超聲輔助膜組合技術探索絞股藍總皂苷部位的分離機制與精制模式

李存玉，鄒雨岑，馬 莉，侍 言，許啟龍，彭國平*

超聲輔助膜組合技術探索絞股藍總皂苷部位的分離機制與精制模式

李存玉1, 2，鄒雨岑1#，馬 莉1，侍 言1，許啟龍1，彭國平1, 2*

1. 南京中醫藥大學藥學院，江蘇 南京 210023 2. 江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心，江蘇 南京 210023

基于超聲與膜分離技術，探索絞股藍總皂苷的分離機制與精制模式。以總蛋白、多糖、絞股藍總皂苷、絞股藍皂苷A、蘆丁為指標進行綜合評價，微濾-納濾聯用預處理去除大分子并濃縮藥液，采用Box-Behnken中心組合設計，明確膜孔徑、超聲功率、pH值對皂苷及黃酮類成分超濾分離行為的差異性，探討分離機制，設定分離目標，構建絞股藍總皂苷部位的精制模式。微濾和納濾組合預處理水提取液，可大幅度去除多糖和蛋白，提高濃縮液中總皂苷濃度；超聲功率可以調控絞股藍皂苷膠束狀態，溶液堿化，促進包裹或嵌合在膠束中的蘆丁溶出，構建了超聲輔助超濾的絞股藍總皂苷精制模式，皂苷類成分總轉移率79.7%，其他考察成分均低于6%。成分存在狀態與分離行為直接相關，以溶液環境和超聲輔助調控皂苷締合狀態，構建精制模式，為中藥皂苷類成分的常溫化精制提供技術支撐。

皂苷；絞股藍；膜分離；超聲；蘆丁；多糖；蛋白；精制；絞股藍皂苷A；微濾；納濾；Box-Behnken中心組合設計；轉移率

絞股藍始載于《救荒本草》，來源于葫蘆科絞股藍屬植物絞股藍(Thunb.) Makino的全草，具有健脾安神、補氣生津等功效，其中絞股藍皂苷具有抗腫瘤、保護心腦血管、保肝和抗氧化等功效，故有“南方人參”之稱[1-5]。絞股藍藥材富含皂苷、黃酮、氨基酸等成分，采用溶劑提取、樹脂富集的模式精制皂苷類成分，存在溶劑污染、分離周期長、熱轉化等技術瓶頸[6-7]。

膜分離技術分為微濾、超濾、納濾和反滲透，通過跨膜壓力差，依靠孔徑、電荷等參數實現精制分離，具有常溫操作、分離效率高等技術優勢[8-10]。同時，皂苷類成分多具有類表面活性，在達到臨界膠束濃度時，通過分子間締合形成膠束[11]，膠束大小、物化性質等參數與其他類成分由明顯區別，通過調控成分狀態，放大差異，采用膜分離技術精制絞股藍總皂苷，存在理論可行性，但科研探索尚處于初始階段。本實驗采用膜組合與超聲耦合，動態調控皂苷膠束狀態，以絞股藍總皂苷、絞股藍皂苷A為指標，定向去除多糖、蛋白、黃酮等小分子成分，優化分離參數，構建絞股藍總皂苷部位的精制分離模式。

1 儀器與材料

Waters e2695高效液相色譜儀，PDA檢測器，美國Waters公司；1812型Fogmachine膜分離設備，南京拓鉒醫藥科技有限公司；MS105十萬分之一電子天平，瑞士Mettler Toledo集團；T6紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；GQ150管式離心機，宜興市華鼎機械有限公司；KH-250B型超聲波清洗器，昆山禾創超聲儀器有限公司；PB-10型pH計，德國Sartorius公司。

