刺五加水煎煮提取動力學模型的建立

韓林辛， 倪 鍵*， 玄 律， 竇津晶

(1.北京中醫藥大學中藥學院，北京 100102;2.北京市海淀區北太平莊醫院，北京 100088)

中藥在提取過程中的質量參數、工藝參數、物料參數等是影響成品質量的關鍵因素，而有效成分的浸出量也因上述條件的不同而存在差異。本文研究了中藥刺五加提取過程的一些關鍵因素對有效成分含量的影響，對其隨提取時間、溶劑倍量和藥材粒度的變化規律進行了研究，建立了刺五加提取動力學模型，并通過提取實驗對該模型進行了檢驗。

1 中藥提取動力學模型的推導

為提高中藥提取效率，應對藥材有效成分的提取過程進行定量研究和分析［1］，可將數學模擬方法應用于提取過程進行研究［2］。中草藥有效成分提取過程的實質是溶質從藥材固體向溶劑中的傳質過程［3］。一般地說來，植物性藥材煎煮過程可由三個步驟組成［4］:第一步，溶劑向藥材內部滲透;第二步，溶質溶解到固液界面上;第三步，溶質從固液界面向溶劑主體擴散。一般地，浸提時溶劑的滲透和溶質的溶解進行的較快［5］。按照動力學定律，在煎煮溶劑中，藥材中的溶質溶解速率很大，使溶質轉移到溶液中去也是很快的，而擴散作用的進行卻慢得多。因此對煎煮速率具有決定性影響的是擴散作用，而不是溶解速率，即多數情況下第三步為煎煮過程的控制因素。

由Fick第一定律可得:

其中dnB/dt為溶質B的擴散速率，dCB/dx為溶質B的濃度梯度，S為固液界面積，nB為溶質B的物質的量，D為擴散系數。

根據希格比傳質穿透模型理論，可近似認為以藥材顆粒為一個傳質單元，液相主體中小團液體m借助藥材沸騰后的湍流渦旋運動由A點走向二相界面B點，并在界面上移動一段距離后到達C點，然后脫離界面達到D點。這樣液團m在界面上停留ts秒中，固相中可溶性成分不斷擴散溶解到液團m中，形成了一個不穩定的傳質過程。也可以這樣認為，當藥材粉碎顆粒在液相中上浮時，一液團m可以先與氣泡頂部某處界面接觸。隨著藥材顆粒向上運動或其它維向運動，固液界面不斷更新，藥材顆粒中的可溶性成分不斷溶入液相主體中直到平衡。見圖1。

圖1 傳質過程圖解

上述過程，可近似地用下面一維不穩定傳質方程表示:

為求解上述方程，可取一新變量

代入(1)式，用η代替(1)式中t與x得

邊界條件:

C10為藥材的初始濃度即溶液沸騰時溶液中溶質的濃度，C1b為溶液主體濃度即沸騰是溶質藥材的濃度。C1b－C10應當為藥材的有效成分濃度。

得:

由此得:

將(6)式微分得在x=0處，時間為t時

濃度對擴散系數的影響不大，而對濃溶液，擴散系數則是濃度的函數［6］。根據林亞平［7］等研究，認為擴散系數與溶液濃度的冪成正比，即

其中D0是一個僅與溶質性質和溫度等有關的的常數，稱之為溶質的固有擴散系數。

由nB=VCB，將(9)式代入到(8)中，得:

將(7)式代入(2)式中得:

則(10)變形為:

積分得:

煎煮過程中，一般把藥材粉碎成顆粒狀，以提高有效成分的提取率，假定藥材顆粒為小圓柱形，藥材顆粒數為ω，顆粒粒度為σ1，高為σ2，藥材總的干質量為G，密度為ρ，則有:

(13)與(14)式相比得:

如果不計因蒸發而引起的溶劑蒸發。此時溶劑倍量可以用下式表示:

其中R為藥材充分吸收吸濕所需水體積與干的藥材質量之比

(16)與(17)聯立得:

將(18)式代入(12)式得:

1

則(19)化簡為:

(20)式即為本次推導出得的中藥煎煮過程的動力學模型，它表示了煎煮出的有效成分濃度與溶劑倍量、顆粒粒度及煎煮時間之間的函數關系。

(1)若只改變煎煮時間時，對(20)取對數可得:

(2)若只改變顆粒粒度，對(20)取對數可得:

(3)若只改變溶劑倍量，對(20)取對數可得:

2 試驗研究［9］

2.1 儀器與試藥

刺五加藥材(市售)(劉春生副教授鑒定 北京中醫藥大學生藥系);刺五加苷B對照品(A0253)、刺五加苷E對照品(A0254)(購自北京嘉信眾義科技有限公司);島津LC－20AT高效液相色譜儀，四元泵，DAD檢測器。甲醇、乙腈為色譜純(生產于北京化工廠)，水為高純水，其余試劑均為分析純。

2.2 刺五加苷有效成分含量測定方法

2.2.1 測定方法 刺五加根和根莖中的主要成分為酚苷類化合物，是主要的生物活性成分［10］，其中刺五加苷B、E為主要有效成分［11］，以刺五加藥材中的刺五加苷B和刺五加苷E含量之和為指標，測定刺五加藥材的有效成分含量。液相色譜條件為:色譜柱:Intersil ODS C18(5 μm 150 ×4.6 mm)，流動相 A為乙腈，B為水，梯度洗脫:0～11 min:A(10%)，B(90%);11.1 ～25 min:A(15%)，B(85%);25.1～35 min:A(10%)，B(90%)。檢測波長:刺五加苷B為264 nm，刺五加苷E為206 nm。柱溫:35℃。

