背景:艾灸疗法是指点燃艾绒后将其置于体表穴位或特定部位,通过激发经气的活动来调整人体紊乱的生理功能,从而达到防病治病目的的一种治疗方法。目前针对艾绒质量的研究大多集中在艾叶挥发油及艾烟成分方面,通过提取分离技术将艾叶挥发油及艾灸烟气收集起来独立分析。这些方法对艾灸燃烧过程中释放的挥发性物质测定较为准确,但较难对半挥发及难挥发这类与艾绒燃烧的温度、充分程度等因素密切相关的物质进行精准测定。此外,对于一些通过透皮吸收等途径起效的成分而言,仅对挥发油及烟气进行分析难免有所不足。热重分析(Thermogravimetric analysis,TGA)和热裂解(Pyrolysis-Gas chromatography-Mass spectrometry,Py-GC/MS)技术是材料分析领域的常见方法。热重分析方法通过观察测量样品随着温度升高和时间增加过程中质量的变化,可以提供有关物质物理特性、化学特性以及固-气反应等多方面的相关信息。热裂解是指,在惰性气氛下,以极强的输入热流打断物质中的化学键,使其受热发生分解,在极短的时间内析出大量化学成分。热裂解技术的主要优势在于能够充分释放物质中的化学组分,并通过不同的热解形式或升温速率等对产物的种类和含量进行整体把握。木质素是形成植物细胞壁的主要化合物,对于植物纤维的各种理化性质都有影响,但木质素结构的复杂性、多样性和易变性使得其在药用植物学领域的研究匮乏,艾叶及艾绒相关木质素研究更是近乎于零。通过团队的前期研究,我们发现木质素的一些特性与艾绒有很多相关之处,故本课题拟从木质素角度对其进行讨论。目的:本课题以不同年份、不同比例的机器制作艾绒及市售艾绒为研究对象,通过对其进行热重分析及热裂解等热行为研究,为艾绒的质量评价提供新的方法,同时,课题采用木质素这一新的指标,将木质素的定量分析及热行为分析结果引入艾绒质量等级评定体系,以进一步完善艾绒的质量评价方法,规范艾绒市场。方法:1、样品来源及制备实验共收集9个不同的艾绒样品,包括河南南阳绿莹艾草生物制品有限公司代加工的机器制作艾绒(下简称自制艾绒)样品3个,各大电商平台购买的市售艾绒样品6个。三个自制艾绒样品的储存年份均为三年,加工比例分别为3:1、10:1和30:1。六个市售艾绒样品均从各大电商平台购得,其产地、储存年份及加工比例各不相同。所有样品室温干燥避光储存待用。2、热重分析实验采用美国TA公司生产的SDT Q600热重分析仪,重复3次以排除误差,并做空白实验校准。通过程序升温控温和热天平称重连续记录,以温度为横坐标,物质质量、质量变化率为纵坐标,获得物质质量、质量变化率与温度关系的热重(TG)和微分热重(DTG)曲线。3、热裂解实验美国CDS公司产Pyroprobe 6150热解器,热解产物采用美国PerkinElmer公司产Clarus 680-SQ 8T气相色谱质谱联用仪进行分析,得到总离子流图,参考NIST及MAINLIB数据库确定测试样品中化合物的化学名称及结构,继用峰面积归一法得出每种裂解产物的相对含量。4、木质素提取及定性将艾绒样品置于震动球磨中,室温下球磨6小时至粉碎为80-100目的粉末。称取样品粉末,加入丙酮浸泡过夜。放入圆底烧瓶并加入300 ml 9:1(v/v)二氧六环/水溶液,置于电子控温加热套中,220℃沸腾后180℃维持,加热回流10小时。收集滤液旋蒸,浓缩至15 ml时加入10倍体积去离子水,经离心后得到粗木质素。将吡啶、乙酸、去离子水按照9:1:4的比例混合,与粗木质素混合静置1小时。使用分液漏斗及三氯甲烷萃取,萃取液旋蒸至5-10 ml,加入15倍体积的乙醚。离心后在固体中继续加入乙醚并重复冲洗5次,直至沉淀物中没有吡啶气味,干燥后即得艾绒木质素。将木质素溶解于5 ml二氧六环/水(v/v8:2)溶液中,同时将木质素标准品用同样的二氧六环/水溶液配制成标准溶液,紫外分光光度计200-500 nm处扫描。