黃芩中黃芩苷常規(guī)回流浸提工藝優(yōu)化研究

滕占才，王波，梁英

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，大慶 163319）

黃芩為唇形科多年草本植物黃芩（scutellaria baicalensis georgi）的根，別名黃金茶或空心草，為常用中藥，性寒味苦。研究表明黃芩主要有效成分及其制劑主要質(zhì)量的控制指標(biāo)是黃芩苷，黃芩中的黃芩苷具有顯著的生物活性[1]，可消除氧自由基抑制黑色素的生成[2]，是一種很好的功能性美容化妝品原料[3-5]，黃芩苷是一種很有發(fā)展前途的生物性活性成分[6]，醫(yī)藥、保健品和化妝品市場對黃芩苷需求量逐年增加[7]。黃芩苷來源較穩(wěn)定，質(zhì)量可控，高效低毒，進(jìn)行提取分離的工藝研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。黃芩苷的提取方法主要有溫浸法[14]，回流法[10]，酸沉溫浸法[11]和超聲波法[12]等。本文采用常規(guī)回流的方法對黃芩進(jìn)行浸提工藝的研究，并研究了浸提溫度，浸提時間，固液比和顆粒粒度對黃芩苷得率的影響，采用四因素二次回歸正交螺旋組合設(shè)計(jì)對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，以獲得黃芩苷浸提的優(yōu)化工藝，為黃芩苷提取的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

UV-2802PC/PCS 型紫外分光光度計(jì)，尤尼柯上海儀器有限公司；AB204-B 型電子分析天平，瑞士梅特勒公司；RE-5299 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，鞏義市英峪予華儀器廠；DZKW-D 型恒溫水浴鍋，河北黃驊石航天儀器廠；微型植物粉碎機(jī)，河北黃驊齊家務(wù)科學(xué)儀器廠。

1.2 材料與試劑

黃芩干燥根，購自北京海淀區(qū)醫(yī)藥經(jīng)營公司；黃芩苷標(biāo)準(zhǔn)品（含量大于99.0%），購自日本和光純藥工業(yè)株式會社；硫酸，乙醇。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)指標(biāo)及測定方法

黃芩苷含量測定：采用HPLC 法[4]。

1.3.2 試驗(yàn)方案

為了得到黃芩苷常規(guī)回流浸提的優(yōu)化工藝條件，建立常規(guī)回流浸提工藝優(yōu)化的回歸方程，確定以浸提時間x1、浸提溫度x2、顆粒粒度x3和液固比x4為試驗(yàn)因素，運(yùn)用四因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平選擇及編碼結(jié)果見表1。

表1 黃芩苷得率二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of orthogonal regressive cross rotary design for extracting rate of baicalins from Scutellaria Radix

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、SAS8.2 統(tǒng)計(jì)軟件和Matlab 數(shù)學(xué)分析軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立與統(tǒng)計(jì)分析

將黃芩苷得率進(jìn)行多元回歸分析，建立二次回歸數(shù)學(xué)模型，經(jīng)對回歸模型的方差分析、F 檢驗(yàn)及驗(yàn)證后，確認(rèn)有效（不顯著因素已剔除），回歸方程（1）為：

將編碼Z 用自然變量X 代換，得到用自然變量表示的回歸方程（2）為：

2.2 主效應(yīng)分析

回歸方程（1）中，浸提時間、浸提溫度、顆粒粒度和液固比這些因素在設(shè)計(jì)中均經(jīng)無量綱線性編碼處理，消除了因素量綱的影響。因此，方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對值的大小能直接反映各項(xiàng)試驗(yàn)因素對指標(biāo)值的影響程度，系數(shù)的正負(fù)則能反映這種影響的方向。由回歸方程（1）可知，浸提時間、浸提溫度、顆粒粒度和液固比系數(shù)的絕對值分別是0.943、1.053、0.287 和0.400，由此可知，4 個因素中浸提溫度對黃芩苷得率影響最大，浸提時間次之，液固比居第三位，顆粒粒度的影響較小。

圖1 浸提時間、浸提溫度、顆粒粒度、液固比對黃芩苷得率的影響Fig.1 Effects of time，temperature，powder granularity and liquor-solid ratio on extraction rate of baicalins

2.3 單因素效應(yīng)分析

固定其中3 個因素，考察另外1 個因素對浸提率的影響，見圖1。從圖1 可看出，各因素對得率的影響具有相同的趨勢，即得率先隨各因素水平的提高而提高，當(dāng)各因素的水平達(dá)到某一值時，得率達(dá)到極大值；當(dāng)各因素的水平再繼續(xù)提高時，得率隨各因素水平的提高而減小。并且浸提溫度和浸提時間對得率有較大的影響，相比之下，顆粒粒度和液固比對得率的影響較小。分析中還可看出，各因素與得率的關(guān)系都是非線性的，且浸提率隨其他因素水平的變化而變化，說明各因素對得率的影響不是單獨(dú)起作用的，各因素之間存在交互作用。

