真空冷冻和热风干燥对铁皮石斛成分影响及溶出动力学研究.pdf

品种品质PharmacyandClinicsChinese MateriaMedica2023;14(6)中药与临床真空冷冻和热风干燥对铁皮石斛成分影响及溶出动力学研究强梦琴，蔡平君，贾耀霞，孟祥祺，余凌英摘要】目的：研究真空冷冻和热风干燥下铁皮石斛组织结构、成分溶出及煎煮过程的动力学。方法：以组织结构、浸出物、多糖、多酚含量为指标建立真空冷冻和热风干燥质量对比研究。根据Fick第二定律建立铁皮石斛饮片（5mmx5mm）煎煮提取液多糖、多酚溶出动力学模型。结果：质量对比研究中表明真空冷冻干燥下浸出物、多糖含量高于热风干燥（P0.99）。溶出前1h内真空冷冻干燥下铁皮石斛饮片多糖和多酚溶出率高于热风干燥和鲜品。结论：真空冷冻可以替代热风干燥便于铁皮石斛饮片在短时间内有效成分快速溶出，缩短煎煮时间，提高煎煮效率。且铁皮石斛饮片煎煮动力学数学模型的建立，也为进一步研究铁皮石斛提取内部机制提供理论基础，为工艺研究和生产提供可靠依据。关键词 铁皮石斛；干燥；组织结构；成分；溶出；动力学模型中图分类号 R282文献标识码 A文章编号】16 7 4-92 6 X(2023)06-002-07Effects of vacuum freezing and hot air drying on the dissolution of Tiepishihu and its kinetics researchQIANGMeng-qin,CAI Ping-jun,JIA Yao-xia,MENG Xiang-qi,YU Ling-ying/(School of Pharmacy,State Key Laboratory of SouthwesternChinese Medicine Resources,Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu 611137,Sichuan)Abstract Objective:To study the tissue structure,component dissolution and the dynamics of decocting process ofTiepishihu under vacuum freezing and hot air drying.Method:The comparative study on quality of vacuum freezing and hot airdrying was studied based on tissue structure,extractum,polysaccharides and polyphenols.According to Ficks second law,thedissolution dynamics of polysaccharides and polyphenols of Tiepishihu decoction pieces(5 mmx5 mm)were established.Result:The results showed that the content of extractum and polysaccharides of Tiepishihu under vacuum freeze-drying was higher thanthat under hot air drying.The mathematical model fitting of the dissolution rate of Tiepishihu before and after drying found thatWeibull fitting equation can better describe the decocting kinetic model of Tiepishihu decoction pieces(r0.99).It was found thatthe polysaccharides and polyphenols dissolution rate of Tiepishihu processed