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介孔二氧化硅350FCP固化陈皮、青皮挥发油研究

中草药杂志社 · 公众号 · 药品 · 2021-03-16 08:47

正文

摘要：目的揭示挥发油（ volatile oil ）的挥发规律，探讨介孔二氧化硅 350FCP 载体材料固化陈皮、青皮挥发油的稳定性。方法考察二氧化硅系列载体材料对陈皮、青皮挥发油的吸附能力，分析挥发油与载体材料保留率、挥发率的差异，优选最佳的固化比例。绘制挥发油、载体材料固化粉末中挥发油的化学成分随时间变化的挥发曲线，并对化学成分进行聚类，分析其挥发规律。结果根据吸附率、挥发率等多因素，优选出介孔二氧化硅 350FCP 载体材料固化挥发油的最佳比例为 3 ∶ 5 。根据挥发性成分的挥发规律，将挥发油中的 34 个化学成分分为 A 、 B 2 类， A 类成分挥发较快， B 类成分挥发较慢。挥发油经载体材料固化后，其挥发油的释放变得平稳缓慢。结论介孔二氧化硅 350FCP 作为载体材料固化陈皮、青皮挥发油，具有稳定缓慢释放的作用，其制备工艺简单、方便，具有较好的应用前景。

陈皮和青皮作为“一体二用”的代表，其挥发油（ volatile oil ， VO ）的化学成分具有相似性，均含有柠檬烯、 α- 蒎烯、 γ- 萜品烯等挥发性成分，其中柠檬烯含量最高，相对含量占 80% 以上 ^[1] 。陈皮、青皮挥发油对消化系统、呼吸系统、心血管系统均具有一定的药理作用。虽然中药挥发油在各种疾病中均起着重要的作用，但是由于挥发油在常温下可自行挥发，对空气、光、热均较敏感的特性限制了其应用，改善挥发油稳定性的方式显得尤为重要 ^[2-3] 。目前，改善挥发油的稳定性方式主要包括包合、微胶囊、纳米脂质体 ^[4-6] 等，但这些技术的应用普遍存在有机溶剂残留、载药量低、稳定性差，对制剂工艺有特殊要求，不利于工业化大生产 ^[7-14] 。

采用多孔载体材料对挥发油进行吸附，在一定程度上可以提高挥发油的稳定性。其中张振海等 ^[15] 利用交联聚维酮固化肉桂挥发油，制备固化粉末粉体学性质较好，稳定性提高。田娟娟等 ^[16] 利用介孔二氧化硅固化柴翘挥发油，结果表明，以介孔二氧化硅作为载体固化挥发油，具有载药量大、高热稳定性和高机械稳定性的优势。宁青等 ^[17] 利用多孔淀粉固化肉桂挥发油，结果肉桂挥发油被固化后，受热稳定性提高。其次采用微孔淀粉、纳米羟基磷灰石、氧化石墨烯等材料对挥发油进行固化，均提高了挥发油的稳定性 ^[18-21] 。

国际纯粹和应用化学协会（ IUPAC ）根据孔径大小的不同，将多孔材料分为 3 类：小于 2 nm 的为微孔材料；介于 2 ～ 50 nm 的为介孔材料；大于 50 nm 的为大孔材料。二氧化硅 350FCP 作为介孔材料具有作为优异吸附材料的特性：孔道结构有序性；孔径分布单一性和可调控性；介孔形状多样性。这些特性使其在吸附分离，工业催化、生物医学、环境保护等领域具有极为重要的作用。由于其具有较高的比表面积和较大的孔体积，热稳定性良好，可以作为药物载体应用于医药领域 ^[22-23] 。

为了提高挥发油的稳定性，协调挥发与稳定释放。本实验采用二氧化硅系列材料作为载体，通过物理吸附法实现液体物料固体化的目的。同时对陈皮、青皮挥发油固化前后其化学成分的挥发规律进行了研究。该工艺通过简单的搅拌即可将载体与挥发油混合均匀，在一定程度上提高挥发油的稳定性，并使其粉末化以便于制备各种剂型，具有制备工艺简单、方便、便于制剂成型加工等优势特点，具有较好的应用前景。

1 仪器与材料

RW50 置顶电动搅拌器，上海沪析实业有限公式； YP2002 电子天平，上海永正医疗仪器有限公司； Agilent 7890A/5975C 气相色谱质谱联用仪，美国安捷伦科技公司； MS2000 激光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司； Tristar II Plus 2.02 BET 物理吸附仪，美国麦克公司； BSA224S-CW 电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；无水乙醇，批号 190905 ，西陇科学股份有限公司；二氧化硅，批号 H1824116 ，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；介孔二氧化硅 350FCP （ 350FCP ，批号 TE-1361 ）、介孔二氧化硅 770FCP （ 770FCP ，批号 SE-1180 ），日本富士硅化学株式会社。

