超聲波輔助提取北五味子藤莖木脂素*

孟憲軍，薛雪，李斌，李元甦

(沈陽農業大學食品學院，遼寧省農產品深加工重點實驗室，遼寧沈陽，110161)

超聲波輔助提取北五味子藤莖木脂素*

孟憲軍，薛雪，李斌，李元甦

(沈陽農業大學食品學院，遼寧省農產品深加工重點實驗室，遼寧沈陽，110161)

木脂素是五味子的主要藥用成分，文中利用響應面法優化了超聲波輔助提取北五味子藤莖總木脂素的工藝條件。采用比色法測定北五味子藤莖中總木脂素的含量，基于單因素實驗，應用Box-behnken設計實驗法優化最佳提取方法，選取超聲溫度、超聲時間、超聲功率作為自變量，以提取率作為響應函數，采用響應曲面分析法，確定提取北五味子總木脂素適宜工藝條件為:超聲波水浴溫度55℃，超聲功率208W，超聲波處理時間12.8 min，預測提取率可達到2.713%，與實測提取率(2.425±0.352)%較接近。

五味子，木脂素，超聲波提取

五味子［Schisandra chinensis(Turcz.)］Baill.為木蘭科植物，習稱“北五味子”［1］，廣泛分布于我國東北部山區，它的干燥成熟果實為臨床常用的滋補性中藥，具有收斂固澀、益氣生津、補腎寧心的功效［2］。木脂素是五味子的主要藥用成分［3－5］，具有抗腫瘤、抗病毒、保肝、抗衰老［6］等作用。研究表明，五味子藤莖可代替果實藥用，兩者具有相似的成分，尤其是木脂素類物質成分基本相近［7］，含量約為果實的50%［8］。而且人工栽培和野生護養都需要將許多不結五味子果實的藤莖修剪下來，五味子藤莖資源很豐富，然而目前還沒有得到很好的利用。

本研究利用超聲波輔助法從北五味子藤莖中提取木脂素類物質，因為木脂素類物質結構多數含有一個亞甲二氧基，濃硫酸可使其水解并定量釋放出甲醇，后者可與變色酸反應產生紫紅色，所以可采用比色法以總木脂素含量為目標成分，測定木脂素類物質含量［9］。響應曲面設計方法是利用合理的實驗設計方法并通過實驗得到一定數據，采用多元二次回歸方程擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優工藝參數，解決多變量問題的一種統計方法［10］。應用Box-Behnken中心組合設計建立數學模型，以提取率作為響應值，進行響應面分析，確定超聲波輔助法提取北五味子藤莖中總木脂素的最佳工藝。

1 材料方法

1.1 材料與試劑

北五味子藤莖，自采于遼寧撫順新賓青松藥業有限公司的五味子GAP基地，干燥后粉碎，過60目孔篩，備用;五味子酯甲標準品，中國生物研究所(批號:111529－200503);變色酸、濃 H2SO4、三氯甲烷等，均為分析純試劑。

粉碎機(遼寧省鳳城市農機制造有限公司)，KQ－250DB型數控超聲波萃取器(昆山市超聲儀器有限公司)，WFJ－7200可見分光光度計(尤尼柯(上海)儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 總木脂素含量的測定［11］

本實驗采用比色法測定五味子中總木脂素含量。準確稱取五味子酯甲標準品4 mg于10mL容量瓶中，用甲醇定容，取0.1mL甲醇作為空白樣，依次取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7mL 五味子酯甲標準溶液，揮去甲醇，再分別精密加入10%變色酸澄清水溶液0.5mL、濃 H2SO43mL、水 1.5mL，搖勻，置沸水浴中加熱30 min，迅速冷卻，以上述甲醇管為空白，分別在570 nm波長處測定吸光度，計算含量，以五味子酯甲含量為橫坐標，以吸光度為縱坐標繪制標準曲線。

樣品含量測定:吸取樣品液0.1mL，按照上述操作步驟測定吸光度值，以標準曲線計算北五味子藤莖中總木脂素含量。

1.2.2 超聲波提取的工藝流程

稱取北五味子藤莖粉末→加乙醇配液→超聲提取→取上清液→硅膠攪拌→揮干、上柱、三氯甲烷洗脫，定容→測定吸光度值→計算提取率

1.2.3 單因素實驗

以乙醇為提取液，選取超聲溫度、超聲時間、超聲功率和乙醇濃度4個因素進行實驗，按照1.2.1方法計算從北五味子中提取總木脂素的含量，并計算提取率，分別討論上述因素對提取率的影響。