5、木质素定量称取0.5g样品加入容量瓶,质量记为M,加入丙酮浸泡过夜。将样品转移至坩埚中,在冷浸提装置中抽滤至无色。置于纤维提取仪上,加热煮沸1小时后抽滤至无泡沫。置于冷浸提装置用丙酮冲洗2遍。加入72%硫酸浸泡3小时,后冲洗至无酸性。置于真空干燥器中烘干,平衡后称重,质量记为M105℃。置于马弗炉中灰化,平衡后称重,质量记为M510℃。木质素含量计算公式:(M105℃-M510℃)/M×100%。5、艾绒电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)实验称取样品0.2 g置于消解罐中,加入5 mL浓硝酸及2 ml过氧化氢并进行消解。将消解完全的样品置于电子控温加热板上,待黄棕色烟雾挥发完全、液体剩余2-3 ml时取出,转移到50 ml容量瓶中,用超纯水定容后即得供试品溶液。结果:1、艾绒热重分析艾绒样品的热失重总体在一个较宽的温度范围内,在艾绒的主要失重阶段,自制艾绒中高比例的样品,失重速率更高,热稳定性更差,相同条件下更易分解,热解成分更丰富。市售艾绒样品中,长年份的样品失重速率更高,热稳定性更差,但于加工比例上没有明显规律。2、艾绒热裂解9个样品均检出肌氨酸及乙酰乙酸甲酯,且相对含量很高,二者含量均随加工比例的升高而升高;数个样品中检出亚油酸/亚麻酸、棕榈酸及烟酸;30:1自制艾绒中检出亚牛磺酸;9个样品基本均检出了乙酸和乙酸酐,相对含量在8%以上。另外,三个自制艾绒样品中均检测出了苯酚及对苯二酚,二者的含量均随着加工比例的提高而降低。3:1样品中还检出了邻苯二酚和对甲基苯酚。在3个三年市售艾绒样品中,1、2两个样品检出苯,1、3两个样品检出甲苯。3、木质素提取及定性本研究整合并改进其他行业方法,创新性地提出了艾绒中磨木木质素的提取方法,且经紫外吸收光谱分析定性为木质素,具有典型的苯环吸收峰。4、木质素定量3:1自制艾绒中木质素含量为11.6%,10:1为14.8%,30:1艾绒木质素含量为24.3%。6个市售艾绒样品的木质素含量均在10%左右。5、木质素热重分析实验发现不同比例艾绒中提取出的木质素热行为特点差别不大,其热失重范围均在200℃-480℃之间。木质素样品在149℃-500℃之间存在一系列重叠的失重峰,是其主要失重阶段。6、艾绒ICP-MS实验对艾绒中砷(As)、铬(Cr)、镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)五种重金属元素的含量进行分析,其中Cr、As、Pb元素的含量均在规定值之内,Hg元素超标率11.1%,Cd元素超标率44.4%。结论:1、艾绒热重分析整体而言,相同条件下加工比例高、储存年份长的艾绒更易分解,更利于其化学组分的分解释放,较低比例、短年份的艾绒杂质更多。在同一条件下,市售艾绒较自制艾绒更难分解,所含杂质也更多。2、艾绒热裂解加工比例高的艾绒在成分的安全性上较低比例的艾绒更高,燃烧产生的有害物质在种类和含量上均更少。市售艾绒样品检出的有害成分在种类和含量上较自制艾绒样品均更高,其中短年份、低比例样品又较长年份、高比例样品更高,在安全性方面,市售艾绒与自制艾绒、尤其是高比例的自制艾绒相比有较大差距。3、木质素提取及定性改进创新后的木质素提取方法可靠,结果稳定,可用于后续热重分析及热裂解实验。4、木质素定量结果显示自制艾绒样品的木质素含量随加工比例的升高而升高,3:1与10:1样品的木质素含量差距较小,但与30:1样品含量差别很大,结合热裂解结果,推测艾绒的有效成分及起效途径可能与木质素有关,后续可进一步研究。5、木质素热重分析木质素与艾绒的主要失重阶段几乎完全重合,贯穿了艾绒的整个热解过程。艾绒中各类有效物质均在其主要失重阶段释放,而这也是木质素发生侧链及芳基醚键断裂分离并生成各种酚、醛、醇类物质的主要阶段。6、艾绒ICP-MS菊科植物艾对重金属镉具有一定的富集能力,但总体而言其重金属含量在规定范围内,安全性较好。