应用热分析方法和红外分光光度法分析鉴别人参不同炮制品

薄雅萍，邹明轩，包海鹰

（吉林农业大学中药材学院·吉林长春·130118）

人参Panaxc ginseng C.A.Mey.五加科人参属植物，其根及根茎入药，是一种名贵的传统中药材，在全球范围内应用广泛，早在战国时代就有“人参出上党,状类人形者善”的记载，在西汉时期被当做补药入药，在现代仍是药食同源的中药[1]。从中国已知最早的药学典籍《神农本草经》开始，就已经记录人参功效及主治，人参具有大补元气、补脾益肺、生津止渴、安神增智的功效，现代医学生物学和药理学研究证明人参具有多方面的药理活性，含有多种不同类型的有效成分，如皂苷类、糖类、挥发油等，其中人参皂苷是人参的主要活性成分[2]。有关人参的药理作用、临床应用等方面的现代研究[3]表明人参具有增强机体机能、提高生活质量[4]和认知能力、对阿尔茨海默氏病[5]的防治作用、对心血管系统的影响[6]、对高血压的调节作用[7]、医治2型糖尿病[8]等，以及与多种疾病有相关性的抗氧化作用。

中药人参在临床上应用时，采用不同的炮制产品。炮制，在传统中医药理论指导下，根据辨证施治原则，处方及制剂调剂需要，对中药材进行的一系列加工处理，所得加工品又称炮制品[9]。当前市场上人参炮制品种类较多，本次样品中涉及到的有鲜参、生晒参、红参、冷冻干燥参（简称冻干参）以及黑参5种。人参在采挖后直接经净制处理获得鲜参；
鲜参经过分选、浸泡、清洗后经过日光反复晾晒至干燥得生晒参；
鲜参经过一次蒸制后再经过晾晒或烘干所得人参加工品称红参；
黑参是指鲜参经“九蒸九曝”而制得的新型人参加工品，又称“九蒸九晒”是中药材加工的传统炮制方法之一；
冷冻干燥参是鲜参经过预冻结再经冷冻干燥后所得加工品[10-13]。

通过炮制方法可以改变中药药性，以达到临床上的对症治疗。中药药性分为狭义药性和广义药性两种，狭义的药性即寒、热、温、凉四性，从本质属性来看，主要是寒凉和温热两方面性质。药物的药性不同，其药理作用也不同。在《神农本草经》最早记载人参的性味为“味甘、微寒”,应该是指鲜参，之后经历了南北朝、元、明、清的历史变迁，人参的性味在不同时期有不同的记载，如2015年版药典中的描述为人参“味甘，微苦，微温。”与先前本草记载不同，人参的药性也从东汉末年的“微寒”，到南北朝时期的“微寒微温”，再到现在的“微温”，后来又根据炮制特性加以区分，将红参归为“微温”,而生晒参归为“微凉”[13～15]。

有关采用应用热分析方法和红外分光光度法分析并用分析和鉴别人参及其炮制品的研究未见报道。同步热分析(Simultaneous Thermal Analysis),简称STA，是将热重(TG)与差示热量扫描(DTA)或(DSC)两者结合为一体的物理化学分析方法,在同一次测量中利用同一样品可同步得到样品的热重与差热信息[16]。STA 449F3是德国NETZSCH生产的一台同步DSCTG热分析仪,广泛应用于陶瓷、玻璃、金属/合金、矿物、催化剂、含能材料、塑胶高分子、涂料、医药、食品等各种领域。热分析是物质在程控温度下测量其物理性质与温度关系的一类技术，根据所测定的主要物理性质，热分析技术主要有热重法（TG）、差示扫描量热法（DSC）、差热分析法（DTA）、热机械分析法（TMA）等。近年来，热分析技术在中药鉴定中的应用越来越广泛，如贝母类药材[17～22]，也包括一些海洋类药材[23]，热重法和差示扫描量热法较为常用并且显示出其独特的优势，如操作便捷、快速灵敏、准确度较高、样品用量少、无需溶剂、不需要做预处理等诸多特点。

对中药材的样品进行分析时，红外光谱被认为是一种有效合理的分析方法,因此,借助中红外透射的方法对中药材进行光谱分析[24]。中药材的红外光谱具有指纹性特征,通过借助红外吸收光谱图的差异,达到区分和鉴别中药材的目的，通过分析中药材的红外光谱图进行鉴别的方式来验证相关实验理论，根据实验结果分析，可以发现各类药材差异较大的地方在指纹区,通常可以借助吸收峰的位置来快速鉴别和区分中药材的种类。

