基于物理指紋圖譜與多變量數據分析構建枸杞浸膏微波真空干燥過程中質量一致性評價方法

余春游 卿 果 趙廷廷 徐 劍 張永萍 劉 耀 繆艷燕

貴州中醫藥大學藥學院，貴州貴陽 550025

枸杞子屬于茄科植物寧夏枸杞Lycium barbarumL.的干燥成熟果實[1]，在《神農本草經》里被列為上品[2]。枸杞子味甘、性平，歸肝、腎經，具有滋補肝腎、益精明目等功效[3]，枸杞子富含多種生物活性成分，如多糖[4]、生物堿類[5]、黃酮類[6]及多酚類成分[7]，其中枸杞多糖含量最為豐富，具有抗氧化、抗腫瘤、調節免疫等作用[8]。受原料和制備工藝的影響，中藥浸膏不僅化學性質存在差異，物理性質也存在波動[9]，現已有許多關于中藥浸膏干燥的粉體學研究[10]，但未針對中藥浸膏干燥過程中的整體特征進行研究，因此，本研究探討采用微波真空干燥方法對枸杞浸膏在干燥過程中的質量變化進，根據中藥浸膏體系的流變學、表面化學、電化學等物理化學特性選定其物理質量屬性參數，構建物理指紋圖譜，采用多變量數據分析方法篩選出差異性指標，以期建立枸杞浸膏微波真空干燥過程中質量一致性評價方法，為枸杞浸膏微波真空干燥的質量控制提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 儀器

YJ13/2B-G型密閉二連體煎藥機（北京東華原醫療設備有限公司）；WBZ-10型智能化靜態微波真空干燥機（貴陽新奇微波工業有限公司）；?，擜S842A手持遠紅外測溫儀（深圳吉格機電設備有限公司）；FA1004型電子分析天平（上海西艾愛電子有限公司）；DDS-307A微機電導率儀（北京順科達科技有限公司）；DelasMax PRO貝克曼粒徑儀（美國貝克曼公司）；BZY100表界面張力儀（瑞柯儀器有限公司）；PHS-3C PH儀（上海虹益儀器儀表有限公司）；DHS-50-1電子水分測定儀（上海越平科學儀器制造有限公司）；NDJ-5S數字式粘度計（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）。

1.2 試藥

枸杞子藥材購于貴州同濟堂中藥飲片有限公司，經貴州中醫藥大學藥學院張永萍教授鑒定為茄科植物寧夏枸杞的干燥成熟果實。

1.3 實驗方法

1.3.1 枸杞浸膏的制備 稱取枸杞飲片適量，加入10倍量水浸提2 h，提取兩次，提取溫度為90℃，過濾提取液；在80℃條件下，減壓濃縮至相對密度為1.30的膏狀，于室溫環境中靜置至25℃左右，反復顛倒混勻，備用。

1.3.2 浸膏的干燥方法 取枸杞浸膏100 g，倒入直徑為20 cm的陶瓷圓形物料盤中，置于微波真空干燥機內，將真空度設為-0.05 MPa，分別用不同功率進行干燥。記錄每分鐘需要測量的相關參數，并且每分鐘所測量的參數都需要重新稱取100 g相同初始參數的浸膏進行干燥，來確保試驗的連續性，當浸膏含水率低于10%時，即為干燥完成。

1.3.3 浸膏干燥參數計算方法 為使指標測量值更接近真實值，本研究將物料圓盤從中心向邊緣分成3等分，在3個區域分別取部分浸膏測量相關參數，計算其平均值。

1.4 枸杞浸膏物理質量屬性的檢測方法

密度：采用質量體積法進行測定；固含量：采用烘干法測定；動力黏度：使用粘度計進行測定[11]；pH值：使用pH計進行測量；電導率：使用電導率儀來進行測定；導熱率：使用遠紅外測溫儀分來進行溫度測定，根據傳熱學中導熱率的定義和公式計算得出；平均粒徑：實驗測量前用去離子水將浸膏稀釋50倍，混勻后倒入比色皿中，使用激光粒徑儀進行測定；表面張力：實驗使用表面張力測量儀進行測定[12]。

2 結果與分析

2.1 枸杞浸膏干燥過程物性測量結果

相對初始密度為1.30，微波功率為300、500和1000 W條件下枸杞浸膏微波真空干燥過程中的8個物理質量屬性參數測量結果見表1～3。

表2 500 W功率條件下枸杞浸膏物理質量屬性檢測結果

表3 1000 W功率條件下枸杞浸膏物理質量屬性檢測結果

2.2 枸杞浸膏物理指紋圖譜的構建

2.2.1 物理屬性指標的標準化轉化 各指標標準化轉換公式見表4。

表4 物理屬性參數的標準化轉換關系及轉化值范圍

2.2.2 物理指紋圖譜的構建 采用Origin 2018軟件將轉換后的不同微波功率干燥的枸杞浸膏物性參數連接起來，繪制的雷達圖如圖1所示，可以直觀展示出浸膏的各項指標水平。通過直觀評價法[13]能夠知道不同干燥時間的浸膏在雷達圖中參數指標的分布情況，由圖1a可知，枸杞浸膏干燥過程中σ、Kf、SC和μ這4個指標變化較大，pH指標的分布均在同一位置，ρ、d指標分布變化較小，SC、μ、γ指標隨著干燥時間增加，水平差異越大，σ指標水平隨著干燥過程越來越小，干燥時間越長，其變化趨勢越明顯，圖1b、1c的現象與之相似。

