响应面法优化柴胡药渣中柴胡皂苷提取工艺_孙立权.pdf
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1、响应面法优化柴胡药渣中柴胡皂苷提取工艺孙立权1,2,滕茂浩1,丛勇2,罗爱芹1(1.北京理工大学 生命学院,北京100081;2.北京理工大学 生物与医学工程公共实验中心,北京100081)摘 要:为确立微波提取柴胡药渣中柴胡皂苷的最佳工艺,采用响应面实验设计优化了提取过程中的工艺参数.基于单因素实验对工艺参数进行初步筛选,进一步的采用响应面实验建立二阶回归模型,优化了提取时间、提取温度、料液比和甲醇体积百分比 4 个工艺参数.结果发现:提取温度和提取时间的交互作用、提取温度和甲醇体积百分比的交互作用、提取温度和料液比的交互作用对皂苷提取率的影响较为显著;优化最佳工艺参数提取温度为 68 C、
2、料液比为 159 g/mL、提取时间为 30 min、甲醇体积百分比为 60%.在该工艺参数下柴胡皂苷提取率最大,达到 5.14 mg/g.关键词:柴胡;柴胡皂苷;响应面实验设计中图分类号:R284.2 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2023)05-0540-09DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.106Optimization of Saikosaponin Extraction from Bupleuri Radix Basedon Response Surface MethodologySUN Liquan1,2,TENG Maohao1,
3、CONG Yong2,LUO Aiqin1(1.School of Life Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Biological&Medical Engineering CoreFacilities,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:In order to get an optimal technology for saikosaponin extraction from Bupleuri Radix,the
4、factors af-fecting the saikosaponin extraction rate were screened primitively by single factor experiment.The importantparameters in the extraction process of saikosaponin,such as extraction time,microwave extraction temperature,solid-liquid ratio and methanol concentration,were optimized based on r
5、esponse surface design.The resultsshow that the interactions of extraction temperature with time,with methanol concentration,and with solid-li-quid ratio have evidently influence on the saikosaponin extraction rate.The optimum technological parametersverified by experiments present,when extraction t
6、ime is 30 min,microwave extraction temperature is 68 C,sol-id-liquid ratio is 159 g/mL and methanol concentration is 60%,the extraction rate of saponins is the most,canreach 5.14 mg/g with better repeatability.The achievement has laid a foundation for the industrialized extractionof saikosaponin.Key
