川麥冬須根總黃酮和總皂苷提取和富集工藝研究

劉曉梅，李沛霞，甘藍湘，晉 艷，黃 毅，江洪波，金 虹*

1四川中醫藥高等專科學校，綿陽 621000；2西南科技大學生命科學與工程學院，綿陽 621010；3成都中醫藥大學藥學院，成都 611137

川麥冬，又名“綿麥冬”或“涪城麥冬”，為百合科植物麥冬(Ophiopogonjaponicus(L.f)Ker-Gawl)的干燥塊根，始載于《神農本草經》，列為上品，具有養陰生津，潤肺清心的功效。臨床多用于治療肺燥干咳、喉痹咽痛和腸燥便秘等癥狀[1]。現代研究表明，麥冬主要化學成分為甾體皂苷、黃酮和多糖等，具有降血糖、保護心血管系統、抗氧化、抗腫瘤等藥理作用[2-5]，本課題組在前期研究中還發現麥冬須根的皂苷及黃酮提取組分對小鼠肺部氣道損傷具有明顯的保護作用[6]。

目前市售麥冬主產于四川、浙江和江蘇等地，其中川麥冬產量最大。中國藥典規定麥冬藥用部位為塊根。采摘加工1 000 kg塊根會產生300 kg須根，后者在加工過程中作為非藥用部位被棄用，造成極大的資源浪費[7]。近年來，很多研究顯示，麥冬須根的主要活性成分、安全性與塊根相似，其中總皂苷、多糖等含量還明顯高于麥冬塊根[8-12]。2019年4月，四川省發布了《麥冬須根食品安全地方標準》[13]，將川麥冬須根正式列為新食品資源，顯示出極大的食用開發價值和應用前景。

現有文獻報道麥冬的提取工藝[14,15]，而有關川麥冬須根的提取富集工藝尚未見相關報道。本研究以國內麥冬最大的種植基地—四川三臺縣的川麥冬須根為研究對象，采用響應面法優化總皂苷及總黃酮提取工藝，并進一步通過大孔樹脂富集這兩類組分，為后續川麥冬須根資源的合理利用和新產品的開發奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

川麥冬須根：2019年4月采集于四川省綿陽市三臺縣花園鎮川麥冬種植基地；魯斯可皂苷元和蘆丁對照品(純度≥98%，成都曼斯特生物科技有限公司)；正丁醇、無水乙醇、高氯酸、氨水、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉(均為分析純，成都科龍化學品有限公司)；9種大孔吸附樹脂(D101、AB8、DM301、DA201、H103、HPD100、D3520、HP20和H1020，蚌埠市天星樹脂有限責任公司)；純水為實驗室自制。

1.2 儀器與設備

電子分析天平(Sartorius BP121s，德國Sartorius公司)；紫外-可見分光光度計(UV-1100型，中國上海天美科技有限公司)；旋轉蒸發儀(RE-52AA，中國上海亞榮生化儀器廠)；離心機(D1008E，美國賽洛捷克有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 總黃酮和總皂苷含量測定

1.3.1.1 總黃酮標準曲線

參考Xu等[16,17]的方法制備蘆丁標準曲線。精密量取蘆丁對照品溶液(0.2 mg/mL)1、2、3、4、5、6 mL，分別置25 mL量瓶中，各補加水至6 mL，加5%亞硝酸鈉溶液1 mL，混勻放置6 min后，加10%硝酸鋁溶液1 mL，搖勻，并放置6 min后，加氫氧化鈉試液10 mL，再補加水至刻度，搖勻放置15 min，對照空白溶液在500 nm波長處測定吸光度。以蘆丁標準品濃度為橫坐標，以吸光度為縱坐標，得到標準品溶液濃度(X，mg/mL)與吸光度(Y)的線性回歸方程Y=10.116X-0.014 4(R2=0.999 9)，結果表明蘆丁標準品溶液在0.016 3～0.081 4 mg/mL內具有良好的線性關系。

