星點設(shè)計效應面法優(yōu)化片姜黃熱風干燥工藝

周 江,岳顯可,倪金烽,張 云,3,馮婉紅,3

0 引言

片姜黃為姜科植物溫郁金Curcuma wenyujin Y.H.Chen et C.Ling的干燥根莖，與溫莪術(shù)來源相同，主產(chǎn)于浙江溫州瑞安等地。片姜黃具破血行氣、通經(jīng)止痛之功效，臨床用于血滯經(jīng)閉，行經(jīng)腹痛，風濕痹痛，肩臂疼痛，跌打損傷[1]。片姜黃主要含揮發(fā)油[2]，化學成分組成有莪術(shù)醇、莪術(shù)二酮、莪術(shù)酮、β-欖香烯、吉瑪酮等[3]，具有抗腫瘤[4]、抗炎、抗血栓、抗病毒、抗菌、保肝、增強免疫等藥理作用。

2015年版《中國藥典》規(guī)定，待冬季莖葉枯萎后采挖，洗凈，除去須根，趁鮮縱切厚片，曬干[1]。主產(chǎn)地溫州瑞安的藥農(nóng)也按照藥典方法進行產(chǎn)地加工。實際上，此方法干燥時間較長，一般自然干燥需要20多日，若遇2015年冬季浙江地區(qū)長時間陰雨天氣，采收的大部分溫莪術(shù)藥材不能及時進行加工，則大部分腐爛。此種加工方式費工費時，也給藥農(nóng)帶來了經(jīng)濟損失，不利于溫莪術(shù)產(chǎn)業(yè)合作社規(guī)模生產(chǎn)，也不利于振興浙江道地藥材“浙八味”—溫郁金。

中藥材產(chǎn)地加工過程中的干燥方法有很多，主要包括：曬干法、陰干法、烘干法等傳統(tǒng)方法，也有熱風干燥法[5]、太陽能干燥法[6]、遠紅外加熱干燥法[7]、微波干燥法[8]、真空冷凍干燥法[9]、高壓電場干燥法[10]等現(xiàn)代干燥技術(shù)。片姜黃產(chǎn)地加工的關(guān)鍵點在于干燥方式的選擇，由于片姜黃的主要成分為揮發(fā)性成分，目前在片姜黃干燥的相關(guān)研究中，很少有現(xiàn)代干燥技術(shù)的引入。本研究結(jié)合產(chǎn)地藥農(nóng)的實際加工能力，以及藥材的干燥效率，選取熱風干燥法作為產(chǎn)地加工的干燥方法，以干燥效率、揮發(fā)油含量和浸出物含量的綜合評分為指標，考察片姜黃切片厚度、干燥溫度和裝載量對干燥工藝的影響。并通過星點設(shè)計效應面法對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化。

2015年版《中國藥典》中對片姜黃的質(zhì)量檢查項目只有來源、性狀、鑒別和揮發(fā)油含量(≥1.0%)[1]，本研究結(jié)合莪術(shù)的相關(guān)檢查項目，引入水分(≤14.0%)、醇溶性浸出物(≥7.0%)2個指標[11]。選擇的干燥效率、揮發(fā)油含量和浸出物含量3個指標，需對3個指標進行綜合評分，干燥效率是加工過程中極為重要的評價指標，故權(quán)重系數(shù)為30%；揮發(fā)油含量為片姜黃的最主要成分，直接影響片姜黃的藥材品質(zhì)和臨床療效，故權(quán)重系數(shù)為40%；醇溶性浸出物反映了片姜黃中固含物的量，也影響片姜黃的質(zhì)量，故權(quán)重系數(shù)為30%；即綜合評分=(干燥效率÷最高干燥效率)×30%+(揮發(fā)油含量÷最高揮發(fā)油含量)×40%+(浸出物含量÷最高浸出物含量)×30%。

