硼砂煅制工藝優化及質量評價

楊辛欣，洪禹昕，張 睿，趙晶麗，劉 佳，王楚盈，許天陽，于 澎

（長春中醫藥大學，吉林 長春 130117）

硼砂始載于五代《日華子本草》［1］，是由天然礦物硼砂經精制而成的結晶體，具有清熱解毒等功效，可用于治療咽喉腫痛、口舌生瘡等，主要成分為含水四硼酸鈉，其炮制方法眾多，例如宋代記載“研”［2］、“熬”［3］； 元代使用“油浸法”［4］； 明代大多沿用前人方法，并且后期出現 “另研”［5］、“研如飛塵”［6］； 清代典籍提到“煅”［7］等。煅制可除去結晶水，減小用藥刺激，增強燥濕收斂、促進潰瘍愈合的作用，所謂 “生則化腐，煅枯則生肌”［8］，但歷版《中國藥典》 均未收錄硼砂標準，全國各地藥材標準及炮制規范中其煅制工藝規定也較簡單，相關參數及炮制終點并無明確規定，導致炮制品極易出現“結底” “硬心” “污邊” 等問題，從而大批量生產成品率低、質量差異大。

本實驗在四硼酸鈉含量、失水率［9］的基礎上，根據炮制目的增加蓬松度、粉碎率2 個指標，采用星點設計-效應面法對硼砂煅制工藝進行優化，同時采用掃描電鏡、熱重分析、拉曼光譜、X 射線衍射進行質量評價，該方法可解決該藥材炮制工藝混亂、終點不明確等問題，為判斷其質量提供依據。

1 材料

1.1 儀器 MC02810218 型馬弗爐（余姚市金電儀表有限公司）； FA1204B 型電子天平（萬分之一，上海精密科學儀器有限公司）； SU8020 型場發射掃描電子顯微鏡鏡（日本日立公司）； STA 449 F5 Jupiter 型熱重分析儀 （德國Netzsch 公司）；inVia 型拉曼光譜儀 （英國Renishaw 公司）； D8 Advance X 型射線粉末衍射儀（德國Bruker 公司）；JG500 g 型粉碎機（上海廣沙工貿有限公司）； 50 mL 聚四氟乙烯滴定管（天津市天玻玻璃儀器有限公司）； VTO-34A 型熱風電烤箱［北美電器（珠海） 有限公司］； 耐熱玻璃（山東業盛玻璃有限公司）。

1.2 試劑 鹽酸（分析純，批號20180828）、氫氧化鈉（分析純，批號20170511） （北京化工廠有限責任公司）； 甲基紅（分析純，批號20180927）、甲基橙（分析純，批號20181123） （天津市光復精細化工研究所）； 酚酞（分析純，批號20190224，上?；瘜W試劑分裝廠）。

1.3 藥材 硼砂（批號20161201，產地河南） 購于河北順全隆藥業有限公司，經長春中醫藥大學中藥鑒定教研室翁麗麗教授鑒定為正品。

2 方法與結果

2.1 評價指標測定

2.1.1 失水率 采用質量法，煅制前計為M1，煅制后計為M2，公式為失水率＝［（M1－M2） /M1］ ×100%。

2.1.2 蓬松度 稱取一定質量（M） 煅硼砂（過5 號篩） 裝在量筒中，反復振動至其體積不再下降，記錄體積（V），公式為蓬松度＝V/M。

2.1.3 粉碎率 稱取一定質量（M1） 煅硼砂，將其放入粉碎機粉碎20 s，冷卻至室溫后過6 號篩，收集粉末，稱定質量M2，公式［10］為粉碎率＝（M2/M1） ×100%。

2.1.4 四硼酸鈉含量測定 取煅硼砂約0.4 g，精密稱定，置于50 mL 錐形瓶中，加25 mL 水溶解，再加0.05%甲基紅指示劑1 滴，鹽酸滴定液（0.1 mol/L） 滴至溶液變為橙紅色 （每1 mL 相當于10.06 mg 四硼酸鈉）。

2.2 煅制工藝優化 在預實驗基礎上，選擇硼砂鋪設厚度 （X1）、煅制時間 （X2）、煅制溫度（X3） 作為影響因素，根據星點設計原理，每個因素分別設置5 個水平，用代碼值－α、－1、0、1、α表示（α ＝1.732），具體見表1。

