響應(yīng)面法優(yōu)化蛇足石杉中石杉?jí)A甲的提取工藝

楊 婷，武 蕓*，張 澤，武玉蓮，鄭小江，胡世坤，毛 鑫

（1.湖北民族學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000；3.湖北民族學(xué)院附屬民大醫(yī)院，湖北 恩施 445000；4.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064）

響應(yīng)面法優(yōu)化蛇足石杉中石杉?jí)A甲的提取工藝

楊 婷1,2,4，武 蕓1,2,*，張 澤3，武玉蓮3，鄭小江1,2，胡世坤2，毛 鑫2

（1.湖北民族學(xué)院 生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000；3.湖北民族學(xué)院附屬民大醫(yī)院，湖北 恩施 445000；4.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064）

利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化恩施州蛇足石杉中石杉?jí)A甲的提取工藝條件。在以提取溫度、提取時(shí)間、料液比、酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響因素，以石杉?jí)A甲提取量為指標(biāo)的單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn)分析法，得到提取石杉?jí)A甲最佳工藝條件：料液比1∶30（g/mL）、酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、提取溫度41 ℃。采用高效液相色譜法檢測石杉?jí)A甲含量，在最優(yōu)提取條件下，熱水浸提4 h，石杉?jí)A甲提取量為11.1928 mg/100 g。

蛇足石杉；石杉?jí)A甲；響應(yīng)面分析法；高效液相色譜

蛇足石杉（Huperzia serrata）又名千層塔、蛇足石松，為石杉科石杉屬多年生蕨類草本植物[1-4]，其有效成分主要是生物堿，生物堿對(duì)人類健康有著至關(guān)重要的作用，特別是石杉?jí)A甲是目前唯一已知的治療老年癡呆癥的特效藥[5-9]。隨著社會(huì)老齡化的加劇，有可能使罹患老年癡呆癥的老年人越來越多，也會(huì)使具有特殊治療功能的石杉?jí)A甲的需求量越來越大，研究與開發(fā)蛇足石杉具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。蛇足石杉對(duì)環(huán)境條件要求苛刻，生長緩慢，市場需求量大，在人工合成石杉?jí)A甲的工藝條件還不成熟的情況下，研究提高石杉?jí)A甲的提取率有重要意義[10]。

關(guān)于蛇足石杉中石杉?jí)A甲提取工藝的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道比較多。石杉?jí)A甲含量的測定主要利用比色法和高效液相色譜法，高效液相色譜法具有精確度高、分離效果好等優(yōu)點(diǎn)，適用于微量物質(zhì)的測定，目前多利用此法測定石杉?jí)A甲含量。易學(xué)文等[11]利用纖維素酶有降解植物細(xì)胞壁的特性提取石杉?jí)A甲，但是酶活性易受外界環(huán)境影響，價(jià)格昂貴，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。近年來多數(shù)學(xué)者集中在探究不同酸性提取液和酸性提取液pH值對(duì)石杉?jí)A甲得率的影響，研究不同洗脫條件下石杉?jí)A甲與其他雜質(zhì)的分離度[12-13]。何春萍等[14]比較了4 種傳統(tǒng)工藝條件對(duì)石杉?jí)A甲得率的影響，利用超聲法比較了蛇足石杉不同部位中石杉?jí)A甲的含量。研究者在傳統(tǒng)工藝條件的基礎(chǔ)上，利用超聲波、微波輔助提取，提高石杉?jí)A甲的提取率[14-15]。利用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化試驗(yàn)條件是生物學(xué)研究的基礎(chǔ)，楊煌記[16]和張馨[17]等利用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化石杉?jí)A甲提取工藝條件，利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化石杉?jí)A甲的提取工藝鮮有報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)在已有研究的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化恩施州蛇足石杉中石杉?jí)A甲的提取工藝，利用高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）測定石杉?jí)A甲的含量，提高石杉?jí)A甲的提取量，對(duì)推動(dòng)生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用材料均采自華中藥用植物園。將采集的蛇足石杉整個(gè)植株地上部分洗凈，自然晾干，于55～60 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定，用粉碎機(jī)磨成粉末，過60 目篩后裝于試劑瓶中，貼上標(biāo)簽，置于干燥器中備用。

甲醇（色譜純） 德國Sigma公司；石杉?jí)A甲標(biāo)準(zhǔn)品 廣州同雋醫(yī)藥科技有限公司；酒石酸、三乙醇胺、磷酸（均為分析純） 恩施州紅霞化工有限公司；雙蒸水 實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

