響應面法優化酶-水連續提取西洋參須根人參皂苷

中圖分類號：R284.2 文獻標志碼：A 文章編號：1002-4026（2025）05-0010-12

Abstract：To optimize theextraction process for ginsenosides from the fibrous rots of American ginseng，the enzymewater methodwas usedforcontinuousextractionof ginsenosides from American ginseng.Thetotal ginsenosides extraction yield was usedas the evaluation index，andtheextraction process wasoptimized using theresponse surface methodology.The results showed that the optimal enzymatic extraction conditions were as follows： ∝ -amylasewithan enzyme concentration of 7.3% ，a liquid/solid ratio of 30mL/g ，and an enzymatic hydrolysis time of 1.2h . After enzymatic hydrolysis，a secondary water extraction was performed，andtheoptimal condions wereas folows：aliquid/solidratioof 27mLg ，an extraction temperature of 89^°C ，and an extraction time of 1.3h . Under these conditions，the total ginsenosides extraction yield reached 16.61% . Since it is stable，simple，and eficient，this method has significantly improved the extractionyieldandavoidedthewasteof resources.Itpartiallfilsagapintheextraction processof total ginsenosides fromthefibrous roots ofAmerican ginsengand providesareferenceforfurtherpurification，refinement，andactivitystudies of total ginsenosides.

Keywords ：American ginseng；fibrous roots；ginsenosides；extraction process；response surface methodology；single factor experiment；ultraviolet spectrophotometry

西洋參（Panax quinquefolium L.）又名花旗參、洋參或西洋人參[1]，是五加科人參屬多年生草本植物，可作藥食兩用。研究表明，西洋參主要成分包括人參皂苷類、多糖類、聚炔類、黃酮類以及有機酸類等1]，其中人參皂苷類成分生物活性顯著，與多種藥理作用密切相關[2]，包括調節免疫系統[3」、心血管系統[4、中樞神經系統[5]，以及治療糖尿病[]、抗氧化[]、抗腫瘤[8]等。盡管在西洋參的研究與應用中多以主根部分作為原材料[9-10]，但研究發現須根化學成分與主根相似，且須根中人參總皂苷含量遠超過主根[1]。目前關于西洋參須根的相關研究主要集中在人參總皂苷的含量測定方面，缺少對總皂苷的提取純化工藝研究[12」。為更好的利用西洋參須根資源，本研究對西洋參須根中人參皂苷類成分的提取工藝進行研究。

目前人參皂苷類成分的提取方法主要包括;水提法[13-14]、浸漬提取法[15]、回流提取法[15]等傳統提取方法，以及微波提取法[16]、超聲波提取法[17]、酶提取法[18]等現代提取方法。其中水提法最為廣泛使用，其綠色環保、廉價易得，但也存在提取過程耗時且效率不高等缺點;酶提取法具有產物高度完整、轉化率極高、操作方法簡單、提取時間短、所需設備簡單、提取產物色澤良好、對環境無污染，且成本相對較低等特點[19]。結合兩種提取方法，互為補充，具有顯著優勢，設備要求低，可以實現大規模生產，能夠顯著提高提取效率[20]。本研究采取酶-水連續提取法，對西洋參須根中人參總皂苷的提取進行工藝優化，旨在為未來的研發及應用提供理論依據和支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

西洋參須根（四年生），采自山東省文登區張家產鎮，經生物科學與技術學院周潔教授鑒定為西洋參（PanaxquinquefoliumL.）的須根;人參皂苷 Rb₁ 對照品：成都曼思特生物科技有限公司； ∝ -淀粉酶：上海麥克林生化科技股份有限公司；木瓜蛋白酶：北京鴻潤寶順科技有限公司;香草醛：國藥集團化學試劑有限公司;冰乙酸、甲醇：均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

加熱磁力攪拌器：HS5C，群安科學儀器（浙江）有限公司;電熱恒溫水浴鍋：HHS，上海博迅實業有限公司;紫外可見分光光度計：UV-9000，上海元析儀器有限公司;電子天平：PX2202ZH，奧豪斯國際貿易（上海）有限公司;旋轉蒸發器：RE-2000Y，鄭州科泰實驗設備有限公司;離心機：TG-16E，BIOBASE 博科控股集團。

