从纳米气泡水的增溶特性理解甘澜水的煎药意义.pdf

【中医多学科研究】从纳米气泡水的增溶特性理解甘澜水的煎药意义谭 雯1,蔡明阳1,刘珍洪2,陈香云1,孙艺凡1,汪文来3,亓玉婕3,何湛湛3,赵红霞3,杨 桢1(1.北京中医药大学中医学院,北京 100029;2.北京中医药大学中医脑病研究院,北京 100700;3.中国中医科学院中医基础理论研究所,北京 100700)摘要:甘澜水是煎煮中药的用水,纳米气泡水是现代工业增溶用水,两者的制备方法都是通过搅拌等物理方式使水中充满气泡。随着对纳米气泡水研究的深入,认识到水中的纳米气泡类似于一种疏水性溶质,其特性为:渗透性强、稳定性高、表面活性剂、比表面积大、吸附能力强,故具有增溶特性。本文将回顾甘澜水的研究进展,简介纳米气泡水的特性,总结两者之间的关系,揭示甘澜水煎药增效的本质,从而说明甘澜水作为煎药用水的意义。关键词:甘澜水;纳米气泡水;溶剂;增溶 中图分类号:R283 文献标识码:A 文章编号:1006-3250(2023)08-1303-04基金 项 目:中 央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 费 专 项(YZ202042,I-202019);北京市中医药科技发展基金项目(JJ2018-99);中国中医科学院科技创新工程重大攻关项目(CI2021A00606,CI2021A00404)作者简介:谭 雯(1995-),女,蒙古族,在读硕士研究生,从事方剂学理论与中医四气五味学研究。通讯作者:杨 桢(1964-),男,教授,博士研究生导师,从事中医四气五味学研究,E-mail:for3000yz ;赵红霞(1970-),女,研究员,硕士研究生导师,从事经典名方中医理论现代研究与诠释及热敏通道理论及相关机制研究,E-mail:zhaohongxia7000 。Understanding of Decocting Significance of Ganlan Water from Solubilization Characteristics of Nano Bubble WaterTAN Wen1,CAI Mingyang1,LIU Zhenhong2,CHEN Xiangyun1,SUN Yifan1,WANG Wenlai3,QI Yujie3,HE Zhanzhan3,ZHAO Hongxia3,YANG Zhen1(1.College of Chinese Medicine,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China;2.Institute for Brain Disorders,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100700,China;3.Institute of Basic Theory,China Academy of Chinese Medical Sciences,Beijing 100700,China)Abstract:Ganlan water is used to decoct Chinese medicine.And nano-bubble water is the modern industrial solubilizing water.The preparation methods of both are to make the water full of bubbles by stirring and other physical ways.With the deepening of modern research on nano-bubble water,nano-bubbles in water are similar to a hydrophobic solute and have several characteristics:strong permeability,high stability,surfactants,large specific surface area,strong adsorption capacity,so it has solubilization characteristics.Thus it has solubilizing properties.This paper introduces the research progress of Ganlan water and the dissolution characteristics of nano-bubble water to illustrate the solubilizing ability of Ganlan water and reveal the essence of the decoction and synergy of Ganlan water.Key words:Ganlan water;Nano bubble water;Solvent;Solubilization 甘澜水始载于灵枢邪客,是古籍中一种中药煎煮用水。