100 g的浸膏）。当浸膏含水率低于10％时，即为干燥完成。
2.2.1 湿基含水率的测定 使用水分测定仪测定浸膏的湿基含水率。
2.2.2 干基含水率的计算
（1）
式中：
为干基含水率（g/g）；M为湿基含水率（%）。
2.2.3 水分比（MR） 水分比是物料在受到高温和高压作用下后，其中的水分蒸发、挥发而失去的百分比，能够反映出物料干燥的速度和效率[12]。水分比可按公式（2）计算。
（2）
式中：M代表取样点的浸膏含水率；M0则是浸膏的初始含水率，而Me则是达到平衡时的含水率。在浸膏的干燥过程结束后，Me的数值明显低于M0，在真空环境下，Me可以被视为接近零的状态[13]。
2.2.4 失水速率（DR） 失水速率表示单位时间内降低的干基含水率，可用于分析物料干燥过程变化趋势，指的是相邻时刻浸膏干基含水率差值与间隔时间的比值，利用式（3）计算[14]。
（3）
式中：
为t1时刻浸膏的干基含水率、
为
时刻浸膏的干基含水率；
为间隔时间。
2.3 活性成分含量测定
根据2020年版《中国药典》一部附录和文献报道，选择柴胡皂苷a、d为柴胡的有效成分指标进行HPLC含量测定[15]。
2.3.1 对照品溶液的制备 精密称取柴胡皂苷a、柴胡皂苷d对照品适量，加甲醇溶解并定容至10 mL，即得混合对照品溶液。
2.3.2 供试品溶液的制备 称取0.5 g柴胡浸膏置于锥形瓶中，加入25 mL含5 %浓氨试液的甲醇溶液，密塞后超声30 min，滤过，将溶剂挥干，再用2 mL甲醇溶解，并倒入5 mL容量瓶中用甲醇定容，混匀后过 0.22 μm微孔滤膜即得[16]。
2.3.3 色谱条件 Agilent SB-C18色谱柱(4.6×250 mm 5 um)，流动相为乙腈(A)-水(B)，梯度洗脱为（0-50 min，25%~90 % A，50min~55 min，90 % A）；流速为1.0 mL/min；柱温为30 ℃；进样量为10 uL；检测波长为210 nm。柴胡浸膏、柴胡皂苷a和柴胡皂苷d对照品色谱图见图1。
图1 柴胡浸膏、柴胡皂苷a和柴胡皂苷d对照品的HPLC图
2.3.4 线性关系考察 精密吸取2.3.2项下柴胡皂苷a、d的混合对照品溶液适量，梯度稀释后按2.3.3项下色谱条件进样测定，以峰面积为纵坐标（Y）和质量浓度为横坐标（X），制备标准曲线，得柴胡皂苷a和柴胡皂苷d的回归方程分别为Y=3×106 X－1.49×103和Y=3×106 X－3.56×102，R分别为0.9996和0.9997，线性范围分别为0.0412 mg/mL~0.412 mg/mL和0.00501 mg/mL~0.0501 mg/mL。结果表明各成分在各自线性范围内关系良好。
2.3.5 重复性考察 取6份初始柴胡浸膏，按2.3.2项下制备供试品溶液，按2.3.3项下色谱条件下进样，计算柴胡皂苷a、柴胡皂苷d峰面积RSD分别为0.49 %和0.28 %，表明该方法重复性良好。
2.3.6 精密度考察 取2.3.2项下柴胡皂苷a、d混合对照品溶液，按2.3.3项下色谱条件进样10 uL，重复6次，计算柴胡皂苷a、d峰面积RSD分别为0.98 %、0.49 %，表明仪器精密度良好。
2.3.7 稳定性考察 取初始柴胡浸膏，按2.4.2项下制备供试品溶液，按2.3.3项下色谱条件分别于0、4、8、12、24 h进样，计算柴胡皂苷a、d峰面积RSD分别为2.16 %和2.12 %，表明供试品溶液在24 h内稳定性良好。
2.3.8 加样回收试验 取已知含量的柴胡浸膏0.2 g，平行6份，按质量比1:1分别加入柴胡皂苷a、d对照品溶液适量，混匀后按2.3.3项下色谱条件进样，计算柴胡皂苷a、d的平均回收率分别为100.92 %和100.84 %，RSD分别为3.74 %和3.37 %。
2.3.9 样品含量测定 取不同时间点下
2.4 柴胡浸膏干燥动力学的数学模型
2.4.1 干燥模型的选择 为研究柴胡浸膏的干燥特性，尽可能准确地描述柴胡浸膏的干燥行为具有重要意义，通过查阅文献[16]发现了6个具有代表性的薄层干燥数学模型，如下表1所示。
表1 常用的干燥经验模型
序号 | 模型名称 | 模型方程 | 线性表达式 |
