超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取黃姜中薯蕷皂苷的工藝研究

楊轉(zhuǎn)萍，羅倉學，李 祥

(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西 西安 710021)

超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取黃姜中薯蕷皂苷的工藝研究

楊轉(zhuǎn)萍，羅倉學，李 祥

(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西 西安 710021)

研究超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取黃姜中薯蕷皂苷的最佳萃取工藝條件。通過單因素試驗和正交試驗考察超聲頻率、時間、料液比、表面活性劑濃度對薯蕷皂苷得率的影響。結(jié)果得到最佳萃取條件為常溫，料液比1:14(g/mL，黃姜粉末:表面活性劑水溶液)、十二烷基硫酸鈉濃度8.6×10-3mol/L、超聲頻率25.8kHz、萃取時間40min，黃姜中薯蕷皂苷得率達到6.50%，比水萃取高3.33%。

超聲波；表面活性劑；黃姜；薯蕷皂苷；萃取工藝

黃姜為薯蕷科多年生纏繞性草本植物，又名盾葉薯蕷，是我國特有種，且資源豐富。其根莖中含多種薯蕷皂苷[1-2]、黃色素、單寧、大量淀粉和纖維素。其活性物質(zhì)薯蕷皂苷元(俗稱皂素)以皂苷的形式存在于根莖中，具有治療冠心病、調(diào)節(jié)新陳代謝、抗高血脂、抗癌等效果，是合成激素類藥物的重要原料[3]。

目前常用的皂苷萃取方法為有機溶劑浸取法，即用甲醇、乙醇或其水溶液浸取分離薯蕷皂苷。優(yōu)點是方法成熟、操作簡單，缺點是有機溶劑用量大、提取時間長、能耗大、成本高。大多數(shù)溶劑還有毒、易揮發(fā)，限制了其應(yīng)用。葛發(fā)歡等[4]采用超臨界CO2流體萃取法提取黃山藥中的薯蕷皂苷，但該方法仍需加入一定量的乙醇作為助溶劑。郭湘汾等[5]采用篩分法和旋流分離法分離黃姜的纖維和淀粉，再進行皂素提取，但分離的選擇性較差、薯蕷皂苷分離不夠徹底。李謙等[6]通過向溶劑中加入表面活性劑強化提取黃姜中的薯蕷皂苷。從目前國內(nèi)外天然產(chǎn)物提取研究的總體趨勢上看，溶劑提取法因其操作簡單、工藝成熟仍是目前的主導技術(shù)[7-8]。本實驗以水為溶劑，加入少量表面活性劑與超聲波協(xié)同萃取黃姜中的薯蕷皂苷。超聲波可以強化對溶劑的滲透效應(yīng)，加速薯蕷皂苷的溶出，具有省時、節(jié)能、萃取率高等優(yōu)點[9-10]；表面活性劑能增強溶劑對薯蕷皂苷的潤濕性和滲透性，從而能增加浸出效能和萃取率[11]。近年來，超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取的報道較

少，此兩種方法結(jié)合萃取黃姜中的薯蕷皂苷，減少了有機溶劑的使用，且高效、節(jié)能、無污染，也降低了生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃姜 陜西省山陽縣市購；薯蕷皂苷標準品(純度98%) 上海融禾醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司；十二烷基三甲基溴化銨；十二烷基硫酸鈉(SDS)；十二烷基苯磺酸鈉；十八烷基三甲基氫化銨；吐溫-20；吐溫-80；OP-10；甲醇；高氯酸(均為分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

SC-Ⅲ型多頻聲化學發(fā)生器 成都市九洲機電工程研究所；SHB-B95型循環(huán)水式多用真空泵 河南大康科教儀器廠；UV75-18PC型紫外-可見分光光度計 天津拓普儀器有限公司；101A-1B型電熱鼓風干燥箱 上海實驗儀器廠有限公司；玻璃儀器氣流烘干器 鄭州杜甫儀器廠；BS2202S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；SHZ-C型水浴恒溫振蕩器 上海浦東物理光學儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 薯蕷皂苷含量測定