by vacuum freeze-drying within the first hour washigher than that of hot air drying and fresh products.Conclusion:It is suggested that vacuum freeze can replace hot-air drying tofacilitate the rapid dissolution of the effective components of Tiepishihu in a short time,shorten the boiling time and improve theboiling eficiency.In addition,the establishment of the mathematical model of the decoction kinetics of Tiepishihu also providesa theoretical basis for the further study of the internal mechanism of the extraction of Tiepishihu,and provides a reliable basis forprocess research and production.Key words Tiepishihu;drying;tissue structure;components;dissolution;kinetics model铁皮石斛（Dendrobium officinaleKimura etMigo）为兰科石斛属植物的干燥茎。在民间宿有“救命仙草”，“植物黄金”之称。自2 0 2 0 年起基金项目 成都中医药大学西南特色中药资源重点实验室开发研究基金项目（No.2020JCR022）作者单位 成都中医药大学药学院西南特色中药资源国家重点实验室，四川成都6 11137作者简介】强梦琴（1997-），女，硕士研究生，研究方向：中药炮制与制剂Email:通讯作者 余凌英（197 3-），女，副教授，硕士研究生导师，研究方向：中药炮制与制剂Email:收稿日期 2 0 2 3-0 2-2 8贵州、浙江、广西、福建等省份陆续发布了铁皮石斛茎、叶、花的食品安全地方标准，表明了铁皮石斛作为药食同源类植物越来越被人们认可和接受。随着研究深入，铁皮石斛相关产品已逐渐由药品、护肤品转向保健食品领域2-。主要包括石斛茶、石斛酒、石斛醋、石斛饮料等147 。铁皮石斛中主要含有多糖、生物碱、黄酮、芪类、酚酸类、氨基酸等化合物8-9。多酚类成分作为植物的次生代谢产物是重要的抗氧化活性物质之一10。多糖作为铁皮石斛最主要且含量最高的药效物质之一，发挥着调节免疫活性的重要作用。铁皮石斛鲜品含水量较高，采收后需经过干燥6PharmacyChinese Materia Medica2023;14(6)中药与临床加工成干品，常用的干燥方法有自然晾干、热风干燥、微波干燥、真空干燥、冷冻干燥等12 。其中，热风干燥操作简单，干燥速率快，但在有氧情况下易发生聚合、氧化、美拉德反应，冷冻干燥技术在低温和无氧的环境下进行干燥，能较好的保存物质的品质，但操作复杂耗时长13-14。据文献报道1，采用冷冻干燥的铁皮石斛形态与鲜品相似度较高，且多糖甘露糖含量较高。铁皮石斛干品食用时需要经过热水浸泡，煎煮等方式使其功能性成分溶出，便于人体更好的吸收。本实验通过比较真空冷冻和热风干燥下铁皮石斛组织结构和有效成分溶出的差异，以期为铁皮石斛的干燥加工品质变化和真空冷冻干燥技术的开发应用提供一定的参考。同时建立铁皮石斛煎煮过程中多糖、多酚的溶出动力学模型。旨在提高铁皮石斛浸泡或煎煮食用时溶出效率，缩短煎煮时间，推动铁皮石冷冻干燥技术的应用。1仪器与试药1.1试药铁皮石斛药材由四川活态药业有限公司提供（表1），经四川活态药业有限公司人员田青青鉴定为兰科石斛属植物铁皮石斛DendrobiumofficinaleKimuraetMigo的干燥茎。真空冷冻干燥铁皮石斛饮片由四川活态药业有限公司提供；热风干燥饮片根据实验室前期研究结果选择7 0 热风干燥饮片。