7、 words:bupleurum;saikosaponin;response surface experimental design 柴胡药用最早记载于神农本草经中,在中国应用历史悠久,是常用中药材之一.柴胡味辛、苦,性微寒,归肝、胆、肺经,具有解表和里、疏肝解郁、升举阳气的功效,临床常用于治疗久病发热、阳虚潮热、感冒高热、黄疸肝炎、月经不调等疾病1.中华人民共和国药典收载北柴胡 Bupleurum chinense DC.和狭叶柴胡 B.scorzonerifolium Willd 的干燥根为中药柴胡的植物来源2.柴胡中的主要有效成分为柴胡皂苷、挥发油、和多糖等物质3.通常,提取挥发油后的柴
8、胡药材作为药渣废物处理.最近研究发现作为废物的柴胡药渣中仍然含有大量的柴胡皂苷4,该药渣仍具有较高的利用价值,这为柴胡药材的充分利用提出了新课题.本实验以水蒸气蒸馏提取挥发油后的柴胡药渣为研究对象,收稿日期:2022 05 01作者简介:孙立权(1972),男,工学博士,副教授,E-mail:.第 43 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.52023 年 5 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMay 2023深入探索了柴胡药材的综合利用工艺.由于微波辅助提取法与溶剂提取法、超声辅助萃取法、超临界流体萃取法等相
9、比效率更高、提取时间更短,设备操作更简单,适用范围更广泛;因此,本实验采用微波辅助常压加热回流提取柴胡皂苷,研究了甲醇体积百分比、微波提取时间、微波提取温度、料液比与提取率的关系,并用 Design-Expert 软件进行响应面实验设计优化工艺参数5 6,确定了最佳提取工艺条件,进而为中药提取提供了实验基础.柴胡皂苷的分析检测在 2020 版中华人民共和国药典中以柴胡皂苷 a 和 d 为主2.也有文献报道,柴胡皂苷 a 与 b1、柴胡皂苷 d 与 b2能够在加热提取过程中出现结构转化7,因此,本研究把柴胡皂苷 a、b1、b2和 d 作为提取皂苷指标,其中柴胡皂苷 b1的量非常少,对实验结果影响
10、极小,最终以柴胡皂苷 a、b2、d 作为定量指标.1 材料与方法 1.1 实验仪器和材料BRAVE 高效液相色谱仪(常州磐诺仪器有限公司);台式连续投料粉碎机(温岭市林大机械有限公司);MAS-3 微波反应器(上海新仪微波化学科技有限公司);电子分析天平(上海越平科学仪器制造有限公司).柴胡药材由河南利欣制药有限公司提供,经北京理工大学生命学院李玉娟教授鉴定为北柴胡Bupleurum chinense DC.的干燥根;柴胡药渣为提取柴胡挥发油之后的剩余渣料,也由河南利欣制药有限公司提供;柴胡皂苷 a、b2、d 对照品购自成都德斯特生物(HPLC 纯度98%),甲醇(分析纯)购自北京市通广精细化
11、工公司,乙腈(色谱纯)购自北京伊诺凯科技有限公司;超纯水为自制.1.2 实验方法 1.2.1 HPLC 色谱条件Welch ultimate HPLC XB-C18色谱柱(2.1 mm100mm,1.8 m);流动相为乙腈(A)和水(B),梯度洗脱(0 15 min:30%40%A,15 25 min:40%50%A,2535 min:50%100%A,3538 min:100%A,3842 min:100%30%A,4245 min:30%A);每次进样前平衡 10 min;流速为 0.2 mL/min,进样体积为 5 L,柱温为 30 C,检测波长为 210 nm.1.2.2 对照品溶液的
12、制备精密称定对照品柴胡皂苷 a 为 7.8 mg、柴胡皂苷 b2 为 6.0 mg、柴胡皂苷 d 为 7.8 mg、用 50%甲醇水溶液超声使其溶解,置于 10 ml 容量瓶中,并补足至刻度线,即得对照品溶液.对其进行 HPLC 检测,以对照品溶液浓度为横坐标,以峰面积为纵坐标绘制标准曲线,各组分在对应浓度范围内的线性关系良好,标准曲线方程见表 1.表 1 对照品曲线方程Tab.1 Reference curve equation对照品曲线方程质量浓度范围/(mgmL1)R2柴胡皂苷ay=1.30 x+3.5850.0040.7800.998 9柴胡皂苷b2y=10.05x+13.290.00
