王婧++劉慧婷++柴慶凱++郝象瑢++李二峰++池明++劉慧芹++王遠宏

摘 要：以黨參皂苷得率為衡量指標，考察了影響超聲提取黨參皂苷的4個因素：料液比、乙醇的質量分數(shù)、超聲時間及超聲功率。在單因素試驗基礎上，通過3因子3水平的響應面分析法進行試驗，對各因子顯著性和交互作用進行分析。結果表明，超聲提取黨參皂苷的最佳工藝條件為乙醇質量分數(shù)74.81%、超聲時間39.38 min、超聲功率195.10 W；該條件下黨參皂苷的得率為2.589 7%。考慮到實際的操作性，以乙醇質量分數(shù)74%、超聲時間39 min、超聲功率200 W為條件，得到實際黨參皂苷平均得率為2.564 7%，與理論值相差較小，說明該工藝條件具有實際操作性和可行性。

關鍵詞：黨參皂苷；響應面法；超聲提取

中圖分類號：TS202.3 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.10.004

Study on Optimization of Ultrasonic Extraction of Saponin from Codonopsis pilosula by Response Surface Method

WANG Jing， LIU Huiting， CHAI Qingkai， HAO Xiangrong， LI Erfeng， CHI Ming， LIU Huiqin， WANG Yuanhong

（College of Horticulture and Landscape Architecture， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract：In this research， the four factors of ultrasonic extraction of Codonopsis pilosula saponins were studied， including the ratio of material to liquid， the mass fraction of ethanol， ultrasonic time and ultrasonic power. On the basis of single factor experiment， the response surface analysis method of three factors and three levels was used to analyze the significance and interaction of each factor. The results showed that the optimum extraction conditions of ultrasonic extraction of Codonopsis pilosula saponins were mass fraction of ethanol 74.81%， ultrasonic time 39.38 min， ultrasonic power 195.10 W， and yield of the saponins at the optimized condition was 2.589 7%. Considering the actual operation， using the mass fraction of ethanol 74%， ultrasonic time 39 min， and ultrasonic power 200 W as the best condition， the actual average yield was 2.564 7%. The difference between the actual value and the theoretical value was very small， and it was concluded that the condition was practical and feasible.

Key words： saponin of Codonopsis pilosula； response surface method； ultrasonic extraction

黨參[Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf]屬桔?？泣h參屬植物，別名有防風黨參、獅頭參、中靈草、上黨參、黃參、防黨參、黃黨。黨參是我國傳統(tǒng)的名貴藥材，開始出現(xiàn)于清代本草，是當山西人參資源逐漸衰敗時被作為上黨人參上市出現(xiàn)的[1]。黨參提取物含有皂苷、淀粉、蔗糖、維生素B2、葡萄糖、菊糖、黏液揮發(fā)油、黃芩素葡萄糖苷、微量生物堿及樹脂等66種[2]。近年來，在原有科研的基礎上，國內或國外均對黨參的化學成分進行了刻苦的鉆研，并從黨參中分離鑒定出了21種糖苷類，13種三萜類，34種揮發(fā)油成分及含氮成分，5種生物堿類，10種甾醇類及人類所必需的氨基酸和無機成分[3-5]。

皂苷因為其水溶液振搖后可以生成膠體溶液，并具有持久性的類似于肥皂溶液的泡沫而得名，分為三萜皂苷和甾體皂苷[6]。皂苷具有許多藥理學功能：抗腫瘤[7-8]、抗炎[9]、抗病毒、免疫調節(jié)[10]、降血糖[11]、降低膽固醇[12]、抗菌[13]和防治心血管疾病[14]。一些富含皂苷的植物提取物大量被用于制造發(fā)泡劑、洗潔劑和乳化劑等。皂苷是結構復雜自然而然產(chǎn)生的化合物，它被認為對冷血動物是有毒的，然而對哺乳類動物的口服毒性卻很低。食品中天然存在的皂苷無毒，甚至可能對人類飲食有益。