表1铁皮石斛原药材采购信息及编号编号产地采购时间编号产地采购时间HS1安徽霍山2021-01GZ3贵州2021-03YD1浙江雁荡2021-02GZ4贵州2021-03YD2浙江雁荡2021-02GZ5贵州2021-03YD3浙江雁荡2021-02YN1云南2021-03YD4浙江雁荡2021-02YN2云南2021-03YD5浙江雁荡2021-02YN3云南2021-03GZ1贵州2021-03YN4云南2021-03GZ2贵州2021-03YN5云南2021-03无水葡萄糖唐（批号110 8 33-2 0 190 8）购于中国食品药品检定研究院；阿魏酸（CHB180206）购于成都市克洛玛生物科技有限公司；乙醇、苯酚、硫酸、福林酚、碳酸钠均为分析纯，均购于成都市科隆化学品有限公司。1.2仪器QE-100高速中药粉碎机（浙江屹立工贸有限公司）、BP110S分析天平（德国Sartorius公司）、L550台式低速离心机（长沙湘仪离心机仪器有限公司）、UV-6100型紫外可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司）、蔡司EVO10扫描电镜（上海赛它实业有限公司）1.3实验方法1.3.1醇溶性浸出物含量测定取铁皮石斛冻干和烘干饮片，粉碎，按照2 0 2 0 年版中国药典【16 规定下热浸法进行测定。照公式（1）以干燥品计算铁皮石斛醇溶性浸出物的含量（%）。MxV1醇溶性浸出物的含量（%）=x%V2mx(1-X%)(1)式中：M为醇溶性浸出物的质量，g；m 为样品质量，g；V1为提取体积，ml；V2 为取样体积，ml；X%为样品的含水率。1.3.2多糖含量测定1）标准曲线的绘制精密称定无水葡萄糖对照品适量，加水定容至每1ml含90 g溶液。精密量取对照品溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 ml，按照2020年版中国药典【16 规定下苯酚-硫酸法进行测定。以吸光度A为纵坐标，质量浓度X为横坐标，得回归方程：A=9.9585X+0.0448，r=0.9 9 9 4(2)表明质量浓度为18.6 93.0 gml范围内的无水葡萄糖含量与吸光度之间有良好的线性关系。2）样品溶液的制备与测定取铁皮石斛冻干和烘干饮片，粉碎，按照2 0 2 0 年版中国药典【16 规定制备供试品溶液并照苯酚-硫酸法进行测定。由公式（2）得多糖质量浓度后照公式（3）以干燥品计CxDxVCxDxV多糖含量（%）=%(3)mx(1-x%)算铁皮石斛多糖含量（%）。式中：C为样品多糖质量浓度，mgml；D 为稀释倍数；m为样品质量，mg；V为提取体积，ml；X%为样品的含水率。1.3.3多酚含量测定1）标准曲线的绘制精密称定阿魏酸对照品适量，加甲醇定容至每1ml含16 0 g的溶液，精密量取对照品溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 ml，置于25ml棕色容量瓶中，在文献7 的基础上稍作调整方法为：加人3.5ml福林酚试液，静置3 5min后加入10%碳酸钠溶液5ml，加水定容，于2 530 C避光反应0.5h，以相应试剂为空白，在7 6 0 nm处测定吸光度。以吸光度A为纵坐标，质量浓度X为横坐标，Pharmacy and Clinics of Chinese Materia Medica 2023;14(6)中药与临床得回归方程：A=83.2820X+0.0250,r=0.9992(4)表明在质量浓度为1.3 6.5gml范围内的多酚含量与吸光度之间有良好的线性关系。2）样品溶液的制备与测定同多糖样品溶液制备方法，取供试品溶液10 ml于2 5ml棕色容量瓶中，按照调整后的Folin-Ciocaileu法测定多酚，由公式（4）得多酚质量浓度后照公式（5）以干燥品计算铁皮石斛多酚含量（%）CxDxV多酚含量（%）=x%(5)mx(1-X%)式中：C为样品多酚质量浓度，mgml；D 为稀释倍数；m为样品质量，mg；V为提取体积，ml；X%为样品的含水率。