2 方法

2.1 载体材料物性表征

选择二氧化硅、 350FCP 、 770FCP 材料作为吸附挥发油的载体材料。取各种载体材料适量，运用马尔文激光粒度仪测定粒径，以空气作为分散媒介，振动给料为 70% ，分散空气为 200 kPa （ 2.00 Bar ），测定各载体材料的粒径。分别取适量的载体材料放置样品管内，在 60 ℃ 用氮气吹至恒定质量。运用比表面积测定仪分别测定载体材料的表面积、孔隙率以及孔径。

2.2 气相色谱 - 质谱 （ GC-MS ）条件

GC 条件： HP-5MS 毛细石英管柱（ 30 m × 0.25 mm × 0.25 μm ）；载气为氦气；柱体积流量 1.0 mL/min ；进样量 1.0 μL ；分流比为 40 ∶ 1 ；进样口温度 250 ℃ ，升温程序： 40 ℃ 保持 2 min ，以 10 ℃ /min 升温至 220 ℃ ，以 20 ℃ /min 升温至 300 ℃ ，保持 5 min 。

质谱条件：电子源为 EI ；电子能量 70 eV ；离子源温度 230 ℃ ；四级杆温度 150 ℃ ；质量扫描范围 m / z 30 ～ 650 。

2.3 挥发油的挥发率考察

分别取相同质量的陈皮、青皮饮片，单独提取挥发油后进行物理混合。取适量挥发油置于表面皿中，在 25 ℃ 和 60 ℃ 下分别于不同时间点取样，采用 GC-MS 检测挥发油中的化学成分。以 D - 柠檬烯为指标，以 0 h 初始挥发油中含有的 D - 柠檬烯峰面积为标准，按照公式计算不同时间点挥发油中 D - 柠檬烯的挥发率。

挥发油中 D - 柠檬烯的挥发率＝ ( 初始 D - 柠檬烯峰面积－不同时间点 D - 柠檬烯峰面积 )/ 初始 D - 柠檬烯峰面积

2.4 载体材料固化挥发油粉末的制备

分别称取适量的载体材料置于容器中，并按照挥发油（ mL ）与载体材料（ g ）为 1 ∶ 5 、 2 ∶ 5 、 3 ∶ 5 、 4 ∶ 5 、 5 ∶ 5 的比例，依此类推（按照不同的材料吸附能力不同所制备的比例也不同），于 200 r/min 条件下，边搅拌边滴加挥发油，搅拌 8 min ，使挥发油被载体材料充分吸收并混合均匀，制得挥发油固化粉末，密封保存，备用。

2.5 载体材料固化挥发油粉末吸附率的计算

精密量取挥发油 100 μL 于 10 mL 棕色瓶中，用无水乙醇定容，摇匀，用 0.22 μm 微孔滤膜滤过，取续滤液，采用 GC-MS 按照“ 2.2 ”项下条件测定化学成分。取载体材料固化粉末 1.5 g ，精密称定，置锥形瓶中，精密加入无水乙醇 25 mL ，称定质量，超声处理 10 min ，放冷，再称定质量，用无水乙醇补足减失的质量，摇匀，滤过，滤液用 0.22μm 微孔滤膜滤过，取续滤液，采用 GC-MS 按照“ 2.2 ”项下条件测定化学成分。

每种载体材料按照不同比例制备成固化粉末，利用 GC-MS 法测定其固化粉末中挥发油的化学成分，以挥发油中 D - 柠檬烯的峰面积为标准峰面积，按照公式计算不同比例制备的固化粉末中挥发油的吸附率。

挥发油吸附率＝固化粉末中 D - 柠檬烯质量 / 挥发油中 D - 柠檬烯投药量

2.6 载体材料固化挥发油粉末稳定性研究

分别制备挥发油与载体材料不同比例的固化粉末，将制备的载体材料固化粉末平铺于容器中，厚度约为 0.5 cm ，于 25 ℃ 下放置，不同时间点取样，采用 GC-MS 法按照“ 2.2 ”项下条件测定其化学成分。以 D - 柠檬烯为指标，以加入的挥发油中含有的 D - 柠檬烯峰面积为标准，计算不同时间点固化粉末中挥发油的保留率，保留率的计算公式与挥发油吸附率公式一致，同时计算不同时间点固化粉末中挥发油的挥发率。

