星點設計-效應面法優(yōu)化常春藤皂苷C提取工藝

曾建剛，孫化鵬，阮琴妹，程建宇，鐘曉紅

（湖南農業(yè)大學 園藝園林學院， 湖南 長沙410128）

洋常春藤（Hedera helix）為五加科常春藤屬的一種多年生常綠攀援藤本植物，全株可入藥[1]?，F(xiàn)階段研究表明其主要功能成分是皂苷類化合物[2]。該類化合物具有保肝、抗腫瘤、鎮(zhèn)靜、止痛等多種藥理活性[3-5]。歐洲藥典和英國藥典均已收錄洋常春藤作為植物藥，其評價標準是洋常春藤干燥葉片中常春藤皂苷C 的含量不低于3%[6-8]。洋常春藤在我國分布廣泛，目前國內對洋常春藤的研究主要集中在培育、繁殖等方面[9-10]，而對于其功能成分的研究甚少，使得洋常春藤資源的利用率不高。因此，加快洋常春藤功能成分的深入研究和開發(fā)，提高洋常春藤的綜合利用價值，對于豐富我國藥用植物的研究具有十分深遠的意義。

近年來國內多采用均勻設計或正交設計法優(yōu)化植物有效成分的提取工藝，這兩種設計方法均采用線性數(shù)學模型，雖然簡便、試驗次數(shù)少，但其精度不高。星點設計（CCD）[11-12]是在析因設計的基礎上采取非線性數(shù)學模型進行擬合分析，其復相關系數(shù)相對較高，預測值更精確，并具有試驗次數(shù)較少、結果直觀等優(yōu)點[13-14]。本實驗采用CCD 法，并結合效應面法優(yōu)化洋常春藤皂苷C 的提取工藝，為洋常春藤皂苷C 的工業(yè)化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：洋常春藤鮮葉于2014年8月采自湖南省長沙市，洗凈后置于鼓風干燥箱中60℃烘干至恒重，粉碎后過60 目篩，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

試劑：乙腈、磷酸為色譜純，乙醇為分析純，超純水（自制）。常春藤皂苷C 標準品（純度≥98%）購于南京春秋生物工程有限公司。

1.2 儀器與設備

Shimadzu 高效液相色譜儀，包括Shimadzu SPD20A 檢測器、Shimadzu SIL20A 自動進樣器、Shimadzu L C Solutions 工作站；數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)；AL204 電子天平（梅特勒–托利多上海有限公司）；高速中藥粉碎機（浙江瑞安市永歷制造機械有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 HPLC 法測定常春藤皂苷C 含量 具體步驟如下：

（1）HPLC 檢測法色譜條件的選擇。選擇C18 色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)。流動相：乙腈(A)-0.2%磷酸水溶液(B)。二元高壓梯度洗脫：0～35 m in，20%～50%A；35～40 m in，50%～60%A。檢測波長210 nm，流速1.0 m L/m in，進樣量20 μL，柱溫25℃。

（2）標準品溶液的制備。精密稱取常春藤皂苷C標準品5.1 mg，甲醇溶解定容至5 m L，配成濃度為1.02 mg/m L 的儲備液。

（3）標準曲線的制作。分別將標準品溶液用甲醇稀釋1、2、3、4、5 倍，搖勻，按（1）項下色譜條件進樣檢測。以標準品常春藤皂苷C 的濃度（mg/m L）為橫坐標，以色譜的峰面積作為縱坐標，繪制常春藤皂苷C濃度的標準曲線。

（4）常春藤皂苷C 含量的測定。取制備好的樣品溶液，按（1）項下色譜條件測定峰面積，根據(jù)標準曲線換算出常春藤皂苷C 的含量，從而計算常春藤皂苷C得率。

1.3.2 提取工藝的優(yōu)化 通過單因素試驗和星點試驗設計，進行模型擬合與數(shù)據(jù)處理，以提取優(yōu)化的工藝。

（1）單因素試驗。精密稱取洋常春藤粉末3.0 g 于200 m L圓底燒瓶中，加入60 m L 一定濃度的乙醇，選取50℃、60℃、70℃、80℃、90℃不 同 水 浴 溫 度；10 m in、20 m in、40 m in、60 m in、80 m in 不同提取時間；1、2、3、4、5 不同提取次數(shù)；30%、45%、60%、75%、90%不同乙醇濃度進行回流提取，過濾，合并濾液，按1.3.1（4）的方法測定常春藤皂苷C 的含量，并計算出常春藤皂苷C 的得率。