1.3.4铁皮石斛饮片多糖、多酚煎煮过程1）煎煮过程理论基础铁皮石斛饮片多糖、多酚溶出的本质是溶质由饮片内部向外部溶剂的扩散，随着煎煮时间的增加，饮片内部溶质在不断减少，属于非稳定扩散过程。假设：（1）饮片为均质的球形且提取过程形状不发生变化；（2）同一条件下，取样时间间隔内，饮片内溶质浓度和扩散系数恒定不变；（3）饮片表面传质阻力忽略不计；（4）饮片与水的温度相同且分布均匀。因此根据Fick第二定律18-2 0 建立铁皮石斛多糖、多酚的提取动力学。2）煎煮过程实验条件精密称取约1g的铁皮石斛鲜品、冻干和烘干饮片，置于50 0 ml圆底烧瓶中，加30 0 ml水，回流提取，分别在15、2 5、40、60、90、12 0、18 0、2 40、30 0、36 0 m i n 取样2 5ml,同时补充同温度同体积的水，过滤，精密量取续滤液2 ml和10 ml，按“1.3.2”和“1.3.3”项下多糖、多酚含量测定规定操作。1.3.5铁皮石斛饮片微观形态观察取真空冷冻和热风干燥下铁皮石斛饮片横断面的组织结构经过喷金处理后置于扫描电镜下观察并拍照，2结果与分析2.1质量对比研究比较真空冷冻和热风干燥下铁皮石斛饮片有效成分溶出差异。图1为3个产地，共15批次的铁皮石斛样品进行醇溶性浸出物、多糖和多酚含量的检测，发现真空冷冻干燥促进了浸出物和多糖的溶出（P 0.0 1），热风干燥下多酚含量高于真空冷冻干燥法（P0.01）。0011YBY411%7T1)(b1注：与热风干燥组比较，P0.01图1真空冷冻干燥和热风干燥下铁皮石斛浸出物(a)、多糖(b)、多酚(c)溶出比较交（n=2)2.2溶出动力学研究通过对铁皮石斛鲜品、冻干和烘干饮片进行煎煮试验，测得不同煎煮时间下提取液多糖和多酚的质量浓度。建立铁皮石斛饮片煎煮动力学模型，并求得提取速率常数、有效扩散系数等动力学参数。2.2.1多糖、多酚浓度变化煎煮过程共取样10 次，每次取样2 5ml，取样后补充同体积同温度的提取液，总体积保持不变，但提取液中多糖和多酚的质量减少。因此需要对按回归方程所测得质量浓度进行校正，公式（6）如下：V1,t-1Ct校=Ct+.Ct(6)V一t=0式中：Ct校为t时刻取样质量浓度校正值，mgml；Ct为t时刻取样质量浓度测定值，mgml；v l 为取样体积，ml；V 为提取液总体积，ml；由于样品煎煮前未经过浸泡所以质量浓度C=0mgml。注：与热风干燥组比较，P0.01，#P0.05；与鲜品组比较，P0.01，p 0.0 5；下同。图2 铁皮石斛饮片溶液多糖（a）、多酚(b)质量浓度随时间变化（n=3）从整体看，多糖、多酚质量浓度均随煎煮时间增长而上升，但在不同时间段内质量浓度变化趋势存在差异。多糖质量浓度主要集中在0 2 h内快速上升，2 6 h内多糖质量浓度上升速度明显减缓，且整个煎煮过程中真空冷冻干燥下多糖质量浓度始终大于热风干燥和新鲜铁皮石斛。当煎煮完成时，真空冷冻干燥、热风干燥、新鲜铁皮石饮片多糖质量浓度分别为0.0 7 3mgmll、0.0 49m g m l l、0.0 16mg:ml，不同干燥方式间多糖质量浓度存在显著性差异（P0.99。此模型能较好的描述不同干燥方式下铁皮石斛饮片煎煮过程中多糖、多酚累积溶出率随时间变化的动力学过程。表3铁皮石斛饮片多糖、多酚累积溶出率区（Q）的数学模型拟合结果果（n=3)多糖模型鲜品热风干燥真空冷冻干燥方程方程方程零级Q=5.340110*t+0.05230.8776Q=3.888410*t+0.04590.8964Q=3.747210*t+0.11350.8046一级Q=0-0.22 80(1-e0.081)0.9761Q=0.1675(1-00%6)0.9896Q=0.2 104(1 e0.029)0.9277HiguchiQ=0.0128tl/2-0.01000.9521Q=0.0093(l/2)+2.38161040.9768Q=0.0092(l/2+0.06720.9266Weibull0.9922Q-0.1707(1-e(0.05t-0.41)1.136)0.99840.9961Hixson-CrowellQ(13)=6.000710*t+0.41080.7978Q(1/)=5.198510*+0.38520.8255Q(13)=3.748510*+0.49400.7576Ritger-PeppasQ-0.0105t0.5250.9663Q=0.0102t0.48320.9777Q=0.0447t0.28260.9663b为(n=3)Pharmacy