1.3 提取工藝流程

將西洋參須根干燥、粉碎，過10～30目篩，得粉末。取 5g 樣品，與酶緩沖液混合，在磁力攪拌器中恒溫攪拌提取。提取結束后，將提取液 100^°C 滅酶 15min ，使用濾布過濾，濾渣加水后繼續在磁力攪拌器中恒溫攪拌提取，過濾，合并濾液， 7000r/min 離心 5min ，取上清液備用。

1.4 實驗方法

1.4.1 總皂苷測定

參考呂世鑫等方法，以人參皂苷 Rb₁ 為對照品，采用香草醛-冰乙酸法測定總皂苷含量，其標準曲線為 Y=4.891X+0.037 R²=0.9966 ，表明在 0.07～0.15mg/mL 質量濃度范圍內線性關系良好。

取提取液 0.1mL ，按上述總皂苷標準曲線制定方法測定吸光度，計算提取液中總皂苷的濃度，西洋參須根中總皂苷提取率 （Y） 計算公式如下：

式中 Y 為總皂苷提取率， %;C 為樣品提取液中總皂苷的質量濃度， mg/mL V 為提取液的總體積， mL F 為稀釋比例; M 為稱取的西洋參須根粉末質量， mg 。

1.4.2 酶解法提取

（1）酶的選擇

取西洋參須根，將其粉碎為10～30目粉末，分別選擇無酶解條件下水提作為對照， ∝ -淀粉酶酶解-水提[7]，木瓜蛋白酶酶解-水提[2I]，在其最佳液料比、酶解溫度、酶解時間、加酶量條件下進行提取（酶解條件見表1），過濾，將濾渣加水進行水提，條件為液料比 10mLg ，提取溫度 80^°C ，提取時間 ^2h ，過濾，分別測定各提取液中總皂苷的提取率。

Table1 Enzymolysis conditions

（2）單因素試驗

先對須根進行酶解，酶解后水提，條件設置如上節水提條件。兩次提取液合并，測定其中總皂苷的提取率，對酶解法進行工藝優化。

加酶量的確定：于液料比 10mL/g ，酶解溫度 85^°C ，反應時長 ^2h 的前提下，分別測定加酶量為 1%.3% ！5%.7%.9% （占西洋參干料質量的百分比）時總皂苷提取率；

酶解溫度的確定：于液料比 10mL/g ，加酶量 7% ，反應時長 ^2h 的前提下，分別測定酶解溫度為75、80、85，90，95^°C 時總皂苷提取率；

液料比的確定：于加酶量 7% ，酶解溫度 85^°C ，反應時長 2h 的前提下，分別測定液料比為10、15、20、25、30mLΨ 時總皂苷提取率；

酶解時間的確定：于液料比 10mL/g ，酶解溫度 85°C ，加酶量 7% 的前提下，分別測定酶解時間為0.5、1、1.5，2，2.5h 時總皂苷提取率。

（3）響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選擇影響較大的3個因素：加酶量（A）液料比 （B） 、酶解時間 （C） ，以總皂苷提取率（Y）為評估標準，進行3因素3水平響應面試驗，如表2所示

1.4.3 水法提取

稱取須根粗粉 160g ，酶解，過濾，濾渣烘干至恒重，平均分為32份，作為以下實驗的材料，對水提法進行工藝優化。

表1酶解條件

表2響應面試驗因素與水平

Table 2Response surface test factors and levels

（1）單因素試驗

提取時間的確定：于提取溫度 80^°C ，液料比 10mL/g 的前提下，分別測定提取時間為 0.5，1，1.5，2，2.5h 時總皂苷提取率;液料比的確定：于提取溫度 80^°C ，提取時間 ^2h 的前提下，分別測定液料比為10、15、20、25，30mLg 時總皂苷提取率;提取溫度的確定：于提取時間 ^2h ，液料比 10mL/g 的前提下，分別測定提取溫度為 50，60，70，80，90‰ 時總皂苷提取率。

（2）響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，以總皂苷提取率（Y）作為評估標準，進行3因素3水平的響應面試驗，如表3所示。