1.3.1.1 薯蕷皂苷標準曲線的繪制

參考王光忠等[12-14]方法配制薯蕷皂苷標準溶液并繪制標準曲線。

結(jié)果表明，薯蕷皂苷在0.0116～0.058g/L范圍內(nèi)與吸光度(A)呈良好的線性關(guān)系，回歸方程為A=13.302C－0.0709(r=0.9973)。

1.3.1.2 薯蕷皂苷得率計算

精確稱取10g的黃姜粉末樣品于燒杯中，加入規(guī)定劑量的溶劑，在不同條件下進行超聲波輔助萃取，抽濾，定容至250mL。在最大吸收波長408nm測定吸光度A，根據(jù)吸光度由回歸方程求出薯蕷皂苷濃度，并計算萃取液中皂苷的質(zhì)量。按下式計算薯蕷皂苷的得率。

薯蕷皂苷得率/%＝(萃取液中薯蕷皂苷質(zhì)量／黃姜粉末的質(zhì)量)×100

1.3.2 表面活性劑的選擇

表面活性劑在其稀溶液中成單分子分散，當濃度逐漸升高，達到臨界膠束濃度時，因吸附在界面上的表面活性劑分子的排列已達到最大程度，其分子開始轉(zhuǎn)入溶液互相凝集，幾十個甚至更多個分子綜合在一起的形成膠團。但是如果表面活性劑加入量過大，它所形成的膠團就會將皂苷包裹，影響皂苷的水解，故選擇表面活性劑時，用皂苷元作參考指標。

稱取7份黃姜粉末樣品各10g，分別以臨界膠團濃度(表1)的十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十八烷基三甲基氫化銨、吐溫-20，吐溫-80、OP-10水溶液為溶劑，料液比1:10(g/mL)，頻率為25.8kHz，常溫超聲處理30min，抽濾，水解4h，索氏提取，用質(zhì)量法[15]計算薯蕷皂苷元得率，比較篩選出最適宜的表面活性劑。

1.3.3 單因素試驗

準確稱取黃姜粉末樣品10g，放入帶塞磨口三角燒瓶，然后加入溶劑，在固定其他條件不變的情況下進行超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取，研究不同頻率、時間、料液比、表面活性劑濃度對黃姜中薯蕷皂苷得率的影響。

1.3.4 正交試驗設(shè)計

在單因素的基礎(chǔ)上，選用超聲頻率、超聲時間、料液比、表面活性劑濃度為考察因素，以研究這4個因素的交叉作用對黃姜中薯蕷皂苷得率的影響。以黃姜中薯蕷皂苷得率為試驗指標，采用L9(34)正交試驗表進行試驗設(shè)計。

1.3.5 萃取方法的比較

以相同的原料與溶劑配比，分別采用超聲-表面活性劑法與水萃取，計算薯蕷皂苷得率，對比萃取結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面活性劑種類的篩選

在超聲波體系中，引入特定的表面活性劑，可以顯著提高超聲波對極性物質(zhì)的萃取率。結(jié)果如表1所示。

表1 不同種類表面活性劑對皂苷含量的影響Table1 Effect of surfactant type on extraction rate of dioscin

由表1可以看出，在7種表面活性劑中，只有十二烷基硫酸鈉的加入能顯著提高薯蕷皂苷元得率，比空白提高了1.122%，由此可知，十二烷基硫酸鈉的加入明顯促進了薯蕷皂苷在水中的溶解[6]。這是由于陰離子型表面活性劑形成的反膠束溶液的增溶水量比陽離子型和非離子型表面活性劑形成的反膠束溶液增溶水量大。

十二烷基硫酸鈉形成的膠束空間結(jié)構(gòu)更有利于薯蕷皂苷的增溶。因此，本研究選擇十二烷基硫酸鈉為最佳表面活性劑。

2.2 單因素試驗

2.2.1 超聲頻率對薯蕷皂苷得率的影響

圖1 超聲頻率對薯蕷皂苷得率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic frequency on extraction rate of dioscin

