響應面法優化超聲輔助低共熔溶劑提取山楂總黃酮工藝

羅 蓉，蔡 旭，薛宏坤，唐勁天，周怡伶，周 波，蘇彥奇, ，肖 咪,

（1.華中科技大學協和江北醫院/武漢蔡甸區人民醫院藥劑科，湖北武漢 430000；

2.清華大學工程物理系，北京 100084；3.湖北中醫藥大學藥學院，湖北武漢 430000）

山楂，又名山里果、山里紅等，主要來源于薔薇科植物山里紅Crataegus pinnatifidaBge.var.Major N.E.Br.或山楂Crataegus pinnatifidaBge，分布于全國各地[1-2]。山楂味酸甘，藥食兩用，應用歷史悠久，其果干廣受消費者歡迎，具有消食健胃、行氣散瘀、化濁降脂的功效[3-4]。山楂含有豐富的營養成分、黃酮、有機酸等成分，如維生素C、金絲桃苷、牡荊素、齊墩果酸等活性成分，且安全性與保健價值高，被開發為各種食品、保健品或藥品[5-6]。黃酮類化合物在山楂中含量較高，具有多種生物活性。Liu等[7]研究表明山楂黃酮可通過抗炎作用，減輕Caco-2細胞中TNF-ɑ誘發的腸上皮屏障缺陷，改善腸上皮通透性。Wang等[8]研究表明山楂黃酮可顯著提升銅鋅超氧化物歧化酶與過氧化氫酶的活性、mRNA水平，以減少過氧化物產物MDA產生。Xie等[9]研究表明山楂黃酮可調節FAS、HSL、TGH和SREBP-1c基因表達，以降低血脂濃度，并調節脂質代謝。Zhao等[10]研究發現山楂黃酮可改善H2O2誘導的細胞損傷發揮保護神經的作用。因此，對蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素等山楂總黃酮進行高效的提取，具有良好的開發前景和市場經濟價值。

傳統的提取方法常使用甲醇、乙醇、乙酸乙酯等有機溶劑，普遍存在毒性、易揮發或易燃易爆等安全隱患。由氫鍵受體、氫鍵供體混合組成的低共熔溶劑（Deep eutectic solvents，DESs），具有安全性高、成本低、綠色環保等優勢[11-12]。因此，DESs常作為提取溶媒，用于多糖、黃酮、多酚等天然成分的提取與分離研究。尿素/氯化膽堿（摩爾比3:1）組成的DESs提取玉竹多糖[13]、脯氨酸/乙酰丙酸（摩爾比1:2）組成的DESs提取金蓮花黃酮[14]、氯化膽堿/檸檬酸組成的DESs提取百合多酚[15]等研究表明，DESs具有較好的親和力，可顯著提高多糖、黃酮、多酚等化合物的得率，實現目標成分的高效提取。因此，在食品、藥品及化工等領域，低共熔溶劑應用前景廣闊，經濟價值高。

然而，低共熔溶劑含水量相對較少，黏度較大，提取時間長，效率低，不利于目標成分快速的擴散[16]。超聲的空化作用、機械效應、熱效應等可破壞細胞壁，有利于成分的快速釋放與溶解，常用于中藥提取。基于DESs高親和力的提取優勢，將超聲的破壁特征與DESs聯合使用可高效快速提取中藥成分[17]。因此，本實驗采用超聲輔助低共熔溶劑提取山楂總黃酮，通過響應面法優化得到最佳提取工藝，并利用HPLC分析金絲桃苷、牡荊素、蘆丁、槲皮素活性成分含量，結合山楂總黃酮提取物的抗氧化活性，為高效快速提取山楂總黃酮及其資源開發提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

Ultimate 3000高效液相色譜儀、Spectramax i3x多功能酶標儀、Sorvall ST16R高速冷凍離心機 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；PS-30超聲波清洗儀深圳市潔康洗凈電器有限公司；New Classic ME電子精密天平 瑞士梅特勒-托利多集團；Direct-Q3實驗室超純水機 美國默克集團；FW1000A高速多功能粉碎機 常州市金壇友聯儀器研究所。