现代生活中,运用甘澜水煎煮中药的方法较为少见,但一些方剂的煎煮法中会指定用甘澜水,这说明甘澜水具有与普通水不一样的特质,对方剂的功效会产生影响1。现代研究表明,从制备方法来看,甘澜水与纳米气泡水是具有共通性的。而纳米气泡水凭借其增溶特性多应用于化学、矿业等行业2。本文将综合现代物理学、化学、矿物学等多学科相关知识,论述纳米气泡水作用特性的基础上,探究甘澜水与纳米气泡水之间更深层次的关联性,揭示并理解甘澜水的增溶本质,发掘甘澜水的煎煮优势,扩展其在中药提取过程中的应用,说明甘澜水煎药的特殊意义。1 甘澜水的制备、使用与功效甘澜水别称甘烂水、劳水、扬泛水、千里东流水、长流水等等1。甘澜水煎药最早见于灵枢邪客的半夏秫米汤3,“其汤方,以流水千里以外者,八升,扬之万遍,取其清五升,煮之”。张仲景伤寒杂病论中的茯苓桂枝甘草大枣汤记载以甘烂(澜)水一斗煎煮方中药物4。吴鞠通在温病条辨中的三仁汤用甘澜水八碗煎煮5。历版方剂学都选用了三仁汤,使得每个中医都知晓甘澜水。关于甘澜水的制备,茯苓桂枝甘草大枣汤有言“取水二斗,置大盆内,以杓扬之,水上有珠子五六千颗相逐,取用之”。本草纲目言“劳水即扬泛水,张仲景谓之甘烂(澜)水。用流水二斗,置大盆中,以杓高扬之千万遍,有沸珠相逐,乃取煎药”6。30312023 年 8 月第 29 卷第 8 期Aug 2023 Vol.29.No.8 中国中医基础医学杂志Journal of Basic Chinese Medicine对于甘澜水的功效,历代医家有不同的见解。本草纲目认为“盖水性本咸而体重,劳之则甘而轻,取其不助肾气而益脾胃也”“主五劳七伤,肾虚脾弱,阳盛阴虚,目不能暝,及霍乱吐利,伤寒后欲作奔豚”6。王肯堂7、柯琴8等相关理论可以认为,普通水与甘澜水的区别是所益脏腑不同。三仁汤中的甘澜水的作用是取其下走之性以助利湿之效9-10。2 甘澜水的研究状况现代学者从甘澜水的来源、定义、功用、制备方法及原理等方面进行了多样研究11-15。陈修源等考字释义,认为甘澜水即为米泔水、清浆水16-18,研究表明淘米水中的维生素 B2在体内参与多种物质代谢及反应19,然而制备淘米水的方法与甘澜水并不相同,两者联系自然相去甚远。邵佩兰等20提出甘澜水是亚硝酸盐含量较低的水,而研究发现流动水中的亚硝酸盐含量较低,对人体有害影响小,但不足以说明甘澜水与其的关系21-23。于是贾孟辉等进一步提出甘澜水实际是水中溶解氧达到饱和程度的一类用水,在制作过程增加水中氧气的溶解,于是药物煎煮过程中能够发生更多的氧化反应24-26。在此基础上,姚有为27认为甘澜水的水分子结构在物理作用下,如搅拌运动等,能够使水分子化学结构由大变小,小分子水的活性更强,更易于进入人体细胞内参与生理过程发挥功能。李启泉等28引入溶度参数理论解释甘澜水作用原理,通过扬击改变水的溶度参数,甘澜水与普通水之间由此产生差别,从理论上说明煎煮药物时使用甘澜水能提高溶剂与药材的共溶度,影响中药复方药效作用。3 甘澜水的制作过程可以产生纳米气泡甘澜水的制作要点是千里流水或以杓高扬,进行长时间的搅拌。搅拌水能产生气泡,这是常识。机械力搅拌过程中,水被拉起形成水膜,水膜在重力、张力作用下卷曲,包裹空气,形成大小不一的气泡29-31。搅拌液体的机械能转变为液体中气泡的表面张力。搅拌剪切力对已经形成的气泡形成冲击,将其击碎,转化为更小的气泡,速度越快,搅拌时间越长,纳米气泡就越多。通常来说不同直径的气泡其内外力作用有别,这决定了它们水中不同的命运。水中肉眼能看见的气泡直径大于 100 m,称为宏观气泡,极不稳定,在浮力作用下迅速上升,气泡浮力逐渐减小或消失,泡膜内外压力失衡,气泡内压缩的空气体积膨胀,将气泡撑破,吐出包裹的气体。水中的微观气泡和亚微观气泡(直径 1100 m)是肉眼看不见的,因为其疏水性,可视为一种不溶性成分或固体颗粒物,在水中作布朗运动,此时气液相界面的压力达到平衡,不会直接上升破裂。它们在运动过程中彼此碰撞融合,体积不断增加,最后溢出破裂。另外,微米级的气泡,因为部分泡内气体溶入水中,使得气泡直径会缩小,当达到 3 m 左右的时候,气液相界面的压力急剧失衡,外力迅速将气泡压缩到 10200 nm,气泡内外压力在纳米水平达到新平衡,这时的气泡称为纳米气泡32-33。