固化粉末中挥发油的挥发率＝ ( 初始保留率－不同时间点的保留率 )/ 初始保留率

绘制挥发油与载体材料不同比例的固化粉末随时间变化的保留率和挥发率曲线，根据载体材料用量、保留率、挥发率等因素，优选出载体材料固化挥发油的最佳比例。

2.7 挥发规律的研究

取适量挥发油放置于 25 ℃ 下，不同时间点取样，采用 GC-MS 测定其化学成分。将测定出的挥发油化学成分随时间变化的峰面积进行整理，共计整理出 34 个化学成分峰面积随时间变化的数据，运用 Python 软件绘制 34 个化学成分的峰面积随时间变化的曲线，即为化学成分的释放曲线。运用 Python 软件对所有化学成分的峰面积进行标准差标准化处理，对 34 个化学成分的挥发规律进行聚类。根据挥发规律将 34 个化学成分归纳为 2 大类，对这 2 大类成分标准化处理后的峰值随时间变化曲线进行作图，验证其聚类结果。

对优选的最佳比例的载体材料固化挥发油粉末 25 ℃ 下 34 个化学成分随时间变化的峰面积进行整理，分析方法同上述挥发油中 34 个化学成分分析方法，考察固化粉末中挥发油的释放规律及载体材料对挥发油释放的影响。

2.8 缓释效果的评价

以 D - 柠檬烯为考察指标，计算 25 ℃ 下不同时间点挥发油、固化粉末中 D - 柠檬烯的挥发率，绘制释放曲线，评价其缓释效果。同时绘制挥发油及不同载体材料的固化粉末中 D - 柠檬烯的化学成分释放曲线，纵轴为 D - 柠檬烯的峰面积，横轴为时间，并且在其左侧做其轴对称图像，得到 D - 柠檬烯的香气图形，比较挥发油固化前后香气图形的变化，评价其缓释的效果。

3 结果

3.1 载体材料物性表征

3.1.1 粒径考察分别取适量的载体材料，运用马尔文激光粒度仪，采用干法测粒径法测定载体材料的粒径，粒径分布见表 1 。 d _0.1 、 d _0.5 、 d _0.9 分别表示粒度累积分布（ 0 ～ 1 ）中 10% 、 50% 、 90% 所对应的直径。根据粒径可以看出， 3 种材料的粒径差异不大，说明粒径对载体材料吸附能力的影响不大。

3.1.2 比表面积、孔隙体积和平均孔径的测定采用比表面积测定仪分别测定二氧化硅、 350FCP 、 770FCP 的比表面积、孔隙体积和平均孔径，结果见表 2 、 3 。从比表面积测定结果来看，二氧化硅的多点 BET 比表面积仅为（ 3.450 ± 0.001 ） m²/g ，与其他 2 种介孔二氧化硅材料相差甚远，这与二氧化硅的结构相吻合。从孔隙体积和平均孔径测定结果来看， 350FCP 的孔隙体积高达（ 1.281 ± 0.003 ） cm ³ /g ，吸附平均孔径为（ 18.176 ± 0.002 ） nm ，远远大于二氧化硅和 770FCP ，说明 350FCP 的孔隙体积和平均孔径大，可以吸附更多的挥发油，这也为 350FCP 作为最优的固化载体材料提供理论依据。

3.2 载体材料固化挥发油粉末外观考察

3.2.1 二氧化硅固化挥发油粉末外观考察二氧化硅固化挥发油的粉末外观如图 1 所示，在挥发油与二氧化硅比例为 1 ∶ 5 时，呈粉末状。挥发油与二氧化硅比例为 2 ∶ 5 时，呈稀糊状，黏壁、成团，完全不能吸附挥发油，故二氧化硅不能作为一种吸附挥发油的载体材料。

3.2.2 350FCP 固化挥发油（ 350FCP-VO-SCP ）粉末外观考察 350FCP-VO-SCP 粉末的外观如图 2 所示，挥发油与 350FCP 的比例在 1∶5 ～ 8∶5 时，挥发油都能被很好地吸收，粉末表面干爽，无黏壁、成团、结块等现象。 350FCP 作为一种介孔材料，可以作为吸附挥发油的一种载体材料。

3.2.3 770FCP 固化挥发油（ 770FCP-VO-SCP ）粉末外观考察 770FCP-VO-SCP 粉末的外观如图 3 所示，挥发油与 770FCP 的比例在 1∶5 ～ 2∶5 时，挥发油都能被很好的吸收，粉末表面干爽。挥发油与 770FCP 的比例为 3∶5 时，呈稀糊状，黏壁，成团，无法继续吸附挥发油，故 770FCP 也不能作为一个很好的载体材料吸附挥发油。