1.2 實驗方法

1.2.1 低共熔溶劑的制備 采用加熱攪拌的方法制備低共熔溶劑[18]，制備流程如下：將氫鍵受體與氫鍵供體混合后，加入質量分數為20%的水；在80 ℃條件下，水浴加熱，攪拌至形成穩定、均勻的透明液體，即低共熔溶劑，備用。

1.2.2 山楂總黃酮的提取工藝 取0.5 g山楂粉末，分別加入10 mL不同類型DESs，置于超聲儀中；水浴加熱至60 ℃，功率180 W，超聲20 min后，離心10 min（轉速 4000 r/min）；取 1.0 mL上清液，加 50%甲醇稀釋50倍，即樣品，備用。

1.2.3 低共熔溶劑組分的選擇 分別考察不同DESs提取溶劑對山楂總黃酮得率的影響，不同類型DESs的配制如表1所示，70%甲醇作對照實驗。

表1 不同組分DESs的制備Table 1 Preparation of DESs with different components

1.2.4 單因素實驗 以氯化膽堿和丙三醇分別作為氫鍵受體、氫鍵供體（摩爾比為3:1）、含水量50%、液料比20:1 mL/g、超聲時間10 min、提取溫度60 ℃作為初始提取條件，并依據1.2.2部分提取方法進行試驗。按照摩爾比分別為1:1、2:1、3:1、4:1、5:1，含水量分別為20%、30%、40%、50%、60%，液料比分別為 20、30、40、50 mL/g，超聲時間分別為 10、20、30、40、50 min，提取溫度分別為 50、60、70、80℃進行單因素實驗，考察氫鍵受體與氫鍵供體的摩爾比、低共熔溶劑的含水量、液料比、超聲時間、提取溫度對山楂總黃酮得率的影響。

1.2.5 響應面優化試驗 以單因素實驗結果為基礎，選取液料比、超聲時間、溫度作為考察因素，利用Box-Behnken Design（BBD）設計三因素三水平的響應面優化試驗，共17組試驗，如表2。

表2 響應面因素水平設計Table 2 Factors and levels of response surface methodology

響應面二次回歸模型方程如下：

（1）實驗時間的開放。即學生進入實驗室進行實驗操作、安裝、驗證、設計、制作的時間是自由的。學生除了在計劃的實驗課時內進行實驗外，還可以在其它任何課余時間內進入實驗室，按照自己的想法、設計做實驗。為保證學生有更多的時間去實驗室，學校應調整教學計劃，適當減少理論課時，增加自習課時。

其中，β0為回歸截距；βj、βjj、βij分別為回歸系數；ei為正態隨機誤差。

1.2.6 山楂總黃酮的得率計算

1.2.6.1 標準曲線的制作 精密稱量10.0 mg蘆丁標準品置于10 mL容量瓶中，加入50%甲醇超聲溶解，定容至刻度線，混勻；分別吸取 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL蘆丁標品溶液，轉移至1 mL容量瓶，加50%甲醇定容，制得0.1～0.9 mg/mL的蘆丁標準品溶液。采用亞硝酸鈉-硝酸鋁-氫氧化鈉顯色法測定總黃酮含量[19]，并繪制標準曲線回歸方程，得到回歸方程：y=6.5357x+0.0119（R2=0.9996）。在 0.04 ～0.2 mg/mL濃度范圍內，總黃酮濃度（mg/mL）與吸光度呈現良好的線性關系。。