2.2.2 標準曲線 分別將刺五加苷B對照品和刺五加苷E對照品溶于甲醇制成對照品溶液，用上述液相色譜條件繪制的標準曲線，得回歸方程為:刺五加苷 B:Y=2 574 140X+14 075，r=0.999 2，刺五加苷B 在0.03 μg～0.23 μg范圍內線性關系良好;刺五加苷 E:Y=5 020 944X+534，r=0.999 6，刺五加苷E在0.04 μg～0.26 μg范圍內線性關系良好。式中x為進樣量，單位為μg，y為峰面積。

2.2.3 精密度試驗 精密吸取對照品溶液10 μL，重復進樣6次，計算相對標準偏差。結果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為0.66%、0.52%。實驗證明精密度良好。

2.2.4重復性試驗 取同一批號樣品，分別制備6份樣品供試液，測得峰面積值并計算含量，結果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為2.72%、2.32%。實驗證明重復性良好。

2.2.5 穩定性試驗 精密吸取同一供試品溶液10 μL，分別于配制后 0、2、4、8、12、24、48 h 進樣，測得峰面積值，結果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為0.86%、1.28%。實驗證明穩定性良好。

2.2.6 回收率試驗 精密稱取含量已知的刺五加樣品6份，每份約0.5g，分別精密加入適量刺五加苷B和刺五加苷E對照品，按樣品溶液的制備項下操作，進行HPLC分析平均回收率。結果刺五加苷B和刺五加苷E的RSD分別為2.23%、2.47%。詳見表1。

2.3 刺五加水煎煮提取實驗

2.3.1 干藥材吸溶劑率的測定 取不同質量的刺五加藥材顆粒分別置與燒杯中，分別向其中緩緩加入水，直至藥材充分吸濕，記錄溶劑體積，結果見表2。

將四組數據所得結果求平均值得藥材的吸溶劑率R=2.37 mL/g。

2.3.2f1的測定與計算

表1 回收率試驗結果

表2 藥材充分吸濕所需要溶劑體積

2.3.3 刺五加水煎煮提取方法 采用三口圓底燒瓶，電熱套加熱進行水煎煮提取，為減少水分蒸發，安裝冷凝回流裝置。考慮到刺五加材質堅硬，將其粉碎過細不適于中試生產，故本實驗固定粒度因素(σ1=296.25 μm)，實驗考察藥材提取時間(以t表示)，固液比(以M表示)兩因素對有效成分含量的影響。

2.3.4 實驗結果

2.3.4.1 提取時間對提取率的影響 升高溫度能加快分子運動，提高分子擴散速率，從而可以提高提取速率，提高有效成分的提取率［12］。采用高效液相色譜法測定上述實驗條件下有效成分的濃度，結果見表3。

通過實驗數據做lnCB～lnt曲線，考察煎煮出的有效成分濃度是否遵守(21)式，結果見圖2。

由圖線性回歸可得，當M=8 mL/g，σ=296.25 μm時，線性回歸方程為y=0.054 9x－2.904 9，R2=0.994 7;當M=10 mL/g，σ =296.25 μm 時，線性回歸方程為y=0.054 4x－2.933 1，R2=0.991 9;當M=14 mL/g，σ =296.25 μm 時，線性回歸方程為y=0.054 4x－ 2.942，R2=0.998 8;當M=16 mL/g，σ =296.25 μm 時，線性回歸方程為y=0.054 4x－ 2.962 3，R2=0.998 6。在上述理論推導中，若只改變煎煮時間，則理論方程可以轉化為

表3 提取時間對提取率影響

圖2 提取時間對有效成分濃度影響

2.3.4.2 溶劑倍量M對提取的影響 采用高效液相色譜法測定各實驗條件下刺五加苷B和E的濃度，結果見表4。

表4 溶劑倍量對提取影響

通過實驗數據做lnC～ln(M－R)曲線，考察煎煮出的有效成分濃度是否遵守(23)式，結果見圖3。

圖3 溶劑倍量對提取影響

由圖2，圖3看出，lnCB～ lnt與lnCB～ln(M－R)均成較好的線性關系，因此可以認為，水煎煮提取刺五加中刺五加苷B和刺五加苷E的過程，基本與所建立的動力學理論模型相吻合。

2.3.4 方程的建立

各a和n值求均值得a=3.98×10－9，n=－8.580 1，將兩者代入(20)式中，求得本次研究所建立的刺五加水煎煮提取過程動力學模型:

3 小結

本實驗測定了在不同溶劑倍量和不同提取時間條件下，水煎煮提取刺五加中刺五加苷B和刺五加苷E的濃度變化情況，建立了動力學模型。根據實驗結果，在單因素變化的情況下，lnC對lnt和ln(M－R)均成線性關系，符合本模型。

但應指出，本次建立的動力學模型是從工業生產實際操作出發，其他溫度條件對刺五加苷動力學方程的影響有待進一步研究。

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