皂苷的提取是利用溶劑進入到藥材，使有效成分從固相轉移到液相，再將不溶性固體和溶液分開的過程。傳統(tǒng)提取方法有溶劑提取法和水蒸汽蒸餾法，但隨著科學技術的發(fā)展， 一批新技術、新設備也應運而生， 如大孔吸附樹脂法、超聲波萃取、超臨界CO2流體萃取、浸漬法、滲漉法、回流法、正丁醇萃取法、異丙醇溶解重結晶法、氧化鋁柱法、微波輔助提取技術等[15]。其中，超聲波提取與傳統(tǒng)的提取方法相比，具有相當?shù)膬?yōu)越性，如超聲波提取的效率高，中藥成分提取充分，提取率比傳統(tǒng)工藝要高50%～500%；提取的時間短，比之傳統(tǒng)工藝至少縮短2/3以上；提取的溫度低，最佳的溫度在40～60 ℃；適應性非常廣，其不受成分的極性、分子量大小的限制；提取的藥液雜質少，易于分離純化有效的成分；運行成本低經(jīng)濟效益非常顯著；操作簡便易行等[16]。超聲提取技術在中藥領域中應用廣泛， 可用于藥材中黃酮類、生物堿類、多糖類等物質的提取，超聲提取中藥的工藝研究較為豐富， 但仍需完善。endprint

本研究以人參皂苷作為標準品，利用響應面法對超聲提取黨參皂苷進行分析，在單因素試驗的基礎上，選擇料液比、乙醇的質量分數(shù)、超聲時間及超聲功率4個因子，選取其中3個影響較大因子作為自變量，以黨參皂苷得率作為響應值，利用響應面分析法，研究各自變量之間的交互作用及其對黨參皂苷得率的影響，模擬得到二次多項式回歸方程的預測模型，并確定超聲提取黨參皂苷的最佳條件。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

黨參藥材購于山西省運城市藥材公司，其出產(chǎn)于甘肅文縣栽培的紋黨參。將其置于60 ℃電熱鼓風干燥箱中進行干燥，使其含水量小于5%，將烘干的樣品研磨成粉末狀，過直徑0.25 mm的篩子后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與試劑

LC-2008型智能溫控低溫超聲波萃取儀（常州恩培儀器制造有限公司），DK-8D型電熱恒溫水槽（上海精宏實驗設備有限公司），UV-1800紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司），RE52AA型旋轉蒸發(fā)儀（上海越磁電子科技有限公司），SHZ-DIII型循環(huán)水式多用真空泵（鞏義市予華儀器有限責任公司），WGL-65B型電熱鼓風干燥箱（上海天呈科技有限公司），F(xiàn)Z102型微型植物試樣粉碎機（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）。

無水乙醇、無水甲醇、香草醛、冰乙酸、高氯酸、正丁醇試劑均為分析醇；購買的人參皂苷標準品Rg1出產(chǎn)于上海源業(yè)生物科技有限公司（≥98%）。

1.3 試驗方法

1.3.1 人參皂苷標準曲線的繪制 精確稱取人參皂苷Rg1 10 mg于10 mL容量瓶中，用甲醇定容，搖勻后即可得到1 mg·mL-1的人參皂苷標準液。用移液槍準確吸取標準液30，60，90，120，

150，180 μL于試管中，水浴揮干溶劑，加入5%的香草醛-冰乙酸溶液0.2 mL，高氯酸0.8 mL，搖勻后，在60 ℃水浴加熱15 min，取出后用冰水冷卻5 min，加冰乙酸10 mL稀釋，在554 nm波長處測定吸光度[17]，作線性回歸標準曲線。

1.3.2 黨參總皂苷的提取與測定

1.3.2.1 黨參總皂苷的提取 精確稱取黨參粉末2.0 g，置于100 mL錐形瓶中，按1∶20的料液比加入70%質量分數(shù)乙醇溶液于索式提取器上加熱回流30 min，加入蒸餾水定容至50 mL，在70 ℃，150 W功率下提取30 min，過濾提取液，即得皂苷粗提液。

1.3.2.2 總皂苷得率的計算 在黨參粗提液中加入等體積正丁醇萃取，收集上層正丁醇相，于旋轉蒸發(fā)儀中進行減壓蒸餾，取0.5 mL無水甲醇溶解浸膏，置于試管中，加入5%的香草醛-冰乙酸溶液0.2 mL，高氯酸0.8 mL，搖勻后，在60 ℃水浴鍋中加熱15 min，取出后用冰水冷卻5 min，加冰乙酸定容至100 mL稀釋，在554 nm波長處測定吸光度，按照標準曲線計算出黨參總皂苷質量，并按下述公式計算總皂苷的得率。