13、80.6000.999 9柴胡皂苷dy=3.43x+14.470.0040.7800.999 9 1.2.3 样品溶液的制备精密称取柴胡药渣粉末(过 4 号筛)1.00 g,置于250 mL 具塞两口圆底烧瓶中,加入一定体积比的甲醇水溶液适量,将其放入微波加热器中,设置微波提取时间和温度,常压提取.提取完毕后,趁热过滤,用甲醇洗涤抽滤瓶,补足体积,经 0.22 m 微孔滤膜过滤,用 HPLC 检测.1.2.4 总皂苷的定量方法将样品溶液进行 HPLC 分析,得到色谱图,将对相应的柴胡皂苷 a、b2、d 的峰面积带入对照品的标准曲线方程中计算相应的浓度 c;柴胡皂苷提取量=c提取液的体积;总柴胡
14、皂苷提取量=柴胡皂苷 a 提取量+柴胡皂苷 b2提取量+柴胡皂苷 d 提取量;总柴胡皂苷得率=(总柴胡皂苷提取量/柴胡药渣样品量)100%.1.2.5 单因素提取实验选择柴胡皂苷提取过程中的 4 个工艺参数进行单因素实验.参数分别选择:甲醇体积百分比(50%、60%、70%、80%、90%)、微波提取温度(50 C、60 C、70 C、80 C、90 C)、微波提取时间(10、20、30、40、50 min)、料液比(140、150、160、170、180 g/mL).甲醇水溶液的沸点随着甲醇体积百分比的升高而逐渐降低,在甲醇体积百分比为 80%甲醇水时沸点为 70 C,且两者之间不共沸,在常
15、压下的设定温度范围内宜采用回流提取.以单因素实验结果为响应面优化实验设计提供数据.1.2.6 响应面实验设计优化根据单因素实验结果,以微波提取温度、料液比、第 5 期孙立权等:响应面法优化柴胡药渣中柴胡皂苷提取工艺541提取时间、甲醇体积百分比设计 4 因素 3 水平的响应面优化实验,每个影响因素选取三个水平分别为微波提取温度:60 C、70 C、80 C,料液比:150、160、170 g/mL,提取时间:20、30、40 min,甲醇体积百分比 50%、60%、70%,用1、0、1 表示,通过回归方程拟合分析最佳提取条件.实验因素水平见表 2.表 2 响应面实验设计影响因素和水平Tab.2
16、 Influencing factors and levels of BBD experimentaldesign水平影响因素微波提取温度A/C料液比B/(gmL1)提取时间C/min甲醇体积百分比D/%160150205007016030601801704070 1.3 方法学考察采用加样回收率实验对 HPLC 检测方法进行考察.精密称取已知含量的柴胡药渣粉末样品 9 份,每份 1.00 g,按照“1.2.2”下样品溶液提取方法,采用响应面优化的最佳提取工艺进行提取,每组精密加入柴胡皂苷 a、b2、d 对照品的量,计算每组中的柴胡皂苷 a、柴胡皂苷 b2、柴胡皂苷 d 的加样回收率及其 RS
17、D.1.4 数据处理对重复 3 次实验结果,采用 Design-Expert 13.0 软件进行响应面实验设计和分析,采用 Microsoft Ex-cel 和 Design-Expert 13.0 作图.2 结果与讨论 2.1 单因素实验结果分析采用微波辅助加热回流的方式,以甲醇水作为提取溶剂,以柴胡皂苷 a、b2、d 总和为指标,进行单因素考察.分析了不同甲醇体积百分比、微波提取时间、提取温度和料液比对柴胡皂苷提取率的影响.2.1.1 甲醇体积百分比对提取率的影响在微波提取时间为 40 min、提取温度为 70 C、料液比为 160 g/mL 的条件下,甲醇体积百分比从50%增加到 90%
18、.实验结果表明,当甲醇体积百分比从 50%升高到 70%时,随着甲醇体积百分比的提高皂苷提取率增加;当甲醇体积百分比超过 70%以后,皂苷提取率随着甲醇体积百分比提高而下降;提取液的沸点随着甲醇体积百分比的改变而改变,在常压 70 C 下浓度为 70%、80%、90%的甲醇水溶液已经沸腾,而 50%、60%浓度的甲醇溶液还没有沸腾,因此提取效果不佳;实验数据显示在 70%甲醇水体积百分比下的皂苷提取率最大,因此选择 70%的甲醇体积百分比.2.1.2 微波提取温度对提取率的影响在甲醇体积百分比为 70%、料液比为 1:60g/mL、微波提取时间为 40 min 的条件下,微波提取温度从50 C
19、 上升到 90 C.实验结果表明,当提取温度从 50 C上升到 70 C 时,随着微波提取温度的上升皂苷提取率上升,当温度高于 70 C 之后,随着微波提取温度的上升皂苷提取率开始下降.温度作为影响渗透的一个重要参数,它影响细胞膜的渗透性,使溶质通过失去选择性而渗透.随着温度的升高,分子运动加快,促进了皂苷的提取;而在 70 C 之后随着温度的升高会导致部分柴胡皂苷 a 和 d 的分解导致提取率的下降降8.因此,选择 70 C 的微波提取温度条件.2.1.3 提取时间对提取率的影响在甲醇体积百分比为 70%、料液比为 160 g/mL、微波提取温度为 70 C 的条件下,随着提取时间从10 m