（2）星點試驗設計。為了更精確地研究各因素的最佳水平值，在單因素試驗結果分析的基礎上，取回流溫度（x1）、乙醇濃度（x2）、提取時間（x3）作為自變量，設定因素水平表，見表1。因提取次數(shù)為非連續(xù)的變量，不能夠進行回歸處理，結合單因素實驗和生產實際，均設定為兩次。稱取常春藤粉末3.0 g 于200 m L圓底燒瓶中，加入60 m L 一定濃度的乙醇，置于水浴鍋中回流提取，過濾，合并濾液，HPLC 法測定溶液中常春藤皂苷C 含量。

（3）模型擬合與數(shù)據(jù)處理。本實驗使用Design–Expert 8 軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用效應面分析方法，進行多元線性回歸及二項式擬合，并對擬合出的較優(yōu)方程模型進行方差分析。以擬合方程的r 和P 值為指標，選擇P 和r 較佳的方程作為模型。依據(jù)模型方程來繪制響應面三維立體圖及等高線。因為效應曲面圖為三維圖，只能表示出其中兩個自變量的函數(shù)，所以，分別固定3個自變量中的一個為中值，在擬合目標函數(shù)的基礎上，繪制因變量三維立體效應面圖。利用該效應面三維圖對任意2個自變量的交互作用進行分析及評價。利用Design-Expert 8 軟件中Optimization模塊的Point Prediction 功能分析預測最佳提取工藝條件，并進行驗證實驗，最終得出常春藤皂苷C 的最佳提取工藝條件。

表1 星點設計因素與水平

2 結果與分析

2.1 常春藤皂苷C 的HPLC 檢測法的建立

通過不斷調整流動相比例，在1.3.1（1）項下二元高壓梯度洗脫時，樣品溶液色譜圖基線平穩(wěn)，不同組分分離度較好，由此確定常春藤皂苷C 的HPLC 檢測法的色譜條件。

得常春藤皂苷C 濃度的標準曲線方程為：Y=1.7×106X-7 972.3，R2=0.999 3。結果表明，常春藤皂苷C 的濃度與峰面積線性關系良好，HPLC 法測定常春藤皂苷C 的含量有效可行。

2.2 提取工藝的優(yōu)化結果

2.2.1 單因素試驗結果 單因素試驗結果如圖1，由圖1 可知，常春藤皂苷C 提取的最佳單因素實驗條件為：回流溫度70℃，乙醇濃度75%，提取時間70 min，提取次數(shù)由于2 次后變化不大，考慮工業(yè)生產成本和實際，均定為2 次。在上述最佳單因素條件下，常春藤皂苷C 最佳得率為3.51%。

2.2.2 星點設計試驗結果 根據(jù)單因素實驗結果，確定星點設計因素范圍。由于非連續(xù)變量不能夠進行回歸處理，綜合考慮生產實際，提取次數(shù)均設定為2 次，星點設計試驗結果見表2。

2.2.3 模型擬合與效應面分析

（1）模擬方程。用Design–Expert 8 軟件進行數(shù)據(jù)分析，以因變量分別對自變量進行多元線性回歸和二項式擬合。所得常春藤皂苷C 得率的線性回歸方程為：

y=2.685 51＋0.004 22x1＋0.003 16x2＋0.002 89x3(r=0.135 4，P>0.05)。擬合度較差，模型不合格，因此多元線性模型不合適。

圖1 溫度（A）、乙醇濃度(B)、提取時間(C)、提取次數(shù)(D)對常春藤皂苷C 提取得率的影響

表2 星點設計試驗結果

得到常春藤皂苷C 得率非線性二次方程為：

y=－0.477 28＋0.019 985x1＋0.092 326x2＋0.011 827x3＋3.64×10-6x1x2－6.20×10-6x1x3＋9.06×10-5x2x3－1.21×10-4x12－7.79×10-4x22－1.55×10-4x32(r=0.984 5，P＜0.01)

由上述方程可知，二項式方程的r 值要高于線性方程，且P＜0.01，表明二項式方程具有高度的顯著性，模型與實際擬合較好，實驗誤差小，利用星點設計來優(yōu)化常春藤皂苷C 的提取是可行的。對二項式方程的回歸模型進行顯著性檢驗，方差分析結果見表3。結果表明，方程的一次項對常春藤皂苷C 得率的線性效應均表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01）；二次項中，各個因素對常春藤皂苷C 得率的曲面效應影響均顯著；其中x2x3的P＜0.05，說明乙醇濃度與提取時間交互作用顯著，其他因素間的交互作用不顯著。

（2）效應面分析。根據(jù)二項式方程，固定3個自變量之一為中值，應用Design–Expert 8 軟件作三維效應面圖（圖2～圖4），由圖2～圖4 可以看出，3個因素對常春藤皂苷C 得率的影響順序是：乙醇濃度>提取時間>回流溫度。乙醇濃度與提取時間這2個因素間的交互作用顯著，回流溫度與乙醇濃度、提取時間之間的交互作用影響不顯著。常春藤皂苷C 得率的較佳工藝范圍為乙醇濃度60%～70%，回流溫度70～85℃，提取時間45～60 m in。通過軟件分析，得出回歸模型的最大值點，即常春藤皂苷C 的最佳提取工藝條件為乙醇濃度62.6%，回流溫度82.3℃，提取時間54.7 m in，回流提取2 次。在此條件下，常春藤皂苷C的預測得率為3.56%。