1.2.6.2 山楂總黃酮的含量測定及得率計算 根據1.2.6.1部分的實驗方法與標準曲線方程，測定總黃酮得率：

式中：N（N=50）為稀釋倍數；C為DESs檢測液中山楂總黃酮濃度，mg/mL；M為山楂粉末質量，mg；V為DESs溶液體積，mL。

1.2.7 蘆丁、牡荊素、金絲桃苷、槲皮素的得率測定配制蘆丁、牡荊素、金絲桃苷、槲皮素標準品溶液，利用HPLC對山楂提取物進行含量測定，以峰面積與濃度為變量繪制標準曲線，并依據式（3）計算山楂提取物中蘆丁、牡荊素、金絲桃苷、槲皮素的得率[2,20]。

式中：N（N=50）為稀釋倍數；C'分別為山楂 DESs檢測液中蘆丁、牡荊素、金絲桃苷、槲皮素濃度，mg/mL；M為山楂粉末質量，mg；V為DESs溶液體積，mL。

HPLC測定山楂總黃酮色譜條件：Kromasil 100-5 C18色譜柱（5 μm，150×4.6 mm）；流動相為乙腈（A）-0.1% 甲酸水溶液（B）；洗脫模式：0～5 min（乙腈：25%），5～10 min（乙腈：25%→50%），15～16 min（乙腈：50%→60%），16～20 min（乙腈：60%），20～21 min（乙腈：60%→25%），21～25 min（乙腈：25%）；流速0.5 mL/min；柱溫 35 ℃；波長 360 nm；進樣量 10 μL。

1.2.8 抗氧化活性測定 將山楂DESs提取后離心的上清液，凍干；取0.5 g山楂DESs提取物經D101大孔吸附樹脂吸附，依次采用1.0 L水、1.0 L 10%甲醇、1.0 L 90%甲醇洗脫。90%甲醇洗脫液合并，凍干，得到山楂提取物。采用DPPH自由基清除率法，山楂DESs提取物、山楂甲醇提取物、維生素C濃度設置為0.1 mg/mL，分析各提取物抗氧化活性[21]。

1.3 數據處理

所有實驗均重復三次，采用Origin 9.0軟件處理實驗數據，結果表示為±s。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 低共熔溶劑組分的選擇 由于低共熔溶劑優越的溶解性，被廣泛用于各種黃酮、多糖、多酚等天然成分的提取，如利用氯化膽堿/乙酰丙酸從紫萍提取到四種黃酮成分[22]、甜菜堿/乙酸提取黃精中抗氧化活性顯著的黃酮類成分[23]、氯化膽堿/甘油從鐵皮石斛中提取分離到兩種新結構多糖[24]、氯化膽堿/1,2-丙二醇提取桑葚花青素[25]。由于氫鍵供體與氫鍵受體類型不同，導致分子間作用強度不同。通過上述因素可調整DESs的物理和化學特性，例如密度、黏度、極性等，從而達到對不同類型物質成分進行提取的效果[16-17]。實驗結果如圖1所示，不同類型DESs溶劑的山楂總黃酮得率具有明顯的差異，其中乙二醇、丙三醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇組的總黃酮得率相對較高。可能原因是，多元醇含有羥基相對較多，極性適中，黏度較小，有利于山楂黃酮成分的擴散與溶出。氯化膽堿/丙三醇的得率最高達6.23%，優于70%甲醇提取的得率5.93%，故選擇氯化膽堿/丙三醇作為提取山楂總黃酮的提取溶媒。

圖1 不同DESs溶劑提取山楂總黃酮的得率Fig.1 Yield of total flavonoids from C.pinnatifida using different DESs

2.1.2 氫鍵受體和氫鍵供體摩爾比的選擇 氫鍵受體和氫鍵供體摩爾比是DESs形成的關鍵因素，還可調節DESs黏度、分子間作用力等，影響目標成分的得率[22-23]。實驗結果如圖2所示，隨著氫鍵供體與氫鍵受體摩爾比的增加，山楂總黃酮的得率呈先增加后略降低的趨勢，最高值為6.37%。原因可能是，當氫鍵供體與氫鍵受體摩爾比小于3:1時，丙三醇可增強DESs內分子間作用力，形成DESs溶液，降低DESs黏度；同時增強溶劑離子對山楂總黃酮的親和力，從而提高山楂總黃酮得率。當氫鍵供體與氫鍵受體比例大于3:1時，DESs中氫鍵受體、離子比例降低，對山楂總黃酮的分子作用力減弱，從而使山楂總黃酮的得率呈下降趨勢[22-23]。故選擇丙三醇與氯化膽堿摩爾比為3:1。