3.3 载体材料固化挥发油粉末吸附率考察

根据不同的载体材料固化挥发油粉末外观可以考察每种载体材料对挥发油吸附的最大能力，以此为基础，进一步对不同比例的固化粉末对挥发油的吸附能力进行测定。将挥发油与载体材料按照不同的比例制备成固化粉末，计算不同比例的固化粉末中挥发油的吸附率，结果见表 4 。可以看出， 350FCP 是这 3 种载体材料中固化效果比较好的载体材料，这与 350FCP 的物理性质考察结果一致。

3.4 350FCP-VO-SCP 的稳定性研究

根据上述结果分别对固化效果较好的二氧化硅 350FCP 载体材料固化后的粉末进行进一步的研究，研究固化粉末的稳定性。分别制备挥发油与二氧化硅 350FCP 比例为 1∶5 、 2∶5 、 3∶5 、 4∶5 、 5∶5 、 6∶5 、 7∶5 、 8∶5 共 8 种固化粉末。将 8 种不同比例的 350FCP-VO-SCP 置于 25 ℃ 下，绘制 25 ℃ 下不同比例的 350FCP-VO-SCP 中挥发油的保留率曲线和挥发率曲线，结果见图 4 。

从保留率的结果来看，挥发油与 350FCP 比例为 1∶5 和 2∶5 时，保留率变化较快，挥发油与 350FCP 比例为 3∶5 ～ 8∶5 时，保留率的变化趋势基本一致。

从挥发率的结果来看，不同比例的挥发油与 350FCP 的挥发率曲线变化趋势基本一致。结合不同比例的挥发油与 350FCP 的吸附率结果来看，挥发油与 350FCP 比例为 1∶5 、 2∶5 时，吸附率分别为 98.14% 、 81.27% ，吸附率虽高，但是挥发油所占比例较低。挥发油与 350FCP 比例为 3∶5 时，其吸附率为 65.24% ，并且保留率较高。挥发油与 350FCP 比例为 4 ∶ 5 及以上时，吸附率仅为 50% 左右，甚至更低，说明其挥发油吸附较少。综合考虑挥发油占比、载体材料用量、挥发油吸附率、保留率、挥发率等因素，以挥发油与 350FCP 比例为 3∶5 作为 350FCP 固化陈皮、青皮挥发油的最佳比例。

3.5 挥发油挥发规律研究

3.5.1 挥发油中化学成分挥发规律研究将 25 ℃ 下测定的不同时间点挥发油的化学成分峰面积进行整理，最终整理出 34 个化学成分， 34 个化学成分按照出峰时间排序分别为侧柏烯、 α- 蒎烯、 β- 水芹烯、 β- 蒎烯、月桂烯、 α- 水芹烯、 α- 松油烯、伞花烃、 D - 柠檬烯、 β- 罗勒烯、 γ- 松油烯、异松油烯、芳樟醇、 β- 松油醇、 4- 松油烯醇、 α- 松油醇、癸醛、顺式香芹醇、香茅醇、橙花醇、百里酚甲醚、右旋香芹酮、紫苏醛、百里香酚、对乙烯基愈创木酚、 δ- 榄香烯、 β- 榄香烯、 β- 石竹烯、 γ- 榄香烯、 β- 金合欢烯、葎草烯、 (−)- 大根香叶烯 D 、 α- 金合欢烯、 (+)-δ- 荜澄茄烯。

绘制出这 34 个化学成分峰面积随时间变化曲线， 34 个化学成分挥发曲线图按照出峰时间的顺序依次排序，如图 5 所示。从图 5 中可以看出，峰面积随时间变化的挥发曲线呈现一定的规律，如侧柏烯、 α- 蒎烯、 β- 蒎烯、月桂烯、 D - 柠檬烯、 α- 松油烯等化学成分的挥发曲线呈现一致的趋势，而另一些化学成分，如百里香酚、 α- 金合欢烯、芳樟醇、香茅醇等化学成分挥发曲线又呈现另一种趋势。

因化学成分的峰面积的值差异太大，故将 34 个化学成分峰面积的值运用 Python 软件进行标准差标准化处理，再将处理后的值进行聚类分析，聚类分析图如图 6 所示。从图 6 中可以看出， 34 个化学成分可以分为 2 个大类。异松油烯、伞花烃、 β- 罗勒烯、 γ- 松油烯、月桂烯、 α- 松油烯、 D - 柠檬烯、 α- 水芹烯、侧柏烯、 α- 蒎烯、 β- 水芹烯、 β- 蒎烯为一个大类，共计 12 个化学成分，即为 A 类化学成分。 β- 榄香烯、 β- 石竹烯、 β- 金合欢烯、 γ- 榄香烯、葎草烯、香茅醇、橙花醇、芳樟醇、 β- 松油醇、癸醛、

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