絞股藍購自安徽亳州市藥材市場，產地陜西平利，批號20190601，經南京中醫藥大學藥學院嚴輝副教授鑒定為葫蘆科植物絞股藍(Thunb.) Makino；對照品絞股藍皂苷A（批號jbz0622，質量分數≥98%），南京金益柏生物科技有限公司；-無水葡萄糖（批號110833-201406，質量分數99.9%）、蘆丁（批號100080-201409，質量分數≥91.9%），中國食品藥品檢定研究院；BCA蛋白含量檢測試劑盒，江蘇凱基生物技術股份有限公司；乙腈、甲醇為色譜純，乙醇、硫酸、苯酚為分析純，水為純化水。膜組件規格參數見表1，星達（泰州）膜科技有限公司。

表1 膜組件規格參數

2 方法與結果

2.1 溶液制備

2.1.1 絞股藍提取液 稱取絞股藍飲片50 kg，加入15倍純化水提取2次，提取時間為1.5 h，濾液采用管式離心（15 000 r/min）去除不溶物，制得絞股藍水提液。

2.1.2 絞股藍皂苷A對照品溶液 精密稱取干燥至恒定質量的絞股藍皂苷A對照品4.99 mg置于10 mL量瓶中，甲醇稀釋至刻度，得質量濃度為0.499 mg/mL的絞股藍皂苷A對照品溶液。

2.1.3 蘆丁對照品溶液 精密稱取干燥至恒定質量的蘆丁對照品2.10 mg置于10 mL量瓶中，甲醇稀釋至刻度，得質量濃度為0.210 mg/mL的蘆丁對照品溶液。

2.1.4 葡萄糖對照品溶液 精密稱取干燥至恒定質量的-無水葡萄糖5.00 mg置于10 mL量瓶中，純化水稀釋至刻度，得質量濃度為0.500 mg/mL的葡萄糖對照品溶液。

2.2 微濾-納濾預處理

取孔徑為0.1 μm微濾膜置于膜分離設備中，控制跨膜壓力差低于0.1 MPa，采用純化水循環清洗，取截留端及濾液端溶液。采用經過三點校正（pH 4.01、6.86、9.18緩沖液）的pH計測定截留端及濾液端溶液至顯示中性（pH 7.0±0.1），排空膜組件及管道中殘留純化水。將絞股藍水提取置于儲液罐中，調節跨膜壓力差在0.05～0.10 MPa，將截留端與進液端置于儲液罐中，收集濾液端溶液，待儲液罐中溶液體積無法維持分離時，儲液罐中加入純化水，待濾液端收集溶液達到原體積時，即完成微濾分離。

為了去除絞股藍微濾液中小分子類成分，并進一步提高絞股藍總皂苷濃度，調控溶液中膠束狀態，選擇孔徑W600～800的納濾膜進行分離，調節跨膜壓力差在1.0～1.5 MPa，將截留端和進液端置于儲液罐中，對絞股藍微濾液進行納濾分離，待納濾濃縮液體積降至原體積1/3處時，采用純化水補足體積至原體積，繼續納濾分離，重復操作3次，待濃縮液體積降至原體積1/3時，停止納濾，收集納濾濃縮液。

2.3 超濾精制分離

通過微濾-納濾預處理，提升絞股藍皂苷濃度促進膠束形成。選擇超濾膜置于膜組件系統中，將2.0 L納濾濃縮液置于儲液罐中，調節超聲波功率、跨膜壓力差≤0.1 MPa，將截留端與進液端置于儲液罐中，收集超濾液端溶液，待儲液罐中溶液體積無法維持分離時，儲液罐中加入純化水，待濾液端收集溶液達到2.0 L時，即完成超濾分離。

單因素考察過程中，超濾膜孔徑為截留W1000、5000、10 000、30 000、50 000；超聲功率0、100、200、300、400、500、600 W、溶液pH值4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，其中固定操作參數為超濾膜孔徑截留W5000、超聲功率100 W，pH值5.0。

為了純化絞股藍總皂苷，通過超聲調控溶液中膠束締合狀態，以絞股藍皂苷A、蘆丁、總蛋白轉移率為指標，結合膜通量參數，采用Design-Expert 8.06軟件，分析超濾膜孔徑（A，以截留W表示）、超聲功率（B）、pH值（C）參數對分離精制效率的影響，實驗方案見表2。