表3響應面試驗因素與水平

Table 3 Response surface test factors and levels

1.4.4 數據處理

各指標均平行重復測定3次，采用Excel軟件進行統計分析，使用 Design-Expert13.0.1.0軟件進行實驗設計和方差分析，使用 IBM SPSS Statistics 26 軟件對數據進行顯著性差異分析，并通過 GraphPad Prism 9.5.0軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 酶法提取西洋參須根總皂苷工藝分析

2.1.1 酶的選擇

采用酶法處理材料，可有效去除其中的蛋白質、果膠、鞣質、灰分及黏性物質等雜質成分，這一過程不僅能減少雜質對有效成分提取的干擾，還能大幅提升提取液的清澈程度，便于后續的分離純化步驟。此外，酶處理能夠增強細胞壁的通透性，促使材料中的有效成分更易于從細胞壁中析出，從而提高提取率[22]。

由圖1可見，與對照組相比，通過木瓜蛋白酶酶解，總皂苷提取率顯著下降，而木瓜蛋白酶-水連續提取法所得總皂苷提取率與對照組無明顯差異，通過 ∝ -淀粉酶酶解和 ∝ -淀粉酶-水連續提取法的提取所得總皂昔提取率均顯著升高，尤其是 ∝ -淀粉酶-水連續提取法。在酶解過程中， ∝ -淀粉酶能夠特異性地作用于纖維素長鏈中的 _β-1，4 葡萄糖苷鍵，將其分解為短鏈糊精和低分子糖類。這一過程大幅減弱了細胞壁的機械強度和化學穩定性，同時提升了細胞壁的滲透能力，從而使皂苷類成分得以釋放[23]。綜上所述，本實驗選擇 ∝ -淀粉酶酶解-水提結合法對西洋參須根中的人參總皂苷進行提取工藝優化。

注：與對照組相比，*： ^?Plt;0.01 ，*** Plt;0.001 。

圖1不同酶種類對總皂苷提取率的影響Fig.1 Impactsofdifferent enzymespeciesontheextractionyieldof total ginsenosides

2.1.2 單因素試驗分析

（1）加酶量對總皂昔提取率的影響

由圖2可見，總皂苷提取率隨著加酶量增加呈先升后降的趨勢，當加酶量為 7% 時達到最大值，為 9% 時提取率有所降低，推測其原因是適量的酶能夠發揮其破壁功效，促進皂苷類成分的釋放；若酶的使用量超出了適宜范圍，將會造成底物不能使酶飽和，進而可能會減弱酶的活性[24]，導致總皂苷提取率的下降，故選擇加酶量為 7% 進行后續考察。

（2）酶解溫度對總皂昔提取率的影響

由圖3可見，總皂苷提取率隨著溫度升高而呈緩慢遞增趨勢，在 90^°C 時達到最大， 95^°C 時提取率降低。

其原因可能是溫度越高，酶的活性越高，提取率隨之提升；但溫度過高，可能會導致酶失活，總皂苷提取率隨之降低，故選擇酶解溫度為 90^°C 進行后續考察。

圖2加酶量對總皂苷提取率的影響 Fig.2Impacts of the enzyme amount on the extraction yieldof total ginsenosides

圖3酶解溫度對總皂苷提取率的影響 Fig.3Impacts of enzymatic hydrolysis temperature on the extraction yield of total ginsenosides

（3）液料比對總皂昔提取率的影響

由圖4可見，總皂苷提取率隨液料比增加逐漸升高，超過 25mLg 后提取率下降。可能是因為隨著液料比的提升，體系內的水分增多，有助于促進水溶性總皂苷的溶出，總皂昔的提取率隨之上升;但當液料比達一定值后，溶劑量的進一步增加反而會導致提取液中酶濃度的下降，并促使多糖等雜質的析出，極有可能會阻礙皂苷析出，這些因素共同作用，導致總皂苷的提取率下降，故選擇液料比為 25mLg 進行后續考察。

（4）酶解時間對總皂昔提取率的影響

由圖5可見，總皂苷提取率隨著提取時間延長而增加， ¹h 時提取率達到最高， ¹h 后隨著時間增加，提取率逐漸降低。推測其原因可能是在酶解過程的初始階段，酶與底物尚未充分反應，因此反應效率較低。隨著時間的推移，酶活力逐漸提升，促進了反應的進行;但酶解持續時間過長，將可能導致皂苷的溶解，還可能導致部分酶的活性喪失，導致總皂苷提取率下降，故選擇酶解時間為 ^1h 進行后續考察。