圖1 五味子酯甲標準曲線圖

1.2.3.1 超聲時間對提取率的影響

在5個50mL的三角瓶中分別裝入1.25 g北五味子藤莖粉末，按料液比(g∶mL)為1∶8加入體積分數55%乙醇，在超聲功率為100 W，溫度為30℃，超聲時間分別為 5、10、15、20、25 min 下超聲溶解，自然冷卻后定容，準確吸取55%乙醇溶液1mL加硅膠(100目)1g拌勻揮干乙醇，將硅膠裝入底部塞有少量棉花的玻璃層析柱(1.0cm×20cm)中，用三氯甲烷洗脫至10mL容量瓶中，定容。精密量取以上三氯甲烷洗脫液0.5mL于具塞試管中蒸干。按標準曲線方法操作，測定各樣品吸光度值，根據讀數，計算提取率。

1.2.3.2 超聲溫度對提取率的影響

其他條件同1.2.3.1，超聲溫度分別為20、30、40、50、60℃下溶解10 min。按標準曲線方法操作，計算提取率。

1.2.3.3 超聲功率對提取率的影響

其他條件同1.2.3.1，在超聲功率分別為50、100、150、200、250 W。按標準曲線方法操作，計算提取率。

1.2.3.4 乙醇濃度對提取率的影響

其他條件同1.2.3.1節，分別加入體積分數為55%、65%、75%、85%、95%的乙醇。按標準曲線方法操作，計算提取率。

1.2.4 響應面分析實驗設計

基于第一階段實驗結果，本實驗采用Design Expert軟件(Vision 7.0.0.1，stat-Ease.Inc.，Minneapolis，MN.USA)設計，采用Box-Behnken設計實驗法優化最佳提取方法，選取超聲溫度、超聲時間、超聲功率作為自變量，以提取率作為響應函數，采用響應曲面分析法，通過回歸得出自變量與響應函數之間的統計模型，確定提取北五味子總木脂素最佳工藝參數。

因此本實驗以超聲溫度、超聲時間、超聲功率為主要的考察因子(自變量)，分別以 X1、X2、X3表示，并以+1、0、－1分別表示自變量的高、中、低水平，按照方程xi=(Xi－X0)/△X對自變量進行編碼，其中xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，△X為自變量的變化，本實驗因子編碼及水平見表1。

表1 實驗因素水平及編碼表

北五味子總木脂素的提取率Y作為評價指標(響應值)的預測模型由最小二乘法擬合的二次多項式方程為:

方程(1)其中Y代表預測響應值，β0為常數值，βi代表線性系數，βii代表二次項系數，βij代表交互項系數。

2 結果與分析

2.1 單因素各因子對提取率的影響

2.1.1 超聲時間對提取率的影響

由圖2可知，超聲時間在5～15 min時，隨超聲時間的延長，總木脂素含量由0.332%增加到0.696%，增加了0.364%。當超聲時間超過15 min后提取率開始下降，當超聲時間為25 min時，木脂素的提取率僅為0.194%，下降了0.503%，提取率下降的原因可能是超聲時間延長，超聲波的作用強度增加，分子結構遭到破壞，所以選取超聲時間為15 min。

圖2 超聲時間對提取率的影響

2.1.2 超聲溫度對提取率的影響

由圖3可知，在50℃之前，隨溫度升高，木脂素的提取率不斷增加，從0.571%增加到1.073%，提高了0.503%;在60℃時，木脂素的提取率相比于50℃下降了0.05%，可能是因為溫度過高，木脂素類物質降解，所以選擇提取溫度為50℃。

圖3 超聲溫度對提取率的影響

2.1.3 超聲功率對提取率的影響

由圖4可知，超聲功率在50～150 W時，提取率增加幅度較大，由0.206%增加到0.935%。結果表明隨著超聲功率的增加，超聲波產生強烈振動，加速度變大，強烈的空化效應和攪拌作用加速了有效成分進入溶劑［12］。超聲功率在150～250W時提取率的增加量相對平緩，因此選擇超聲波功率為200 W為宜。