總皂苷得率=提取的皂苷質量÷黨參粉末質量×100%（1）

1.3.3 單因子對超聲波法提取黨參皂苷含量的影響 將乙醇作為提取溶劑，研究乙醇質量分數(shù)、超聲時間、超聲功率及料液比4個單因子對總皂苷得率的影響。

1.3.3.1 乙醇質量分數(shù)對黨參皂苷得率的影響 精確稱取2 g黨參粉末5份，置于索式提取器上加入50%，60%，70%，80%，90%共5個質量分數(shù)梯度乙醇加熱回流30 min，料液比為1∶20，加入蒸餾水定容至50 mL，在70 ℃，150 W下超聲提取30 min，過濾，收集等體積正丁醇萃取，收集上層正丁醇相，于旋轉蒸發(fā)儀中進行減壓蒸餾，取0.5 mL無水甲醇溶解浸膏，置于具塞試管中，如1.3.2.2方法處理測定吸光度，以上步驟重復3次，選出較佳的乙醇質量分數(shù)。

1.3.3.2 料液比對黨參皂苷得率的影響 精確稱取2 g黨參粉末5份，置于索式提取器上加入70%質量分數(shù)乙醇加熱回流30min，料液比分別為1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，加入蒸餾水定容至50 mL，在70 ℃，150 W下超聲提取30 min，過濾，加入等體積正丁醇萃取，收集上層正丁醇相，于旋轉蒸發(fā)儀中進行減壓蒸餾，取0.5 mL無水甲醇溶解浸膏，置于試管中，如1.3.2.2的方法處理測定吸光度，以上步驟重復3次，選出最佳的料液比。

1.3.3.3 超聲功率對黨參皂苷得率的影響 精確稱取2 g黨參粉末5份，置于索式提取器上加入70%質量分數(shù)乙醇加熱回流30 min，料液比為1∶20， 加入蒸餾水定容至50 mL，在70 ℃下超聲提取30 min，超聲功率分別為100，150，200，250，300 W共5個梯度，過濾，加入等體積正丁醇萃取，收集上層正丁醇相，于旋轉蒸發(fā)儀中進行減壓蒸餾，取0.5 mL無水甲醇溶解浸膏，置于試管中，如1.3.2.2的方法處理測定吸光度，以上步驟重復3次，選出最佳的超聲功率。

1.3.3.4 超聲時間對黨參皂苷得率的影響 精確稱取2 g黨參粉末5份，置于索式提取器上加入70%質量分數(shù)乙醇加熱回流30 min，料液比為1∶20，加入蒸餾水定容至50 mL，分別在70 ℃，150 W下超聲提取20，30，40，50，60 min，過濾，加入等體積正丁醇萃取，收集上層正丁醇相，于旋轉蒸發(fā)儀中進行減壓蒸餾，取0.5 mL無水甲醇溶解浸膏，置于試管中，如1.3.2.2的方法處理測定吸光度，以上步驟重復3次，選出最佳的超聲時間。

1.3.4 響應面法優(yōu)化試驗 結合單因子的試驗結果和Box- Benhnken中心組合設計原理，采用響應面法在3因子3水平上對超聲提取黨參皂苷的工藝條件進行優(yōu)化，以選取的3因子為自變量，皂苷提取得率（R1）為因變量，對試驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合回歸，利用Design Expert v8.0.6軟件，結合響應面回歸方程分析數(shù)據(jù)，建立皂苷得率的回歸模型，尋找出其中最優(yōu)的反應條件，并對本試驗進行可信度以及3因子之間的交互作用分析。endprint

1.3.5 優(yōu)化條件的模型驗證 由Design Expert v8.0.6軟件分析得到的皂苷得率最大響應面值R1時對應的3因子最佳工藝條件，運用1.3.2提取皂苷的試驗方法，通過進行3次重復試驗得到實際皂苷得率均值，對優(yōu)化條件進行驗證。