1 | Newton | MR=exp(–rt) | −lnMR=rt |
2 | Henderson and Pabis | MR=aexp(–kt) | lnMR=lna–kt |
3 | Wang and Singh | MR=1+at+bt2 | MR=1+at+bt2 |
4 | Page | MR=exp(–ktn) | ln(–lnMR)=lnk+nlnt |
5 | Lewis | MR=exp(−kt) | lnMR=−kt |
6 | Wang | MR=a×exp(−ktn) | lnMR=−ktn+lna |
注：MR为水分比，a、b、r、k均为待定系数，t为干燥时间，n为幂指数。
2.4.2 模型评价指标 本文以决定系数R2、卡方 χ2 、均方根误差
的值作为评价指标，其计算公式如下。
（4）
（5）
（6）
式中：
是第i次测量的水分比的真实值；
是第i次所测水分比的模型预测值；N为测量次数；n为因素水平个数。
2.5 数据处理 采用Graphpad Prism（Version 10.2.1）软件和Origin Pro 2022软件对试验数据进行回归拟合并绘图[18]。
3 结果
3.1 柴胡浸膏干燥特性研究
由图2-a水分变化曲线可知，微波功率密度越大，浸膏干基含水率下降曲线越陡峭，所需干燥时间越短。由图2-b失水速率变化曲线可知，浸膏的失水速率曲线在干燥过程中先急剧上升再下降，并且微波功率密度越大上升和下降的幅度越大，而在干燥后期，失水速率的变化趋势均比较平稳。
图2 柴胡浸膏含水率和失水速率变化曲线
3.2 柴胡浸膏微波真空干燥动力学模型的建立
3.2.1 动力学模型拟合 各模型的拟合参数，即决定系数、卡方、均方根误差见表2，由表2可知，Newton、Henderson and Pabis、Wang and Singh、Page、Lewis和Wang模型评价指标R2的平均值分别为0.972 61、0.979 60、0.979 32、0.987 95、0.972 61和0.982 68，χ2 的平均值分别为0.003 02、0.002 25、0.001 65、0.001 43、0.003 02和0.001 85，SSE的平均值分别为0.044 47、0.026 14、0.024 67、0.004 24、0.046 47和0.025 16 ，结果表明Page模型的R2最大，χ2 和SSE最小，因此，选择Page模型来描述柴胡浸膏微波真空干燥过程水分比变化规律较为合适。
表2 柴胡浸膏干燥动力学拟合结果
微波功率密度 | 模型序号 | 模型参数 | R2 | χ2 | SSE |
3 W/g | −lnMR=rt | r=0.030 08 | 0.958 23 | 0.004 37 | 0.100 49 |
lnMR=lna–kt | a=0.901 15, k=0.022 47 | 0.969 98 | 0.002 42 | 0.053 29 | |
MR=1+at+bt2 | a=-0.040 47, b=9.949 70x10-4 | 0.952 58 | 0.002 84 | 0.062 41 | |
ln(–lnMR)=lnk+nlnt | n=-79.474 08, k=0.083 38 | 0.970 23 | 0.003 45 | 0.007 25 | |
lnMR=−kt | k=0.030 08 | 0.958 23 | 0.004 37 | 0.106 49 | |
lnMR=−ktn+lna | a=0.856, k=0.046 15, n=1.354 75 | 0.954 25 | 0.004 57 | 0.070 13 | |
5 W/g | −lnMR=rt | r=0.1687 10 | 0.991 05 | 7.899 4x10-4 | 0.009 48 |
lnMR=lna–kt | a=1.040 35, k=0.1762 90 | 0.993 97 | 5.805 81x10-4 | 0.006 39 | |
MR=1+at+bt2 | a=-0.139 33, b=0.005 44 | 0.997 77 | 2.49 4x10-4 | 0.002 36 | |
