超声波辅助提取北五味子藤茎木脂素*

孟宪军，薛雪，李斌，李元甦

(沈阳农业大学食品学院，辽宁省农产品深加工重点实验室，辽宁沈阳，110161)

超声波辅助提取北五味子藤茎木脂素*

孟宪军，薛雪，李斌，李元甦

(沈阳农业大学食品学院，辽宁省农产品深加工重点实验室，辽宁沈阳，110161)

木脂素是五味子的主要药用成分，文中利用响应面法优化了超声波辅助提取北五味子藤茎总木脂素的工艺条件。采用比色法测定北五味子藤茎中总木脂素的含量，基于单因素实验，应用Box-behnken设计实验法优化最佳提取方法，选取超声温度、超声时间、超声功率作为自变量，以提取率作为响应函数，采用响应曲面分析法，确定提取北五味子总木脂素适宜工艺条件为:超声波水浴温度55℃，超声功率208W，超声波处理时间12.8 min，预测提取率可达到2.713%，与实测提取率(2.425±0.352)%较接近。

五味子，木脂素，超声波提取

五味子［Schisandra chinensis(Turcz.)］Baill.为木兰科植物，习称“北五味子”［1］，广泛分布于我国东北部山区，它的干燥成熟果实为临床常用的滋补性中药，具有收敛固涩、益气生津、补肾宁心的功效［2］。木脂素是五味子的主要药用成分［3－5］，具有抗肿瘤、抗病毒、保肝、抗衰老［6］等作用。研究表明，五味子藤茎可代替果实药用，两者具有相似的成分，尤其是木脂素类物质成分基本相近［7］，含量约为果实的50%［8］。而且人工栽培和野生护养都需要将许多不结五味子果实的藤茎修剪下来，五味子藤茎资源很丰富，然而目前还没有得到很好的利用。

本研究利用超声波辅助法从北五味子藤茎中提取木脂素类物质，因为木脂素类物质结构多数含有一个亚甲二氧基，浓硫酸可使其水解并定量释放出甲醇，后者可与变色酸反应产生紫红色，所以可采用比色法以总木脂素含量为目标成分，测定木脂素类物质含量［9］。响应曲面设计方法是利用合理的实验设计方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法［10］。应用Box-Behnken中心组合设计建立数学模型，以提取率作为响应值，进行响应面分析，确定超声波辅助法提取北五味子藤茎中总木脂素的最佳工艺。

1 材料方法

1.1 材料与试剂

北五味子藤茎，自采于辽宁抚顺新宾青松药业有限公司的五味子GAP基地，干燥后粉碎，过60目孔筛，备用;五味子酯甲标准品，中国生物研究所(批号:111529－200503);变色酸、浓 H2SO4、三氯甲烷等，均为分析纯试剂。

粉碎机(辽宁省凤城市农机制造有限公司)，KQ－250DB型数控超声波萃取器(昆山市超声仪器有限公司)，WFJ－7200可见分光光度计(尤尼柯(上海)仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 总木脂素含量的测定［11］

本实验采用比色法测定五味子中总木脂素含量。准确称取五味子酯甲标准品4 mg于10mL容量瓶中，用甲醇定容，取0.1mL甲醇作为空白样，依次取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7mL 五味子酯甲标准溶液，挥去甲醇，再分别精密加入10%变色酸澄清水溶液0.5mL、浓 H2SO43mL、水 1.5mL，摇匀，置沸水浴中加热30 min，迅速冷却，以上述甲醇管为空白，分别在570 nm波长处测定吸光度，计算含量，以五味子酯甲含量为横坐标，以吸光度为纵坐标绘制标准曲线。

样品含量测定:吸取样品液0.1mL，按照上述操作步骤测定吸光度值，以标准曲线计算北五味子藤茎中总木脂素含量。

1.2.2 超声波提取的工艺流程

称取北五味子藤茎粉末→加乙醇配液→超声提取→取上清液→硅胶搅拌→挥干、上柱、三氯甲烷洗脱，定容→测定吸光度值→计算提取率

1.2.3 单因素实验

以乙醇为提取液，选取超声温度、超声时间、超声功率和乙醇浓度4个因素进行实验，按照1.2.1方法计算从北五味子中提取总木脂素的含量，并计算提取率，分别讨论上述因素对提取率的影响。

图1 五味子酯甲标准曲线图

1.2.3.1 超声时间对提取率的影响

在5个50mL的三角瓶中分别装入1.25 g北五味子藤茎粉末，按料液比(g∶mL)为1∶8加入体积分数55%乙醇，在超声功率为100 W，温度为30℃，超声时间分别为 5、10、15、20、25 min 下超声溶解，自然冷却后定容，准确吸取55%乙醇溶液1mL加硅胶(100目)1g拌匀挥干乙醇，将硅胶装入底部塞有少量棉花的玻璃层析柱(1.0cm×20cm)中，用三氯甲烷洗脱至10mL容量瓶中，定容。精密量取以上三氯甲烷洗脱液0.5mL于具塞试管中蒸干。按标准曲线方法操作，测定各样品吸光度值，根据读数，计算提取率。