圖4液料比對總皂苷提取率的影響 Fig.4Impacts of liquid/solid ratio on the extraction yield of total ginsenosides

圖5酶解時間對總皂苷提取率的影響Fig.5Impacts of enzymatic hydrolysis time on theextraction yield of total ginsenosides

2.1.3 響應面試驗分析

（1）響應面試驗設計與結果響應面試驗設計與結果如表4所示。

Table 4Design and results of response surface tests

（2）BBD-RSM回歸模型的建立及方差分析

對表4數據進行多元回歸擬合，得方程為 Y=14.40+0.13A+0.82B+0.25C-0.11AB+0.47AC+0.13BC -0.74A²-0.46B²-0.60C² ，方差分析見表5。由此可知，模型 Plt;0.01 ，具有高度顯著性;失擬項 gt;0.05 ，表明模型擬合程度良好;回歸系數 R²=0.980 1 ，調節后 R²=0.9544 ，表明模型能解釋 95.44% 響應值的變化，可靠性較高；因素 B，C，AC，A²，B²，C² 有高度顯著影響， .A，AB，BC 影響不顯著。據 F 值分析，在酶解實驗中，各因素對總皂苷提取率影響由大到小順序為：液料比、酶解時間、加酶量。

表4響應面試驗設計與結果

表5方差分析結果

Table5The results of variance analysis

表5（續）

注： ** 表示具有高度顯著性（ Plt;0.01 ）。

響應面分析見圖6。總皂苷提取率隨著加酶量增加呈先升后降的趨勢，隨液料比增加呈先升后緩的趨勢，其中加酶量 6%～8% 、液料比 25～30mLg 時達到最大值;總皂苷提取率隨著加酶量、酶解時間增加均呈現先升后降的趨勢，其中加酶量 6%～8% 、酶解時間 0.9～1.3h 時達到最大值;總皂苷提取率隨著液料比增加呈先升后緩的趨勢、隨酶解時間增加呈現先升后降的趨勢，其中液料比為 25～30mLg 酶解時間 0.9～1.3h 時達到最大值。

圖6各因素交互作用對西洋參人參總皂苷提取率的影響

Fig.6Impacts of interactions between various factors onthe extraction yield of total ginsenosides from American ginseng

2.1.4 工藝驗證實驗

利用軟件進行數據預測可知，西洋參須根的最優提取工藝為加酶量 7.27% ，液料比 29.67mLg ，酶解時間 1.18h ，預測提取率為 14.84% 。結合實際操作，將最佳工藝修正為加酶量 7.3% ，液料比 30mL/g ，酶解時間 1.2h 。按上述優化工藝重復進行3次平行驗證實驗，測得總皂苷平均提取率為 14.91% ，與預測值相近，表明該工藝合理可行。

2.2 熱水提取西洋參須根總皂苷工藝分析

2.2.1 單因素試驗分析

（1）提取時間對總皂昔提取率的影響

由圖7可見，總皂昔提取率隨著提取時間增加逐漸升高， 0.5～1h 時增幅較為明顯，超過 ^1h 后基本趨于穩定，原因可能是隨著時間延長，須根內的皂苷類成分不斷向溶劑滲透，但當溶劑內的成分濃度達到一定程度后，這些成分的溶出速率會隨之降低，鑒于大規模工業生產的實際情況，為縮短工時，節省成本，保證提取效果，因此選擇提取時間為 ^1h 進行后續考察。

（2）液料比對總皂苷提取率的影響

由圖8可見，總皂昔提取率隨著液料比增加逐漸升高，超過 25mLg 后基本趨

圖7提取時間對總皂苷提取率的影響

Fig.7Impacts of extraction time on the extraction yield of total ginsenosides于穩定，推測其原因可能是由于溶劑體積增加擴大了須根與溶劑的接觸面積，增強了傳質動力，加大了濃度梯度，促進了總皂苷溶出，提升提取率至峰值。但過高液料比會增加須根對溶劑的吸附，阻礙總皂苷解吸附，限制提取率進一步提升，因此提取率不會繼續提升，且考慮到用水量過大會對后續的濃縮工藝帶來困難，故選擇液料比為 25mLg 進行后續考察。