2.4 兩因素間的交互效應(yīng)分析

在試驗(yàn)條件下，由建立的回歸方程（1）可知，浸提時間與浸提溫度及浸提時間與顆粒粒度的交互作用顯著，且浸提時間與浸提溫度的交互作用大于浸提時間與顆粒粒度的交互作用。將回歸方程（1）中的2 個因素固定在0 水平，就可得到另外2 個因素對得率影響的子回歸方程，這些子回歸方程可用于研究雙因素的交互效應(yīng)。采用Matlab[8]編程，可繪制出子回歸方程的響應(yīng)曲面圖。圖中看出各因素之間的交互作用和最優(yōu)化條件。

圖2 浸提時間與溫度的交互作用對黃芩苷得率影響Fig.2 Effects of time and temperature on extraction rate of baicalins

由圖2 可知，浸提時間和浸提溫度對得率的影響較大。當(dāng)液固比為24 mL·g-1、顆粒粒度為80 目（皆為0 水平）時，浸提時間為1.5 h（0 水平）和浸提溫度為70 ℃（+1 水平）時，浸提效果最好，得率為8.85%。浸提時間在0 水平前，隨浸提溫度的提高得率提高；浸提時間在0 水平后，隨浸提溫度的提高得率先提高隨后降低；浸提時間水平越高，得率達(dá)到最大值時所需的溫度越低。由此可見，浸提時間與浸提溫度之間存在著較強(qiáng)的交互作用，在本試驗(yàn)所設(shè)條件下，高溫短時間和低溫長時間浸提均可得到較高的得率。

圖3 浸提時間與顆粒粒度交互作用對黃芩苷得率的影響Fig.3 Effects of time and powder granularity on extraction rate of baicalins

由圖3 可知，浸提時間對黃芩苷得率的影響大于顆粒粒度對黃芩苷得率的影響。當(dāng)浸提溫度為60 ℃、液固比為24 mL·g-1（皆為0 水平）時，浸提時間為2.0 h（+1 水平）和顆粒粒度為80 目（+1 水平）時，浸提效果最好，得率最高為8.88%。

2.5 黃芩苷浸提工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.5.1 回歸模型最優(yōu)解

為獲得在試驗(yàn)所設(shè)各因素水平范圍內(nèi)黃芩苷得率最高的優(yōu)化浸提工藝，采用約束復(fù)合形法，用Matlab 數(shù)學(xué)軟件編制目標(biāo)函數(shù)文件、約束條件文件及優(yōu)化值的運(yùn)行文件程序，上機(jī)求解，得其優(yōu)化解為：

實(shí)際值（2.0 h 62.3 ℃ 80 目 27.3 mL·g-1）

2.5.2 黃芩苷得率最優(yōu)浸提工藝及回歸方程的驗(yàn)證

對最優(yōu)浸提工藝及回歸方程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與回歸方程的計(jì)算值見表2。

由表2 可知，在各組合實(shí)驗(yàn)條件下，回歸方程的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合程度很高，絕對誤差均小于0.7%，相對誤差的絕對值均小于10%，說明回歸方程（2）的預(yù)測精度較高，優(yōu)化結(jié)果的可信度高。

3 結(jié)論

對常規(guī)回流浸提法中影響黃芩苷得率和含量的因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用四因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)以得率為指標(biāo)對黃芩苷浸提工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。對數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得到如下結(jié)論：

3.1 浸提溫度和浸提時間是影響黃芩苷的得率和含量的兩個最主要因素。在單因素實(shí)驗(yàn)條件下，較適宜的浸提條件是：液固比為24 mL·g-1，顆粒粒度為40 目，浸提溫度為70 ℃，浸提時間為2 h。

表2 不同工藝參數(shù)組合實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Table 2 Comparison of different process parameters combination between experimental and calculated value

3.2 以黃芩苷得率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用四因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，進(jìn)行了黃芩苷浸提工藝參數(shù)優(yōu)化研究，建立了黃芩苷與浸提時間、浸提溫度、顆粒粒度及液固比之間關(guān)系的回歸方程，即：

所獲得的回歸方程有效，與實(shí)際情況擬合較好。

3.3 得到的優(yōu)化工藝為：浸提時間為2.0 h、浸提溫度為62.3 ℃、顆粒粒度為80 目、液固比為27.3 mL·g-1，在此組合條件下，黃芩苷得率的理論最大值為8.88%。

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