圖1 蘆丁標準品溶液的標準曲線Fig.1 Standard curve of rutin solution

1.3.1.2 總皂苷標準曲線

參考2015版中國藥典[1]麥冬項下方法制作魯斯可皂苷元標準曲線。精密量取魯斯可皂苷元對照品溶液(50 μg/mL)0.5、l、2、3、4、5和6 mL，分別置具塞試管中于水浴下揮干溶劑，加人高氯酸10 mL，搖勻，置熱水中保溫15 min，冷卻后對照空白溶液，在397 nm波長處測定吸光度。以魯斯可皂苷元標準品濃度為橫坐標，以吸光度為縱坐標，得到標準品溶液濃度(X，mg/mL)與吸光度(Y)的線性回歸方程Y=0.016X-0.006 6(R2=0.999 3)，結果表明魯斯可皂苷元標準品溶液在2.5～30 μg/mL內具有良好的線性關系。

圖2 魯斯可皂苷元標準品溶液的標準曲線Fig.2 Standard curve of ruscogenin standard solution

1.3.2 提取工藝優化

1.3.2.1 浸膏得率及提取率測定

麥冬須根浸膏得率和黃酮(或皂苷)的得率采用公式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中：C為提取液中黃酮(或皂苷)的濃度，mg/mL；V為提取液的體積，mL；M1為浸膏質量，g；M2為麥冬須根樣品的質量，g。

1.3.2.2 單因素試驗

以黃酮和皂苷總得率為指標，對乙醇濃度、料液比、提取時間和提取次數四個因素進行考察，為后面響應面法優化工藝確定各參數范圍。根據前期預實驗結果，在固定其余參數情況下，考察了乙醇濃度：0%、20%、40%、60%、80%和100%；料液比(質量比體積)：1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15和1∶20；提取時間：0.5、1、1.5、2和2.5 h；提取次數：1、2、3、4和5次。

1.3.2.3 響應面優化試驗

以單因素試驗結果為基礎，采用Design Expert V8.0.6.1軟件，以皂苷和黃酮的總得率為響應值，以乙醇濃度、液料比、提取時間和提取次數為因素，進行響應面優化以便篩選最優提取條件。試驗設計因素水平見表1。在獲得最佳工藝條件后，結合實際應用修正工藝參數并進行三次驗證試驗。

表1 響應面試驗設計因素水平表

1.3.3 大孔樹脂富集

1.3.3.1 樹脂篩選

取提取液，加入等體積無水乙醇，渦旋混勻，10 000 rpm離心30 min，取上清液旋至無醇味，加水溶解并通過0.45 μm濾膜過濾，即為上樣液。

分別稱取按說明書預處理后的9種大孔樹脂各2 g，置于100 mL具塞錐形瓶中，加入30 mL上樣液，于恒溫搖床(25 ℃，180 rpm)振蕩吸附12 h，取出濾液，測定濾液中黃酮和皂苷的含量，并按照公式(3)計算吸附率。將充分吸附后的9種樹脂分別置于100 mL具塞錐形瓶中，各加入30 mL無水乙醇，于恒溫搖床(25 ℃，180 rpm)振蕩解析12 h，取出濾液，測定濾液中黃酮和皂苷的含量，并按照公式(4)計算解吸率。

(3)

(4)

式中：C0為起始樣品液中皂苷(或黃酮)質量濃度，mg/mL；C1為吸附12 h后濾液中皂苷(或黃酮)質量濃度，mg/mL；C2為解吸液中總皂苷(總黃酮)質量濃度，mg/mL；V1為樣品液體積，mL；V2為解吸液體積，mL。

1.3.3.2 最優洗脫劑體積分數摸索

取預處理好的大孔樹脂10 g，濕法裝柱，蒸餾水洗至無色，再分別用10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%的乙醇溶液洗脫，流速為3.0 mL/min，洗脫體積為6個柱床體積(BV)，收集洗脫液，測定其總黃酮和總皂苷含量，計算解吸率，篩選最優洗脫劑體積分數。

1.3.3.3 總皂苷和總黃酮的富集

稱取預處理好的大孔樹脂10、20和50 g，濕法裝柱，上樣吸附至飽和，蒸餾水洗至無色，再按上述最佳洗脫條件進行洗脫，收集洗脫液測定總黃酮和總皂苷含量，并計算純度和回收率，驗證工藝效果和穩定性。

