五味子種子木脂素超聲提取工藝的優(yōu)化

張悅怡，趙 巖，劉勇慧，溫 馨，程 銘，盛彥玲，楊 鶴，劉雙利，張連學(xué)

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 中藥材學(xué)院，吉林 長春 130118)

五味子種子木脂素超聲提取工藝的優(yōu)化

張悅怡，趙 巖，劉勇慧，溫 馨，程 銘，盛彥玲，楊 鶴，劉雙利，張連學(xué)

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 中藥材學(xué)院，吉林 長春 130118)

【目的】 研究乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、液固比及其交互作用對五味子種子木脂素提取率的影響，并優(yōu)化其提取工藝?！痉椒ā?以木脂素提取率為考察指標(biāo)，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲波提取時(shí)間和液固比為因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)；然后在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定因素和水平進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，應(yīng)用SAS 9.1軟件和響應(yīng)面分析相結(jié)合的方法，模擬木脂素提取率回歸方程的預(yù)測模型，驗(yàn)證優(yōu)化得到的最佳提取條件。【結(jié)果】 五味子種子木脂素的優(yōu)化提取工藝為：乙醇體積分?jǐn)?shù)73%，超聲時(shí)間32 min，液固比299 mL/g。在此條件下，經(jīng)過多次驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)木脂素提取率為2.47%，與理論值(2.59%)十分接近?！窘Y(jié)論】 利用中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化獲得了五味子種子木脂素的超聲提取工藝，為其工業(yè)化提取提供了參考。

五味子；木脂素；提取工藝；中心組合設(shè)計(jì)；響應(yīng)面分析

五味子為木蘭科植物五味子(Schisandrachinesnsis)的干燥成熟果實(shí)，俗稱北五味子，其味酸甘、性溫，具有收斂固澀、益氣生津、補(bǔ)腎寧心等功效[1]?，F(xiàn)代藥理研究表明，五味子有保肝益腎、保護(hù)心腦血管、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、催眠、抗衰老、抗腫瘤、降血糖及免疫增強(qiáng)作用[2-3]。大量研究證明，五味子中含有的聯(lián)苯環(huán)辛二烯結(jié)構(gòu)的木脂素類物質(zhì)是其主要的生物活性成分，主要包括五味子醇甲、五味子醇乙、五味子甲素、五味子乙素等[4]，其中含量較高的是五味子醇甲和五味子乙素[5]，此類物質(zhì)具有保肝、降酶、保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、抗艾滋病毒和抗癌等多種活性[6-11]。

目前，關(guān)于五味子木脂素的提取研究，多是以整個(gè)果實(shí)作為提取原料[12-16]，但五味子果實(shí)不同部位(果肉、種子)所含化學(xué)成分有別，導(dǎo)致其用途不同，如其果肉主要有效成分以有機(jī)酸、多酚類物質(zhì)為主，而種子以木脂素類成分為主；果肉可以用作飲品的生產(chǎn)原料，種子則可以用作木脂素類成分生產(chǎn)的原料[6]。所以，本研究將成熟五味子果肉與種子分離，僅以其種子為原料提取木脂素類成分，考察不同因素對木脂素類成分提取率的影響，并采用中心組合設(shè)計(jì)-響應(yīng)面分析法對其超聲提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期提供一種高效、安全、無有毒溶劑殘留的五味子木脂素提取工藝，為五味子木脂素類物質(zhì)的工業(yè)化提取提供支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試五味子購于當(dāng)?shù)厮幉氖袌?，?jīng)吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)張連學(xué)教授鑒定為木蘭科植物五味子的成熟果實(shí)，將果肉和種子分離，陰干，分別粉碎，過孔徑 0.30 mm篩后備用。

五味子醇甲、五味子醇乙、五味子乙素對照品，購于上海源葉生物科技有限公司；甲醇為色譜純，其他試劑均為分析純。

所用儀器有KQ-250B型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)、百靈LA114型電子天平(常熟市百靈天平儀器有限公司)和CXTH-3000高效液相色譜儀(北京創(chuàng)新通恒科技有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 對照品溶液的制備 取五味子醇甲、五味子醇乙、五味子乙素適量，精密稱定，加甲醇分別制成每1 mL分別含0.04 mg五味子醇甲、五味子醇乙和五味子乙素的對照溶液，備用。

