響應面法優化藏藥綠蘿花總黃酮的超聲波輔助提取工藝

楊小軍，丁永輝（1.西北民族大學化工學院，蘭州 73014；.甘肅省食品藥品監督管理局，蘭州 730070）

藏藥綠蘿花Scindapsus aureus（Linden ex Andre）Engl.為天南星科綠蘿屬黃葉綠蘿（別名：黃金葛）的干燥花及花蕾，是青藏高原寒冷地帶特有的植物藥材；其性微寒，具有濃烈的香氣。眾多研究表明，藏藥綠蘿花中的黃酮類物質是其主要藥用成分，具有較多的藥理活性作用，如抑菌、抗病毒、抗氧化、防衰老等，對高血壓、高血脂和冠心病等有明顯的治療作用[1-3]。因此，藏藥綠蘿花作為一種藥用資源，對其進行研究是很有必要的。

藏藥綠蘿花黃酮類物質的研究發展至今，報道了許多有效的提取方法[2-4]。超聲波輔助提取技術也是其中一種，由于其具有操作簡便、節能、省時等特點而被廣泛用于天然藥物的浸提。傳統的工藝設計方法，如正交設計、均勻設計等，都有各自的局限性，不能全面地優化工藝。響應面分析法采用多元二次回歸方法作為函數估計的工具，研究因子與響應面之間、因子與因子之間的相互關系，該方法試驗次數少、周期短、得到的回歸方程精度高、可研究幾種因素間的交互作用，是一種具有突出優勢的優化試驗條件的數學統計方法[5-9]。

本研究探討超聲輔助提取藏藥綠蘿花中總黃酮成分，在查閱相關文獻[1-8]和預試驗的基礎上，選擇超聲提取時間、溫度、乙醇體積分數、液料比和功率作為考查因素，采用Box-Behnken 中心組合設計及響應面法對綠蘿花總黃酮超聲波提取條件進行全面優化，為提高綠蘿花中總黃酮的提取率和更好地開發以綠蘿花黃酮為主的藥物及功能食品提供合理的依據。

1 材料

1.1 儀器

SPECORD50 型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；SK82002H 型超聲波儀（上海科導超聲儀器有限公司）；AHK-04A 型手提式粉碎機（廣州市旭朗機械設備有限公司）；B204-S 型萬分之一電子天平（北京普析通用儀器有限責任公司）；DHG-9075A 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）。

1.2 藥材

綠蘿花產自西藏自治區，購于西藏眾友大藥房（批號：130244），經蘭州大學藥學院生藥教研室馬志剛教授鑒定為天南星科綠蘿屬黃葉綠蘿Scindapsus aureus的干燥花及花蕾。

1.3 藥品與試劑

蘆丁對照品（美國Sigma 公司，批號：120715-201216，供含量測定用，純度：99.22%）；無水乙醇、甲醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉（天津市百世化工有限公司），以上試劑均為分析純；蒸餾水（試驗時自制）。

2 方法與結果

2.1 黃酮提取率的測定

2.1.1 對照品溶液的制備 準確稱取干燥至恒質量的蘆丁對照品20.00 mg，置于100 ml 量瓶中，加少量甲醇，微微加熱至溶解，放置冷卻后再加無水甲醇稀釋至刻度，搖勻即得。

2.1.2 供試品溶液的制備 將綠蘿花用粉碎機粉碎，過3號藥篩，準確稱取3.00 g放入錐形瓶內，用無水乙醇浸泡12 h后，進行超聲提取。提取結束后進行減壓抽濾，所得濾液轉移至100 ml量瓶內，用無水乙醇定容至刻度，即得。