圖2 不同摩爾比DESs溶劑對山楂總黃酮得率的影響Fig.2 Effects of DESs with different molar ratios on the yield of total flavonoids from C.pinnatifida

2.1.3 低共熔溶劑含水量的選擇 由于大多數低共熔溶劑含水量少、黏度較大，阻礙了分子擴散運動，會降低DESs提取效率。因此，通過加入適量的水調整其黏度，可達到更佳的提取效果[24-25]。實驗結果如圖3所示，隨著DESs的含水量的增加，山楂總黃酮的得率呈現先增加后降低的趨勢，最高值為6.57%。原因可能是，當DESs含水量低于50%時，隨著含量水的增加，DESs黏度降低，更容易滲透至植物粉末和細胞內部。因此，山楂黃酮成分可更快更高效地從細胞內向細胞外擴散，提升山楂總黃酮的得率。當DESs含水量超過50%時，水分子破壞了DESs分子間作用力，對山楂總黃酮的分子作用力減弱，使DESs山楂總黃酮的得率呈下降趨勢[24-25]。故氯化膽堿/丙三醇低共熔溶劑的含水量為50%。

圖3 不同含水量DESs對山楂總黃酮得率的影響Fig.3 Effects of DESs with different water content on the yield of total flavonoids from C.pinnatifida

2.1.4 液料比的選擇 在提取工藝優化過程中，液料比是重要的工藝參數，可直接影響工藝的提取效率與生產成本[26-27]。結果如圖4所示，隨著液料比增加，DESs對山楂總黃酮的得率呈現先增加后降低的趨勢，最高得率達6.96%。可能原因是，當液料低于40:1 mL/g時，增加提取溶劑，可使提取提取溶劑更充分的接觸植物粉末和細胞，有利于山楂黃酮成分的擴散與溶出，從而提升山楂總黃酮的得率。當液料比超過40:1 mL/g時，溶劑過多，阻礙了植物粉末和細胞吸收超聲能量，降低了破壁率，使DESs山楂總黃酮的得率呈下降趨勢；同時，會增加多糖、蛋白質、氨基酸等雜質的溶出，加大后期分離提純的工作量[26-27]。故選擇液料比為40:1 mL/g。

圖4 不同液料比對山楂總黃酮得率的影響Fig.4 Effect of liquid-solid ratios on the yield of total flavonoids from C.pinnatifida

2.1.5 超聲時間的選擇 超聲是常用的提取工藝，其提取效率高、時間短、成本低，適用于水、乙醇、低共熔溶劑、雙水相系統等溶劑提取中藥成分[28-29]。結果如圖5所示，隨著超聲時間增加，DESs對山楂總黃酮的得率呈現先大幅增加后緩慢降低的趨勢，最高得率達7.16%。可能原因是，當超聲時間低于20 min時，超聲的空化作用、機械效應、熱效應等可破壞細胞壁，有利于成分的快速擴散與溶出；結合DESs高親和力的提取優勢，可高效快速提取山楂黃酮成分，提升山楂總黃酮得率。當超聲時間超過20 min時，能量消耗較大，可能引起了山楂總黃酮成分的分解，使DESs山楂總黃酮的得率呈下降趨勢[28-29]。故選擇超聲時間為20 min。

圖5 不同超聲時間對山楂總黃酮得率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic time on the yield of total flavonoids from C.pinnatifida