1.2.2 供試品溶液的制備 取同一批次的五味子種子粉末0.5 g，精密稱定，按試驗(yàn)設(shè)定的液固比加入乙醇-水溶液，按設(shè)定時(shí)間超聲提取后，過濾，作為供試品溶液。

1.2.3 色譜條件 色譜柱：大連江申分離科學(xué)技術(shù)公司C18柱(150 mm×4.6 mm，5 μm)；柱溫：30 ℃。流動(dòng)相A為甲醇，B為水溶液，梯度洗脫條件為：0～4 min，流動(dòng)相A 70%，流動(dòng)相B 30%；4～12 min，流動(dòng)相A 70%～65%，流動(dòng)相B 30%～35%；12～18 min，流動(dòng)相A 65%～100%，流動(dòng)相B 35%～0。流速：1.0 mL/min。檢測波長：250 nm。

1.2.4 木脂素含量的測定 分別吸取供試品溶液與對照品溶液各10 μL，注入高效液相色譜儀，記錄色譜圖，采用外標(biāo)一點(diǎn)法計(jì)算木脂素提取率。計(jì)算公式為：

式中：ρ為供試品質(zhì)量濃度(mg/mL)，v為供試品體積(μL)，D為稀釋倍數(shù)，m為供試品的質(zhì)量(g)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素試驗(yàn) 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，以超聲提取的乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間、液固比進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分別考察3個(gè)因素對木脂素提取率的影響。

(1)乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響。固定超聲提取時(shí)間為10 min，液固比為40 mL/g，乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為30%，50%，70%，95%，考察其對五味子種子木脂素提取率的影響。

(2)提取時(shí)間的影響。固定乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%，液固比為40 mL/g，超聲提取時(shí)間分別為10，20，30，60 min，考察其對五味子種子木脂素提取率的影響。

(3)液固比的影響。固定乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%，超聲提取時(shí)間為10 min，液固比分別為10，20，40，80 mL/g，考察其對五味子種子木脂素提取率的影響。

1.3.2 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn) 為了分析各因素及其交互作用對木脂素提取率的影響，以獲得最佳的提取工藝，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以五味子木脂素提取率為考察指標(biāo)，進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)的因素及水平見表1。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SAS 9.1軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立數(shù)學(xué)模型，用脊嶺分析優(yōu)化試驗(yàn)工藝，并采用ORIGIN 8.0軟件進(jìn)行繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 五味子種子木脂素提取的單因素試驗(yàn)

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響 由圖1可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，五味子種子木脂素提取率呈先升高后降低趨勢，且于乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)達(dá)到最高?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中乙醇回收的耗能問題，應(yīng)盡可能選擇高體積分?jǐn)?shù)乙醇進(jìn)行提取，因此將乙醇體積分?jǐn)?shù)考察范圍定為50%～95%。

2.1.2 超聲提取時(shí)間的影響 由圖2可知，超聲提取10 min時(shí)，五味子種子木脂素的提取率最高，隨后提取率迅速下降，至20 min降為最低；超聲提取20～60 min，提取率又逐漸升高?？紤]到各因素間可能存在的交互作用，防止漏掉最佳提取時(shí)間點(diǎn)，故將超聲提取時(shí)間的考察范圍定為0～60 min。

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對五味子種子木脂素提取的影響
Fig.1 Effect of ethanol concentration on extraction of lignans fromSchisandraeseeds

2.1.3 液固比的影響 由圖3可知，隨著液固比的增加，五味子種子木脂素提取率隨之提高。當(dāng)液固比為10～20 mL/g時(shí)提取率增加較快；當(dāng)液固比為20～40 mL/g時(shí)有所降低，此后提取率又隨液固比的增加緩慢增大。為防止漏掉最佳提取的液固比條件，將液固比考察范圍定為10～300 mL/g。

2.2 五味子種子木脂素提取的中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)

采用SAS 9.1軟件的RSREG(二次響應(yīng)面回歸模型)程序?qū)χ行慕M合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果(表2)進(jìn)行響應(yīng)面分析，經(jīng)二次回歸擬合，得到回歸模型參數(shù)估計(jì)值見表3，方差分析結(jié)果見表4，脊嶺回歸分析結(jié)果見表5。

由表3可知，回歸方程為：

Y=0.007 132+0.023 703x1+0.032 202x2-

0.000 003 247x1x3+0.000 005 703x2x3+

從表4可以看出，總模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.741 6，表明回歸方程對木脂素提取率的預(yù)測值與實(shí)測值有較好的相關(guān)性。

