響應面法優化超聲波輔助從姜黃中提取姜黃素的工藝研究

單后松，陳 昊，曲 君，張 薇，張思佳，劉彥琳

(遼寧工業大學，化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001)

姜黃素是廣泛存在于姜科、天南星科植物根莖中一類化合物的總稱[1]，因其在醫藥、食品安全、化妝品等眾多領域具有良好的生物活性而成為研究熱點之一，尤其其良好的抗癌活性，在醫學領域的研究極為廣泛[2-4]，這使得姜黃素提取工藝的優化極為重要。目前姜黃素的提取方法主要有酶法[5]、微波提取法[6]、雙水相提取法[7]以及傳統提取法等，其中酶法最為環保，但操作條件易受環境影響，傳統提取法提取率較低，而雙水相法操作繁瑣，微波提取法破壞性較強。

本論文主要比較了浸漬提取法與超聲波輔助提取法的提取效果，系統地考察了影響姜黃素提取率的因素，并應用響應面法進行了工藝優化，旨在獲得簡便、有效的提取條件。

1 實驗部分

1.1 單因素實驗

取粉碎過篩的姜黃粉末于錐形瓶中，加入乙醇溶液，設定超聲功率、時間、溫度后，振蕩提取，過濾取上清液測定其吸光度，計算所提取姜黃素的濃度(標準曲線方程為：A=175C-0.015，R2= 0.99983)。姜黃素提取率計算方法：

分別控制其他條件不變，在一定范圍內改變單因素(乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時間、不同存儲期)對姜黃素進行提取，分光光度法測定其吸光度，計算提取率。

1.2 Box-Benhnken中心組合實驗設計

表1 響應面設計實驗因素水平及編碼

如表1所列，在單因素實驗的基礎上，選取三個對姜黃素提取率影響較大的因素，進行三因素三水平的Box-Benhnken中心組合實驗，以姜黃素提取率為響應值，各因素的水平采用-1、0、1進行編碼；所得實驗數據用Design-expert8.0.5進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 浸漬提取法與超聲提取法對比

浸漬提取法和超聲波提取法的實驗結果如圖1所示：在不同實驗條件下，超聲波法姜黃素的提取率較浸漬法的均明顯提高。這可能是由于在正常情況下，姜黃細胞的細胞壁保護細胞不被破壞，細胞內的物質不能有效的釋放，所以姜黃素不能有效的從細胞內轉移到溶劑之中，提取率較低。而超聲波輔助提取，借助超聲波振蕩產生的能量，細胞壁通透性增加，從而使細胞內的姜黃素有效滲出。

圖1 不同提取方法對比圖

圖2 不同存儲期對比圖

圖3 料液比對提取率的影響

2.2 單因素實驗考察

2.2.1 不同存儲期姜黃中姜黃素含量探究

如圖2所示，對于兩種不同存儲期的姜黃，在不同影響因素下具有相同的提取率趨勢，即存儲期為12個月的姜黃中姜黃素的含量明顯少于存儲期為5個月的，這可能與姜黃素類化合物的性質有關，隨著存儲期的延長，姜黃素類化合物逐漸從姜黃中氧化流失，從而導致姜黃素的含量降低，而姜黃素是中藥姜黃的主要成分，這就導致其療效降低，故而中藥姜黃的使用需要在一定的期限之內方才有效。

2.2.2 料液比對姜黃素提取率的影響

如圖3所示，隨著提取劑量的增加，姜黃素的提取率逐漸升高，在料液比為1∶30 g/mL時，姜黃素提取率最大值，之后基本保持不變。這表明在提取劑達到一定量時，姜黃素的提取率已經達到極限，不再隨著提取劑量的增加而增大。原因可能是當提取劑用量達到一定比例后，姜黃細胞內的姜黃素含量達到極低的程度，細胞內姜黃素析出與細胞外提取劑內的姜黃素滲入細胞達到動態平衡，所以姜黃素的提取率不再增加，從而達到最大值。

圖4 提取時間對提取率的影響

圖5 提取溫度對提取率的影響

圖6 乙醇濃度對提取率的影響

2.2.3 提取時間對姜黃素提取率的影響

由圖4可知，隨著提取時間的增加，姜黃素的提取率先略有增加，在50min之后，幾乎不再變化，說明此時姜黃中的姜黃素不再滲出。在提取過程中，姜黃細胞中的姜黃素含量遠高于提取劑乙醇中的含量，在細胞內外較大的滲透壓差的推動以及超聲波振蕩的外界刺激下，細胞內的姜黃素可以很快滲出，細胞內外達到滲出滲入動態平衡后，提取率即趨于穩定。