2 結果與分析

2.1 人參皂苷標準曲線

以皂苷取樣量為橫坐標，以吸光度為縱坐標，得到人參皂苷標準曲線如圖1所示。其線性回歸方程為y=0.002 4x+0.157 1（R2=0.999 7）。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 乙醇質量分數(shù)對黨參皂苷得率的影響 在液料比20∶1，70 ℃，150 W下超聲提取30 min的條件下，不同乙醇質量分數(shù)對總皂苷得率的影響結果如圖2所示。

由圖2可知，在同樣條件下，乙醇質量分數(shù)在50%～70%時，皂苷的得率隨乙醇質量分數(shù)的增加而逐步增大，70%之后有所下降。這是由于50%～70%乙醇質量分數(shù)增加時，黨參中的皂苷溶出量增加，總皂苷得率也相應提高，70%之后乙醇質量分數(shù)過高，脂溶性成分溶出增多，一些小分子物質溶于溶液，使得黨參皂苷的得率不再升高。因此，乙醇質量分數(shù)在70%時，皂苷提取效果較好。

2.2.2 料液比對黨參皂苷得率的影響 在乙醇質量分數(shù)70%，70 ℃，150 W下超聲提取30 min的條件下，不同料液比對總皂苷得率的影響結果如圖3所示。

由圖3可知，在相同條件下，液料比小于25∶1時，皂苷得率隨料液比增加而增大。這是由于液料比小于25∶1 時，黨參皂苷不能完全提取出來，液料比大于25∶1時，由于提取的皂苷總量已經(jīng)達到最大值，當乙醇體積量增大，皂苷得率趨于平緩?？紤]到經(jīng)濟合理，所以液料比取25∶1為宜。

2.2.3 超聲功率對黨參皂苷得率的影響 在料液比20∶1，乙醇質量分數(shù)70%，70 ℃下超聲提取30 min的條件下，不同超聲功率對總皂苷得率的影響結果如圖4所示。由圖4可知，在相同條件下，超聲功率從100 W增大到200 W時，隨超聲功率的增大總皂苷得率逐漸升高。這是由于小于200 W時皂苷提取不充分，但200 W以后，因其他脂溶性物質溶出，皂苷得率明顯下降。因此，超聲功率選200 W為宜。

2.2.4 超聲時間對黨參皂苷得率的影響 在液料比20∶1，乙醇質量分數(shù)70%，70 ℃，150 W的超聲條件下，不同超聲時間對總皂苷得率的影響結果如圖5所示。

由圖5可知，在相同條件下，黨參皂苷超聲時間為40 min時得率最高。這是由于超聲時間小于40 min時，黨參皂苷不能完全溶解出來，但時間過長，其他脂溶性物質被提取出來，影響提取的黨參皂苷純度，使得皂苷得率有所下降。因此，超聲時間選40 min為宜。

綜合分析可知，在乙醇質量分數(shù)、超聲時間、料液比、超聲功率4個因子中，乙醇質量分數(shù)、超聲功率、超聲時間對皂苷得率的影響較大，而料液比影響較小。故而，取乙醇質量分數(shù)、超聲功率、超聲時間作為響應面法的影響因子。

2.3 響應面法優(yōu)化試驗結果

2.3.1 因子與水平的選取及分析方案的試驗結果 結合單因子的試驗結果和 Box- Benhnken中心組合設計原理，采用響應面法在3因子3水平上對超聲提取黨參皂苷的工藝條件進行了優(yōu)化，響應面法分析各因子和水平如表1所示。

2.3.2 響應面分析方案的試驗結果 對試驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合回歸，響應面法分析的試驗結果如表2所示。以超聲時間（A），乙醇質量分數(shù)（B），超聲功率（C）為自變量，以皂苷提取得率（R1）為因變量，得到試驗實際的響應面回歸方程。

R1=-62.337 35+0.773 95×A+0.918 15×B+0.157 29×C-0.000 978 75×A×B-0.000 091 3×A×C-0.000 135 35×B×C-0.008 670 25×A2-0.005 702 5 ×B2 -0.000 367 95×C2 （1）

2.3.3 回歸模型參數(shù)分析 利用方程Design Expert v8.0.6軟件，結合響應面回歸分析數(shù)據(jù)，建立皂苷得率的回歸模型，以找出其中最優(yōu)的反應條件。其回歸模型參數(shù)分析結果如表3所示。