如王平[25]应用中红外光谱技术对食品样品进行快速检测,实现对有机污染食品的检测；
胡杨论述[26]了近年来近红外光谱技术在中药质量控制中的研究进展；
李雯霞[27]运用红外光谱法分析地黄三种不同炮制品的图谱信息,为地黄不同炮制品的红外快速鉴别提供指纹图谱信息依据。

本文主要采用应用热分析方法和红外分光光度法分析和鉴别人参及其炮制品，寻找一种快速分析鉴别人参不同炮制品的新方法。

1.1 实验材料

供试的人参及其炮制品均为4年生园参，所有的人参及其炮制品购买于抚松安东参业有限公司，均由包海鹰教授鉴定。

1.2 实验仪器

同步热分析仪（仪器型号STA449F3，德国耐驰）；
FW-400A粉碎机(北京中兴伟业仪器有限公司)；
FDU-1200冷冻干燥机(EYELA东京理化)；
氧化铝坩埚、傅里叶变换红外光谱仪L1600400，扫描范围4000-400cm-1，分辨率4cm-1（美国Perkin Elmer公司）等。

1.3 实验方法

1.3.1 样品分组

将样品分为冷冻干燥参组、红参组、生晒参组、鲜参组、黑参组,每组10个。

1.3.2 样品粉末的制备

取新鲜人参,清洗干净,先将其放置于-80℃的冰箱冷冻，再放置冷冻干燥机内,直至水分完全挥发得冷冻干燥参→粉碎→过筛→装入自封袋备用；

将生晒参、红参、黑参清除表面浮土、杂质→切成小块→粉碎→过筛→装入自封袋中备用；

鲜参→清洗→干燥→粉碎→过目→装入自封袋中备用。

1.3.3 差示扫描热量法（DSC）测定

每组分别称取5mg样品放入坩埚，放置时尽量将样品平铺在坩埚底部并压紧，盖盖密封，设置仪器升温速率为10K·min-1，初始温度为25℃，终温为1000℃，氮气流速为20mL·min-1[18]。

1.3.4 红外光谱仪检测人参样品

检测人参冻干粉末的5批样品,先将红外光谱仪开机预热1h,预热结束后漫反射检测,扫描波长范围为4000～12000cm-1,扫描次数32次,分辨率8cm-1。仪器检测正常后，用布拂拭干净西林瓶底部,分别从西林瓶底部扫描其近红外光谱。具体扫描参数为:测量温度26℃,湿度30%,每份样品扫描3张，取其平均光谱，如图8-12。

图8 冻干参红外光谱图Fig.8 Infrared spectrum of freeze-dried Radix Ginseng

1.3.5 统计学方法

采用origin pro2019b64bit软件进行数据处理，得到热重（TG）和（DSC）曲线并进行数据分析[19～21]。

2.1 差示扫描量热及热重曲线分析

通过对热同步分析仪所得数据进行分析处理，用origin pro2019b64bit软件作图，得到热重（TG）和（DSC）曲线，如图1-7，通过对5种样品粉末的热分析曲线进行分析研究，通过观察样品的热重曲线(TG)，分析样品失重过程并记录各个失重阶段的失重质量百分比及温度区间，详见表1。

从图1-5及表1可看出红参和黑参失重过程分为4个阶段，其他三者失重分三个阶段，5种样品的第一阶段失重率都在6.5%左右，其中冻干参在5种样品中失重率最低为6%，推断第一失重阶段为样品粉末中吸附水和结晶水的失重，由此可得5种样品中冻干参的含水量最低，保存不宜霉变；
由表可看出第二阶段失重终止温度均在270℃左右，失重率大致分为三部分，其中鲜参和冻干参失重率分别为20.18%和20.15%，高于其他三者，黑参失重率为17.5%，而生晒参和红参失重率为14.47%和14.26%，相对较低，由此也可以推断该阶段的有效成分在不同炮制方式中均有微量损失，而冷冻干燥技术可以几乎无损失地保留该有效成分；
除红参和黑参以外，鲜参、生晒参和冻干参的3、4阶段失重率均在30%以上，在到达失重终止温度625℃时，3、4阶段的失重率之和均在70%左右，为人参中主要有效成分的失重阶段，如人参皂苷、人参多糖等；
而黑参和红参第3阶段的失重率和其余三者一样，在30%以上，不同之处在于这两者在360℃到625℃的失重温度范围内，分为两段，两者第4阶段失重率相近，该阶段失重物质含量几乎相同，而第5阶段黑参的失重率稍高于红参，可推断出黑参和红参中有不同于其他炮制品的化学物质基础，且黑参中有效物质略高于其他样品。