2.2.4 提取溫度對姜黃素提取率的影響

由圖5可知，隨著提取溫度的升高，姜黃素的提取率先增加后降低，在50℃之后，姜黃素提取率大幅降低。原因是姜黃素類化合物分子在高溫下不能穩定存在，發生分解，從而失去原有的生物活性。這也表明，溫度較高不利于姜黃存儲，姜黃的藥性會降低。

2.2.5 乙醇濃度對姜黃素提取率的影響

姜黃素在不同濃度的乙醇中的溶解度不同，結果如圖6所示，乙醇濃度在80%左右時具有最大的提取率。這是由于在不同濃度的乙醇溶液中，姜黃素的生物活性不同，溶解度也不相同，因此在較高濃度時，姜黃素的生物活性降低，溶解度下降，曲線呈現下降趨勢。

2.3 BBD實驗結果及分析

2.3.1 回歸擬合和方差分析

由Design-expert進行實驗方案設計，進行17組實驗，根據所得姜黃素的提取率進行回歸方程擬合及方差分析。

回歸方程為：

2.3.2 響應面圖分析

兩因素的交互作用對姜黃素提取率的影響如圖7所示：當乙醇濃度、料液比及提取溫度任意一個因素為零水平時，其余兩個因素間的交互作用對姜黃素提取率的影響趨勢均是隨著兩因素的升高先升高后降低，這表明在姜黃素達到一定提取率后，姜黃中的姜黃素不再浸出。三組響應面圖均是平滑曲面，且開口向下，表明在測量范圍內可以達到最大值。

圖7 兩因素的交互作用對姜黃素提取率影響的等高線圖(上)和響應面圖(下)

2.4 最優條件驗證

由以上實驗數據通過 Design Expert8.0 軟件BBD法優化分析可得提取的最佳模型條件：提取溫度為48.09℃，固液比1∶30.09 g/mL，乙醇濃度為75.09%，理論值為2.716 mg/g；為了便于實驗操作和設備自身精確度的影響，選取提取溫度48℃，固液比1∶30g/mL，水-乙醇二元體系濃度75%的條件下平行驗證實驗3次，測定其中總姜黃素的提取率平均值2.728 mg/g，相對偏差為0.44%，響應面法優化模型與實際情況擬合結果較好，該模型可靠。

3 結論

本論文首先對比了浸漬提取法和超聲提取法的提取效率，結果表明超聲提取法明顯優于浸漬提取法。然后，考察了不同存儲期姜黃素的提取率，表明隨著儲存時間延長，姜黃素含量明顯降低，姜黃品質下降。最后，在單因素實驗的基礎上，采用響應面法對姜黃素的提取條件進行優化，建立了姜黃素提取率的回歸模型，由改模型優化的姜黃素提取條件為料液比1∶30g/mL、乙醇濃度75%、提取溫度48℃；在此條件下，姜黃素的提取率為2.716 mg/g，與模型預期結果相近，進一步驗證了該模型的可靠性。

[1] 歐珍貴,劉凡值.姜黃資源概況及其開發利用[J].貴州農業科學, 2006,34(4):126-127.

[2] 王春彬,高大中.姜黃素的研究進展及其在心血管疾病中的應用[J].2005,26(6):614-616.

[3] 黃一可,萬敬員.姜黃素和蘆丁微波法提取、納米載藥體系構建及其抗氧化活性的研究[D]. 重慶: 重慶醫科大學,2016.

[4] 田 杰,劉 珂.姜黃素類化合物的提取分離鑒定及其與化療藥的協同抗腫瘤作用研究[D]. 煙臺:煙臺大 學,2009.

[5] 寧 娜, 韓建軍. 微波輔助酶法提取姜黃中姜黃素的工藝研究[J].中國獸藥雜志,2015,49(12):20-26.

[6] 唐課文,易健民,李 立.微波萃取吸附分離法提取姜黃素的研究[J].化工進展,2005(6):647-651.

[7] 王佳靜.超聲波-雙水相提取姜黃素及其純化工藝的研究[D]. 西安: 陜西師范大學,2015.

(本文文獻格式：單后松，陳昊，曲君，等.響應面法優化超聲波輔助從姜黃中提取姜黃素的工藝研究[J].山東化工，2018，47(02)：13-15.)