表面活性劑及其復配體系對盾葉薯蕷中薯蕷皂苷提取率影響的研究

李 祥， 兀 浩， 文 星， 李 進， 房 媛， 史云東

(1．陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安710021;2．云南民族大學民族藥資源化學國家民族事務委員會-教育部重點實驗室，云南昆明650031;3．玉溪師范學院，廣西玉溪530400)

盾葉薯蕷Dioscorea zingiberensis C.H.Wright俗稱黃姜，是薯蕷科薯蕷屬Dioscrea多年生草本植物，其根莖皆可入藥。薯蕷皂苷 (dioscin)是盾葉薯蕷根莖中的主要活性成分，有止咳、祛痰、脫敏、消炎作用。薯蕷皂苷的水解產(chǎn)物薯蕷皂苷元 (diosgenin)，它是合成甾體激素以及避孕藥的基礎原料［1-2］。

目前全世界的薯蕷皂苷元用量極大，每年大約需求6 000 t，其中，國內生產(chǎn)需求約3 000 t［3］。薯蕷皂苷元主要是由薯蕷科植物的根莖所含的薯蕷皂苷經(jīng)過酸水解來獲得。目前國內工業(yè)生產(chǎn)大多數(shù)采用直接水解法。此方法是在水解過程中以強酸 (鹽酸、硫酸)進行水解。不僅耗酸量大，環(huán)境污染嚴重。同時，存在于盾葉薯蕷根莖中的纖維素、淀粉等副產(chǎn)物的結構被破壞而難以綜合利用［4-5］。近幾年來，分離酶解技術能較好的回收盾葉薯蕷根莖中的淀粉和纖維素，合理的利用資源，但缺點是生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品純度不高［5-6］。而葛發(fā)歡等研究利用超臨界CO2薯蕷皂苷元的研究，能提高回收率，但存在前期成本較高的缺點［7］。Li Xiang等發(fā)現(xiàn)了超聲波輔助乙醇提取盾葉薯蕷皂苷時，超聲波不僅能降低提取時間同時還提高薯蕷皂苷的提取效率［8］。薯蕷皂苷不溶于水，可溶于甲醇，乙醇。Mishra SP等發(fā)現(xiàn)用異丙基苯磺酸鈉溶液提取薯蕷皂苷元時可以得到純度較高的產(chǎn)品［9］。韓剛等研究發(fā)現(xiàn)在乙醇溶劑中加入少量十二烷基硫酸鈉能提高姜黃素的提取率［10］。但對于以表面活性劑水溶液作為萃取劑的研究較少。本實驗以表面活性劑水溶液做為萃取劑，對在超聲條件下表面活性劑及其復配體系與薯蕷皂苷提取率的影響進行了探討。期望通過先提取后水解的方法對解決生產(chǎn)過程中的污染問題有一定幫助。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑 盾葉薯蕷根塊 (三年生長)，陜西省商洛采購;無水乙醇 (分析純)，天津市致遠化學試劑有限公司;薯蕷皂苷對照品 (批號:090315)，上海融禾醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司;十二烷基硫酸鈉 (分析純)，天津市河北區(qū)海晶精細化工廠;十六烷基三甲基溴化銨 (分析純)，十二烷基苯磺酸鈉 (分析純)，中國醫(yī)藥集團上?；瘜W試劑;咪唑里 (化學純)，平平加 (化學純)，國藥集團化學試劑有限公司;曲拉通100(分析純)，吐溫80(分析純)，西安化玻站化學廠。

1.2 儀器與設備 SC-Ⅲ型多頻聲化學發(fā)生器，成都市九洲機電工程研究所;7230G型可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司;BS2202S型電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;旋轉蒸發(fā)器，上海申生科技有限公司。

1.3 皂苷的提取方法

1.3.1 盾葉薯蕷根莖的處理 洗凈的盾葉薯蕷根莖，經(jīng)曬干、粉碎、過80目篩。

1.3.2 提取方法 將處理完的盾葉薯蕷根莖 (80目)，準確稱取10 g，放入燒杯中，以1∶10加入配制好的表面活性劑溶液，在25 kHz的超聲條件下處理40 min，然后用真空抽濾，得到濾液為提取液。