表1 鲜参、生晒参、红参、冻干参、黑参的热重分析特征参数Table 1 Thermogravimetric analysis characteristic parameters of fresh Radix Ginseng,sun dried Radix Ginseng,red Radix Ginseng,freeze-dried Radix Ginseng and black Radix Ginseng

通过图1-5分析5种样品粉末的DSC曲线可得到样品的差热分析特征参数，如表2，可以看出鲜参、生晒参、红参、冻干参均有2个放热峰，温度区间在50～120℃、350～450℃左右，而黑参明显不同于其他4种供试品，其在453～600℃范围的吸热谷中有一个窄而小的放热峰，温度在537℃左右；
除黑参外其余4种样品均有两个吸热谷，谷底温度大致在320～330℃、520～530℃之间，由于黑参的第二个谷有一个放热峰，所以有三个吸热谷谷底温度，明显不同于其他样品。

表2 鲜参、生晒参、红参、冻干参、黑参的差热分析特征参数Table 2 differential thermal analysis characteristic parameters of fresh Radix Ginseng,sun dried Radix Ginseng,red Radix Ginseng,freeze-dried Radix Ginseng and black Radix Ginseng

图1 鲜参的热分析曲线Fig.1 Thermal analysis curve of fresh Radix Ginseng

图2 生晒参的热分析曲线Fig.2 Thermal analysis curve of sun dried Radix Ginseng

图3 红参的热分析曲线Fig.3 Thermal analysis curve of red Radix Ginseng

图4 冻干参的热分析曲线Fig.4 Thermal analysis curve of freeze-dried Radix Ginseng

图5 黑参的热分析曲线Fig.5 Thermal analysis curve of black Radix Ginseng

将5种样品的热分析数据进行对比处理，得到5种样品粉末的TG和DSC对比曲线图，如图6、7，由图6可知DSC曲线在失重曲线阶段具有相应的吸收峰，5种样品的第一个放热峰都在90℃左右，在第1个放热峰之前，5种样品都有一个缓慢的吸热过程，该过程为样品粉末中的水分的蒸发阶段；
5种样品在100℃左右都有一个小的放热峰，说明5种样品粉末中都含有同一种物质在100℃左右分解放热，由峰值可以看出该物质在生晒参中含量较少；
第2个放热峰温度除黑参外均为378℃左右，而黑参温度稍高为393℃，结合表1可知该放热峰在失重的第3阶段，也是5种样品共同的主要物质的失重阶段，由图6可以看出红参和黑参放热较多，冻干参放热最少，由于第1个放热峰是水分蒸发，则可推测出在此阶段红参和黑参的热量相对高，冻干参中最低，生晒参稍高于鲜参。

图6 鲜参、生晒参、红参、冻干参、黑参DSC曲线Fig.6DSCcurves of fresh Radix Ginseng,sundried Radix Ginseng,red Radix Ginseng,freeze-dried Radix Ginsengandblack Radix Ginseng

在270～350℃和450～600℃之间有两个明显的吸热峰，对应红参、黑参TG曲线的4、5两个阶段及鲜参、生晒参、冻干参TG曲线的3、4阶段，这两个阶段是样品中主要物质分解阶段，图7中的峰值可看出在330℃左右分解的物质，在冻干参中含量最低，黑参中含量最高，红参仅次于黑参，生晒参保留了和鲜参相近的含量，从第2个吸热峰可以看出黑参与其他4种的走势都不相同，有一个极小的放热峰，说明黑参中含有独特的物质，该物质在其他4种样品中不存在，明显与其他样品区分；
其余4种样品的峰形和峰值也明显不同，鲜参宽而缓，且峰值最小；
红参最窄，峰值最大；
生晒参和冻干参相近，居两者之间，峰值出现的时间也有不同，红参最先出现峰值，其次为生晒参然后是冻干参，鲜参最晚出现峰值。

图7 鲜参、生晒参、红参、冻干参、黑参热重曲线Fig.7 TGcurve of fresh Radix Ginseng,sun dried Radix Ginseng,red Radix Ginseng,freeze-dried Radix Ginseng and black Radix Ginseng