1 儀器與試藥

1.1 儀器 簡易型切藥機(杭州民泰中藥飲片有限公司設(shè)計，杭州海善制藥設(shè)備有限公司制作)；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)；DZF-6020真空干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；紅外快速水分測定儀MJ-33(梅特勒有限公司)；揮發(fā)油提取器(四川蜀牛玻璃儀器有限公司)；DK-98-ILA數(shù)顯電子恒溫水浴鍋(天津泰斯特儀器有限公司)。

1.2 試藥 片姜黃新鮮藥材采自溫州瑞安馬嶼鎮(zhèn)(瑞安市鑫惠中藥材種植公司)，經(jīng)杭州民泰中藥飲片有限公司質(zhì)檢科鑒定為姜科植物溫郁金Curcuma wenyujin Y.H.Chen et C.Ling的干燥根莖；乙醇(廣東光華科技股份有限公司)為分析純。

2 方法與結(jié)果

2.1 水分測定 取片姜黃粉末(過二號篩)約3 g，根據(jù)2015年版《中國藥典》通則0832水分測定法項下減壓低溫干燥法進行水分測定。

2.2 揮發(fā)油含量測定 取片姜黃供試品適量，根據(jù)2015年版《中國藥典》通則2204揮發(fā)油測定法甲法對片姜黃揮發(fā)油含量進行測定。

2.3 浸出物含量測定 取片姜黃粉末(過二號篩)約2 g，據(jù)2015年版《中國藥典》醇溶性浸出物測定法(通則2201)項下的熱浸法測定。

2.4 干燥效率 在干燥工藝優(yōu)化過程中，除了揮發(fā)油、浸出物這2個指標，還需考慮干燥效率，即在單位面積上干燥相同重量的片姜黃藥材，至干燥結(jié)束(水分≤14.0%)所需的時間，公式為：干燥效率=片姜黃重量÷攤晾面積÷干燥時間，單位為kg/(m2·h)。

2.5 單因素考察

2.5.1 切片厚度對干燥工藝的影響 取溫郁金新鮮根莖，洗凈，除去須根，用浙江中醫(yī)藥大學中藥飲片有限公司設(shè)計的簡易切藥機對藥材進行切制。根據(jù)試驗需要，分別切成厚度為1、2、3、4、5、6 mm的片姜黃鮮片，每種厚度片姜黃的裝載量均為15 kg/m2，于70 ℃條件下進行干燥，待各批次樣品干燥結(jié)束，記錄干燥完成所需時間分別為8、10、14、19、26、34 h，計算干燥效率；按“2.2”、“2.3”項方法檢測揮發(fā)油和浸出物含量；最后根據(jù)公式計算出綜合評分，見表1。

表1 切片厚度對干燥工藝的影響

由表1結(jié)果可知，當切片厚度為1 mm時，干燥效率最高，隨著切片厚度的不斷增大，干燥效率遞減，并呈現(xiàn)明顯的變化。雖然裝載量一樣，但切片厚度薄的片心之間存在縫隙，易于熱風的擴散，而厚片的片心不易于干燥。雖然薄片干燥的時間比較短，但相較于厚片，其油細胞破損率較高，故揮發(fā)油有損失；而厚片由于干燥時間長，揮發(fā)油也相應地有所損失。通過綜合分析，切片厚度為1、2、3 mm的片姜黃在綜合評分上無顯著性差別，而4、5、6 mm則明顯降低。3 mm時綜合評分最高，且此時揮發(fā)油含量和浸出物含量這2個內(nèi)在指標也達到最大值，故片姜黃切片厚度為3 mm。

2.5.2 干燥溫度對干燥工藝的影響 取溫郁金新鮮根莖，洗凈，除去須根，切成厚度為3 mm的縱切片，裝載量為15 kg/m2，分別于40、50、60、70、80、90 ℃條件下進行干燥，待各批次樣品干燥結(jié)束，記錄干燥完成所需時間分別為51、34、24、14、11.5、8.5 h，計算干燥效率；按“2.2”、“ 2.3”項方法檢測揮發(fā)油和浸出物含量；最后根據(jù)公式計算出綜合評分，見表2。