RT-02A植物樣品粉碎機(jī) 弘荃機(jī)械企業(yè)有限公司；FAI10048電子天平 上海精科天美商貿(mào)有限公司；GZX-9140MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海迅博實(shí)驗(yàn)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；DIONEX高效液相色譜儀 戴安中國有限公司；Diamonsil HHS型電熱恒溫水浴鍋 上海迅博實(shí)驗(yàn)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；KQ5200E型超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司；Milli-Q純水儀/超純水（電阻率18.2 MΩ/cm2） 美國Millipore公司；J-30I冷凍離心機(jī) 美國Beckman公司；進(jìn)樣針、有機(jī)濾膜（0.22 μm） 海寧圣華過濾設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 石杉?jí)A甲提取工藝流程

精確稱取蛇足石杉粉末1.000 g→溶于1.5%酒石酸溶液超聲波輔助提取30 min→一定溫度條件下熱水浸提一段時(shí)間（變量）→冷凍離心15 min（10 000 r/min）→取上清液→用氯仿（10 mL）萃取→濃縮→酒石酸定容至25 mL→HPLC測石杉?jí)A甲含量。

1.3.2 HPLC條件[17-19]

色譜柱為Diamonsil C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動(dòng)相為體積分?jǐn)?shù)0.02%甲醇-三乙胺（甲醇與三乙胺體積比9∶1，pH 7.5），流速0.8 mL/min，檢測波長311 nm，柱溫25℃，進(jìn)樣量20 μL。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

1.3.3.1 酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)石杉?jí)A甲提取量影響

精密稱取1.000 g蛇足石杉粉末15份（各3次重復(fù)）于錐形瓶中，分別加入0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的酒石酸15 mL，超聲30 min后，于50 ℃熱水中提取1 h，10 000 r/min離心15min，收集上清液，氯仿萃取，濃縮，定容到25 mL，0.22 μm濾膜過濾，進(jìn)樣20 μL，于311 nm波長處測石杉?jí)A甲峰面積，比較酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響。

1.3.3.2 提取時(shí)間對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

分別精密稱取1.000 g蛇足石杉粉末15 份（3 次重復(fù)）于錐形瓶中，加入2.0%酒石酸溶液15 mL，提取溫度為50 ℃，研究提取時(shí)間對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響。

1.3.3.3 料液比對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

提取時(shí)間為4h，溫度為50℃，酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的條件下，料液比分別為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40（g/mL），研究料液比對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響。

1.3.3.4 提取溫度對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

研究提取溫度變量對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響，提取時(shí)間4 h、料液比1∶35、酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的條件下，提取溫度分別為30、40、50、60、70、80 ℃。

1.3.4 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理及單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選取對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響的因素，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)方案（表1）。

表 1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken design

2 結(jié)果與分析

2.1 石杉?jí)A甲的穩(wěn)定性分析

2.1.1 石杉?jí)A甲的HPLC圖

通過對(duì)色譜柱及流動(dòng)相研究，選擇合適實(shí)驗(yàn)條件，利用1.3.2節(jié)色譜條件掃描標(biāo)準(zhǔn)品和樣品中石杉?jí)A甲的色譜圖見圖1，石杉?jí)A甲的保留時(shí)間較長，分離度較高，表明石杉?jí)A甲與其他成分能夠很好地分離，此條件有利于石杉?jí)A甲含量的測定。

圖 1 石杉?jí)A甲標(biāo)準(zhǔn)品及樣品高效液相色譜圖Fig.1 HPLC of huperzine A standard and huperzine A extracted from Huperzia serrata

2.1.2 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

取0.01 mg/mL石杉?jí)A甲對(duì)照品溶液，分別放置2、4、6、8、10 h后進(jìn)樣，測定日內(nèi)精密度，石杉?jí)A甲峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）分別為1.169%、1.170%、1.172%、1.173%、1.171%；連續(xù)3 d重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測定日間精密度，RSD分別為1.161%、1.184%、1.201%，結(jié)果表明穩(wěn)定性良好。

2.1.3 精密度實(shí)驗(yàn)

取0.01 mg/mL石杉?jí)A甲對(duì)照品溶液，重復(fù)進(jìn)樣5 次，測石杉?jí)A甲峰面積的RSD為1.664%（n=5）。

2.2 線性關(guān)系考察

精密稱取石杉?jí)A甲標(biāo)準(zhǔn)品0.500 mg，溶解在1.5%酒石酸溶液中，定容到50 mL，配制成0.01 mg/mL石杉?jí)A甲標(biāo)準(zhǔn)品溶液。分別吸取石杉?jí)A甲標(biāo)準(zhǔn)品溶液0.5、1、2、3、4、5 mL于10 mL容量瓶中配成不同質(zhì)量濃度的對(duì)照品溶液，過0.45 μm濾膜，進(jìn)樣20 μL，于311 nm波長處分別測定峰面積。以峰面積為橫坐標(biāo)，對(duì)照品質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行線性回歸，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得回歸方程：y=0.001x+0.000 2，R2=0.999 6，結(jié)果表明石杉?jí)A甲在0.5～5 μg/mL范圍內(nèi)與峰面積呈良好的線性關(guān)系。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