脊嶺回歸分析結(jié)果(表5)表明，回歸方程預(yù)測的五味子種子木脂素提取的最佳條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)73%、超聲提取時(shí)間32 min、液固比299 mL/g；在該條件下，木脂素的提取率為2.59%。驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述條件下，五味子種子木脂素的平均提取率為2.47%，試驗(yàn)值與預(yù)測值擬合良好，進(jìn)一步說明模型預(yù)測的可行性。

為了更直觀地反映各因素對提取率的影響，運(yùn)用ORIGIN 8.0軟件繪制了響應(yīng)面圖，即木脂素提取率(Y)及對應(yīng)的乙醇體積分?jǐn)?shù)(x1)、超聲提取時(shí)間(x2)、液固比(x3)構(gòu)成的三維空間圖形，結(jié)果見圖4～6。

圖4～6直觀地反映了乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲提取時(shí)間及液固比3個(gè)因素兩兩交互作用對響應(yīng)值的影響，但基于價(jià)格、能耗等因素，本研究中乙醇體積分?jǐn)?shù)的最大值為95%、超聲提取時(shí)間最長為60 min、液固比最高為300 mL/g，并未能全部達(dá)到極值。另由于各因素之間交互作用的影響，不能一味地將某一因素最大化而不考慮其他因素。由圖4～6 可以看出，五味子種子木脂素提取的較優(yōu)提取工藝范圍為：乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%～95%，超聲提取時(shí)間為20～40 min，液固比為100～300 mL/g，脊嶺回歸分析得到的結(jié)果均在此范圍內(nèi)，說明所得優(yōu)化工藝可行。

3 結(jié)論與討論

與其他傳統(tǒng)提取方法，如冷浸法、回流法相比，超聲提取法具有提取效率高、耗能少等優(yōu)點(diǎn)，而且為純物理方法，在提取過程中藥材一般不發(fā)生化學(xué)變化。本研究在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過中心組合設(shè)計(jì)-響應(yīng)面分析，建立了超聲輔助提取五味子種子木脂素的數(shù)學(xué)模型，回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.741 6，說明方程擬合良好。

通過分析得到超聲提取五味子種子木脂素的最佳工藝條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)73%，超聲提取時(shí)間32 min，液固比299 mL/g。在此條件下，經(jīng)多次驗(yàn)證，五味子種子木脂素提取率為2.47%，與理論值(2.59%)十分接近，說明所建立的預(yù)測模型可行，這為從五味子種子中大規(guī)模提取木脂素提供了可能。

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Optimization of lignans extraction technique fromSchisandrachinensisby supersonic wave

ZHANG Yue-yi,ZHAO Yan,LIU Yong-hui,WEN Xin,CHENG Ming,SHENG Yan-ling,YANG He,LIU Shuang-li,ZHANG Lian-xue

(CollegeofChineseMedicinalMaterials,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China)

【Objective】 This study investigated the effects of ethanol concentration,ultrasonic extraction time,liquid to solid ratio and their interaction on extraction rate of lignans fromSchisandrachinensisand optimized the extraction technique.【Method】 Using lignans extraction rate as examining index,ethanol concentration,ultrasonic extraction time and solid to liquid ratio as factors,single factor experiment was carried out.Then,central composite design experiment was carried out based on the determined factors and levels.SAS 9.1 and response surface analysis were used to establish the regression model and the optimal ultrasonic extraction conditions were achieved.【Result】 The optimal conditions were:ethanol concentration 73%,ultrasonic extraction time 32 min,and liquid to solid ratio 299 mL/g.The extraction yield of lignans was 2.47%,which was close to the theoretical value of 2.59%. 【Conclusion】 The optimization extraction conditions for lignans from schisandrae seeds were obtained.

Schisandrachinensis;lignan;extraction technique;central composite design;response surface analysis

2013-12-11

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAI03B01)；國家公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201303111)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20126046)；吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(201218)；吉林省中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)(YYZX201258)

張悅怡(1990-)，女，吉林長春人，碩士，主要從事天然藥物化學(xué)成分與生物活性研究。 E-mail：cherishleforever@163.com

趙 巖(1979-)，男，吉林長春人，副教授，博士，主要從事天然藥物化學(xué)成分與生物活性研究。 E-mail：zhyjlu79@163.com

時(shí)間:2015-05-11 15:03

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.06.033

R284.2

A

1671-9387(2015)06-0215-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150511.1503.033.html