(5)

(6)

式中：C1為富集前黃酮(或皂苷)質量濃度，mg/mL；V1為富集前溶液體積，mL；C2為富集后總黃酮(或總皂苷)質量濃度，mg/mL；V2為富集后定容體積，mL；M為富集后樣品質量，g。

1.3.4 數據處理

所有試驗均重復三次，采用Excel 2010、SPSS 20.0和Design Expert 8.0.6軟件對數據進行處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 乙醇濃度對黃酮和皂苷總得率的影響

當乙醇濃度在0～80%時，麥冬須根中黃酮和皂苷總得率隨乙醇濃度的增大而增加(圖3)。當乙醇濃度繼續增加后，總得率反而降低，這可能是因為乙醇濃度過大，會使部分醇溶性雜質、色素、親脂性強的成分溶出量增加，影響黃酮和皂苷的總提取效率。方差分析結果表明，60%與80%、100%之間沒有顯著性差異，其余各水平之間均有顯著性差異。因此，選擇乙醇濃度70%、80%、90%為響應面設計的三個水平。

圖3 乙醇濃度對皂苷和黃酮總得率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on the total yield of saponins and flavonoids 注：料液比1∶20;提取1 h;提取1次。Note:Solid-liquid ratio is 1∶20;Extraction time is 1 h;Extraction times is one time.

圖4 料液比對皂苷和黃酮總得率的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on the total yield of saponins and flavonoids 注：乙醇濃度為100%;提取1 h;提取1次。Note:Ethanol concentration is 100%;Extraction time is 1 h;Extraction times is one time.

2.1.2 料液比對黃酮和皂苷總得率的影響

由圖4可知，隨著溶劑體積的增加，麥冬須根中黃酮和皂苷總得率逐漸升高，當料液比達到1∶12(g/mL)時，其總得率趨于平衡，再增加溶劑體積，黃酮和皂苷的得率變化不大。方差分析結果表明，料液比1∶12與1∶15、1∶20之間，1∶15與1∶20之間沒有顯著性差異，其余各水平均有顯著性差異。因此，選擇料液比1∶10、1∶12、1∶15(g/mL)為響應面設計的三個水平。

2.1.3 提取時間對黃酮和皂苷總得率的影響

由圖5可知，隨著熱回流時間的增加，黃酮和皂苷總得率呈現先升后降的趨勢，當提取時間達到1.5 h時，其總得率最高，但隨著時間的延長，黃酮和皂苷類物質穩定性變差，會導致得率降低。方差分析結果表明，0.5 h與1 h之間，1.5 h與2 h、2.5 h之間，2 h與2.5 h之間沒有顯著性差異，其余各水平均有顯著性差異。因此，選擇熱提取時間為1、1.5、2 h為響應面設計的三個水平。

圖5 提取時間對皂苷和黃酮總得率的影響Fig.5 Effect of extraction time on the total yield of saponins and flavonoids注：乙醇濃度為100%;料液比1∶10;提取1次。 Note:Ethanol concentration is 100%;Solid-liquid ratio is 1∶10;Extraction times is one time.

圖6 提取次數對皂苷和黃酮總得率的影響Fig.6 Effect of extraction times on the total yield of saponins and flavonoids 注：乙醇濃度為100%;料液比1∶10;提取1 h。Note:Ethanol concentration is 100%;Solid-liquid ratio is 1∶10;Extraction time is 1 h.

2.1.4 提取次數對黃酮和皂苷總得率的影響

由圖6可知，隨著提取次數的增加，黃酮和皂苷總得率逐漸升高。方差分析結果表明，2、3、4、5次之間均沒有顯著性差異，1次與2、3、4、5次之間均有顯著性差異，說明次數為2時，其總得率趨于平衡，再增加提取次數，其總得率沒有顯著性增加。因此，選擇提取次數1、2、3次為響應面設計的三個水平。

2.2 麥冬須根總黃酮和總皂苷提取工藝優化

2.2.1 響應面試驗結果

在單因素試驗基礎上，以乙醇濃度(A)、料液比(B)、提取時間(C)和提取次數(D)為因素，以皂苷和黃酮的總得率為響應值，設計四因素三水平響應面試驗，共計29組試驗點，響應面試驗設計和結果見表2。