圖 2 酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.2 Effect of tartaric acid concentration on the yield of huperzine A

表 2 不同酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下石杉?jí)A甲提取量Duncan多重比較（n= 3）Table 2 Duncan s comparison for the yield of huperzine A with different concentrations of tartarid acid (n= 3)

圖2表明，當(dāng)酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，石杉?jí)A甲提取量最高，可能是因?yàn)榫剖豳|(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)溶解度達(dá)到飽和，當(dāng)酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高時(shí)，石杉?jí)A甲的提取量不但沒有提高反而下降了。為了弄清所選取水平的區(qū)分度，通過SPSS 18.0軟件分析得到多重比較結(jié)果（表2），酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5 個(gè)水平均沒有在同一列，表明酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的這5 個(gè)水平之間均具有顯著性差異。

2.3.2 提取時(shí)間對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

圖 3 提取時(shí)間對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.3 Effect of extraction duration on the yield of huperzine A

如圖3所示，提取時(shí)間對(duì)石杉?jí)A甲提取量影響不大，當(dāng)時(shí)間為4 h時(shí)石杉?jí)A甲提取量最高。可能是因?yàn)樵? h前，植物細(xì)胞壁沒有被全部穿透，石杉?jí)A甲沒有完全被釋放出來，但是當(dāng)提取時(shí)間過長時(shí)，石杉?jí)A甲經(jīng)過長時(shí)間受熱，溶解成分被破環(huán)或者其他浸出物與石杉?jí)A甲發(fā)生了反應(yīng)。由表3可知，時(shí)間長短對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的多重比較分析中，提取時(shí)間1 h和提取時(shí)間5 h（在同一列）石杉?jí)A甲提取量差異不明顯，與其他水平之間有顯著性差異。因此，在響應(yīng)面試驗(yàn)中，提取時(shí)間選取4 h。

表 3 不同提取時(shí)間條件下石杉?jí)A甲提取量Duncan多重比較（n = 3）Table 3 Duncan s comparison for the yield of huperzine A different extraction durations (n= 3)

2.3.3 料液比對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

圖 4 料液比對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.4 Effect of material-to-liquid ratio on the yield of huperzine A

表 4 不同料液比條件下石杉?jí)A甲提取量Duncan比較（n = 3）Table 4 Duncan s comparison for the yield of huperzine A with different material-to-liquid ratios (n = 3)

如圖4所示，當(dāng)料液比為1∶35時(shí)，石杉?jí)A甲提取量最高（9.2 mg/100 g）。多重比較分析結(jié)果見表4，各因素都不在同一列，它們之間都具有顯著性差異。

2.3.4 提取溫度對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響

如圖5所示，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，生物堿石杉?jí)A甲的化學(xué)結(jié)構(gòu)較少被破壞，溶解速率較快，使得石杉?jí)A甲提取率最好。當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，生物堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到較為嚴(yán)重的破壞，化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞的速率比增加的溶解速率要快，兩者的綜合作用，導(dǎo)致石杉?jí)A甲提取量反而下降了，顯著性分析結(jié)果見表5，溫度對(duì)石杉?jí)A甲的浸提具有顯著性影響。

圖 5 提取溫度對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the yield of huperzine A

表 5 不同提取溫度條件下石杉?jí)A甲提取量Duncan比較（n = 3）Table 5 Duncan s comparison for the yield of huperzine A with different extraction temperatures (n = 3)

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表 6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 6 Response surface experimental design and results

以單因素試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，選擇對(duì)石杉?jí)A甲提取量有顯著影響的提取因素（酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、提取溫度），響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果見表6。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，通過多重分析，考察不同因素水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)得到二次回歸方程為：Y=9.67—0.73A+ 0.17B+0.19C+0.23AB—0.15AC+0.14BC+0.63A2+0.37B2—0.94C2。由表7可知，對(duì)石杉?jí)A甲提取量有顯著影響的是酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一次方及二次方，提取溫度的二次方對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響極顯著。

