响应面法优化见血青酚类成分提取工艺的研究

迪明博, 王润坤, 邹美佳, 薛诗意, 刘 量*

(1. 扬州大学医学院(转化医学研究院)/ 江苏省中西医结合老年病防治重点实验室, 江苏扬州 225009; 2. 盱眙县人民医院药剂科, 江苏盱眙 211700; 3. 江苏省连云港中医药高等职业技术学校, 江苏连云港 222007)

见血青为兰科(Orchidaceae)羊耳蒜属脉羊耳兰(Liparisnervosa)的全草,是附生或地生的药用草本植物,广泛分布于我国江西、浙江、湖南南部、广西、四川及贵州等地,生长于海拔1 000～2 100 m地区,常见于丛林荫处和溪谷旁[1]。见血青在《中华本草》[1]和《中药大辞典》[2]等均有收录,其味苦、性凉,具有清热解毒、补肺止血等功效,常用于治疗劳伤咳嗽等[3]。

见血青含菲类、苯丙素类和酚酸类等多种酚类成分。从见血青中分离到的3个新双菲类化合物对胃癌HGC-27细胞和结肠癌HT-29细胞具有显著的肿瘤细胞毒活性[4]; 苯丙素类成分具有显著的体外抗氧化活性和α-葡萄糖苷酶抑制活性[5]; 见血青中酚类成分具有多种生物活性。然而,目前国内外尚未见对见血青酚类成分提取工艺的报道。

超声辅助能在中草药成分提取过程中通过空穴作用和扰动效应,有效地破坏植物细胞膜和细胞壁,增加溶剂穿透细胞膜的能力,从而大大提高有效成分的提取率和药材的利用率,缩短提取时间。同时,超声辅助提取可不加热, 通过超声的热机制,即利用超声波的振动能量不断被传播介质吸收转变为热量,从而使得传播介质温度升高,这种升温方式不同于其他加热方法,能很好地保持提取物的结构和特性[6]。鉴于超声波辅助提取法的诸多优势,本研究采用超声波辅助提取法,通过分析超声功率、乙醇浓度、料液比和提取时间等不同因素对见血青酚类成分提取效率的影响规律,以确定见血青酚类成分超声辅助提取的最佳工艺条件,并与浸渍和加热回流提取这2种传统的提取工艺进行比较,为见血青的深入研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

见血青购自重庆市黔江区,由扬州大学医学院刘量副教授鉴定为兰科羊耳蒜属药用植物见血青[Liparisnervosa(Thunb. ex A. Murray) Lindl.]全草。

没食子酸(纯度≥98%, 美国Sigma-Aldrich公司,产品批号为PHL89198); 福林酚(合肥博美生物公司产品); 无水乙醇(分析纯)、无水碳酸钠(国药集团化学试剂公司)。

高速万能粉碎机(天津泰斯特仪器公司); 数字显示恒温水浴锅(HH系列,上海江星仪器公司); 酶标仪(Synergy 2型,美国Bio-Tek公司); 高速离心机(德国Eppendorf公司); 数控超声波清洗器(KQ-500DE型,昆山禾创超声仪器公司); 超纯水机(四川优普科技公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 见血青的预处理

将见血青干燥至恒重,用万能粉碎机粉碎,密封保存于干燥环境中备用。

1.2.2 见血青酚类成分的提取

1) 超声辅助提取: 精密称取适量见血青粉末,以一定的料液比[见血青粉末(g)∶乙醇(mL)], 按照一定的乙醇浓度、提取时间以及用一定的超声功率进行辅助提取,重复3次。提取后,将混合物减压过滤并除去滤渣,留取滤液,将滤液于4 ℃下5 000 r·min-1离心20 min, 吸取上清液并于4 ℃储存备用,储存期不超过3 d[6]。

2) 浸渍提取: 精密称取见血青粉末1 g及量取72%乙醇溶液72 mL, 重复3次,搅拌均匀后于常温下静置24 h。提取后,将混合物过滤、滤液于4 ℃下5 000 r·min-1离心20 min, 吸取上清液于4 ℃储存, 3 d内使用。