20、in 延长到 50 min.实验结果表明,当提取时间从10 min 延长到 30 min 时,柴胡皂苷提取率逐步上升,在 30 min 皂苷提取率最大,继续延长时间,皂苷提取率开始下降.提取时间的延长,一方面通过增大细胞的破碎程度、细胞膜膨胀和塑化来提高提取率,另一方面随着提取时间的延长,长期处于高温环境中的皂苷会发生部分的分解和转化8,当延长到一定时间后提取率会下降.因此,选用 30 min 为提取时间.2.1.4 料液比对提取率的影响在甲醇体积百分比为70%、微波提取温度为70 C、提取时间为30 min 的条件下,随着料液比从140 g/mL改变到 180 g/mL.实验结果表明,当料液
21、比从 140 g/mL 改变到 160 g/mL,柴胡皂苷的提取率逐渐上升,当料液比低于 160 g/mL 时,料液比增加但提取率降低;柴胡皂苷有最大的溶解量,当料液比增加,柴胡皂苷的溶解量不变,同时柴胡中的杂质溶解量增大,导致皂苷提取率下降9.因此料液比选择为 160 g/mL.2.2 响应面实验设计优化结果分析 2.2.1 响应面实验结果在单因素实验的基础上,应用 Design-Expert 13.0软件,采用响应面实验设计优化皂苷提取实验条件.以柴胡皂苷提取率为响应值,共设计 4 因素 3 水平实验 29 组,设计见表 3.542北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷表 3 响应面实
22、验结果Tab.3 Results of response surface test序号ABCD皂苷提取率/(mgg-1)100114.38210104.64301104.51400114.09510104.31600005.20710014.30801014.09911004.21000005.131101104.351210013.651311004.401401104.501510014.561610014.501710104.211810104.731900114.172000005.222101104.422201014.112311004.602401014.162511004.50
23、2600005.092700005.012800114.172901014.35 2.2.2 数学模型拟合及数据分析用 Design-Expert 13.0 软件对上述实验结果进行分析,采用 Quadratic 模型对实验数据进行多元回归拟合,得到柴胡皂苷提取率的回归方程为Y=5.130.103A0.057 5B0.006 7C+0.087 5D0.115AB0.213AC+0.278AD+0.020BC0.052 5BD0.072 5CD0.316A20.367B20.336C20.579D2式中:Y 为柴胡皂苷提取率;A 为微波提取温度;B 为料液比;C 为提取时间;D 为甲醇体积百分比度
24、,实验方差分析结果见表 4.以皂苷提取率作为响应值,利用响应面实验设计中的 ANOVA 实验数据进行统计分析,研究模型系数在一阶、二阶和交互模型之间的拟合度和显著性(表 4),模型的 p0.000 1(p0.05),影响不显著,表明该回归模型可以很好地预测实验结果.2.2.3 响应面结果分析利用 Design-Expert 13.0 软件进行多元拟合得出响应面图和对应的等高线图.固定其他因素水平值观察各因素间的交互作用对柴胡中皂苷提取率的影响结果.等高线的形状和曲面图中的陡峭程度可反映出 2 个因素之间的交互作用对响应值影响的显著性与否.由图 1 可知,在响应面图中,曲面变化陡峭,斜率极大,且
25、等高线图中曲线图为椭圆,皂苷提取率变化极为明显11;因此微波提取温度和提取时间的交互作用显著.由图 2 可知,在响应面图中,曲面变化陡峭,斜率极大,且等高线图中的曲线为椭圆,皂苷提取率变化极为明显,甲醇水溶液的沸点随着甲醇体积百分比的上升逐渐降低,两者之间的相互作用明显12,因此微波提取温度和甲醇体积百分比的交互作用显著.由图 3可知,在响应面图中,曲面变化陡峭,斜率较大,且等高线图中的曲线为椭圆,皂苷提取率表 4 实验方差分析结果Tab.4 Results of experimental analysis of variance来源均方和自由度均方Fp模型3.83140.273 938.16
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