表 7 回歸方差分析結(jié)果Table 7 Analysis of variance of the regression equation

2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化石杉?jí)A甲提取量的工藝條件

根據(jù)回歸方程在考察范圍內(nèi)繪制酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、提取溫度這3 個(gè)因素的等高線及三維效果圖（圖6～8）。各圖均是以一個(gè)因素為零點(diǎn)，研究其他兩個(gè)因素對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響。

圖 6 酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和料液比對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.6 Effects of tartaric acid concentration and material-to-liquid ratio on the yield of huperzine A

圖 7 提取溫度和料液比對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.7 Effects of extraction temperature and material-to-liquid ratio on the yield of huperzine A

圖 8 提取溫度和酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)石杉?jí)A甲提取量的影響Fig.8 Effects of extraction temperature and tartaric acid concentration on the yield of huperzine A

為了得到提取石杉?jí)A甲的最佳工藝條件，通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析，得知酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、料液比1∶30、提取溫度41 ℃時(shí)，石杉?jí)A甲提取量為11.38 mg/100 g。

2.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證響應(yīng)面分析法所得模型的準(zhǔn)確性，取酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、料液比1∶30、提取溫度41 ℃、提取時(shí)間4 h，對(duì)模型進(jìn)行4 次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到平均提取量為11.192 8 mg/100 g，結(jié)果見表8。通過分析表8的數(shù)據(jù)，可見該模型能較好地模擬和預(yù)測千層塔中石杉?jí)A甲提取量，為優(yōu)化石杉?jí)A甲提取工藝條件提供了可靠的理論依據(jù)。

表 8 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Validation of optimized extraction conditions

3 結(jié) 論

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理和響應(yīng)面分析方法，利用Design-Expert 7.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析，得到了石杉?jí)A甲提取量與料液比、酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取溫度的回歸模型，對(duì)方程進(jìn)行求解得到提取石杉?jí)A甲的最佳工藝條件為料液比1∶30、酒石酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、提取溫度41 ℃，石杉?jí)A甲提取量為11.1928 mg/100 g。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，證明此條件下石杉?jí)A甲提取量的可靠性，恩施州蛇足石杉石杉?jí)A甲含量高于相關(guān)的報(bào)道[20-22]，可能是蛇足石杉產(chǎn)地及品種不同的緣故。為了驗(yàn)證這一推測，在此最佳條件下檢測了貴州產(chǎn)的蛇足石杉中石杉?jí)A甲的含量，其提取量僅為2.15 mg/100 g，說明石杉?jí)A甲含量的高低可能與產(chǎn)地和品種有關(guān)，也可能與產(chǎn)石杉?jí)A甲的內(nèi)生真菌的種類和數(shù)量有關(guān)[23-26]。

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Optimization of Extraction Process for Huperzine A from Huperzia serrata

YANG Ting1,2,4, WU Yun1,2,*, ZHANG Ze3, WU Yulian3, ZHENG Xiaojiang1,2, HU Shikun2, MAO Xin2
(1. Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province, Hubei Institute for Nationalities, Enshi 445000, China; 2. College of Biological Scientifi c and Technical, Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China; 3. University Hospital of Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China; 4. College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

This paper is concerned with the selection and optimization of important extraction parameters as well as their levels for the increased yield of huperzine A from the aboveground parts of Huperzia serrata by combined use of single factor method and response surface methodology (RSM). Solid-to-solvent ratio, solvent concentration and temperature were identifi ed as main variables that affect extraction effi ciency, and their levels were optimized using RSM based on a threevariable, three-level Box-Behnken design. When the extraction was performed for 4 h under the optimized conditions: 1.5% tartaric acid as extraction solvent with a solid-to-solvent ratio of 1:30 (g/mL) and an extraction temperature of 41 ℃, the yield of huperzine A was 11.192 8 mg/100 g.

Huperzia serrata; huperzine A; response surface analysis; high performance liquid chromatography

TS201

A

1002-6630（2015）02-0057-06

10.7506/spkx1002-6630-201502011

2014-06-30

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（D20141903）；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014CFB615）；生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（PKLHB1301）；恩施州2013科技研究與開發(fā)項(xiàng)目（2013002）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新課題項(xiàng)目（201210517030）；湖北民族學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2014Z064）；

湖北民族學(xué)院林學(xué)一級(jí)學(xué)科（0907）資助項(xiàng)目

楊婷（1991—），女，學(xué)士，主要從事天然產(chǎn)物的提取與分離研究。E-mail：1287439660@qq.com

*通信作者：武蕓（1971—），女，副教授，碩士，主要從事植物生物技術(shù)及生物資源保護(hù)與利用研究。E-mail：wuyun2058@sohu.com