2.4 指標檢測

2.4.1 總蛋白 參照BCA蛋白質濃度測定試劑盒操作規程[12]，測定待測樣品中蛋白質量濃度，評價分離參數對蛋白質分離效果。

表2 超濾分離因素與水平

2.4.2 多糖 根據硫酸-蒽酮法[13]，精密量取葡萄糖對照品溶液0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 mL置于100 mL量瓶中，純化水稀釋至刻度，搖勻。精密吸取系列質量濃度葡萄糖溶液2 mL于10 mL具塞刻度試管中，各加入6 mL硫酸蒽酮溶液，搖勻，迅速置于冰水浴中冷卻，然后置沸水浴中加熱10 min后，再在冷水浴中冷卻。于620 nm測吸光度（）值，以葡萄糖質量濃度（）為橫坐標，值為縱坐標進行線性回歸分析，繪制葡萄糖質量濃度與值標準曲線為＝0.014 4－0.000 2，2＝0.999 7，結果表明葡萄糖在10.00～25.00 mg/mL與值線性關系良好。該方法的精密度、重復性及加樣回收率均符合要求，供試品溶液在24 h內穩定性良好。

2.4.3 絞股藍總皂苷 參考文獻中檢測方法[14]，以吸光度值為縱坐標（），絞股藍皂苷A的質量濃度為橫坐標（）進行線性回歸，得回歸方程為＝4.308 6－0.088 3，2＝0.999 6，結果表明絞股藍皂苷A在0.06～0.21 mg/mL與值線性關系良好。該方法精密度、重復性及加樣回收率均符合要求，供試品溶液在24 h內穩定性良好。

2.4.4 絞股藍皂苷A 參考文獻中色譜條件[15]，精密吸取絞股藍皂苷A對照品溶液1、2、5、10、20、50 μL，高效液相色譜儀檢測，以峰面積為縱坐標（1），對照品進樣量為橫坐標（1），繪制標準曲線，進行線性回歸，得回歸方程為1＝601 7281－ 35 681，2＝0.998 6，結果表明絞股藍皂苷A在0.25～12.50 μg線性關系良好。該方法精密度、重復性及加樣回收率均符合要求，供試品溶液在24 h內穩定性良好。

2.4.5 蘆丁 參考文獻中色譜條件[16]，精密吸取蘆丁對照品溶液0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mL分別置于5 mL量瓶中，甲醇定容至刻度，高效液相色譜儀檢測，以峰面積為縱坐標（2），對照品溶液質量濃度為橫坐標（2），進行線性回歸，得線性回歸方程為2＝15.722＋24.89，2＝0.999 3，結果表明蘆丁在4.2～84.0 μg/mL線性關系良好。該方法精密度、重復性及加樣回收率均符合要求，供試品溶液在24 h內穩定性良好。

2.4.6 轉移率計算 根據高效液相色譜法、分光光度法、試劑盒中操作規程，檢測并采用標準曲線計算待樣品中指標質量濃度，結合分離前后體積參數，分別計算轉移率（T）、總轉移率（T）。

T＝11/22

T＝T1T2…T

T1為步驟1的成分轉移率，T為步驟的成分轉移率，1和1為微濾液、納濾濃縮液、超濾液中待測指標的質量濃度和體積，2和2分別為微濾、納濾、超濾原液中待測指標質量濃度和體積。

超濾透過率采用轉移率公式計算。

2.5 微濾-納濾前處理對成分的影響

借助微濾與納濾分離優勢，指標性成分轉移率見表3，分析發現微濾可以高效去除絞股藍提取液中的蛋白與多糖，同時絞股藍中皂苷、黃酮均可以透過微濾膜。基于納濾分離的電荷排斥及孔徑篩分原理，大分子蛋白較好的保存在濃縮液中，而多糖轉移率下降，推測是小分子單糖、二糖、寡糖等容易透過納濾膜孔，皂苷類成分得到較好的保留，黃酮類代表成分蘆丁損失17.6%。