体积越小的气泡运动速度越快,扩散速度也就越快。除了搅拌可以产生纳米气泡水,自然湖泊、海洋中也能产生大量纳米气泡。宇宙射线做功的能量转换,流水因势能形成的水流撞击,加上长时间太阳照射产生的热能,都是形成纳米气泡的原因。因此,大江大河的千里流水比池塘静水含有更多的纳米气泡,因为大江大河具有更大的势能和动能34。“沸珠相逐”是制备出甘澜水制成的标准。但在通常情况下,水珠之间应当会在接触的瞬间即时融合,这是液体聚结现象。然而水的沸珠相逐的事实在日常生活中比比皆是,例如雨滴从屋檐上坠落到水坑,飞溅的水珠会在水面漂移一段距离再融合。原因在于看起来极其均质的水其实是由一团团菠萝样水簇构成的,水簇内水分子之间结合力强,水簇之间结合力弱。由于甘澜水中是大量的纳米气泡,这些比水簇还小的纳米气泡,会在水簇之间聚集,形成气垫,增加了水簇之间的疏离,导致部分水簇之间短时间 内 不 易 聚 结,出 现 水 珠 在 水 面 滚 动 的 现象35-36。4 水中纳米气泡的特性纳米气泡是指液体中直径小于 1 m 的水泡,水中的纳米气泡因为特殊的尺寸和物理性质具有许多特性,具有很好的溶解能力。4.1 纳米气泡直径小,渗透性高,受温度影响小以植物为主的中药,其生物基本结构是纳米级的,细胞腔隙和破裂细胞都是纳米级,由于它们带有蜡质,再加上水的表面张力,使得普通大小的水分子难以渗入植物细胞组织。然而水中产生的纳米气泡其直径在 1 m 以下,受到布朗运动的影响从而有运动能力,能够与植物细胞裂隙匹配,因此能很好地渗入细胞组织裂隙,将植物体内难溶或不溶性成分吸附并溶出。并且在煎煮药材过程中,当水温在10 到 70 范围之间时,纳米气泡的稳定性会随着温度的升高变得更好,超过范围则会破裂从而达到浮选药材成分的目的37。4.2 纳米气泡的比表面积大,吸附量大气泡比表面积和气泡粒径呈负相关关系,对于相同体积的气泡,气泡的表面积(A)随气泡粒径(D)的减小而增加(A=6/D)。粒径越小其比表面积越大,可以通过搅动、撞击等机械方式缩小水泡粒径而达到增加比表面积的目的,以半径为 1 nm 和10 m 的气泡为例,在一个单位体积内,后者比表面积是前者的 100 倍38。4031中国中医基础医学杂志Journal of Basic Chinese Medicine 2023 年 8 月第 29 卷第 8 期Aug 2023 Vol.29.No.8气泡的表面张力受到粒径的影响,当气泡粒径越小其表面张力越大,同时比表面积也就越大,在单位体积内能够形成更大的气液界面,这使得纳米气泡可吸附性面积增大,同时大的比表面积和带电荷的表面使得纳米气泡能够有效地吸附周围溶液中带相反电荷的分子和/或小颗粒39,从而能够在煎煮中药时吸附到大量的中药化合物。4.3 纳米气泡表面具极性,是表面活性剂纳米气泡的泡膜由一层水分子构成,产生气液相界面,内层接触气体,外层接触液体。因为水分子是极性的,膜内外不同电荷离子形成了电势差,外阴内阳,称为 电位。同时双离子层的斥力阻止了气泡间的聚集和聚结,以至于在液体系统中纳米气泡仍能保持小体积的形态存在40-42。这一特性决定纳米气泡具有表面活性剂特性,对溶液中的阳离子具有吸引力32,37。含挥发油的芳香中药,其芳香部分是亲电的烃烯类物质,它们难溶于水,却很容易被纳米气泡捕获。当气泡表面因为吸附阳离子而失去负电荷,表面的斥力减弱,影响气泡间的聚集合并,促使纳米气泡融合扩张,最终吸附着阳离子物质溢出破裂43-46。当然,上述是纳米气泡理想中浮选物质的状态,中药在煎煮过程中会析出多种物质,每种化学成分都会改变溶液的黏度、浓度、表面活性、pH 值等条件,它们对纳米气泡的表面电位同样会产生复杂的影响从而影响纳米气泡的稳定性和平衡态47-49。4.4 纳米气泡在水中的稳定性水中气泡的稳定性与其直径成反比。气泡的直径从数纳米到几十厘米不等,在水中存在的时间有巨大差异。气泡稳定主要取决于气液相界面几种力的平衡,由外向内的力有:水的表面张力、环境大气压力和浮力;由内向外的力有气泡中气体的压力、气泡表面双离子层的斥力。当作用在气液相界面的压力达到平衡状态时,就会形成一个稳定的、具有疏水效应的气泡33,50-51。Etchepare 等31与 Kyzas 等33分别使用不同技艺与工法产生纳米气泡,研究观察得知纳米气泡的稳定性极高,其平均直径和浓度至少在 3 个月以内没有显著变化。5 纳米气泡水、甘澜水具有增溶能力综合以上观点,纳米气泡拥有小体积、比表面积大、稳定性高、吸附性高等特性,赋予纳米气泡水出色的增溶能力。和普通水相比,甘澜水含有更多的纳米气泡,因此具有比普通水更强的溶解能力,是优秀的增溶剂。