圖4 超聲功率對提取率的影響

2.1.4 乙醇濃度對提取率的影響

由圖5可知，乙醇體積分數在55%～75%時，提取率由0.068%增加到0.671%，將近擴大了10倍;乙醇體積分數在75%～95%時，提取率由0.671%增加到0.973%，提高了0.302%。表明木脂素的提取率隨乙醇濃度的增加而升高，并且在55%～75%增加幅度較大，考慮到乙醇濃度過高時，沸點下降，導致揮發過大，一些醇溶性雜質、色素、親脂性強的成分溶出量增加［13］，同時考慮到經濟節約性，選擇體積分數85%的乙醇比較合理。

2 響應面設計實驗結果與分析

2.1 模型的建立與顯著性分析

圖5 乙醇濃度對提取率的影響

根據RSM設計，選取17個實驗點，以超聲溫度、超聲時間、超聲功率3個主要因素作為自變量，以提取率作為RSM響應值。結果采用二次多項回歸擬和方法建立數學模型，獲得了預測相應值(提取率，Response)與超聲溫度(X1，℃)、超聲時間(X2，min)和超聲功率(X3，W)的二次回歸方程如下:

對模型方程進行方差分析表明，該方程顯著，通過校正決定系數(adjusted coefficient of deter minationg，)和相關系數(correlation coefficient，R)來驗證。此處R2=0.908 4，表明大約有90%的提取率變異分布在所研究的3個相關因素中，其總變異度僅有9.16%不能由該模型來解釋;相關系數 R為0.979，表明提取率的實測值和預測值間很好的擬合度;失擬項P=0.064 3＞0.07，表明方程的擬合不足檢驗不顯著，二次響應曲面回歸方程能夠很好的擬合本實驗所得的結果，自變量與響應值之間線性關系顯著，所以該模型可以用于提取率實驗的理論預測。

2.2 超聲輔助提取北五味子總木脂素的響應面分析與優化

RSM法的圖形是響應值Y對應自變量X1、X2、X3構成的一個三維空間圖及在二維平面上的等高線圖，從實驗所得響應面分析圖上可以看出它們在反應過程中的相互作用，確定合適的工藝條件。圖6表明在超聲功率200 W條件下，超聲溫度和超聲時間對提取率影響的響應面圖。圖7表明在超聲時間12.5 min，超聲溫度和超聲功率對提取率的響應面圖。圖8表明在超聲溫度50℃的條件下，超聲時間和超聲功率對提取率的響應面圖。

2.3 模型驗證及最佳提取條件的確定

對前面所獲得的第一個模型方程系數進行顯著性檢驗，X2X3項不顯著，舍去該項優化模型，可以得到優化后的回歸方程為:提取率/%=2.59+0.37 X1+0.19 X2+0.26 X3－0.30X1×X2－0.21X1×X3－0.30－0.36－0.47

去掉X2X3，項后方程中，表明調整后的模型與調整前的模型對提取率變異的描述準確程度相當;而R2=0.949 3，表明調整后的模型和調整前的模型在實測值和預測值擬合度基本一致。利用優化后的模型，通過對二次多項式數學模型的解逆矩陣，求出最大提取率的工藝條件:超聲溫度55.34℃，超聲時間12.82 min，超聲功率208.13W，預測北五味子總木脂素提取率達到2.713%。

圖6 超聲溫度和超聲時間交互影響提取率的響應面圖

圖7 超聲溫度和超聲功率交互影響提取率的響應面圖

圖8 超聲時間和超聲功率交互影響提取率的響應面圖

為了驗證回歸模型的有效性，根據推斷的最佳工藝參數和實際操作過程可行性進行驗證試驗，在超聲溫度55.34℃，超聲時間12.8 min，超聲功率208 W條件下進行驗證實驗，實測提取率(2.425±0.352)%，與預測值較接近。結果表明預測值接近實際測量值，說明該模型是合理有效的具有一定的實際指導意義。

3 結論

(1)由于超聲波在介質中傳播，會產生熱效應、機械效應或空化效應，在一定程度上引起介質的特性變化［14］。超聲波處理加大物料本身及介質的傳質作用，擊破原料的組織和細胞膜，破壞細胞結構［15－16］，實驗證明利用超聲波提取，總木脂素提取率明顯提高。

(2)利用響應面設計實驗，根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理，選擇對總木脂素提取率有顯著影響的因素有:超聲波處理時間、超聲波功率和超聲波水浴溫度，做三因素三水平的響應面分析實驗，結果表明上述三因素對總木脂素提取率的影響不是簡單的線性關系，而是超聲波處理時間、超聲波功率和超聲波水浴溫度的平方項對提取率有顯著影響。

(3)本研究利用Design Expert軟件對超聲波條件進行響應面優化設計，實驗結果表明此方法具有良好的應用性和預測性，能提供較準確的變量和誤差信息。因此得到總木脂素提取率的最佳工藝條件為:超聲溫度55℃，超聲功率208W，超聲時間12.8 min，預測得率可達到2.713%，實測提取率為(2.425±0.352)%，從而為下一步工業化提取五味子藤莖中木脂素類物質提供一定的理論依據。

［1］國家藥典委員會.中國藥典(一部)［S］.北京:化學工業出版社，2000:48－49.