and Clinics of Chinese Materia Medicaa2023;14(6)中药与临床多酚模型鲜品热风干燥真空冷冻干燥方程方程方程零级Q=2.528010*t+0.11130.8534Q=4.569910*t+0.17700.7933Q=2.885410*t+0.14870.7971一级Q0.1698(1-034)0.7808Q0.2771(1-0 292)0.8819Q0.25331-e03)0.7488HiguchiQ=0.0061(/2*0.08050.9554Q=0.0107(/2)+0.11480.9206Q=0.0069(1/2)+0.15740.9185WeibullQ0-0.3114(1-(0.02-0.0104,.275)0.9976Q-0.3220(1-e(0.0187-0050.506)0.99910.9984Hixson-CrowellQ(1/3)=2.822810*t+0.48600.8213Q(1/)=3.608510*+0.56920.7518Q(/3)=2.368110*t0.58590.7724Ritger-PeppasQ=0.0550t0.21300.9912Q=0.0802t0.23820.9702Q=0.1193t0.15 130.97972.2.4多糖、多酚溶出速度以及扩散系数在“1.3.4”理论基础的假设前提下，铁皮石斛饮片多糖、多酚扩散过程符合Fick扩散第二定律，可用公式（7）表达。C元D2元。Int+In公式（7)C.-CR6C.-6Co式中：C为某时刻煎煮液的多糖、多酚质量浓度，mgml；C.为煎煮开始时煎煮液的多糖、多酚质量浓度，mgml；C.为煎煮时间趋于无穷时煎煮液的多糖、多酚质量浓度，mgml；D s 为多糖扩散系数，mmh；t 为煎煮时间，h；R 为铁皮石斛饮片的等体积球半径，mm。元D元C将公式（7）简化b=Rn6C-6CoC.为：ln=kt+b公式（8)C.-C式中：k为表观多糖、多酚扩散速率常数，h；常数项。公式（7）、（8）即为铁皮石斛饮片多糖、多酚动力学方程，该式反映了饮片半径，煎煮时间与多糖、多酚质量浓度的关系。C图3铁皮石斛饮片多糖(a)、多酚(b)ln随煎煮时间变化aC图4铁皮石斛饮片不同时间段多糖（a）、多酚分（b）In随煎煮时间变化(n=3)表4铁皮石斛饮片多糖、多酚溶出动力学方程参数（n=3）多糖煎煮时间/mink(10t,h)Ds(10t,mm-h)b(10-2)鲜品热风干燥真空冷冻干燥鲜品热风干燥真空冷冻干燥鲜品热风干燥真空冷冻干燥15400.911.874.150.76#1.55*3.44#*0.300.571.56分段401201.061.841.930.88#1.53*1.60*0.220.612.571203600.270.550.470.22#0.46a0.39*1.392.264.28总153600.570.970.990.47#0.81*0.820.551.122.92多酚煎煮时间/mink(10,h)Ds(10,mm-h)b(102)鲜品热风干燥真空冷冻干燥鲜品热风干燥真空冷冻干燥鲜品热风干燥真空冷冻干燥15406.1233.5027.705.08*27.8122.99*4.1913.3020.01分段401202.4714.808.212.05#12.28*6.81#5.7521.1128.131203600.833.752.820.693.11*2.34*#7.6734.4834.56总153601.457.775.161.20#6.45*4.28*6.0523.8628.45C.由图3可得多糖、多酚的ln随着煎煮时间C.-C的增加而上升（r0.8），这是因为在不同的时间段内铁皮石斛溶出速度存在差异，一开始时有效成分从药材组织内部扩散到外部的水液中，随着煎煮时间的增加内外溶液质量浓度逐渐趋于平衡，渗透压减小，导致溶出速度减慢3。因此采取分段形式研C.究n随煎煮时间的变化（r0.9），有良好的C.