1.3.3 標準曲線的制備［11-12］取4.7 mg薯蕷皂苷對照品，精確稱定，加入無水乙醇溶于10 mL量瓶中定容，搖勻，靜置備用。最大吸收波長的測定，用移液管準確移取0.25 mL皂苷標準溶液于具塞試管中，揮干溶劑。再加入5 mL HClO4，在70℃水浴條件下反應20 min，再放入冰水中冷卻5 min后，在波長為300～550 nm的條件下與可見分光光度計下測定吸光度值，從而確定最大吸收波長，最大值為408 nm。分別準確移取標準品溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL于408 nm測定吸光度，以HClO4，作參比。薯蕷皂苷質量濃度在0.009 4～0.057 6 mg/mL范圍內與吸光度值A呈良好線性關系，回歸方程:A=15.575C－0.011 6，R2=0.998 2。

樣品提取率測定 將真空抽濾得到的盾葉薯蕷提取液記錄體積，取1 mL樣品液，用無水乙醇稀釋到10 mL，從中取0.5 mL，使質量濃度范圍在標準曲線范圍內，按上述條件進行吸光度的測定，根據(jù)標準曲線求出盾葉薯蕷中皂苷的量，并計算提取率。皂苷提取率 (%)=(提取液中皂苷量/盾葉薯蕷中總皂苷量)×100%

1.3.4 藥材中總皂苷的測定 稱取80目的盾葉薯蕷粉末10 g，加入到適量75%乙醇溶液中，進行索氏提取6 h，提取3次合并提取液，并進行檢測，檢測結果顯示盾葉薯蕷中薯蕷皂苷質量分數(shù)為11%。

1.3.5 表面活性劑的選擇 取以下幾種表面活性劑 (十六烷基三甲基溴化銨、咪唑啉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、平平加、吐溫80、TX-100)配制成其相應3倍臨界膠束濃度 (CMC)的溶液，然后把粉碎的盾葉薯蕷根莖粉末準確稱取10 g，以料液比1∶10加入到100 mL的表面活性劑水溶液中，在超聲頻率為25 kHz條件下進行處理40 min，再對超聲后的樣品進行真空抽濾，去掉濾渣，得到濾液，對濾液按照1.3.3項的方法進行顯色檢測。并用同等方法，以水和75%的乙醇做空白試驗。

1.3.6 表面活性劑用量的選擇 選擇出萃取液中薯蕷皂苷量最大的表面活性劑溶液，在其他條件不變的情況下，分別選取表面活性劑的濃度為1、2、3、4、5倍CMC的溶液，進行皂苷提取以及測定皂苷提取率，確定表面活性劑的最佳用量。

1.3.7 表面活性劑的復配

(1)陰-陽離子表面活性劑的復配 以濃度為3倍CMC的十二烷基硫酸鈉 (SDS)溶液分別與陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨 (CTAB)以及咪唑啉進行不同濃度的復配，復配后的表面活性劑水溶液做為溶劑，提取薯蕷皂苷。按照1.3.5項的試驗方法，測定薯蕷皂苷提取率。

(2)陰-非離子表面活性劑的復配 以濃度為3倍CMC的SDS分別與非離子表面活性劑TX-100以及平平加進行不同濃度的復配，復配后的表面活性劑水溶液做為溶劑，提取盾葉薯蕷。按照1.3.5項的試驗方法，測定薯蕷皂苷提取率。

1.3.8 對金屬陽離子的考察 以濃度為3倍CMC的SDS溶液為基礎，通過加入一定量的Na+，Mg+，來確定金屬離子對于表面活性劑在薯蕷皂苷提取中的影響。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑的選擇 表面活性劑用于中藥材活性成分提取時，一方面表面活性劑所特有的雙親分子結構能降溶質與溶劑的表面張力，利于溶劑分子進入。另一方面當表面活性劑濃度大于其CMC時，表面活性劑分子會在水溶液中形成膠束團，能把中藥材活性成分包裹進去，利于提取。由于中藥材活性成分的結構不同，表面活性劑的增溶模式各不同。對于本研究，結果如表1顯示:當盾葉薯蕷根塊(80目)以1∶10加入不同的表面活性劑水溶液，在25 kHz條件下超聲40 min，提取盾葉薯蕷中的薯蕷皂苷時，十二烷基硫酸鈉的提取效果最佳。提取率達66.11%。

2.2 表面活性劑用量的影響 在固定超聲各條件下，用不同濃度的十二烷基硫酸鈉水溶液進行皂苷提取時，實驗結果如圖1所示:當表面活性劑濃度大于CMC時，表面活性劑在水中形成臨界膠束團將薯蕷皂苷包裹在內，有利于皂苷的提取，隨濃度增加其臨界膠束團數(shù)量增加，從而使薯蕷皂苷提取率急劇增大，當濃度達到3倍CMC濃度時 (即2.58×10－2mol/L)，皂苷提取率增加幅度減小，隨后由于根莖細胞內外皂苷濃度達到一定的平衡，傳質推動力不足，皂苷提取率基本不再增加，故本研究選取3倍的CMC濃度作為最佳濃度。