3) 加热回流提取: 称取见血青粉末10 g于烧瓶中,加入720 mL 72%乙醇溶液, 重复3次, 在85 ℃水浴条件下加热提取3 h, 所得溶液同上述方法过滤、离心,并于4 ℃存储, 3 d内使用。

1.2.3 单因素试验

采用单一变量原则,通过单因素试验分别考查超声波功率(200、250、300、350、400和450 W)、乙醇浓度(20%、40%、60%、80%和100%)、料液比[1∶20、1∶40、1∶60、1∶80和1∶100 (g∶mL)]和提取时间(10、20、30、40、50和60 min) 4个因素对总见血青酚类成分得率的影响[7]。

1) 超声功率对见血青酚类成分得率的影响: 精密称取适量见血青粉末于具塞锥形瓶中,以料液比1∶40 (g∶mL)加入一定体积的40%乙醇溶液,分别在超声功率200、250、300、350、400和450 W的水浴中超声15 min, 随即将混合物减压抽滤,放冷,去除滤渣,滤液振荡摇匀后取适量置于离心机中,于4 ℃下5 000 r·min-1离心20 min, 提取3次,离心后吸取上清液进行酚类成分得率测定,绘制超声波功率对得率影响的柱形图。

2) 乙醇浓度对见血青酚类成分得率的影响: 精密称取适量见血青粉末于具塞锥形瓶中,分别以料液比1∶40 (g∶mL)加入不同浓度20%、40%、60%、80%和100%的乙醇溶液,在超声功率350 W的水浴中超声15 min, 随即将混合物减压抽滤,放冷,去除滤渣,其余步骤同上,绘制乙醇浓度对得率影响的柱形图。

3) 料液比对见血青酚类成分得率的影响: 精密称取见血青粉末于具塞锥形瓶中,分别以料液比1∶20、1∶40、1∶60、1∶80和1∶100 (g∶mL)加入浓度80%的乙醇溶液,在超声功率350 W的水浴中超声15 min, 随即将混合物减压抽滤,放冷,去除滤渣,滤液振荡摇匀后于离心机中离心20 min, 提取3次,离心后吸取上清液进行酚类成分得率测定,绘制料液比对得率影响的柱形图。

4) 提取时间对见血青酚类成分得率的影响: 精密称取适量见血青粉末于具塞锥形瓶中,以料液比1∶60 (g∶mL)加入浓度80%的乙醇溶液,分别在超声功率350 W的水浴中超声10、20、30、40、50和60 min, 随即将混合物减压抽滤,放冷,去除滤渣,滤液振荡摇匀后于离心机中离心20 min, 提取3次,离心后吸取上清液进行酚类成分得率测定,绘制提取时间对得率影响的柱形图。

1.2.4 响应面试验设计

通过固定1个因素和改变其他因素,采用基于Box-Behnken试验设计的响应面方法对提取条件进行优化,研究3个自变量[乙醇浓度(A)、料液比(B)、提取时间(C)]对因变量酚类成分得率(R)的影响。根据单因素分析结果选择自变量的水平,根据3因素和3水平的响应面试验设计,选择17个自变量组合,并重复5次中心检验(0, 0, 0), 以验证提取过程的标准误差和重复性,试验因素及其水平设计见表1。

表1 响应面试验设计的因素和水平表Tab.1 Factors and levels for response surface experimental design

1.2.5 酚类成分得率的测定

1) 没食子酸标准曲线的绘制: 精密称取没食子酸标准品10.00 mg, 加适量无水乙醇溶解,用蒸馏水定容于250 mL的容量瓶中配制成0.04 mg·mL-1

的标准品溶液,用移液枪精密吸取一定体积并稀释成不同浓度的40、20、10、5、2.5、1.25、0.625 μg·mL-1标准品溶液,吸取不同浓度的没食子酸标准品溶液2.5 mL于10 mL的EP管中,分别加入 2.5 mL福林酚(10%), 充分摇匀,反应5～6 min后加入150 μL Na2CO3(20%)溶液,室温反应2 h 至吸光度值稳定,精密吸取200 μL于96孔板中,以无水乙醇作为空白对照, 765 nm波长下测定吸光度值,平行试验3次,取平均值后进行标准曲线的绘制[8]。以吸光度为横坐标,浓度为纵坐标,得回归方程为Y=36.198X-0.666 6 (R2=0.999 3), 没食子酸浓度在0.062 5～40 μg·mL-1范围内与吸光度呈良好的线性关系。