由表3可知，模型的F值為89.03，表明模型極顯著，模型中的F值僅僅有0.01%的機會發(fā)生，當模型中P>F值，小于0.05時，表示該因子影響顯著，在這種情況下，B，C，A2，B2，C2各模型因子影響極顯著，表示各試驗因子對響應值不是單純的線性關系，因子間的交互作用比較小，并與一次項不顯著，二次項極顯著相符合。失擬項是1.29，說明失擬項相對于純誤差是不顯著的，失擬項的F值僅有39.26%的機會發(fā)生，失擬項不顯著是很好的一個模型。

2.3.4 可信度分析 利用Design Expert v8.0.6軟件，結合響應面回歸方程分析數(shù)據(jù)，對本試驗進行可信度分析，分析數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，預測擬合度值為0.925 0，校正的決定系數(shù)的平方R=0.980 2，表明98.02%的試驗數(shù)據(jù)可用此模型進行分析，而且方程可靠性較高。CV值越低，表明試驗的穩(wěn)定性越好，可信度越高。本試驗的變化系數(shù)CV值為8.95，相對較低，具有可信度。信噪比大于4時模型具有可信度，此次試驗的信噪比為22.876，其可信度較高。綜上分析，本試驗具有實踐價值。

2.3.5 交互作用分析

2.3.5.1 超聲時間與乙醇質量分數(shù)交互作用分析 由圖6可知，在固定超聲功率的條件下，超聲時間和乙醇質量分數(shù)交互作用，當超聲時間一定時，皂苷得率隨著乙醇質量分數(shù)的提高而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但不顯著；而當乙醇質量分數(shù)一定時，皂苷得率隨超聲時間的延長而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且較顯著。endprint

2.3.5.2 乙醇質量分數(shù)與超聲功率 由圖7可知，在固定超聲時間的條件下，超聲功率和乙醇質量分數(shù)交互作用，當超聲功率一定時，皂苷得率隨著乙醇質量分數(shù)的提高而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但不顯著；而當乙醇質量分數(shù)一定時，皂苷得率隨超聲功率的增大而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且較顯著。

2.3.5.3 超聲時間與超聲功率 由圖8可知，在乙醇質量分數(shù)固定的條件下，超聲時間和超聲功率交互作用，當超聲時間一定時，皂苷得率隨著超聲功率的增大而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且較顯著；而當超聲功率一定時，皂苷得率隨超聲時間的延長而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，也較顯著。

2.4 優(yōu)化條件的模型驗證

由Design Expert v8.0.6軟件分析得到的皂苷得率最大響應面值Rg1對應的A、B、C最佳工藝條件是：超聲時間39.38 min，乙醇質量分數(shù)74.81%，超聲功率195.10 W，此時皂苷的得率是2.589 7%。為了驗證響應面法的可靠性，同時考慮到實際生產(chǎn)操作的便利性，對得到的最佳提取工藝條件進行黨參皂苷超聲提取的驗證試驗，以超聲時間39 min，乙醇質量分數(shù)74%，超聲功率200 W為提取條件，3次平行試驗得到的實際平均皂苷得率為2.564 7%，與理論值2.589 7%相差0.025 0%。因此，通過響應面法優(yōu)化得到的黨參皂苷的超聲提取工藝條件是可行的，具有實際應用價值。

3 討論與結論

鄒靜恂等[18]運用超聲波法提取黨參皂苷，比較超聲時間對黨參皂苷得率的影響，結果發(fā)現(xiàn)，當超聲時間為50 min時，皂苷得率達到1.822 5%，是常規(guī)提取法的2倍。而本研究選取了料液比、乙醇濃度、超聲時間及超聲功率4個參數(shù)進行單因素分析，選出了超聲時間、乙醇濃度、超聲功率3個影響較大的因子進行試驗，得出的最佳提取工藝條件是：超聲時間39.38 min，乙醇質量分數(shù)74.81%，超聲功率195.10 W，此條件下，黨參皂苷得率為2.589 7%，與實際測得的黨參皂苷得率相符，與鄒靜恂等[18]的研究結果相比，縮短了提取時間，同時提高了黨參皂苷的提取率。因此，本試驗通過響應面法優(yōu)化得到的黨參皂苷的工藝條件可行、方便，并具有實際應用價值。

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