表2 干燥溫度對干燥工藝的影響

由表2結(jié)果可知，溫度越高干燥效率越高，溫度為40 ℃時，很難達到干燥的目的。40 ℃條件下，片姜黃表面有黏性液體流出，且有部分發(fā)生腐爛現(xiàn)象。原因是鮮切藥材在40 ℃下微生物或酶類代謝較活躍，故40 ℃干燥獲得的藥材的浸出物含量也較低。隨著干燥溫度的升高，綜合評分增加，70 ℃時達到最大值，之后略有減小。故本實驗選取干燥溫度為60、70、80 ℃ 3個水平，進行Central-Composite中心組合實驗。

2.5.3 裝載量對干燥工藝的影響 取溫郁金新鮮根莖，洗凈，除去須根，切成厚度為3 mm的縱切片，于70 ℃條件下進行干燥。按5、10、15、20、25、30 kg/m2的裝載量進行干燥，記錄干燥完成所需時間分別為8、11.5、14、18.5、24、28 h，干燥相同重量的片姜黃，計算干燥效率；按“2.2”、“ 2.3”項方法檢測揮發(fā)油和浸出物含量；最后根據(jù)公式計算出綜合評分，見表3。

表3 裝載量對干燥工藝的影響

由表3結(jié)果可知，單位面積內(nèi)藥材的裝載量越多，所需干燥時間越長，轉(zhuǎn)載量越少，所需干燥時間越短。然而要干燥相同重量的藥材，轉(zhuǎn)載量少的其干燥效率反而不高。當轉(zhuǎn)載量為20 kg/m2時，干燥效率最高。根據(jù)綜合評分，選取裝載量為10、15、20 kg/m23個水平，進行Central-Composite中心組合實驗。

2.6 中心組合實驗

2.6.1 中心組合實驗設(shè)計 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，用Design-Expert 8.0.6軟件中的Central-Composite中心組合設(shè)計，以干燥效率、揮發(fā)油含量和浸出物含量的綜合評分為響應值，繼續(xù)對干燥溫度和裝載量進行優(yōu)化，確定影響因素的最佳組合。試驗因素水平編碼見表4。

表4 熱風干燥優(yōu)化試驗中心組合設(shè)計因素水平編碼

2.6.2 中心組合試驗安排及結(jié)果 根據(jù)中心組合試驗設(shè)計原理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用2因素5水平共13個試驗點進行響應面試驗分析，其中8個為析因試驗，5個為中心試驗，用來估計試驗誤差。具體試驗方案及結(jié)果見表5。

2.7 模型的建立 通過Design-Expert 8.0.6軟件對表5中的試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合分析，并剔去影響不顯著因素后，得以下方程：Y=89.25+2.73X1+1.09X2-1.67X1X2-2.70X12-1.50X22(R2=0.922 5)。

2.8 模型的檢驗 對回歸方程進行方差和顯著性分析，結(jié)果見表6，建立的模型具有較高的總決定系數(shù)R2=0.922 5，說明二次回歸方程與試驗結(jié)果具有較好的擬合度，能夠解釋92.25%響應值的變化。響應值的失擬性P值為0.095 4，失擬項不顯著，說明該模型與實際情況的擬合度較好，試驗誤差小。干燥溫度及其二次項P值≤0.001，說明干燥溫度對整個干燥工藝的影響顯著。因此，可用該模型來分析和預測片姜黃熱風干燥的工藝。

2.9 最佳工藝參數(shù)的選擇與驗證 圖1為干燥溫度與裝載量的等高線圖和響應曲面圖。由圖1可知，在本試驗水平范圍內(nèi)，干燥效率、揮發(fā)油含量和浸出物含量的綜合評分隨裝載量的增加而減小，隨干燥溫度的增大呈先增大后稍微減小的趨勢。原因可能是干燥溫度過高對片姜黃內(nèi)在評價指標揮發(fā)油含量和浸出物含量有所損耗。