2.6 考察因素對指標性成分的影響

2.6.1 超濾膜孔徑選擇 如表4所示，在膜孔徑為截留W5000～10 000，絞股藍濃縮液中5種指標性成分透過率出現明顯轉折。經過微濾-納濾前處理后，溶液中的蛋白和多糖均屬于大分子類化合物，在系列孔徑超濾膜中呈現出透過率緩慢上升的趨勢。而絞股藍皂苷類成分與蘆丁在膜孔徑為截留W1000、5000時，呈現出的透過率差異，主要由孔徑篩分效應引起的[17]，也為絞股藍濃縮液中黃酮與皂苷類成分的拆分提供了理論可行性。

表3 微濾-納濾前處理對絞股藍中指標性成分轉移率的影響

表4 超濾膜孔徑對成分透過率的影響

表5 超聲功率對成分透過率的影響

2.6.2 超聲功率考察 對比表5中超聲功率對絞股藍中成分的影響，其中絞股藍總皂苷及絞股藍皂苷A透過率與超聲功率具有明顯相關性，當功率高于200 W時絞股藍皂苷透過率呈現出升高趨勢，達到400 W后趨于穩定。同時，蘆丁出現相似分離行為。通過超聲處理，水溶液中的絞股藍皂苷類成分存在狀態發生改變，因單分子及低分子態皂苷比例增加，吸附在或嵌合在絞股藍皂苷膠束中的黃酮類成分蘆丁逐步釋放至溶液中，容易通過超濾膜，引起透過率升高。

2.6.3 pH值考察 通過改變溶液酸堿度，調節黃酮類成分存在狀態，進一步放大黃酮類成分與皂苷類成分的分離差異。分析表6中數據，pH值未對皂苷、蛋白和多糖的膜分離行為產生明顯影響，而蘆丁呈現透過率逐步升高的規律，是由于黃酮類成分在溶液中逐步離子化，降低成分表面能，以及與膜分離層的界面效應。蘆丁W為610.52，pKa為6.17，當溶液中pH 8.0時，蘆丁主要以離子態形式存在，理論上可以通過孔徑為截留W5000的超濾膜，但透過率僅為71.4%，但仍有接近30%的蘆丁未解離至溶液中，而難以通過超濾膜。

表6 pH值對成分透過率的影響

2.7 響應面法分離參數優化及顯著性分析

基于單因素對指標性成分分離的影響，在截留W1000～10 000超濾膜中多糖、蛋白的透過行為相對穩定，同時絞股藍皂苷A與絞股藍總皂苷的分離行為相似，選擇絞股藍皂苷A和蘆丁為指標進行參數優化。采用Design-Expert 8.06軟件中Box- Benhnken中心組合設計原理，試驗設計及結果見表7，方差分析見表8。

表7 超聲輔助超濾的響應曲面設計與結果

表8 響應曲面二次回歸模型的方差分析

對表8中絞股藍皂苷A及蘆丁的數學模型進行方差分析，其中所考察因素中膜孔徑、超聲功率對絞股藍皂苷A分離行為影響顯著，溶液pH值并不會引起絞股藍皂苷膠束狀態變化，對分離行為未產生顯著影響。

絞股藍皂苷A透過率與考察變量的回歸方程為絞股藍皂苷A透過率＝38.46＋36.97 A＋4.82 B－1.34 C－0.95 AB＋0.22 AC－6.83 BC＋15.37 A2＋0.49 B2－1.41 C2。回歸方程模型＜0.000 1，模型高度顯著，失擬項＝0.358 1，說明所構建的2次回歸模型成立。多元相關系數2＝0.998 4，預測2＝0.986 0，調整2＝0.996 4，說明該模型可用于絞股藍皂苷A的超濾分離行為預測與分析。