表3 擬合二項式方程方差分析

圖2 乙醇濃度與回流溫度對常春藤皂苷C 得率的效應面圖

圖3 提取時間與回流溫度對常春藤皂苷C 得率的效應面圖

圖4 提取時間與乙醇濃度對常春藤皂苷C 得率的效應面圖

（3）優(yōu)化結果的驗證。按照得出的最佳提取工藝條件進行5 次驗證試驗，結果表明，最佳工藝提取的常春藤皂苷C 得率的平均值為3.52%。其結果與擬合方程的預測值3.56%較吻合，偏差值為0.04個百分點。表明所建立的數(shù)學模型具有良好的預測性，由數(shù)學模型所得的最佳條件與設計目標相符合。

3 討論

本實驗通過采用星點設計- 效應面法得出了回流溫度、乙醇濃度、提取時間對常春藤皂苷C 的效應趨勢，優(yōu)化了常春藤皂苷C 的提取工藝。充分考慮到了各因素間的交互作用，設計方法簡便，精度高，試驗次數(shù)少。并且此方法模型擬合的復相關系數(shù)較高，可信度好，結果直觀，便于分析。經過驗證，該方法優(yōu)化常春藤皂苷C 提取準確可行。

通過回歸分析和驗證，得到常春藤皂苷C 最佳提取工藝條件乙醇濃度62.6%，回流溫度82.3℃，提取時間54.7 min，回流提取2 次。在此條件下，常春藤皂苷C 的得率為3.52%，該得率比單因素實驗中最佳得率更高，且提取成本降低，說明方程模型有較好的應用價值。利用星點設計-效應面法優(yōu)化常春藤皂苷C提取是有效可行的。該研究可為常春藤皂苷C 的工業(yè)化生產提供參考依據(jù)，有效提高原料利用率。

[1]中國科學院植物志編委會.中國植物志（第54卷）[M].北京:科學出版社,1978.

[2]吳壽全,趙 泰,秦永祺.現(xiàn)代中草藥成分化學[M].北京:中國醫(yī)藥科技出版社.2002.465.

[3]吳壽金,張曉聞.近年來皂苷藥理活性的研究概況[J].國外醫(yī)藥(植物藥分冊),1994,9(6):246.

[4]童 星.中華常春藤中皂苷類成分和揮發(fā)油分離分析研究[D].長沙:中南大學,2007.

[5]Gepdiremen A,Mshvildadze V,Süleyman H,et al.Acute antiinflammatory activity of four saponins isolated from ivy:alpha-hederin,hederasaponin-C,hederacolchiside-E and hederacolchiside-F in carrageenan-induced ratpaw edema[J].Phytomedicine,2005,12(6-7):440-444.

[6]孔令強,劉 明,周 英.大孔樹脂對中華常春藤總皂苷的純化研究[J].亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥,2011,7(10):62-65.

[7]Fazio,S.,J.Pouso,D.Dolinsky,etal.Tolerance,safety and efficacy of Hedera helix extract in inflammatory bronchial diseases under clinical practice conditions:A prospective,open,multicentre postmarketing study in 9657 patients[J].Phytomedicine,2009,16(1):17-24.

[8]張玉武.中華常春藤繁殖技術研究[J].貴州科學,2002,20(2):68-72.

[9]王桂蘭.洋常春藤的組織培養(yǎng)與快速繁殖[J].植物生理學通訊,2004,40(4):466．

[10]吳 偉,崔光華.星點設計–效應面優(yōu)化法及其在藥學中的應用[J]．國外醫(yī)學藥學分冊，2000，27(5):292–298

[11]楊星星,謝紅旗,李清明,曾建國,熊興耀.星點設計–效應面法優(yōu)化葡萄枝蔓中白藜蘆醇的提取工藝[J].湖南農業(yè)大學學報(自然科學版),2012,03:282-286.

[12]孫 磊,王玉蓉.星點設計–效應面法優(yōu)選遠志的提取工藝[J].中成藥,2006,28(3):328–331．

[13]吳 清,倪 寧,王玉蓉,吳華.星點設計-效應面法優(yōu)選人參葉酶法提取工藝[J].中國實驗方劑學雜志,2006,04:5-8.

[14]趙艷玲,肖小河,山麗梅,等.星點設計–效應面法優(yōu)選干姜提取工藝[J].醫(yī)藥導報,2009,28(7):897–900．