由此可见人参不同炮制品的TG曲线和DSC曲线具有一定的差异，两者结合能够快速分析区别不同炮制方法得到的产品，故可应用于分析鉴别人参不同炮制品。

2.2 红外分光光谱分析

红外光谱分析,通常将中红外区分为2个部分,即特征频率区(4000～1800/cm)、指纹区(1800～400/cm)。在各区域中不同基团的不同振动频率,但主要基团的振动吸收频率体现在特征频率区，指纹区内吸收峰较多且复杂，并且没有明显的特征，但对分子结构十分敏感。

通过图1-13可看出，黑参和鲜参在特征区没有明显的吸收峰，而红参、生晒参、冻干参这三种样品在波数为2800～3800/cm时有两个比较明显的吸收峰，强度由大到小顺序依次为红参、生晒参、冻干参；

在指纹区,特征峰种类多、数量大、分布密集，5种样品在波数为1000/cm处均有明显的吸收峰，且吸收峰的强度由大到小依次为红参、生晒参、冻干参、鲜参、黑参，在1300～1800/cm处，除黑参外其余样品均有吸收峰。

从整体的红外光谱图可以看出，5种炮制品的红外光谱曲线均大致相似，但在指纹区吸收峰强度明显不同，尤其黑参和鲜参在特征区和指纹区出现相似的特征。综上所述，人参在经过炮制后，其中的物质变化在红外分光光谱中可快速区分，故红外分光光度法也可作为快速区分人参不同炮制品的辅助方法。

图9 黑参红外光谱图Fig.9 Infrared spectrum of black Radix Ginseng

图10 红参红外光谱图Fig.10 Infrared spectrum of red Radix Ginseng

图11 生晒参红外光谱图Fig.11 Infrared spectrum of sun dried Radix Ginseng

图12 鲜参红外光谱图Fig.12 Infrared spectrum of fresh Radix Ginseng

图13 红外光谱对比图Fig.13 Comparison of infrared spectra

基于中医药理论对人参进行炮制后，其炮制品在药性和功效上都产生不同程度的变化。人参及其炮制品存在混淆误用的现象，影响到临床用药的有效性。用传统中药鉴定方法虽然能将其区分，但是体现不出药性、能量及化学成分整体性的变化。本文采用了更为便捷的新方法进行分析，差热分析是通过对供试品与热惰性参比物同时加热，样品发生物理化学变化使供试样品与参比物之间产生温度差，对数据进行处理后得到得到的TG、DSC曲线具有“指纹图谱”性质。

热重曲线用来表示供试样品中某些物质改变后的状态，失重过程直观、形象。本研究中可看出鲜参、生晒参、冻干参的热重曲线相似，红参和黑参与前三者差别较大，前三者有4个失重过程，而黑参和红参只有两个失重过程，故可首先区分红参、黑参与其他样品；
5种样品的失重曲线中均有共同的失重率较大的部分，故以推测该阶段可能为共同有效成分如人参皂苷、人参多糖等的失重阶段。从差示扫描量热谱图可明显看出，红参只有两个吸热谷，黑参有独特的放热峰和峰形，每种样品的吸热谷性状和峰值都有明显或细微的差别。通过热重分析、差示扫描量热法均可用来判定不同炮制方法得到的样品在物质基础上有差异，可以通过分析样品得到的TG、DSC曲线可明显区分5种样品。也可根据本研究结果为更准确确定人参及其不同炮制品的四气、五味、归经等药性提供科学依据。

利用红外光谱对中药材进行检测时,光谱扫描范围一般确定在400～4000cm-1，其中400～1800cm-1的区域被称为指纹区,该区域内吸收峰较多且复杂，对分子结构十分敏感。

物质在热的作用下会发生相应的物理和化学变化，由于不同的物质理化性质不同，因此对不同药材进行热分析处理，能够从整体上反映出药材在热的作用下的质量和能量的变化情况。红外光谱技术是当前药材质量检测和分类鉴别的一种有效方式，但是这种方式的选择和应用，应该从制样、分辨率、扫描次数以及谱区范围内进行适当条件的选择。采用红外光谱分析也可能够区分人参不同炮制品。

总之，热分析方法结合红外分光光度法可以区分人参不同炮制品，且分析方法具有操作简便、分析快速、样品用量少、不使用溶剂、图谱易懂等优势，具有广阔的发展前景，值得推广使用。