表1 不同表面活性劑提取皂苷的結果 (n=3)

圖1 表面活性劑濃度對皂苷提取率的影響

2.3 提取結果 在超聲條件下，以3倍CMC濃度的SDS為溶劑提取盾葉薯蕷皂苷，結果見表2。

表2 3倍CMC濃度的SDS提取皂苷結果

2.4 陰-陽離子表面活性劑復配體系對薯蕷皂苷提取率的影響 表面活性劑的復配指兩種或兩種以上的表面活性劑按照不同比例進行混合，以獲得比單一表面活性劑更佳的表面特性［13］。對于陰陽離子表面活性劑復配來講，當其濃度比例1∶1時，由于陰陽離子之間靜電作用，會得到比單一表面活性劑溶液中更多數(shù)量的膠束團。本實驗分別選取3倍CMC的不同陰陽離子表面活性劑SDS以及十六烷基三甲基溴化銨和咪唑啉，按照一定體積比進行混合，然后測定其作為溶劑對薯蕷皂苷提取率的影響。從圖2中可以看出當SDS與十六烷基三甲基溴化銨 (CTAB)以及咪唑啉復配溶液作為溶劑對薯蕷皂苷進行提取時，其都呈現(xiàn)出萃取液中薯蕷皂苷提取率先增加后減少的趨勢，當十六烷基三甲基溴化銨與SDS體積比為1∶2時，薯蕷皂苷提取率達到最大，一方面它們由于各自分子中的陰陽離子頭之間的靜電作用，會使溶液中膠團時間斥力減小，溶液中的混合膠束多于單一的表面活性劑。另一方面復配體系中陰離子表面活性劑SDS對薯蕷皂苷量影響大于兩種陽離子，所以隨著SDS體積不斷增加，其濃度也不斷增加，兩方面因素的綜合結果導致，薯蕷皂苷萃取率最大時，陰陽表面活性劑濃度比不是1∶1，而是在SDS存在條件下的非等濃度配比體系。隨著SDS體積的進一步增加，溶液中陽離子表面活性劑濃度降低，膠束之間斥力增加，膠束團數(shù)量減少，將導致薯蕷皂苷萃取率降低。SDS與咪唑林之間的復配對薯蕷皂苷萃取率的影響原理相似，由于其3倍CMC時濃度不同，所以體積比不同為1∶4。

圖2 陰-陽離子表面活性劑對皂苷提取率的影響

2.5 陰-非離子表面活性劑復配體系對薯蕷皂苷提取率的影響 將不同濃度的陰非離子表面活性劑 (3倍CMC)，按照不同體積比進行復配，結果如圖3所示。其萃取率會隨陰離子表面活性劑SDS的體積比增加而增加，它們都在SDS加入一定比列的時候達到最高。

陰-非離子表面活性劑的復配在對多環(huán)芳烴的增溶作用中有過報道，但是對于在皂苷提取中其影響因素較多，首先薯蕷皂苷是一種甾體苷元與鼠李糖通過糖苷鍵結合的物質，它在表面活性劑溶液中的是以欄柵型的增溶模式存在。其親水基團鼠李糖部分存在膠束團表面［14］。在非離子與陰離子表面活性劑復配后，開始在非離子表面活性劑膠團大量存在的條件下，一定量的SDS的加入，必然會導致膠束團表面極性增強，有利于薯蕷皂苷中的親水基與膠束團的結合幾率，從而增加了萃取液中的薯蕷皂苷濃度。由于非離子表面活性劑能通過氫鍵與H2O以及H3O+結合，使得膠束團表面帶正電，使得陰-非離子表面活性劑的復配有陰陽離子表面活性劑的類似原理。隨著SDS的增加，非離子表面活性劑濃度驟降，溶液中的膠束團數(shù)量必然會減少，溶液中的膠束團數(shù)目的減少將會導致薯蕷皂苷萃取率降低。

圖3 陰-非離子表面活性劑對皂苷提取率的影響

2.6 無機鹽加量的影響 將黃姜粉末以1∶10加入到3倍CMC的十二烷基硫酸鈉溶液中，在25 kHz條件下加入NaCl、MgCl2使其濃度分別為 0.10、0.15、0.20、0.25、0.3 mol/L下超聲40 min，結果如圖4。隨著無機鹽的加入，Na+、Mg+離子濃度增加，不僅提高了表面活性劑的表面活性，而且降低了表面活性劑的臨界膠束濃度，提高表面活性劑的有效增溶能力，從而增加的薯蕷皂苷的提取率。當金屬離子濃度繼續(xù)增加時，由于加無機鹽會使液體柵欄分子間的斥力減少，于是分子排列得更加緊密，從而減少了極性化合物可被增溶的位置，因此，極性有機物被增溶的能力減小，可能不利于表面活性劑對皂苷的包裹，而會使皂苷提取率減少。由于Mg2+所帶電荷多與Na+以及其離子半徑較小，所以它對薯蕷皂苷提取率的影響更大。