本草类中药包含大量不溶或者难溶性的成分,特别是疏水性物质,因不溶于水,常呈颗粒状附着在植物组织上。而纳米气泡会优先与较小的疏水性颗粒结合,又因此影响气泡自身的平衡状态,在范德华力、双离子层斥力和气桥毛细管力的共同作用下聚结合并,吸附着疏水性药物颗粒形成较大的气泡,并漂浮到水面上去52-54。目前,纳米气泡水在工业采矿、清洁去污、水生态修复、农业、医疗药物等得到广泛应用55-59。例如,在矿物颗粒浮选过程中,运用纳米气泡可以提高煤颗粒的浮选回收率。同理,可以猜想,当选用矿物性中药煎煮时,如赤石脂、代赭石等均可以通过甘澜水达到增溶目的。6 结语甘澜水含有较多纳米气泡,现代研究已经揭示了纳米气泡水极佳的增溶能力,人工制作的甘澜水与现代机械制作的纳米气泡水异曲同工,作为中药溶剂的甘澜水自然有更好的溶解能力,因此用其煎煮的中药可以获得更多的有效成分,取得更好的疗效。尽管水本身就是万能溶剂,然而中药的有效成分千差万别,其中不溶或难溶于水的物质也非常多,古人煎药用了多种不同的水,增溶以获取更好疗效是一个重要目的。现代条件下,甘澜水的制备已经变得非常简单。甘澜水是优质煎药用水,应该得到更好的理解和推广。参考文献:1 张弢.仲景煎药用水漫谈C/甘肃省中医药学会.甘肃省中医药学会 2008 年学术年会论文集,甘肃:兰州,2008:23-27.2 雷汪.纳米气泡的制备及其对煤泥浮选影响研究D.武汉:武汉科技大学,2020.3 周学海.内经评文灵枢M.李海峰,陈正,刘庆宇,校注.北京:中国中医药出版社,2015:183.4 张仲景.伤寒杂病论M.钱超尘,郝万山,整理.北京:人民卫生出版社,2015:41.5 吴鞠通.温病条辨M.周鸿飞,吕桂敏,徐长卿,点校.郑州:河南科学技术出版社,2019:43.6 李时珍.本草纲目:上册M.马美著,校点.北京:人民卫生出版社,1982:396.7 王肯堂.证治准绳:伤寒M.上海:上海科学技术出版社,1959:226.8 柯琴.伤寒来苏集M.上海:上海科学技术出版社,1990:35.9 权沛沛.三仁汤浅析J.吉林中医药,2008,30(1):53.10 杨庆兰,卫三虎.谈谈水的属性及临床应用J.陕西中医函授,1989,9(4):36-37.11田海艳,林晓玲,容伟明,等.伤寒论甘澜水之研究进展J.中国民族民间医药,2017,26(10):54-55.12 张林生.浅谈药物煎煮特殊用水在伤寒论中的应用J.医学信息(中旬刊),2010,5(11):3423.13 张玲玉,曲夷.伤寒论中特殊用水功用浅析J.山东中医药大学学报,2015,39(4):306-308.14 陈晨,吴霜霜,阮善明.金匮要略溶媒古今探微J.山东中医药大学学报,2017,41(3):250-251,261.15 唐一丹,黄庆,田理.伤寒杂病论水类煎药溶媒浅述J.光明中医,2016,31(2):179-181.16 陈修源.甘澜水小考J.中医函授通讯,1989,5(4):7.17 陈贤平.为“甘澜水”正名J.上海中医药杂志,1981,21(11):29.50312023 年 8 月第 29 卷第 8 期Aug 2023 Vol.29.No.8 中国中医基础医学杂志Journal of Basic Chinese Medicine18 刘联群.甘澜水即淘米水J.河南中医,1992,12(2):62.19 童朝阳,徐琪寿.核黄素的药理作用及应用前景J.军事医学科学院院刊,2003,48(3):223-226.20 邵佩兰,李雯霞,徐明.饮水与人体健康J.宁夏农学院学报,2003,23(3):79-81.21 李宇涛.由甘澜水引发的思考J.江西中医学院学报,2008,15(1):4-5.22 王雅心,尚邦懿.饮用水中亚硝酸盐产生的研究J.环境科学研究,1993,6(1):44-47.23 程苏云,沈向红,任锦玉.瓶装天然矿泉水中细菌及亚硝酸盐含量变化分析J.中国卫生检验杂志,2000,10(6):700-701.24 贾孟辉,贺晓慧.经方用“甘澜水”别识J.河南中医,1992,12(5):212.25 闫妍.浅谈伤寒论煎药溶剂的选择J.北京中医,2006,25(5):278-280.26 冉小峰,论伤寒论 的制剂技术J.中医杂志,1956,67(10):525-530.27 姚有为.水生命健康M.上海:东华大学出版社,2006:35-36.28 李启泉,马德宇.通过溶度参数理论探究甘澜水的思考J.中西医结合心血管病电子杂志,2020,8(29):159-160.29 丁跃文.气泡在水中生成及运动规律的试验研究D.乌鲁木齐:新疆大学,2016.30 方舟.自然现象启发下的纳米气泡制备及其应用D.