由圖1可知，當頻率在14.5～25.8kHz范圍內(nèi)，隨頻率增大，薯蕷皂苷得率提高，但是，當頻率超過25.8kHz時，薯蕷皂苷的得率隨頻率增大而降低，原因可能是超聲頻率越高，超聲場內(nèi)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)增強，空化效應(yīng)、粉碎等作用減弱，所以選擇25.8kHz為最佳超聲頻率。

2.2.2 超聲時間對薯蕷皂苷得率的影響

有關(guān)超聲時間對藥物提取率和對中藥有效成分的影響大致有3種情況：一是有些有效成分隨超聲時間增加而增大；二是提取率隨超聲時間的增加逐漸增高，一定時間后，超聲時間再延長，提取率增加緩慢；三是提取率隨超聲時間增加，在某一時刻達到一個極限值后，提取率反而減小[16]。薯蕷皂苷的提取符合第三種情況(圖2)。從圖2可以看出，隨著超聲時間的增長，薯蕷皂苷的得率也隨之增加。當達到50min時，皂苷開始減少?？赡苁且驗樵诔曔^程中不斷產(chǎn)生熱量，對皂苷類化合物的活性成分造成損失。另一方面從節(jié)省時間的角度考慮，超聲萃取時間40～60min比較合適。

圖2 超聲時間對薯蕷皂苷得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on extraction rate of dioscin

2.2.3 料液比對薯蕷皂苷得率的影響

在一般植物性有效成分提取中，隨著溶劑量的增加，有效成分得率增加。如圖3所示，薯蕷皂苷的萃取在料液比1:6～1:14(g/mL)的范圍內(nèi)符合一般植物性有效成分提取的規(guī)律，原因可能是溶劑量增大，表面活性劑對酶的抑制作用減弱；但是，當料液比在1:14～1:18 (g/mL)范圍內(nèi)，薯蕷皂苷的得率有所降低，造成了一部分有效成分的降解。溶劑用量過大，增加去除溶劑所需負荷，因此料液比不宜過大。另一方面考慮到節(jié)省能源，料液比選用1:12～1:16(g/mL)比較合適。

圖3 料液比對薯蕷皂苷得率的影響Fig.3 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of dioscin

圖4 表面活性劑濃度對薯蕷皂苷得率的影響Fig.4 Effect of surfactant concentration on extraction rate of dioscin

2.2.4 表面活性劑濃度對薯蕷皂苷得率的影響由圖4可知，隨著表面活性劑濃度的增加，薯蕷皂苷的得率也增加，這是因為隨著十二烷基硫酸鈉濃度的增大，體系中形成的反膠團增多，對皂苷的增溶量增大。但實驗中發(fā)現(xiàn)，當表面活性劑濃度達到4cmc (1cmc為8.6×10-3mol/L，即臨界膠團濃度)時，索氏提取時出現(xiàn)黑色油狀物，影響薯蕷皂苷元的分離。這是由于表面活性劑濃度過大時，形成的反膠團結(jié)構(gòu)趨于緊密，皂苷進入膠團內(nèi)核的空間阻力增大，同時過多的表面活性劑超過了其在體系中的溶解度，不溶的表面活性劑會將薯蕷皂苷包裹，導致薯蕷皂苷水解不完全，所以選1～3cmc為最佳表面活性劑濃度范圍。

2.3 正交試驗

表2 正交試驗因素水平表Table2 Factors and levels in orthogonal array design

正交試驗設(shè)計如表2，試驗結(jié)果及極差分析如表3

所示。從表3可以得出，薯蕷皂苷最佳萃取組合為A2B1C2D1、即超聲頻率25.8kHz、超聲時間40min、料液比1:14、表面活性劑濃度8.6×10-3mol/L，即臨界膠團濃度。

表3 L9(34)正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table3 Orthogonal array design layout and experimental results

表4 正交試驗方差分析表Table4 Variance analysis for extraction rate of dioscin with various extraction conditions

對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析(表4)可以得出，超聲時間、表面活性劑濃度對薯蕷皂苷的萃取工藝在在水平0.05上有顯著影響，料液比在0.01水平有顯著影響，而超聲頻率對實驗影響較小。