ln(–lnMR)=lnk+nlnt | n=1.155 68, k=0.127 50 | 0.997 70 | 2.215 64x10-4 | 0.002 44 | |
lnMR=−kt | k=0.168 71 | 0.991 05 | 7.899 4x10-4 | 0.009 48 | |
lnMR=−ktn+lna | a=1.005 30, k=0.130 94, n=1.146 24 | 0.997 73 | 2.460 53x10-4 | 0.002 4 | |
10 W/g | −lnMR=rt | r=0.335 68 | 0.968 55 | 0.003 91 | 0.023 44 |
lnMR=lna–kt | a=1.059 65, k=0.356 05 | 0.974 86 | 0.003 75 | 0.018 73 | |
MR=1+at+bt2 | a=-0.264 77, b=0.187 60 | 0.987 61 | 0.001 85 | 0.009 23 | |
ln(–lnMR)=lnk+nlnt | n=1.407 79, k=0.212 79 | 0.995 92 | 6.083 88x10-4 | 0.003 04 | |
lnMR=−kt | k=0.335 68 | 0.968 55 | 0.003 91 | 0.023 44 | |
lnMR=−ktn+lna | a=1.009 58,k=0.219 77, n=1.389 13 | 0.996 06 | 7.341 42x10-4 | 0.002 94 |
3.2.2 模型验证 为了验证所建干燥动力学模型的精确性与可行性，我们对微波功率密度为3 W/g、5 W/g和10 W/g的实验值与Page模型所预测的值进行了对比分析。从图3中可以看出，Page模型预测的曲线与实验数据拟合度良好，这表明该模型能够有效描述柴胡浸膏在微波真空干燥过程中水分变化的规律。
图3 模型验证曲线
3.3 微波真空干燥对柴胡皂苷a、柴胡皂苷d的影响
3.3.1 干燥过程中柴胡浸膏活性成分降解 在微波真空干燥过程中，随着浸膏温度不断上升、含水率逐渐下降等干燥环境的改变，柴胡皂苷a、d发生不同程度的降解[19]，根据降解率公式（7）计算。
（7）
式中：K为活性成分降解率；C0为活性成分初始含量，mg/g；C为t时刻活性成分含量，mg/g。
3.3.2 不同微波功率密度下柴胡皂苷a含量变化 由图4-a可知，在干燥过程中柴胡皂苷a、b的含量下降趋势均随微波功率密度的增大而增大，这是可能由于微波功率密度增大，浸膏吸收微波能越多，温度就高，导致柴胡皂苷a降解量大。当微波功率密度为10 W/g，干燥至终点时柴胡皂苷a含量由3.18 mg/g下降至2.28 mg/g，降解率达28.46 %，柴胡皂苷d含量由0.38 mg/g下降至0.16 mg/g，降解率为59.04 %。
图4 干燥过程中柴胡浸膏中柴胡皂苷a、d含量变化
4 讨论
本实验通过选用不同微波功率密度柴胡浸膏进行干燥研究，使用6种常用的薄层干燥数学模型对柴胡浸膏微波真空干燥的水分比变化曲线进行非曲线拟合，结果发现Page模型的拟合性能最好，通过模型验证证实了该模型可较好地模拟柴胡浸膏微波真空干燥过程中的水分动态变化规律。
柴胡浸膏活性成分测定结果表明，柴胡皂苷a、d的含量均随着干燥时间的增加而降低，根据降解率公式计算可知，在预热阶段，柴胡皂苷a、d降解量较小，恒温及再升温阶段，降解量较大，并且在相同时间内，微波功率密度越大，柴胡皂苷a、d的降解量越大，这可能是因为柴胡皂苷a、d具有不稳定的化学结构，在高温环境下，环氧醚键易断裂转化为b1、b2等次生皂苷[19]。
本实验将数学模型与柴胡浸膏微波真空干燥过程水分和活性成分的变化相结合，通过理论模型对水分比模拟，量化柴胡浸膏微波真空的干燥过程，为微波真空干燥技术应用于柴胡这类富含皂苷类成分的中药浸膏干燥的质量控制和干燥工艺优化提供了理论基础和技术指导。
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