圖4 Na+、M g+濃度對皂苷提取率的影響

2.7 Mg+加入到3倍CMC的SDS中提取薯蕷皂苷 在超聲頻率25 kHz超聲時間40 min料液比1∶10的SDS(3倍CMC)中加入0.2 mol/L的Mg+其實驗結果顯示，萃取率為71.25%。結果見表3。

表3 0.2 mol/L M g+加入到SDS(3倍CMC)中提取薯蕷皂苷的結果

3 結論

3.1 本研究以表面活性劑水溶液為提取溶劑，代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)中的有機溶劑提取，在中藥材活性成分提取中，有一定的使用價值。

3.2 本實驗在固定超聲頻率25 kHz，超聲時間40 min，料液比1∶10條件下使用十二烷基硫酸鈉水溶液作為溶劑，其濃度為2.58×10－2mol/L時萃取液中皂苷提取量為7.27 %，大于同等條件下使用75%的乙醇對薯蕷皂苷的提取量。

3.3 在表面活性劑溶液中加入不同其他表面活性劑對薯蕷皂苷進行提取，其皂苷提取率為陰-陽離子表面活性劑復配體系＞陰-非離子表面活性劑復配體系＞單一表面活性劑。

3.4 在表面活性劑中加入少量無機鹽就能大幅提高薯蕷皂苷的萃取量，在Mg2+濃度0.2 mol/L時增加的提取效率最大。

［1］Chen H，Wang C，Chang C T，et al．Effects of Taiwanese yam(Dioscorea japonica Thunb var．pseudojaponica Yamamoto)on upper gut function and lipid metabolism in Balb/c mice［J］．Nutrition，2003，19(7-8):645-649．

［2］Unny R，Chauhan A K，Joshi Y C，et al．A review on potentiality of medicinal plants as the source of new contraceptive principles［J］．Phytomedicine，2003，10(2-3):232-237．

［3］聶凌鴻，林淑英，寧正祥．薯蕷屬植物中薯蕷皂苷元的研究進展［J］．中國生化藥物雜志，2005，25(5):318-320．

［4］Zhu Y L，Huang W，Ni JR．A promising clean process for production of diosgenin from Dioscorea zingiberensis C．H．Wright［J］．Clean Prod，2010，18:242-249．

［5］Wang Y X，Liu H，Bao J G，et al．The saccharification-membrane retrieval-hydrolysis(SMRH)process:A novel approach for cleaner production of diosgenin derived from Dioscorea zingiberensis［J］．Clean Prod，2007，16(10):1133-1138．

［6］李 祥，馬建中，史云東．盾葉薯蕷、薯蕷皂素研究進展及展望［J］．林產(chǎn)化學與工業(yè)，2010，30(2):108-112．

［7］葛發(fā)歡，史慶龍，林香仙，等．超臨界CO2從黃山藥中萃取薯蕷皂素的工藝研究［J］．中草藥，2000，31(3):181-183．

［8］Li Xiang，Ma Jianzhong，Xia Jing．Study on extraction of dioscin from D．zingiberensis［J］．Advanced Materials Res，2011，189(1):863-866．

［9］Mishra SP，Gaikar V G．Recovery of diosgenin from Dioscorea rhizomes using aqueous hydrotropic solutions of sodium cumene sulfonate［J］．Ind Eng Chem Res，2004，43(7):5339-5346．

［10］韓 剛，韓學成，張衛(wèi)國．表面活性劑提高姜黃素提取率的研究［J］．中成藥，2004，26(4):269-271．

［11］高彥寧，周日寶，劉湘丹，等．不同來源百合中總皂苷元含量的比較研究［J］．湖南中醫(yī)藥大學學報，2006，27(3):16-17．

［12］程國華，靳鳳云，趙 超，等．胡蘆巴中總皂苷的含量測定［J］．光譜實驗室，2010，27(2):580-582．

［13］Zhu L Z，Chiou C T．Water solubility enhancements of pyrene by single and mixed surfactant solutions［J］．Environ Sci，2001，13(4):491-496．

［14］張海霞．表面活性劑萃取相行為研究［D］．合肥:中國科技大學，2002．