2.1.3 標準曲線的繪制及方法學考察[4]分別量取對照品溶液0、0.5、1.0、2.0、2.5 ml，分別置于25 ml 量瓶中，各先加入70%乙醇使其體積為8 ml，然后再各加入50 g/L的亞硝酸鈉溶液1.0 ml，搖勻，反應6 min后再加入100 g/L的硝酸鋁溶液1.0 ml，搖勻，靜置5 min；各加入10.0 ml 氫氧化鈉溶液（40 g/L），最后用70%乙醇定容，靜置15 min。以不含蘆丁對照品的溶液作空白，在400～600 nm波長范圍掃描蘆丁對照品溶液吸收光譜，確定最大吸收波長為510 nm；再在最大波長處測吸光度，以對照品的質量濃度（c）為橫坐標，吸光度（A）為進行線性回歸，得回歸方程為A＝0.083 0c+0.088 3（r＝0.999 7）。結果表明，蘆丁檢測質量濃度線性范圍為4～20 μg/ml。根據相關要求進行方法學考察，結果精密度、穩定性、重復性和回收率試驗均符合要求。

2.1.4 總黃酮提取率的測定 準確量取樣品溶液1.0 ml，按“2.1.3”項下方法操作，計算總黃酮質量濃度，再按下式計算總黃酮提取率：總黃酮提取率（%）＝樣品溶液中總黃酮的質量（g）/原料質量（100 g）。

2.2 單因素試驗

在查閱相關文獻[1-8]和預試驗的基礎上，選擇超聲提取時間、溫度、乙醇體積分數、液料比和功率為試驗因素。

2.2.1 超聲提取時間的選擇 精確稱取5 份粉碎的藏藥綠蘿花各3.0 g，置于100 ml 錐形瓶中，固定80%乙醇為提取溶劑、溫度為45 ℃、液料比為12 ∶1、功率為300 W，考察提取時間分別為10、20、30、40、50 min時黃酮提取率的變化。提取時間對黃酮提取率的影響見圖1A。

由圖1A可知，起初總黃酮提取率隨提取時間的延長而升高；提取時間達到30 min 時，總黃酮提取率達到最高；之后總黃酮提取率略有下降。分析其原因可能是由于提取時間過長，超聲波對黃酮的結構有所破壞，以致總黃酮提取率下降，因此選擇提取時間為30 min。

2.2.2 提取溫度的選擇 精確稱取5 份粉碎的藏藥綠蘿花各3.0 g，置于100 ml 錐形瓶中，固定提取時間為30 min、80%乙醇為提取溶劑、液料比為12 ∶1、功率為300 W，考察提取溫度分別為25、35、45、55、65 ℃時總黃酮提取率的變化。提取溫度對總黃酮提取率的影響見圖1B。

圖1 各因素對總黃酮提取率影響的單因素試驗A.提取時間；B.提取溫度；C.乙醇體積分數；D.液料比；E.超聲功率Fig 1 Single-factor test for evaluating the effects of the factors on total flavonoidsA.extraction time；B.extraction temperature；C.volume fraction of ethanol；D.ratio of liquid to solid；E.ultrasonic power

由圖1B 可知，起初總黃酮提取率隨提取溫度上升而升高；提取溫度達到45 ℃時，總黃酮提取率達到最高；之后總黃酮提取率略有下降。分析其原因可能是由于提取溫度過高，對總黃酮的結構有所破壞所致，以致總黃酮提取率下降，因此選擇提取溫度為45 ℃。

2.2.3 乙醇體積分數的選擇 精確稱取5 份粉碎的藏藥綠蘿花各3.0 g，置于100 ml錐形瓶中，固定提取時間為30 min、溫度為45 ℃、液料比為12 ∶1、功率為300 W，考察提取溶劑乙醇體積分數分別為50%、60%、70%、80%、90%時總黃酮提取率的變化。提取溶劑乙醇體積分數對總黃酮提取率的影響見圖1C。

從圖1C中可知，總黃酮提取率隨乙醇體積分數的增大而升高；但當乙醇體積分數大于80%時，總黃酮提取率開始下降。根據相似相溶原理，極性相似可達到最大溶解度，在乙醇體積分數為80%時，總黃酮提取率達到峰值，即此時溶劑與溶質極性相似，故選擇乙醇體積分數為80%。