（3）提取溫度對總皂苷提取率的影響

由圖9可見，提取溫度上升，總皂苷提取率遞增，至 90^°C 時達最大值。這可能是由于高溫促進傳質，加速分子擴散與溶劑滲透，促進了總皂苷類成分的溶出，故選擇提取溫度為 90^qC 進行后續考察。

圖8液料比對總皂苷提取率的影響

Fig.8Impacts of liquid/solid ratio on the extraction yield of total ginsenosides

圖9提取溫度對總皂苷提取率的影響 Fig.9Impacts of extraction temperature on the extraction yield of total ginsenosides

2.2.2 響應面試驗分析

（1）響應面試驗設計與結果響應面試驗設計與結果如表6所示。

Table 6Design and results of response surface tests

（2）BBD-RSM回歸模型的建立及方差分析

對表6數據進行多元回歸擬合，得方程為 Y=15.62+0.23A+0.23B+0.21C-0.063AB-0.098AC-0.078BC -0.14A²-0.089B²-0.079C² ，方差分析見表7。由此可知，模型 Plt;0.01 ，具有高度顯著性;失擬項 gt;0.05 ，表明模型擬合程度良好;回歸系數 R²=0.9878 ，調節后 R²=0.972 2 ，表明模型能解釋 97.22% 響應值的變化，可靠性較高;因素 A，B，C，AC，A²，B² 有高度顯著影響， .AB，BC，C² 有顯著影響。由 F 值可知，水提實驗各因素對總皂苷提取率影響順序由大到小為：提取溫度、液料比、提取時間。

表6響應面試驗設計與結果

表7方差分析結果

Table7The results of variance analysis

表7（續）

注：**表示具有高度顯著性（ Plt;0.01? ， * 表示具有顯著性（ Plt;0.05） 。

響應面分析見圖10。由此可知，總皂苷提取率隨著液料比和溫度增加均呈先升后緩的趨勢，其中液料比 25～30mL/g 、溫度 80～90^°C 時達到最大值;總皂苷提取率隨著液料比和時間增加均呈先升后緩的趨勢，其中液料比 25～30mL/g 、時間 1～1.5h 時達到最大值;總皂苷提取率隨著溫度和時間增加均呈先升后緩的趨勢，其中溫度 80～90^°C 、時間 1～1.5h 時達到最大值。

圖10各因素交互作用對西洋參人參總皂苷提取率的影響

Fig.1OImpacts of interactionsbetween various factors onthe extraction yieldof total ginsenosides from American ginseng

圖10（續）

2.2.3 工藝驗證實驗

利用軟件進行數據預測可知，西洋參須根的最優提取工藝為液料比 26.96mLg ，提取溫度 88.86^°C ，提取時間 1.33h ，預測提取率為 15.84% 。基于實際考量，將最優工藝參數修正為液料比 27mLg ，提取溫度 89^°C ，提取時間 1.3h 。3次平行驗證實驗測得總皂昔平均提取率為 16.61% ，與預測值相近，這也充分驗證了所構建模型的可靠性，能夠精確預測出多種因素與總皂苷提取率之間的相互關系[25]。

3結論

目前關于西洋參須根中總皂苷的研究僅停留在含量測定方面，對于工藝優化方面尚未見報道。本實驗在單因素試驗基礎上，通過響應面法優化了西洋參須根中人參皂苷類成分的酶-水連續提取工藝，建立了可用的二次多項預測模型。酶解工藝各因素對總皂苷的影響由大到小順序為：液料比、酶解時間、加酶量，最佳工藝參數為：液料比 30mLg ，加酶量 7.3% ，酶解時間 1.2h 。酶解后繼續水提，水提工藝各因素對總皂苷的影響由大到小順序為：提取溫度、液料比、提取時間，最佳工藝參數為：提取溫度 89^°C ，液料比 27mL/g ，提取時間 1.3h 。總皂苷的提取率為 16.61% ，與預測值之間沒有顯著的差異，與現有文獻報道的人參總皂苷提取率 11.76% 相比有明顯的提高[26]。本提取方法具有顯著優勢，操作簡便，無需復雜的設備或技術，能夠保證總皂苷提取率保持在相對穩定的水平，具有可靠性和可重復性，為后續工業化生產提供了有力的數據支持。

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