表2 響應面試驗設計方案與試驗結果

利用Design-Expert V8.0.6.1軟件對表2中數據進行二次多元回歸擬合，得到總得率Y與A、B、C、D二次多項式回歸方程為Y=2.18+0.12A+0.062B+0.017C+0.16D+0.054AB+0.045AC+0.067AD-0.074BC-0.020BD+0.01CD-0.21A2-0.033B2-0.066C2-0.060D2。

對表2中的試驗結果進行統計分析，所得方差分析結果見表3。結果表明，該模型極顯著(P<0.01)，其中R2=0.9485，表明模型響應值變化的94.85%來自考察的變量。回歸方程失擬項F=4.05，P=0.095 1>0.05，失擬項不顯著，說明該方程對試驗擬合情況好，誤差小，表明應用響應面法優化麥冬須根中總皂苷和總黃酮的提取工藝是可行的。由F值可知，各因素對皂苷和黃酮總得率影響大小順序為提取次數(D)>乙醇濃度(A)>液料比(B)>提取時間(C)，且一次項A、B、D對總含量的影響極顯著，C影響不顯著；二次項中A2對總含量影響極顯著，C2、D2影響顯著，其余不顯著；交互項中AD、BC對總含量影響顯著，其余不顯著。

表3 模型方差分析結果

2.2.2 響應面各因素交互作用分析

通過Design-Expert V8.0.6.1軟件處理，得到兩因素間的交互作用響應面分析圖，見圖7～12。響應面坡度越陡峭，說明響應值對于該因素的改變越敏感，而曲面坡度越平滑，該因素對響應值的影響也就越小。圖7、8、11、12曲面較平滑，說明該兩因素之間交互作用影響不顯著。圖9和圖10的響應面坡度陡峭，說明該兩因素之間交互作用影響顯著，該結果與表3分析結果一致。

圖7 乙醇濃度(A)和料液比(B)對麥冬須根中黃酮和皂苷總得率影響的等高線和響應面圖Fig.7 Contour map and response surface plots showing the mutual effects of different ethanol concentration (A) and solid-liquid ratio (B) on the total yield of saponins and flavonoids

圖8 乙醇濃度(A)和提取時間(C)對麥冬須根中黃酮和皂苷總得率影響的等高線和響應面圖Fig.8 Contour map and response surface plot showing the mutual effects of different ethanol concentration (A) and extraction time (C) on the total yield of saponins and flavonoids

圖9 乙醇濃度(A)和提取次數(D)對麥冬須根中黃酮和皂苷總得率影響的等高線和響應面圖Fig.9 Contour map and response surface plots showing the mutual effects of different ethanol concentration (A) and extraction times (D) on the total yield of saponins and flavonoids

圖10 料液比(B)和提取時間(C)對麥冬須根中黃酮和皂苷總得率影響的等高線和響應面圖Fig.10 Contour map and response surface plots showing the mutual effects of different solid-liquid ratio (B) and extraction time (C) on the total yield of saponins and flavonoids

圖11 料液比(B)和提取次數(D)對麥冬須根中黃酮和皂苷總得率影響的等高線和響應面圖Fig.11 Contour map and response surface plots showing the mutual effects of different solid-liquid ratio (B) and extraction times (D) on the total yield of saponins and flavonoids

圖12 提取時間(C)和提取次數(D)對麥冬須根中黃酮和皂苷總含量提取的影響Fig.12 Contour map and response surface plots showing the mutual effects of different extraction time (B) and extraction times (D) on the total yield of saponins and flavonoids

2.3 最佳提取工藝條件的驗證試驗

由試驗和分析數據預測，熱回流提取麥冬須根中總皂苷和總黃酮最佳條件為：乙醇濃度為85.372%，料液比1∶15，提取1.4 h，提取3次，此條件下皂苷和黃酮總含量2.35%。這里需要注意一個問題，3次提取次數與單因素實驗結果(2次)不一致，這主要是因為單因素實驗限定了其它參數范圍，沒有考慮相互作用。實驗最終結果2.35%也高于單因素實驗的最高結果2.27%，說明響應面優化更有效。