2.2.4 液料比的選擇 精確稱取5 份粉碎的藏藥綠蘿花各3.0 g，置于100 ml 錐形瓶中，固定提取時間為30 min、溫度為45 ℃、80%乙醇為提取溶劑、功率為300 W，考察液料比分別為9 ∶1、12 ∶1、15 ∶1、18 ∶1、21 ∶1時總黃酮提取率的變化。液料比對總黃酮提取率的影響見圖1D。

由圖1D可知，初始時總黃酮的提取率隨液料比增大而快速升高；當液料比（ml/g）超過12 ∶1時，總黃酮提取率增加幅度不大，從節約原料的基礎考慮，選取液料比為12∶1。

2.2.5 超聲功率的選擇 精確稱取5 份粉碎的藏藥綠蘿花各3.0 g，置于100 ml 錐形瓶中，固定提取時間為30 min、溫度為45 ℃、80%乙醇為提取溶劑、液料比為12 ∶1，考察提取功率分別200、250、300、350、400 W 時總黃酮提取率的變化。提取功率對總黃酮提取率的影響見圖1E。

由圖1E可知，超聲功率對綠蘿花中總黃酮提取率的影響不大。

2.3 響應面分析法優選工藝

2.3.1 試驗設計[9]單因素試驗結果表明，提取時間、提取溫度、乙醇體積分數和液料比4個因素對藏藥綠蘿花中總黃酮的提取率都有較大影響，所以在單因素試驗結果的基礎上，采用響應面分析法進行4 因素5 水平優化試驗。因素與水平見表1。

表1 因素與水平Tab 1 Factors and levels

按表1 選取各因素與水平進行試驗，并對數據進行分析，以找到最優的條件覆蓋區域進一步優化提取工藝參數。試驗設計與統計分析軟件為Design Expert 7.1.3。

2.3.2 模型的建立及結果 根據響應面法中的Box-Behnken設計方法進行4因素5水平試驗，將總黃酮提取率數據輸入，建立總黃酮提取率的二次回歸方程。試驗的方案與結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計方案與結果Tab 2 Box-Behnken design plan and its results

經回歸得到二次回歸方程為：Y＝1.95+0.021X1－0.042X2+0.11X3+0.076X4－0.21X1X2－0.11X1X3+0.047X1X4－0.11X2X3+0.055X2X4+0.33X3X4－0.11X12－0.17X22－0.099X32－0.61X42。方程中，X1代表提取時間，X2代表提取溫度，X3代表乙醇體積分數，X4代表液料比。由于這些因素都經過響應面處理，所以這些因素對提取率的影響程度可以用各項系數的絕對值大小決定。系數中有正數也有負數，表示影響的方向不同。從上述方程可以看出，各因素及其交互作用對總黃酮提取率影響較大的因素是X3、X1X2、X3X4、X22、X42。

2.3.3 試驗分析 將表2 中數據進行回歸分析，并通過Design Expert 7.1.3軟件繪制各因素影響總黃酮提取率的三維效應面圖。回歸統計分析結果見表3；三維效應面圖見圖2。

表3 回歸統計分析結果Tab 3 Results of regression analysis

從表3可以看出，偏回歸系數顯著的有X3、X1X2、X22、X42，表明這些因素及交互項對總黃酮的提取率影響較大；回歸系數最顯著的是X3X4項，也就是這個交互項對總黃酮的提取率的影響是最大的。用這個結果與上面得到的二次回歸方程的結果進行比較，可以看出影響總黃酮提取率較大的項是一致的，表明上述方程有效。表3中回歸方程失擬檢驗并不顯著，表明未知因素影響不大；而擬合檢驗是極顯著的，因為藏藥綠蘿花總黃酮提取率的變化規律是由這4個參數決定的，方程與實際情況的良好擬合，表明此方程能很好地對參數的變化規律進行預測。