表1 星點設計-效應面法因素水平Tab.1 Factors and levels for central composite designresponse surface method

采用馬弗爐對硼砂進行煅制，通過感溫元件及溫控器對馬弗爐進行溫度調控和檢測，按表1 因素水平開展實驗，測定失水率（Y1）、蓬松度（Y2）、粉碎率（Y3）、四硼酸鈉含量（Y4），結果見表2。

表2 星點設計-效應面法設計及結果Tab.2 Design and results for central composite design-response surface method

采用Design Expert 7.0 軟件對表2 數據分別進行多元線性回歸、二項式擬合，得線性方程分別為Y1＝39.55－0.91X1＋2.61X2＋7X3（R2＝0.735 3，P＜0.05）、Y2＝0.476 42－0.037 831X1＋0.158 24X2＋0.001 74X3（R2＝0.733 0，P＜0.05）、Y3＝89.95－0.56X1＋4.04X2＋5.66X3（R2＝0.312 0，P＜0.05）、Y4＝58.292 91－2.126 32X1＋7.109 25X2＋0.083 91X3（R2＝0.724 5，P＜0.05）； 二項式方程分別為Y1＝26.979 5X2＋0.307X3－8.487 22X22－0.000 453X32（R2＝0.919 2，P＜0.05）、Y2＝0.042 297 ＋0.791 62X2＋0.001 74X3－ 0.255 39X22（R2＝0.791 0，P＜0.05）、Y3＝5.725 41 ＋85.590 78X2＋0.181 96X3－30.808 08X22－0.000 234X32（R2＝0.579 5，P＜0.05）、Y4＝1.485 26－2.126 32X1＋39.859 4X2＋0.408 76X3－ 0.044 174X2X3－8.761 62X22－ 0.000 541X32（R2＝0.975 2，P＜0.05）。由此可知，各評價指標P值均小于0.05，即對模型均有顯著影響，但二項式方程相關系數R2顯著高于線性方程，表明前者擬合度更高，預測性更好，分析方法更可靠。

根據上述二項式方程考察各因素對煅制工藝的影響，結合響應面圖（圖1 ～4），選擇失水率、蓬松度、粉碎率、四硼酸鈉含量最大的區域，最佳取值范圍見表3。

圖1 煅制溫度、煅制時間對硼砂失水率的影響Fig.1 Effects of calcining temperature and calcining time on the water loss of Borax

圖2 煅制溫度、煅制時間對硼砂蓬松度的影響Fig.2 Effects of calcining temperature and calcining time on the fluffiness of Borax

圖3 煅制溫度、煅制時間對硼砂粉碎率的影響Fig.3 Effects of calcining temperature and calcining time on the crushing rate of Borax

圖4 硼砂鋪設厚度、煅制時間對四硼酸鈉含量的影響Fig.4 Effects of Borax laying thickness and calcining time on sodium tetraborate content

表3 各影響因素最佳取值范圍Tab.3 Optimal value ranges of various influencing factors

最終確定，最優煅制工藝為硼砂鋪設厚度2 cm，煅制時間1.67 h，煅制溫度365 ℃，考慮到工藝參數可控性，將其修正為取凈硼砂適量，置于適宜容器內鋪設均勻，鋪設厚度約2 cm，武火（約365 ℃） 加熱，煅至無水氣揮發，呈白色酥松塊狀，時間約為100 min，取出放冷。根據上述工藝進行3 批驗證試驗，結果見表4，可知實測值與預測值的相對誤差較小，重復性良好，表明該模型預測性良好，工藝穩定可行。

表4 驗證試驗結果（n＝3）Tab.4 Results for verification tests （n＝3）

2.3 質量評價 采用掃描電鏡、熱分析法、拉曼光譜、X 射線衍射技術，從微觀性狀、成分結構變化等方面進行考察，同時取原藥材、按“2.2.3”項下最優工藝（煅制厚度、煅制溫度不變，煅制時間30 min） 制備的中間品、按“2.2.3” 項下最優工藝制備的煅制品 （批號20161201-1） 適量，分析其動態變化。