表5 Central-Composite中心組合試驗設(shè)計以及響應值

表6 Central Composite試驗結(jié)果分析

結(jié)合回歸模型并由Design-Expert 8.0.6分析最佳干燥工藝為：干燥溫度74.73 ℃，裝載量15.5 kg。為進一步驗證模型的可靠性，考慮實際操作的情況，將最佳工藝條件修正為：切片厚度3 mm，干燥溫度75 ℃，裝載量15.5 kg，干燥至水分含量≤14.0%。在此條件下進行6次平行試驗，干燥工藝各指標平均值分別為干燥效率1.076 kg/(m2·h)，RSD值為2.57%；揮發(fā)油含量3.24%，RSD值為2.22%；浸出物含量12.22%，RSD值為1.43%。說明采用響應面分析方法優(yōu)化得到的片姜黃熱風干燥工藝可行，具有一定的實用價值。

圖1 干燥溫度和裝載量交互作用對干燥工藝的影響

注：A.干燥溫度和裝載量交互作用的等高線圖；B.干燥溫度和裝載量交互作用的響應曲面圖

3 不同干燥方法的比較

研究人員在對片姜黃熱風干燥工藝摸索過程中，同時選取一部分片姜黃藥材做曬干和陰干處理。由于曬干陰干在干燥時間和干燥場地面積有很大的不確定性，故此處不作干燥效率的比較，只對不同干燥方法所得片姜黃的揮發(fā)油含量和浸出物含量進行比較。見表7。

表7 不同干燥方法的比較

4 討論

片姜黃和溫莪術(shù)、溫郁金為同源藥材，來源于著名的“浙八味”之一的姜科屬植物溫郁金Curcuma wenyujin的根莖或塊莖。其中片姜黃與溫莪術(shù)關(guān)系更加緊密，片姜黃為溫郁金根莖新鮮縱切厚片干燥而得[1]；溫莪術(shù)為溫郁金根莖經(jīng)蒸或煮至透心切片干燥而得[1]。

揮發(fā)油作為揮發(fā)性成分，在高溫條件下，容易導致?lián)]發(fā)油的揮發(fā)而含量降低，但是從試驗結(jié)果中可知，陰干或曬干的片姜黃揮發(fā)油含量不比熱風烘干的高，有的甚至偏低?？赡茉蛉缦拢孩訇幐苫驎窀蛇^程時間長，導致?lián)]發(fā)油的揮發(fā)；②片姜黃新鮮切制，活性細胞繼續(xù)生命代謝，產(chǎn)生熱量，消耗或損耗揮發(fā)油等有機物質(zhì)；③片姜黃新鮮切制，在陰干或曬干過程中，長時間與空氣接觸，導致一部分揮發(fā)性成分氧化為植物樹脂樣物質(zhì)，不再隨水蒸氣蒸餾[11]，致使檢測含量變低。而熱風烘干雖然因溫度高會導致?lián)]發(fā)油的揮發(fā)，但干燥時間短，且抑制了酶或細胞的氧化和代謝過程，所以從含量檢測方面來說熱風烘干工藝是可行的。

此工藝與傳統(tǒng)工藝有很大的差別，單從揮發(fā)油和浸出物含量這些指標也很難確定此工藝是否可行，臨床療效和生物效價比是評價一個藥物及其加工工藝的最終指標。本課題將繼續(xù)深入研究，通過HPLC指紋圖譜、LC-MS、GC-MS等精密儀器分析各批片姜黃化學成分的差異，通過藥理學、藥效學試驗,分析陰干、曬干、熱風烘干所得片姜黃的生物活性，進而確定熱風干燥是否可以取代傳統(tǒng)的曬干工藝。