由圖2A可知，總黃酮提取率在乙醇體積分數為75%左右隨提取時間的延長而升高，延長提取時間可以提高總黃酮的提取率，乙醇體積分數過高則會降低總黃酮的提取率。

由圖2B可知，較低的溫度條件下總黃酮提取率較低，溫度的影響比較顯著，而在提取溫度較高區域和乙醇體積分數區域的交界處總黃酮提取率較低，即這2個因素的交互作用較其他因素的影響更大。其主要原因是，總黃酮溶解度與溫度有關，溫度低時總黃酮溶解度差，這時提高乙醇體積分數有利于總黃酮析出。

圖2 各因素對黃酮提取率影響的效應面圖A.提取時間與乙醇體積分數；B.提取溫度與乙醇體積分數；C.液料比與乙醇體積分數；D.提取溫度與提取時間；E.液料比與提取時間；F.液料比與提取溫度Fig 2 Response surface figure for the effects of the factors on flavonoids extraction rateA.extraction time and the volume fraction of ethanol；B.extraction temperature and the volume fraction of ethanol；C.the ratio of liquid to solid and the volume fraction of ethanol；D.extraction temperature and extraction time；E.the ratio of liquid to solid and extraction time；F.the ratio of liquid to solid and extraction temperature

由圖2C可知，液料比在一定范圍內可以使總黃酮的提取率達到最高，液料比的增加能使藏藥綠蘿花粉末與提取液的接觸面更大，從而可以加快總黃酮的析出速度以利于提取率的提高；但是乙醇體積分數太大或者使用溶劑過多則會因為滲透壓太大而降低提取率。所以這2 個因素相互作用影響對提取率的影響也很大。

由圖2D 可知，溫度越高總黃酮提取率就越大，而提取時間的影響卻局限在一定的范圍內。提高溫度有利于總黃酮的析出，但是溫度太高也會破壞總黃酮的活性物質，所以只有適當的提高溫度并且提取時間選擇較合理的情況下，才能提高總黃酮提取率。

由圖2E 可知，液料比和提取時間這2 個因素的交互作用比較明顯。雖然液料比增加能提高提取率，但還是受到提取時間的限制，所以有時液料比太大只會造成試劑的浪費；而提取時間太長而液料比又較少的情況下，則會造成用電浪費。

由圖2F可知，液料比和提取溫度有明顯的交互作用，在這2個因素取值合適的情況下，總黃酮的提取率能達到最大。

2.4 響應面法優化最優工藝參數及驗證試驗

在選取的4 個因素中，通過響應面軟件的分析得出，藏藥綠蘿花總黃酮的最優提取工藝參數為提取時間28.60 min、提取溫度43.53 ℃、乙醇體積分數78.37%、液料比13.22∶1（ml/g）。黃酮提取率的預測值為2.129 5%。進行試驗驗證的時候，為了方便所取的工藝條件，都取整數，即：設置水溫度為44 ℃，采用78%的乙醇，以13∶1的液料比，提取時間為29 min。為了獲得較好的結果，以這個條件做3 組平行試驗，得3 次總黃酮提取率的平均值為2.130%（RSD＝0.80%，n＝3），與理論值的相對誤差為0.005%，證明了模型的可行性，也表明響應面法是一個較好的優化工藝參數的方法。

3 討論

超聲輔助提取技術由于操作簡便、節能、省時，近年來廣泛用于天然產物的浸提[5-8]。但是，由本次超聲輔助提取黃酮的試驗結果可看出，某些因素的水平并不是越大或越高提取效果就越好，如提取溫度、提取時間等。因此，以超聲作為提取方法時，對提取因素和水平的優化就顯得特別重要。中心組合設計試驗和響應面優化藏藥綠蘿花總黃酮超聲波輔助提取工藝，能夠全面地對各因素的影響進行分析。本研究設計為4因素5水平，相對于3因素4水平的試驗來說，前者更全面且更具有說服力。深入地對藏藥綠蘿花總黃酮的提純工藝進行研究，是為了能夠更好地利用藏藥綠蘿花這類資源。因此，本試驗具有一定的參考價值。

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