2.3.1 微觀形態 設置加速電壓為3.0 kV，樣品工作距離為7 mm 左右，放大倍數50、600、2 000、5 000 倍。蘸取少量原藥材、中間品、煅制品粉末，均勻灑在金屬柱面的導電膠帶上，吹去多余粉末，調整掃描電子顯微鏡參數，收集圖像，結果見圖5～7。

圖5 原藥材掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron microscope image of original medicinal material

由圖5 可知，原藥材呈不規則塊狀結構，表面較平整光滑，結構致密，可見橫縱交錯裂痕，偶見不規則凹陷。由圖6 可知，中間品呈不規則形狀碎塊，表面粗糙、疏松、不平整特征明顯，致密結構斷裂成大小不一的碎片，大碎片呈塊狀立體結構，小碎片呈片狀立體結構。由圖7 可知，煅制品呈圓形顆粒及不規則形狀碎塊，與中間品比較碎塊體積更小，表面疏松多孔。

圖6 中間品掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscope image of intermediate good

圖7 煅制品掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope image of calcined product

綜上所述，硼砂煅制后微觀形態發生變化，粒子體積減小，表面結構逐步疏松，可作為煅制終點判斷的依據，并且煅制后疏松結構更有利于吸收細胞水分，減少炎癥滲出物，從而增加消炎防腐的作用，在臨床用藥中更好地發揮其藥效，方便外用及丸散劑制備。

2.3.2 熱分析技術 設置升溫速度為10 ℃/min，升溫范圍為0～1 100 ℃，氣氛為靜態空氣，將原藥材、中間品、煅制品粉碎后過5 號篩，程序升溫，進行熱譜掃描，各重復2 次，熱重-微分熱重（TGDTG） 曲線見圖8。

圖8 原藥材（A）、中間品（B）、煅制品（C） TG-DTG 曲線Fig.8 TG-DTG curves for original medicinal material （A），intermediate good （B） and calcined product （C）

由圖8A 可知，在53 ℃左右原藥材開始失去結晶水而發生第1 次失重，隨后在115 ℃左右開始發生第2 次失重，升溫至212 ℃之后呈緩慢質量丟失現象，在750 ℃后曲線平緩直至失重結束，最終有64.17%的物質殘留。由圖8B 可知，中間品在141 ℃左右開始失去結晶水發生失重，升溫至210 ℃后呈緩慢失重現象，在500 ℃后曲線平緩至失重結束，最終有79.71% 的物質殘留。由圖8C可知，煅制品未發生失重現象，說明采用最優工藝后在煅制過程中失去全部結晶水，從而起到了良好的提純作用，有利于發揮其藥效。

2.3.3 拉曼光譜 設置激發光源為785 nm，光譜測量范圍為2 700 ～100 cm－1，激光功率為50 mV，光纖探頭長度為1.5 m，激光強度為5%，掃描時間為3 000 ms。取原藥材、煅制品粉末適量，置于樣品槽中，壓實，槍頭輕抵兩者表面進行光譜采集，平行3 次，采用Origin 8 軟件繪制拉曼光譜圖，結果見圖9～10。

圖9 原藥材拉曼光譜圖Fig.9 Raman spectrum for original medicinal material

前期報道，硼砂在拉曼光譜中的位移主要體現在四面體硼（BO45－）、三角形硼（B O33－）［11］、水分子、B （OH） 鍵［12］。由圖9 可知，對于拉曼位移在579.64 cm－1處的峰，其峰值在4 818.27 的是四面體硼（BO45－） 振動最強特征峰，在466.22、387.22、353.02cm－1處，其峰值在714.82、1 211.69、1 635.05 的是四面體硼（BO45－） 對稱彎曲振動中強特征峰； 在769.20 cm－1處，其峰值在726.39 的是四面體硼（BO45－） 對稱伸縮振動；在948.99 cm－1處，其峰值在1 291.43的是三角形硼（BO33－） 對稱伸縮振動； 在189.38、186.77、130.27、109.11 cm－1處，其峰值在1 095.74、1 039.99、1 153.09、1 293.04 的是晶格振動［13］。由圖10 可知，在原藥材相應拉曼位移處存在四面體硼（BO45－） 的特征峰，而且峰值有不同程度的變大，在三角形硼（BO33－） 處出現2 個峰，但在晶格振動的拉曼位移處僅產生1 個峰，表明煅制后硼砂原成分結構發生改變，其原因是在此過程中含水量降低，分子中氫鍵作用減弱，硼原子對稱性增加，導致拉曼位移、吸收峰有差異，進一步顯示硼砂經煅制后可在不改變藥物主成分的基礎上，起到去除部分結晶水而達到精制純化的作用，最終提高其藥效。