-C线性关系。10中药与临床Pharmacy and Clinics of Chinese Materia Medica 2023;14(6)Ds扩散系数代表了多糖、多酚的扩散能力，Ds越大扩散能力越快。结合图3、图4以及表4从整体来看多糖扩散系数：真空冷冻干燥=热风干燥 鲜品；从不同时间段来分析，15 40 min内真空冷冻干燥下饮片多糖扩散系数为3.4410*mm-h，为热风干燥下两倍之多。但在煎煮2 h之后真空冷冻干燥下饮片多糖扩散系数明显下降且略低于热风干燥。多酚扩散系数无论是从整体分析还是从各个时间段分析都呈现出：热风干燥 真空冷冻干燥 鲜品。由此可以得出新鲜铁皮石斛茎经过干燥后多糖、多酚的溶出速度加快。2.3铁皮石饮片微观形态观察如图5(a)、5(b)分别为真空冷冻干燥和热风干燥于2 0 倍电镜扫描图，其中5-a细胞结构完整，细胞之间孔隙均匀分布，图5(b)细胞之间产生的孔隙明显收缩聚集成团。图6(a)、6(b)为10 0 倍下的电镜扫描图更加清晰的说明真空冷冻干燥下铁皮石的横断面排列疏松且呈蜂窝状，热风干燥下铁皮石斛的横断面收缩严重，孔隙分布不均。图5真空冷冻干燥和热风干燥下铁皮石斛饮片横断面2 0 x电镜扫描图()图6 真空冷冻干燥和热风干燥下铁皮石斛饮片横断面10 0 x电镜扫描图3结论与讨论本实验采用真空冷冻对比热风干燥以组织结构、浸出物、多糖和多酚为评价指标为真空冷冻干燥技术在药食同源领域加工应用提供参考。同时建立铁皮石斛鲜品、冻干和烘干饮片的煎煮动力学模型。真空冷冻干燥下多糖的含量高于热风干燥，热风干燥的多酚含量更高（P0.01）。邓俊琳2 3 发现热风干燥下余甘子中多酚的含量高于真空冷冻干燥，陈才军2 4 和肖国鑫2 5 研究表明真空冷冻干燥下铁皮石斛多糖和天麻多糖含量高于热风干燥。这些研究均表明真空冷冻干燥技术更适用于保留多糖成分，这是因为真空冷冻干燥技术处于低温真空下，抑制了呼吸作用以及高温条件下多糖的氧化变性。以Fick第二定律为基础建立了铁皮石斛鲜品、冻干和烘干饮片煎煮动力学模型，此模型不仅可以直观的反映多糖、多酚含量随煎煮时间的变化，并且在一定程度上反映了铁皮石斛饮片半径、煎煮时间、干燥方式与多糖、多酚质量浓度之间的关系。从整体上比较铁皮石斛鲜品、冻干和烘干饮片多糖、多酚的扩散系数，结果表明与鲜品相比，干燥促进了铁皮石斛多糖、多酚溶出速度，结合扫描电镜结果推测干燥破坏了铁皮石斛致密的表皮和组织结构，产生一定的空隙，有利于有效成分的溶出。从不同时间段去分析发现，前1h内真空冷冻干燥下铁皮石斛饮片多糖、多酚溶出率要高于热风干燥。结合之前的研究表明铁皮枫斗需宽汤久煎4 5小时以上方可将有效物质基本析出2 6 。结果表明真空冷冻干燥技术可以缩短煎煮时间，提高煎煮效率。采用真空冷冻干燥技术不仅可以提高效率，而且避免了由于长时间高温煎煮导致食品气味散失、苦味焦味加重等影响服用口感的现象。这一研究结果为某些需要经过传统干燥储藏并且服用时需长时间煎煮的药材提供新思路。参考文献1赵冬青.铁皮石斛.农业知识,2 0 0 8(19):17.2张小琴，吴中宝，杜小琴，等.铁皮石斛含片制备工艺研究.亚太传统医药，2 0 2 1,17(0 9):51-54.3郭文姣，招敏聪，孙美娟，等.铁皮石斛提取液强化皮肤屏障的测试与分析J.香料香精化妆品，2 0 2 1,2 1(0 4):37-40.4唐文文，夏俊丽，陈垣.不同杀青方式对铁皮石斛叶茶的活性成分及抗氧化活性的影响.食品科技,2 0 2 1,46(10)：7 4-82.5任运红，徐雅，钟淳菲，等.铁皮石斛发酵酒品质特性研究.中国酿造,2 0 2 0,39(0 5):92-96.6徐融融，卢红梅，吴震，等.不同发酵方式对铁皮石斛醋有机酸及风味特征影响的分析J.中国酿造，2 0 2 2，41(0 3)：38-44.7 XU Y N,ZENG L P,XIAO N,et al.Quality enhancement ofDendrobium officinale and banana juice through probiotic 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