膜孔徑、超聲功率、pH值均對蘆丁超濾分離有顯著影響，蘆丁透過率與考察變量的回歸方程為蘆丁透過率＝96.70＋6.81 A＋3.61 B＋3.89 C－2.01 AB－3.49 AC－0.20 BC－6.48 A2－1.87 B2－2.99 C2，2次回歸模型＝0.000 2，模型高度顯著，失擬項不顯著（＝0.876 7），說明所構建的2次回歸模型成立。多元相關系數2＝0.966 2，預測2＝0.976 7，調整2＝0.922 7，說明該模型可用于蘆丁的超濾分離行為預測與分析。

2.8 絞股藍皂苷與黃酮類成分的分離機制

分析考察因素與絞股藍皂苷A的等位線圖（圖1），膜孔徑為截留W3000時，隨著超聲功率的增加，絞股藍皂苷A透過率升高趨勢明顯，而隨著孔徑增加，此現象并未加劇。說明締合成膠束狀態存在的絞股藍皂苷，在相應超聲功率作用下引起的空化和湍流效應[18]，溶液中單分子態、低分子締合態比例增加，但仍是高分子膠束為主要狀態。

對比蘆丁的等位線圖（圖2），膜孔徑、超聲功率、pH值均對其透過率成正相關。當超聲功率為400 W，pH值8.0時，蘆丁在孔徑截留W1000超濾膜中的透過率大于90%。而在pH值單因素考察時，截留W5000超濾膜中的透過率僅為71.4%。同時，超聲功率、pH值對大分子蛋白、多糖的分離未產生明顯影響，綜合分析發現在超聲功率和pH值協同作用下，蘆丁從膠束中脫離并離子化，進而通過超濾膜，從而提高透過率。

圖1 絞股藍皂苷A考察因素相關性等位線圖

圖2 蘆丁考察因素相關性等位線圖

2.9 絞股藍總皂苷部位精制模式

以絞股藍總皂苷為指標，建立去除大分子及以黃酮類成分為代表的小分子成分，設定絞股藍皂苷A透過率90.0%、蘆丁透過率95%為目標值，采用Design-Expert 8.06軟件優選參數為膜孔徑截留W10 000、功率400 W、pH值7.8；同時，以絞股藍皂苷A透過率15.0%、蘆丁透過率90%為目標值，優選參數為膜孔徑截留W1000、功率300 W、pH值7.9。

采用絞股藍提取液進行驗證，步驟1：0.1 μm微濾膜耦合截留W800納濾膜前處理；步驟2：采用上述2步超濾耦合超聲的分離模式進行分離，計算指標性成分的轉移率，結果見表9。通過膜分離與超聲耦合，結合成分物化性質差異進行系統拆分，其中目標成分絞股藍皂苷的總轉移率為79.7%，其他成分的轉移率均低于6%。

分析絞股藍皂苷類成分在精制過程中的含量變化，結果見表9。精制過程中，微濾、截留W10 000超濾環節對總蛋白和多糖含量影響明顯。在精制模式下，固含物從102.18 g下降至22.91 g，除雜率為77.58%。絞股藍總皂苷在固含物中占比由17.40%升高至61.81%，精制效果明顯。

表9 精制模式下的成分轉移率變化(, n = 3)

3 討論

中藥皂苷類成分的分離多采用樹脂吸附、層析色譜等技術，在熱處理、環境污染等方面存在一定的局限性。膜分離多用于溶液體系的預處理、除菌過濾，難以用于復雜體系中成分系統拆分。本實驗根據成分物化性質，通過溶液環境、外加力場調控成分存在狀態，放大成分分離行為差異，通過膜組合技術，構建的皂苷類成分分離模式，總固體除雜率77.58%，絞股藍總皂苷含量提升3倍以上，在總固體中占比61.81%，但其中仍有與皂苷物化性質相似的成分，基于膜分離原理和應用的局限性，尚需進一步與色譜技術結合，進一步提升絞股藍總皂苷純度。