按照優化工藝條件，結合實際應用，將熱回流最佳參數修正為：乙醇濃度為86%、料液比1∶15、提取1.4 h、提取3次，實驗結果見表4。浸膏得率為26.17%，總黃酮和總皂苷平均得率分別為0.46%和1.95%，總得率為2.41%，相對標準偏差為1.90%，與理論預測值2.35%的偏差為2.60%，小于5%，說明建立的模型預測性良好，優選的工藝穩定可行。

表4 驗證試驗結果

2.4 大孔吸附樹脂的篩選

對9種樹脂進行靜態吸附和解吸試驗結果見表5。在吸附率上，D101、AB-8和H103排名前三，這三種樹脂對黃酮和皂苷均表現很好的吸附效果；而在洗脫過程中，D101型樹脂對黃酮和皂苷均表現出很好的解吸效果。綜合吸附率與解吸率兩項指標，本研究選用D101大孔樹脂富集純化麥冬須根中的黃酮和皂苷。

2.5 大孔樹脂富集結果

2.5.1 洗脫劑濃度

圖13所示，隨著乙醇體積分數的增加，D101大孔樹脂對黃酮和皂苷解吸率逐漸增加，當乙醇體積分數達到70%時，解吸率達到最高。繼續增加乙醇體積分數，解吸率趨于平衡。由于洗脫劑對黃酮和皂苷類化合物的解吸效果基本具有一致性，所以不易通過分段洗脫分別收集總皂苷和總黃酮部分，故選取最優洗脫劑乙醇體積分數為70%。

表5 9種大孔吸附樹脂靜態吸附和解吸率

圖13 洗脫劑濃度對解吸率的影響Fig.13 Effect of eluent concentration on desorption ratio

2.5.2 富集工藝放大驗證

選取D101大孔樹脂，濕法裝柱，蒸餾水洗至無色，再以70%乙醇溶液洗脫，流速為2.0 mL/min，洗脫體積5 BV。結果表明，經過不同樹脂量的大孔樹脂柱富集后，黃酮和皂苷純度達到12.18%和45.74%，相對于提取液(黃酮純度1.77%，皂苷純度4.85%)分別提高了約7倍和9倍，回收率也分別達到了88.69%和90.28%，說明D101富集結果穩定可行。

表6 富集工藝試驗結果

3 結論與討論

Yin等[18]、Chen等[19]報道了麥冬塊根中總黃酮提取率為0.13%和0.23%，Li等[14]報道總皂苷提取率為0.23%，這些文獻僅考察了單一組分的提取，并沒有考察同時提取黃酮和皂苷，目前也無文獻報道川麥冬須根中這兩種組分的提取工藝。本實驗首次對川麥冬須根的總黃酮和總皂苷提取工藝進行研究，在單因素試驗基礎上，采用響應面法對麥冬須根中總黃酮和總皂苷的提取工藝進行了優化，確定最佳提取工藝條件為：乙醇體積分數86%、料液比1∶15、提取1.4 h、提取3次。在此條件下，總黃酮得率0.46%，總皂苷得率1.95%，結果均優于上述文獻。

大孔樹脂對活性成分的富集和分離有較好的效果，可同時針對不同類型化合物的分離[20]。本試驗中的總黃酮和總皂苷具有洗脫一致性而不易分開，該結果在一些文獻中也有報道[21]，這可能與大孔樹脂品種及樣品差異有很大關系。本試驗通過比較9種不同型號大孔樹脂對麥冬須根黃酮和皂苷的靜態吸附和解析性能，選擇D101大孔樹脂作為富集樹脂，洗脫劑為70%乙醇、洗脫流速為2 mL/min、洗脫劑用量5 BV。富集后總黃酮和總皂苷回收率達到88.69%和90.28%，純度相比浸膏分別提升7倍和9倍。利用這套參數，實驗組在后續的30 kg級別的中試上也取得了相似的結果，顯示該工藝對川麥冬須根中最具價值的黃酮和皂苷類有效組分的提取富集效果，操作簡單且穩定性好，適用于產業化生產，對于川麥冬須根這一新食品資源的開發利用提供了重要的有效途徑。