2) 见血青酚类成分得率的计算: 精密吸取离心后上清液,用蒸馏水定容至10 mL容量瓶中,得到不同浓度的待测液,精密吸取2.5 mL于10 mL的EP管中,同没食子酸标准曲线的试验操作测定吸光度值,计算见血青的总酚得率:M=X×V×N/(m×D×1 000)。式中,M为见血青的酚类成分得率(mg·g-1);X为标准品没食子酸浓度(μg·mL-1);V为提取液的体积(mL);N为稀释倍数(10);m为样品质量(g);D为干重(%)。

1.3 统计学分析

所有试验均重复3次, 用GraphPad Prism 6和IBM SPSS Statistics 26软件进行数据处理,用Design-Expert 12.0软件进行结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析及其结果

2.1.1 超声功率对见血青酚类成分得率的影响

由图1可知,当超声功率设定在200～350 W之间时,随着超声功率的增大,酚类成分得率随之增加,可能是因为随着超声波对植物细胞壁的破坏作用增强,加快细胞内酚类物质的溶出,因此溶液中酚类物质的含量也逐渐增加。超声功率在 350～450 W 之间时,随着超声功率的增加,酚类成分得率反而逐渐下降,其原因可能是超声功率过大,导致细胞内容物大量溶出,增加溶液黏度和浓度,从而抑制酚类物质的溶出,通过单因素方差分析和邓肯多重范围检验选择350 W的超声功率为最佳提取条件[9]。

图1 超声功率对酚类成分得率的影响*Fig.1 Effect of ultrasonic power on phenol yield* 条形图上字母表示不同水平之间的显著性差异(邓肯多重范围检验, P<0.05)。* Different letters on the bars indicate significant differences between lev-els (Duncan’s multiple range test, P<0.05).图2 乙醇浓度对酚类成分得率的影响*Fig.2 Effect of ethanol concentration on phenol yield* 条形图上字母表示不同水平之间的显著性差异(邓肯多重范围检验, P<0.05)。* Different letters on the bars indicate significant differences between levels (Duncan’s multiple range test, P<0.05).

2.1.2 乙醇浓度对见血青酚类成分得率的影响

由图2可知,随着乙醇浓度的增加,见血青酚类成分得率呈增加趋势,并在乙醇浓度为80%时达到最大值。当乙醇浓度大于80%时,酚类成分得率下降,这可能是由于乙醇浓度为80%时的极性与一些酚类物质的极性接近,在乙醇浓度大于80%时,醇溶性杂质大量增加,从而影响酚类物质的提取[10]。通过单因素方差分析和邓肯多重范围检验选择提取液乙醇浓度80%为最佳提取条件。

2.1.3 料液比对见血青酚类成分得率的影响

由图3可知,在料液比1∶(20～60) (g∶mL)范围内,料液比对见血青酚类成分得率有显著的影响,酚类成分得率随料液比的增大而提高,这是因为随料液比增加,溶剂用量增大,体系浓度差增大,酚类物质很容易被提取出来。当料液比大于 1∶60 (g∶mL)后,酚类成分得率下降并趋于稳定,这是由于当溶剂用量增大到一定程度时,浓度差减小,酚类成分溶出速率减小,且料液比过大,会削弱超声波破碎植物细胞的能力,从而降低酚类成分得率。通过单因素方差分析和邓肯多重范围检验选取料液比1∶60 (g∶mL) 为最佳提取条件。

图3 料液比对酚类成分得率的影响*Fig.3 Effect of solid-liquid ration on phenol yield* 条形图上字母表示不同水平之间的显著性差异(邓肯多重范围检验, P<0.05)。 * Different letters on the bars indicate significant differences between levels (Dun-can’s multiple range test, P<0.05).图4 提取时间对酚类成分得率的影响*Fig.4 Effect of extraction time on phenol yield* 条形图上字母表示不同水平之间的显著性差异(邓肯多重范围检验, P<0.05)。* Different letters on the bars indicate significant differences between levels (Duncan’s multiple range test, P<0.05).