［2］王振中.五味子的藥理研究進展［J］.時珍國藥研究，1996，7(2):119.

［3］李國成，邱凱峰，劉恩桂，等.北五味子藤莖的化學成分研究［J］.中藥材，2006，29(10):45－1047.

［4］Gu W，Wei N Y，Wang Z Z.Analysis of lignans from schisandra sphenanthera rehd.et wils［J］.Chemistry and Materials Science，2008，67(11/2):979－983.

［5］Choi Y H，Kim J，Jeon S H.Optimum SFE condition for lignans of Schisandra chinensis fruits［J］.Chemistry and Materials Science，2006，48(9/0):695－699.

［6］Deng Xinxiu，Chen Xiaohui，Cheng Weiming，et al.Simultaneous LC-MS quantification of 15 lignans in Schisandra chinensis(Turcz)Baill.fruit［J］.Chromatographia，2008，67(7－8):559－566.

［7］于俊林，秦瑀，胡彥武，等.HPLC法測定五味子藤莖中木脂素的含量［J］.中草藥，2003，33(10):附9－附10.

［8］徐海波.北五味子藤莖生藥學研究與開發利用［D］.長春:吉林農業大學，2005.

［9］高素強，王麗楠，劉國瑞，等.藥用植物爵床中總木脂素的含量測定［J］.中國中藥雜志，2008，33(14):1 755－1 757.

［10］Ven Der Ven C，Gruppen H D E，et al.Optimisation of the angiotensin converting enzyme inhibition by whey protein hudrolysates using response surface methodology［J］.International Dairy Journal，2002，12(10):813－820.

［11］國家藥典委員會.中國藥典(一部)［S］.北京:化學工業出版社，2000:197－198.

［12］楊銳，梁斌.兩種提取方法對不同濃度乙醇溶液中大蒜辣素提出率的影響［J］.寧夏大學學報，2002，23(1):67－68.

［13］駱海林，陸寧.響應面法優化生姜中姜辣素的超聲波提取工藝［J］.包裝與食品機械，2009，27(6):54－57.

［14］段振華，汪菊蘭，王美蓉.超聲波輔助制備魚鰾寡肽的研究［J］.中國食物與營養，2008，6:27－29.

［15］Hemwimol Surasak，Pavssant Prasert，Shotipruk Artiwan.Ultrasound-assisted extraction of anthraquinones from roots of Mortinda citrifolia［J］.Ultrasonics Sonochemistry.2006，13:543－548.

Extraction of Total Lignans from Caculis of Schisandra chinensis(Turcz.)Baill with Ultrasonic Assistance

Meng Xian-jun，Xue Xue，Li Bin，Li Yuan-su
(College of Food，Shenyang Agriculture University，Provincia Key Laboratory of Further Processing of Food，Shenyang 110161，China)

Lignans are main medicinal ingredients in Schisandra chinensis(Turcz.)Baill.Response surface methodlogy(RSA)is used for optimizing the ultrasonic extraction technology of total lignans from caculis of Schisandra chinensis(Turcz.)Baill with ultrasonic assistance.The experiment utilizes colorimetry method to determinate the total lignan content.Based on single experiments，ultrasonic treatment time，temperature，and power are selected as independent variables.We take the extraction as a response value，and make the response surface analyzer.According to Box－Behnken central composite design，a mathematical model is established.The optimum extraction conditions was:55℃，208w for an ultrasound treatment of 12.8 min .The predicted extraction yield is 2.713%，and the yield of total lignans is(2.425 ± 0.352)%，which agrees with the actual extraction(2.425 ± 0.352)%.

Schisandra chinensis(Turcz.)Baill，caculis，lignans，ultrasonic extraction

博士，教授(李斌博士為通訊作者)。

*“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAI09B04)

2010－06－22，改回日期:2010－09－30