2.4 驗證實驗

按2.3節(jié)得出的薯蕷皂苷的最佳萃取條件進行重復(fù)驗證實驗，其結(jié)果見表5。由表5可以看出，在最佳的萃取條件下，3次萃取所得的薯蕷皂苷得率均值為6.50%。

表5 最佳萃取條件的重復(fù)驗證實驗Table5 Validation for the optimal extraction conditions

2.5 萃取方法的比較

實驗證得出水萃取，薯蕷皂苷得率只有2.17%，超聲-表面活性劑協(xié)同萃取法比其高3.33%。結(jié)果表明超聲波協(xié)同表面活性劑對薯蕷皂苷的萃取有顯著的增溶作用，因此該工藝對工業(yè)化生產(chǎn)有一定的參考價值。

3 討 論

3.1 超聲波的熱效應(yīng)，機械效應(yīng)，空化效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的，通過控制超聲的頻率和強度，可以突出某個作用，減少或避免另一個作用，以達到提高有效成分提取率的目的。超聲波作用于生物體所產(chǎn)生的熱效應(yīng)受超聲頻率的影響顯著[15]。超聲處理時，以水為溶劑時，黃姜中的酶沒有進行滅活，一部分的薯蕷皂苷被分解，薯蕷皂苷得率降低，陰離子表面活性劑對酶具有一定的抑制作用。李謙等[6]用表面活性劑強化提取黃姜中的薯蕷皂苷，薯蕷皂苷元得率為1.85%，超聲波-表面活性劑法協(xié)同萃取薯蕷皂苷，最終薯蕷皂苷元得率為2.19%，因此采用超聲波輔助表面活性劑萃取可以顯著提高薯蕷皂苷得率。

3.2 考察超聲波-表面活性劑萃取的薯蕷皂苷是否有變化，以薯蕷皂苷標準品為對照，采用薄層色譜和紅外光譜進行對比分析，結(jié)果表明兩者的圖譜一致。

4 結(jié) 論

通過對7種不同類型表面活性劑的比較研究發(fā)現(xiàn)，十二烷基硫酸鈉能顯著提高薯蕷皂苷得率。

采用單因素試驗和正交試驗確定了超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取黃姜中薯蕷皂苷的新工藝。結(jié)果表明：常溫下，料液比為1:14(g/mL)，表面活性劑濃度為8.6× 10-3mol/L，超聲頻率為25.8kHz，萃取40min，可以使黃姜中薯蕷皂苷得率達到6.50%，比水萃取得率高3.33%。該工藝不但能提高薯蕷皂苷得率，還能減少有機溶劑的使用，解決了薯蕷皂苷萃取中的污染問題。

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Optimal Process Conditions for the Ultrasonic-assisted Surfactant Extraction of Dioscin from Dioscorea zingiberensis C. H. Wright

YANG Zhuan-ping，LUO Cang-xue，LI Xiang
(College of Life Science and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

The optimal ultrasonic-surfactant extraction of dioscin from Dioscorea zingiberensis C. H. Wright was studied. The effects of ultrasonic frequency, ultrasonic treatment time, material/liquid ratio and surfactant concentration on the extraction rate of dioscin were explored through single factor and orthogonal array experiments. The optimal conditions for the extraction of dioscin were determined as follows: material/liquid ratio, 1:14; surfactant concentration, 8.6×10-3mol/L; ultrasonic frequency, 25.8 kHz; and ultrasonic treatment time, 40 min. The extraction rate of dioscin reached up to 6.50% under the optimal extraction conditions, which was higher than that of 3.33% using water extraction. This extraction method is characteristics of high yield, time-saving, energy-saving and pollution-free advantages.

ultrasonic；surfactant；Dioscorea zingiberensis C.H wright dioscin；extraction

TQ423.11

A

1002-6630(2010)22-0046-04

2010-08-18

陜西省自然科學基金項目(2007C125)；國家“863”計劃項目(200803Z309)；陜西省科技廳重點實驗室建設(shè)項目；陜西省教育廳專項(07JK020)

楊轉(zhuǎn)萍(1985—)，女，碩士研究生，主要從事中藥有效成分的萃取、分離研究。E-mail：yangzp2005@126.com