圖1 枸杞浸膏理指紋圖譜疊加圖

2.3 物理指紋圖譜的應用評價

根據枸杞浸膏繪制的雷達圖，對其不同微波功率條件下的物理指紋圖譜進行相似度分析，運用Origin 2018軟件計算不同干燥條件下的Pearson相關系數，若相似度的絕對值越接近1，說明其表征的物理性質也越相似，由表5可知，在各功率條件下枸杞浸膏微波真空干燥過程中相似度均隨著干燥過程先增加再減小，功率越低相似度總體越高。相似度分析結果表明，枸杞浸膏物理指紋圖譜的8項指標存在普遍的相關性，進一步利用多變量數據分析法對指標分類與簡化，以提高枸杞浸膏品質評價的分析效率。

表5 枸杞浸膏各功率條件下相似度計算結果

2.4 枸杞浸膏物理質量屬性的多變量數據分析

本文采用SIMCA 14.1軟件對枸杞浸膏標準化后的物性參數進行主成分分析[14]，結果顯示，特征值＞1的主成分有2個，方差貢獻率分別為62.9%、18.5%，累積方差貢獻率為81.4%，能夠概括樣品數據的大部分信息。由圖2主成分分析得分圖可知，不同微波功率干燥枸杞浸膏物理性質出現了相似的特點，其中A0、B0、C0為初始浸膏得分點，其物性參數相同，在得分圖中處于同一位置。另外，A1～A23、B1～B13、C1～C7在得分圖中均呈先從左往右并且連續下降的趨勢，后連續上升的趨勢，表明在干燥過程中ρ、SC、μ、Kf、σ和γ的波動會影響浸膏的PCA得分分布情況。

圖2 枸杞浸膏主成分得分圖

枸杞浸膏干燥過程物理性質前兩個主成分的載荷圖見圖3，由圖可知，除參數Kf和d變量對第一主成分貢獻較小外，其他6個變量對第一主成分的貢獻差不多，并且ρ、SC、μ和γ與pH、σ成負相關關系；主成分二中Kf和d具有較大載荷，與其關聯性較強，并且二者呈正相關。

圖3 枸杞浸膏主成分載荷圖

為進一步篩選出對上述樣本分類貢獻較大的關鍵辨識指標，對枸杞浸膏標準化后的物理屬性參數指標數據進行偏最小二乘判別分析法（partial least squares discriminant analysis method，PLS-DA）分析，結合變量投影重要性（variable importance inproject，VIP）可更直觀地看出各物性參數的影響程度，VIP值＞1.0為有意義變量[15]。由圖4可知，不同功率下微波真空干燥過程中枸杞浸膏之間篩選得到具有統計學意義的差異性指標共3個，其影響程度依次為pH＞Kf＞μ。

圖4 不同功率條件下枸杞浸膏樣品的VIP值

3 討論

本研究考查了微波真空干燥過程中不同功率對枸杞浸膏的ρ、SC、μ、pH、σ、Kf、d和γ這8個物理屬性指標的影響，通過對其物理指紋圖譜的研究并結合多變量數據分析得出結論：①微波真空干燥過程對枸杞浸膏的ρ、SC、μ、γ、σ影響較大，ρ、μ、γ隨干燥時間逐漸增大；σ隨干燥時間逐漸減小，μ在干燥前期先減小，在干燥后期迅速增大；②枸杞浸膏在不同功率干燥過程中，pH、d變化幅度不大，表明在微波真空干燥過程中不會對浸膏的pH產生影響，浸膏中不溶性物質不會聚集或分散；③物理指紋圖譜相似度評價中，枸杞浸膏干燥前期與干燥后期的相似度均＜0.9，干燥中期相似度＞0.9，說明干燥中期浸膏物理指標均相對穩定，即在干燥過程中應盡量延長干燥中期的時間，縮短干燥前期與干燥后期的時間；④通過PLS-DA分析找到枸杞浸膏不同功率微波真空干燥條件下主要物理屬性差異性指標是pH、Kf和μ，因此，在干燥過程中，這3個物理指標發生異常波動，浸膏的質量可能會受到影響，可考慮作為枸杞浸膏干燥工藝的關鍵質量控制指標。