2.1.6 提取溫度的選擇 適當的提取溫度是中藥提取的必要條件，有利于提高中藥提取效率[29-30]。結果如圖6所示，隨著提取溫度增加，山楂總黃酮的得率呈現先大幅增加后基本不變的趨勢，最高為7.26%。可能原因是，當提取溫度低于70 ℃時，溫度升高可降低DESs黏度，加劇提取溶劑、黃酮分子的熱運動，使提取溶劑可更高效的滲透至植物粉末和細胞內部，有利于山楂黃酮成分更高效地擴散與溶出，提升山楂總黃酮得率。當溫度過高超過了70 ℃，破壞了DESs分子間作用力與穩定性，使得山楂黃酮分子溶出率下降。同時，提取溫度過高會破壞山楂黃酮分子結構，導致去成分分解，降低山楂總黃酮的得率[29-30]。故選擇提取溫度為70 ℃。

圖6 不同提取溫度對山楂總黃酮得率的影響Fig.6 Effect of extraction temperature on the yield of total flavonoids from C.pinnatifida

2.2 響應面試驗優化工藝

2.2.1 響應面試驗設計與顯著性分析 響應面試驗結果與回歸模型方差分析見表3～表4，山楂總黃酮得率 y（%）與液料比（A，mL/g）、超聲時間（B，min）、溫度（C，℃）三因素的多項式回歸模型：y=-31.47443+0.604568A+0.50.303487B+0.0.642293C-0.000149AB+0.000346AC-0.001050BC-0.007396A2-0.005375B2-0.004406C2。依據表4分析結果：模型P＜0.0001，說明該模型具有顯著性；P失擬項＞0.05，F失擬項＞0.5，表明模型擬合度良好；模型決定系數R2=0.9889，RAdj2=0.9747，表明該模型相關度較好；三種因素對模型的影響力次序為：液料比＞提取溫度＞超聲時間。

表3 試驗設計及山楂總黃酮得率Table 3 Experimental design and the yield of total flavonoids from C.pinnatifida

表4 方差分析結果Table 4 Results of variance analysis

2.2.2 模型的響應面分析 3D響應面圖的曲線越陡峭，說明該因素對山楂總黃酮的得率影響越大。橢圓形的等高線說明兩因素的交互作用較強，等高線越密集，表明因素對響應值的影響越顯著[25-26]。由圖7a～圖7c可觀察到三因素的坐標軸斜率，結果顯示液料比對山楂總黃酮的得率影響比較大，依次為液料比、提取溫度、超聲時間；影響山楂總黃酮得率的各交互作用因素順序為BC＞AC＞AB；最佳提取工藝為：料液比42.353 mL/g，提取溫度72.109 ℃，超聲時間20.601 min，山楂總黃酮的理論得率為7.609%。

圖7 液料比、超聲時間、提取溫度對山楂總黃酮提取效率的響應面分析圖Fig.7 Response surface analysis of liquid-solid ratio, ultrasonic time and extraction temperature on the extraction efficiency of total flavonoids

2.3 驗證試驗

根據2.2實驗部分的最佳提取工藝，選取液料比42 mL/g，提取溫度72 ℃，超聲時間21 min，并進行3次平行驗證試驗。在上述最佳工藝條件下，山楂總黃酮的實際得率為7.72%，與軟件模擬預測值誤差為1.47%，優于70%甲醇提取的山楂總黃酮得率5.904%。實驗結果驗證了響應面法優化超聲輔助低共熔溶劑提取山楂總黃酮工藝的可行性與模型的有效性，表明低共熔溶劑對山楂黃酮類成分具有更好的親和力、更高效的提取優勢。同冷凝回流輔助DESs提取方法比較[31]，超聲輔助DESs提取的時間僅為21 min，縮短了65%，且溫度低，大幅度提升了提取效率。實驗表明超聲輔助低共熔溶劑對山楂總黃酮具有良好的提取能力，是一種高效快速提取中藥活性成分的方法。