上海:中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.31 ETCHEPARE R,OLIVEIRA H,NICKNIG M,et al.Nanobubbles:Generation using a multiphase pump,properties and features in flotationJ.Miner Eng,2017,112:19-26.32 TEMESGEN T,BUI T T,HAN M,et al.Micro and nanobubble technologies as a new horizon for water-treatment techniques:a reviewJ.Adv Colloid Interface Sci,2017,246:40-51.33 KYZAS G Z,MITROPOULOS A C.From bubbles to nanobubblesJ.Nanomaterials(Basel),2021,11(10):2592.34 FANG Z,WANG X,ZHOU L,et al.Formation and stability of bulk nanobubbles by VibrationJ.Langmuir,2020,36(9):2264-2270.35 KLYUZHIN I S,IENNA F,ROEDER B,et al.Persisting water droplets on water surfacesJ.Phys Chem B,2010,114(44):14020-14027.36 张马骏,陈鑫.单个蒸汽气泡溃灭过程的边壁效应数值研究J.上海交通大学学报,2014,48(12):1766-1771,1776.37 LI M,MA X,EISENER J,et al.How bulk nanobubbles are stable over a wide range of temperaturesJ.J Colloid Interface Sci,2021,596:184-198.38 LI H,HU L,XIA Z.Impact of groundwater salinity on bioremediation enhanced by micro-nano bubblesJ.Materials(Basel),2013,6(9):3676-3687.39 XU Q,NAKAJIMA M,ICHIKAWA S,et al.A comparative study of microbubble generation by mechanical agitation and sonicationJ.Innov Food Sci Emerg.Technol,2008,9(4):489-494.40 SAULNIER P,LACHAISE J,MOREL G,et al.Zeta potential of air bubbles in surfactant solutionsJ.J Colloid Interface Sci,1996,182(2):395-399.41 GRACIAA A,MOREL G,SAULNER P,et al.The-potential of gas bubblesJ.J.Colloid Interface Sci,1995,172(1):131-136.42 LIANG D,DAHAL U,ZHANG Y K,et al.Interfacial water and ion distribution determine potential and binding affinity of nanoparticles to biomoleculesJ.Nanoscale,2020,12(35):18106-18123.43 TAKAHASHI M.Zeta potential of microbubbles in aqueous solutions:electrical properties of the gas-water interfaceJ.J Phys Chem B,2005,109(46):21858-21864.44 NIRMALKAR N,PACEK A W,BARIGOU M.On the existence and stability of bulk nanobubblesJ.Langmuir,2018,34(37):10964-10973.45 PALUCH M.Electrical properties of free surface of water and aqueous solutionsJ.Adv Colloid Interface Sci,2000,84(1-3):27-45.46 NAJAFI A S,DRELICH J,YEUNG A,et al.A novel method of measuring electrophoretic mobility of gas bubblesJ.J Colloid Interface Sci,2007,308(2):344-350.47 侯悦.