1.2.3.2 超声温度对提取率的影响

其他条件同1.2.3.1，超声温度分别为20、30、40、50、60℃下溶解10 min。按标准曲线方法操作，计算提取率。

1.2.3.3 超声功率对提取率的影响

其他条件同1.2.3.1，在超声功率分别为50、100、150、200、250 W。按标准曲线方法操作，计算提取率。

1.2.3.4 乙醇浓度对提取率的影响

其他条件同1.2.3.1节，分别加入体积分数为55%、65%、75%、85%、95%的乙醇。按标准曲线方法操作，计算提取率。

1.2.4 响应面分析实验设计

基于第一阶段实验结果，本实验采用Design Expert软件(Vision 7.0.0.1，stat-Ease.Inc.，Minneapolis，MN.USA)设计，采用Box-Behnken设计实验法优化最佳提取方法，选取超声温度、超声时间、超声功率作为自变量，以提取率作为响应函数，采用响应曲面分析法，通过回归得出自变量与响应函数之间的统计模型，确定提取北五味子总木脂素最佳工艺参数。

因此本实验以超声温度、超声时间、超声功率为主要的考察因子(自变量)，分别以 X1、X2、X3表示，并以+1、0、－1分别表示自变量的高、中、低水平，按照方程xi=(Xi－X0)/△X对自变量进行编码，其中xi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，△X为自变量的变化，本实验因子编码及水平见表1。

表1 实验因素水平及编码表

北五味子总木脂素的提取率Y作为评价指标(响应值)的预测模型由最小二乘法拟合的二次多项式方程为:

方程(1)其中Y代表预测响应值，β0为常数值，βi代表线性系数，βii代表二次项系数，βij代表交互项系数。

2 结果与分析

2.1 单因素各因子对提取率的影响

2.1.1 超声时间对提取率的影响

由图2可知，超声时间在5～15 min时，随超声时间的延长，总木脂素含量由0.332%增加到0.696%，增加了0.364%。当超声时间超过15 min后提取率开始下降，当超声时间为25 min时，木脂素的提取率仅为0.194%，下降了0.503%，提取率下降的原因可能是超声时间延长，超声波的作用强度增加，分子结构遭到破坏，所以选取超声时间为15 min。

图2 超声时间对提取率的影响

2.1.2 超声温度对提取率的影响

由图3可知，在50℃之前，随温度升高，木脂素的提取率不断增加，从0.571%增加到1.073%，提高了0.503%;在60℃时，木脂素的提取率相比于50℃下降了0.05%，可能是因为温度过高，木脂素类物质降解，所以选择提取温度为50℃。

图3 超声温度对提取率的影响

2.1.3 超声功率对提取率的影响

由图4可知，超声功率在50～150 W时，提取率增加幅度较大，由0.206%增加到0.935%。结果表明随着超声功率的增加，超声波产生强烈振动，加速度变大，强烈的空化效应和搅拌作用加速了有效成分进入溶剂［12］。超声功率在150～250W时提取率的增加量相对平缓，因此选择超声波功率为200 W为宜。

图4 超声功率对提取率的影响

2.1.4 乙醇浓度对提取率的影响

由图5可知，乙醇体积分数在55%～75%时，提取率由0.068%增加到0.671%，将近扩大了10倍;乙醇体积分数在75%～95%时，提取率由0.671%增加到0.973%，提高了0.302%。表明木脂素的提取率随乙醇浓度的增加而升高，并且在55%～75%增加幅度较大，考虑到乙醇浓度过高时，沸点下降，导致挥发过大，一些醇溶性杂质、色素、亲脂性强的成分溶出量增加［13］，同时考虑到经济节约性，选择体积分数85%的乙醇比较合理。

2 响应面设计实验结果与分析

2.1 模型的建立与显著性分析

图5 乙醇浓度对提取率的影响

根据RSM设计，选取17个实验点，以超声温度、超声时间、超声功率3个主要因素作为自变量，以提取率作为RSM响应值。结果采用二次多项回归拟和方法建立数学模型，获得了预测相应值(提取率，Response)与超声温度(X1，℃)、超声时间(X2，min)和超声功率(X3，W)的二次回归方程如下:

对模型方程进行方差分析表明，该方程显著，通过校正决定系数(adjusted coefficient of deter minationg，)和相关系数(correlation coefficient，R)来验证。此处R2=0.908 4，表明大约有90%的提取率变异分布在所研究的3个相关因素中，其总变异度仅有9.16%不能由该模型来解释;相关系数 R为0.979，表明提取率的实测值和预测值间很好的拟合度;失拟项P=0.064 3＞0.07，表明方程的拟合不足检验不显著，二次响应曲面回归方程能够很好的拟合本实验所得的结果，自变量与响应值之间线性关系显著，所以该模型可以用于提取率实验的理论预测。

2.2 超声辅助提取北五味子总木脂素的响应面分析与优化

RSM法的图形是响应值Y对应自变量X1、X2、X3构成的一个三维空间图及在二维平面上的等高线图，从实验所得响应面分析图上可以看出它们在反应过程中的相互作用，确定合适的工艺条件。图6表明在超声功率200 W条件下，超声温度和超声时间对提取率影响的响应面图。图7表明在超声时间12.5 min，超声温度和超声功率对提取率的响应面图。图8表明在超声温度50℃的条件下，超声时间和超声功率对提取率的响应面图。

2.3 模型验证及最佳提取条件的确定

对前面所获得的第一个模型方程系数进行显著性检验，X2X3项不显著，舍去该项优化模型，可以得到优化后的回归方程为:提取率/%=2.59+0.37 X1+0.19 X2+0.26 X3－0.30X1×X2－0.21X1×X3－0.30－0.36－0.47

去掉X2X3，项后方程中，表明调整后的模型与调整前的模型对提取率变异的描述准确程度相当;而R2=0.949 3，表明调整后的模型和调整前的模型在实测值和预测值拟合度基本一致。利用优化后的模型，通过对二次多项式数学模型的解逆矩阵，求出最大提取率的工艺条件:超声温度55.34℃，超声时间12.82 min，超声功率208.13W，预测北五味子总木脂素提取率达到2.713%。

图6 超声温度和超声时间交互影响提取率的响应面图

图7 超声温度和超声功率交互影响提取率的响应面图

图8 超声时间和超声功率交互影响提取率的响应面图

为了验证回归模型的有效性，根据推断的最佳工艺参数和实际操作过程可行性进行验证试验，在超声温度55.34℃，超声时间12.8 min，超声功率208 W条件下进行验证实验，实测提取率(2.425±0.352)%，与预测值较接近。结果表明预测值接近实际测量值，说明该模型是合理有效的具有一定的实际指导意义。

3 结论

(1)由于超声波在介质中传播，会产生热效应、机械效应或空化效应，在一定程度上引起介质的特性变化［14］。超声波处理加大物料本身及介质的传质作用，击破原料的组织和细胞膜，破坏细胞结构［15－16］，实验证明利用超声波提取，总木脂素提取率明显提高。

(2)利用响应面设计实验，根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，选择对总木脂素提取率有显著影响的因素有:超声波处理时间、超声波功率和超声波水浴温度，做三因素三水平的响应面分析实验，结果表明上述三因素对总木脂素提取率的影响不是简单的线性关系，而是超声波处理时间、超声波功率和超声波水浴温度的平方项对提取率有显著影响。

(3)本研究利用Design Expert软件对超声波条件进行响应面优化设计，实验结果表明此方法具有良好的应用性和预测性，能提供较准确的变量和误差信息。因此得到总木脂素提取率的最佳工艺条件为:超声温度55℃，超声功率208W，超声时间12.8 min，预测得率可达到2.713%，实测提取率为(2.425±0.352)%，从而为下一步工业化提取五味子藤茎中木脂素类物质提供一定的理论依据。

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Extraction of Total Lignans from Caculis of Schisandra chinensis(Turcz.)Baill with Ultrasonic Assistance

Meng Xian-jun，Xue Xue，Li Bin，Li Yuan-su
(College of Food，Shenyang Agriculture University，Provincia Key Laboratory of Further Processing of Food，Shenyang 110161，China)

Lignans are main medicinal ingredients in Schisandra chinensis(Turcz.)Baill.Response surface methodlogy(RSA)is used for optimizing the ultrasonic extraction technology of total lignans from caculis of Schisandra chinensis(Turcz.)Baill with ultrasonic assistance.The experiment utilizes colorimetry method to determinate the total lignan content.Based on single experiments，ultrasonic treatment time，temperature，and power are selected as independent variables.We take the extraction as a response value，and make the response surface analyzer.According to Box－Behnken central composite design，a mathematical model is established.The optimum extraction conditions was:55℃，208w for an ultrasound treatment of 12.8 min .The predicted extraction yield is 2.713%，and the yield of total lignans is(2.425 ± 0.352)%，which agrees with the actual extraction(2.425 ± 0.352)%.

Schisandra chinensis(Turcz.)Baill，caculis，lignans，ultrasonic extraction

博士，教授(李斌博士为通讯作者)。

*“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAI09B04)

2010－06－22，改回日期:2010－09－30