絞股藍總皂苷部位具有較好水溶性，在親水性材質膜組件中吸附行為不明顯。但是在微濾過程中，經離心處理的絞股藍提取液會引起膜污染，膜通量下降明顯，通過控制跨膜壓力差在0.05～0.10 MPa，降低膜面濃差極化效應。同時，微濾分離完成后，采用0.1%氫氧化鈉水溶液清洗，膜通量可以恢復至95%以上，提示多糖、蛋白在膜表面形成的凝膠層為主要污染因素。

中藥皂苷類成分多具有表面活性，在滿足臨界膠束濃度時，通過分子間氫鍵締合形成膠束，以降低分子表面能，提高溶液穩定性。絞股藍提取液中皂苷類成分膠束形成過程，也有黃酮類成分參與其中，本實驗選擇蘆丁為絞股藍黃酮的代表性成分，因水溶性差，容易通過吸附、嵌合或包裹的方式分布于絞股藍皂苷膠束中，基于孔徑篩分原理，以締合態、分子態、離子態的蘆丁呈現出差異性分離行為，采用溶液堿化和超聲處理，促進了締合態向分子態、離子態的轉移，從而改善蘆丁的超濾傳質效率。然而，絞股藍皂苷的膠束締合機制，以及黃酮等其他類成分的參與規律尚不明確，限制了皂苷類成分的精制純化和相應分離技術的應用。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Exploring separation mechanism and refined mode oftotal saponin by ultrasonic assisted membrane combination technique

LI Cun-yu1, 2, ZOU Yu-cen1, MA Li1, SHI Yan1, XU Qi-long1, PENG Guo-ping1, 2

1. College of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization, Nanjing 210023, China

To explore separation mechanism and refined mode oftotal saponin by ultrasonic assisted membrane combination technique.In the experiment, total protein, polysaccharide,total saponin, gypenoside A and rutin were selected as indexes to evaluate comprehensively, microfiltration-nanofiltration pretreatment was used to remove macromolecules and concentrate solution. The differences of separation behavior between saponin and flavonoid were analyzed with Box-Behnken central composite experiment design, which contributed to clarify separation mechanism, set separation goals and establish the refined mode oftotal saponin.Experiments indicated that the polysaccharide and protein can be effectively removed by microfiltration-nanofiltration, while helping to form micelles of saponins in the concentrated solution. Rutin was dissolved from gypenosides micelles by regulating micelle state with ultrasonic power and ionizing with pH value. And then, the ultrasonic-assisted ultrafiltration model was constructed to refinetotal saponin, the total transfer rate of saponins was 79.7%, while other components under investigation were less than 6%.The separation behaviors of membrane were related to molecular state. Takingtotal saponin as an example, the refined mode was established by regulating solution environment and the associative state of saponins, and the results provided references for membrane concentrate for traditional Chinese medicine of saponins at room temperature.

saponin;(Thunb.) Makino; membrane separation; ultrasonic; rutin; polysaccharide; protein; refine; gypenoside A; microfiltration; nanofiltration; Box-Behnken central composite design; transfer rate

R283.6

A

0253 - 2670(2021)01 - 0091 - 08

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.01.012

2020-09-18

國家自然科學基金資助項目（82074006）；國家自然科學基金資助項目（81503258）；2020年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202010315037）

李存玉（1985—），男，博士，副教授，研究方向為中藥制藥。Tel/Fax: (025)86798186 E-mail: licunyuok@163.com

彭國平（1963—），男，博士，教授，博士生導師，主要從事中藥制劑精制及新藥研究。Tel/Fax: (025)86798186 E-mail: guopingpeng@126.com

#共同第一作者：鄒雨岑（1999—），女，本科生，研究方向為中藥資源與開發。Tel: 19805187190 E-mail: 924966594@qq.com

[責任編輯 鄭禮勝]