表面活性剂的应用与发展J.科技展望,2016,26(5):128,130.48 MAOMING F,DANIEL T,RICK H,et al.Nanobubble generation and its application in froth flotation(Part I):nanobubble generation and its effects on properties of microbubble and millimeter scale bubble solutions M.Min Sci Technol,2010,20(1):1-19.49 李晓波,严伟平.离子浮选技术研究进展J.金属矿山,2012,47(4):100-105.50 KYUICHI Y,TORU T,WATARU K.Mysteries of bulk nanobubbles(ultrafine bubbles);stability and radical formationJ.Ultrason Sonochem,2018,48:259-266.51 KYUICHI Y,TORU T,WATARU K.Mechanism of OH radical production from ozone bubbles in water after stopping cavitationJ.Ultrason Sonochem,2019,58:104707.52 HAARHOFF J,EDZWALD J K.Modelling of floc-bubble aggregate rise rates in dissolved air flotation J.Water Sci Technol,2001,43(8):175-184.53 HAMPTON M A,NGUYEN A V.Nanobubbles and the nanobubble bridging capillary forceJ.Adv Colloid Interface Sci,2010,154(1-2):30-55.54 李永健.体相微纳米气泡的生成及特性表征研究D.西安:西安建筑科技大学,2020.55 DOCKKO S,HAN M Y.Fundamental characteristics of bubbles and ramifications for the flotation process J.Water Sci Technol,2004,50(12):207-214.56 JYOTI K K,PANDIT A B.Hybrid cavitation methods for water disinfection:simultaneous use of chemicals with cavitationJ.Ultrason Sonochem,2003,10(4-5):255-264.57 AGARWAL A,NG W J,YU L.Principle and applications of microbubble and nano-bubble technology for water treatmentJ.Chemosphere,2011,84(9):1175-1180.58 YOSHIO,MAKINO,SEIICHI,et al.Oxidative capacity of nanobubbles and its effect on seed germinationJ.ACS Sustain Chem Eng,2016,4(3):1347-1353.59 PARK B,YOON S,CHOI Y,et al.Stability of engineered micro or nanobubbles for biomedical applications J.Pharmaceutics,2020,12(11):1089.收稿日期:2022-12-27(责任编辑:宁张弛)6031中国中医基础医学杂志Journal of Basic Chinese Medicine 2023 年 8 月第 29 卷第 8 期Aug 2023 Vol.29.No.8