圖10 煅制品拉曼光譜圖Fig.10 Raman spectrum for calcined product

2.3.4 X 射線衍射分析 設置入射光源CuKα 輻射，Ni 片濾波，X 管工作電壓40 kV，電流40 mA，連續掃描方式，掃描速度6°/min，掃描范圍5°～90°。取原藥材、煅制品適量，粉碎過篩，研勻后在X 射線衍射儀樣品板上壓平檢測，將相關譜圖導入JADE 6.0 軟件，進行尋峰處理、物相分析及PDF 標準卡片匹配，采用Origin 8.0 軟件繪圖，結果見圖11。

圖11 原藥材（A）、中間品（B）、煅制品（C） X 射線衍射圖譜Fig.11 X-ray diffraction patterns of original medicinal material （A），intermediate good （B） and calcined product （C）

由圖11A 可知，原藥材主要成分為Na2B4O5（OH）4·8H2O，其特征強峰分別在2θ15.559°、18.329°、22.545°、30.089°、31.402°、31.607°、35.003°處，其對應晶面間距（相對峰強） 分別為0.569 （65.8）、0.484 （43.2）、0.394 （27.2）、0.297 （100.0）、0.285 （52.4）、0.283 （26.4）、0.256 （61.8），表明它為正品，而且純度較高，與文獻［14］ 報道一致。由圖11B 可知，中間品主要成分為Na2B4O7·5H2O，其特征強峰分別在2θ10.112°、18.892°、20.267°、25.853°、29.744°、30.559°、41.302°、50.840°處，其對應晶面間距（相對峰強） 分別為 0.874 （30.0）、0.469（30.0）、0.438 （76.6）、0.344 （49.2）、0.300（21.3）、0.292 （100.0）、0.218 （30.4）、0.179（19.8），表明它為五水硼砂，在365 ℃下煅制30 min 后其特征線逐漸消失，轉化為五水硼砂特征線。由圖11C 可知，煅制品在365 ℃下煅制100 min 后原藥材特征線完全消失，表明其結構由晶態轉變為非晶態，與文獻［15］ 報道一致。

綜上所述，原藥材在煅制過程中發生成分組成、晶型結構改變，原晶體Na2B4O5（OH）4·8H2O 逐漸失去結晶水而變為五水硼砂，最終失去所有結晶水，由晶體狀態轉變為非晶體狀態，其原因可能是存在三價或四價硼原子振動，在無定形硼酸鈉結構中包含穩定的-OH 基團，并與鈉陽離子強鍵結合。結合電鏡掃描、熱分析結果，可知該工藝能有效提高硼砂主要成分四硼酸鈉純度，從而達到增加藥效的作用，并對改善其用藥穩定性、安全性具有積極意義。

3 討論

3.1 煅制工藝優化 本實驗以硼砂鋪設厚度、煅制溫度、煅制時間為影響因素，失水率、蓬松度、粉碎率、四硼酸鈉含量為評價指標，采用星點設計-效應面法優化硼砂煅制工藝。驗證試驗結果表明，該工藝簡便穩定，重復性好，精密度高，能綜合考慮到各種因素之間的相互作用，并且所得產品質量可控，從而為中藥企業相關工業化生產提供了參考。

3.2 質量評價 本實驗采用掃描電鏡，從微觀角度上直觀考察硼砂煅制前后的變化，發現煅制后其結構較疏松，更有利于在臨床上發揮藥效，也方便制備相關外用制劑和丸散劑，并且其微觀形態的變化可作為煅制終點判斷依據。然后，采用熱分析法、拉曼光譜分析法、X 射線衍射法來觀察硼砂煅制前后成分組成、晶體結構的變化，發現它在煅制過程中失去全部結晶水，有效成分四硼酸鈉含量提高，從而起到提純、除雜的作用。上述結果進一步確定硼砂最優煅制工藝的可行性與合理性，同時也能為其他礦物類中藥的鑒別及質量評價提供思路。