2.4 蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素的得率測定

蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素是山楂總黃酮中含量較高的活性成分，也是山楂總黃酮質量的重要指標成分，具有抗氧化[2]、免疫調節[3]、抗炎[4]等多種生物活性。為進一步驗證DESs提取山楂總黃酮的技術優勢，利用HPLC分析蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素的得率，各成分的標準曲線如表5所示，HPLC圖譜如圖8所示。蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素的得率分別為0.24%、0.33%、0.18%、0.27%，高于甲醇提取蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素的得率分別為0.17%、0.13%、0.18%、0.21%。因此，相對于傳統的醇提法，DESs提取的山楂總黃酮活性成分得率更高，質量更佳。這可能是因為含50%水的丙三醇/氯化膽堿（摩爾比3:1）低共熔溶劑對山楂黃酮類成分具有更好的親和力，從而達到對活性成分進行高效提取的效果。

圖8 甲醇提取液、DESs提取液與牡荊素、蘆丁、金絲桃苷、槲皮素標準品的色譜圖Fig.8 HPLC graphs of methanol extract, DESs extract and rutin, vitexin, hyperoside, quercetin standards

表5 蘆丁、牡荊素、金絲桃苷、槲皮素含量測定標準曲線方程Table 5 Standard curve equation for determination of rutin,vitexin, hyperoside, quercetin

2.5 抗氧化活性

山楂總黃酮具有良好的抗氧化作用，可預防諸多慢性疾病，如癌癥[5]、衰老[6]、心血管疾病[7]等。對山楂DESs提取物、山楂甲醇提取物的抗氧化活性進行了分析，實驗結果顯示（圖9），山楂DESs提取物、山楂甲醇提取物、維生素C的DPPH自由基清除率分別為86%、73%、91%。從抗氧化活性角度出發，進一步表明DESs提取的山楂總黃酮質量優于甲醇提取的山楂總黃酮，驗證了含50%水的丙三醇/氯化膽堿（摩爾比3:1）低共熔溶劑對山楂總黃酮具有較好的提取能力，更好的保留了活性成分。

圖9 不同提取物與VC的DPPH自由基清除率Fig.9 DPPH radical scavenging rate of different extracts and VC

3 結論

DESs作為一種新的綠色提取溶劑，可明顯提高多糖、黃酮、多酚等天然成分的提取率，實現目標成分的高效提取。然而，低共熔溶劑含水量相對較少，黏度較大，提取時間長，效率低，不利于目標成分快速的擴散。本實驗采用超聲輔助低共熔溶劑提取山楂總黃酮，首先設計合成了10種低共熔溶劑，通過單因素實驗，確定了最優提取溶劑，即50%含水量的丙三醇/氯化膽堿（摩爾比為3:1）低共熔溶劑。以提取溫度、液料比及提取時間為變量，山楂總黃酮得率為響應值，利用BBD響應面法優化超聲輔助DESs提取山楂總黃酮的提取工藝。總黃酮含量測定結果顯示，在最佳提取工藝（液料比42 mL/g，提取溫度72 ℃，超聲時間21 min）條件下，山楂總黃酮得率為7.72%，與模擬值誤差為1.46%。蘆丁、金絲桃苷、牡荊素、槲皮素作為山楂主要的活性成分，是山楂提取物質量的重要指標成分。HPLC分析結果顯示，山楂DESs提取液中蘆丁、牡荊素、金絲桃苷、槲皮素的得率分別為0.24%、0.33%、0.18%、0.27%，高于70%甲醇提取物中各化合物的得率。通過DPPH自由基清除實驗，進一步驗證了DESs提取的山楂總黃酮質量優于甲醇提取的山楂總黃酮。本研究從總黃酮得率、指標成分得率、生物活性三個角度表明，超聲波輔助低共熔溶劑可高效快速提取山楂總黃酮，為山楂資源的開發利用提供科學依據。