2.1.4 提取时间对见血青酚类成分得率的影响

由图4可知,在提取时间10～50 min范围内,随着提取时间的增加酚类成分得率增加,在提取时间50～60 min范围内,随着提取时间增加,酚类成分得率下降,这是因为在开始超声的过程中植物细胞逐渐破碎,酚类物质缓慢释放,随着超声时间的增加,细胞受超声影响的程度增大,酚类物质溶出增加。但是由于超声的热机制,长时间可能造成酚类物质的氧化,破坏其结构,酚类成分得率减少。通过单因素方差分析和邓肯多重范围检验选择提取时间以50 min为最佳提取条件。

2.2 响应面法工艺优化结果及分析

2.2.1 响应面试验设计及试验结果

利用Design-Expert 12.0软件中的Box-Behnken试验设计原理构建了试验方案,依此方案进行试验,得到了乙醇浓度、料液比、提取时间3个因素对见血青酚类成分得率的响应试验结果(表2)。

表2 设计方案和试验结果Tab.2 Design solutions and experimental results

2.2.2 试验模型与响应面试验结果方差分析

由表3可知,模型的F=61.64, 表明所建立的数学模型是合理的; 模型的P<0.000 1, 说明模型达到极显著水平; 失拟项的P>0.05, 说明试验结果重复性较好,试验误差小。决定系数R2=0.958 2, 说明该模型所得出的预测值有较好的可信度; 校正后的决定系数Radj2=0.971 5与R2接近,说明此模型能解释97.15%的效应值变化; 变异系数CV=3.03% (反映模型的置信度,CV值越低,该模型的置信度越高), 说明模型方程能很好地反映真实试验值[11]。综上,此模型可用于优化试验设计与结果分析,以确定超声提取见血青中酚类物质的最佳工艺。

在影响因素的一次项结果中,乙醇浓度和料液比对酚类成分得率的影响达极显著水平,提取时间对酚类成分得率影响的显著性相对较低(P=0.066 1), 根据各因素的P值大小可以判断,各影响因素对见血青酚类成分得率的影响由强到弱依次为乙醇浓度(A)、料液比(B)、提取时间(C)。由二次项结果可知,乙醇浓度和料液比对酚类成分得率的影响极显著。在交互作用下,料液比和提取时间的交互影响达到显著水平,各因素交互作用的显著性差异也说明提取条件对见血青酚类成分得率的影响复杂,有必要对其进行响应面分析优化。

为进一步明确各因素的影响,利用Design-Expert 12.0 软件对方差分析的结果进行二次回归分析和二项式拟合,得到以见血青酚类成分得率(R)为响应值的二次回归方程:R=-40.587 25+1.194 61A+0.150 100B+0.144 625C-0.000 631AB-0.001 350AC+0.002 387BC-0.007 367A2-0.001 474B2-0.001 520C2。

2.2.3 响应面分析

根据回归方程,作出各因素的交互作用对见血青酚类成分得率影响的响应面图,如图5.A-C所示。响应面的弯曲趋势可反映各因素交互作用对响应值的影响效果。

由图5.A可知,乙醇浓度从60%增加到80%时,酚类成分得率逐渐增大,当乙醇浓度大于80%时,由于醇溶性物质的溶出,酚类成分得率缓慢减小。图5.B进一步说明乙醇浓度相对于提取时间对酚类成分得率的影响更显著,随着乙醇浓度的升高和提取时间的增加,在乙醇浓度为80%和提取时间为54 min 时酚类成分得率达到最大值。图5.C可知,料液比和提取时间之间没有显著反向交互作用,在水平范围内,随着料液比的增加,酚类成分得率显著增加[12]。

2.2.4 模型的优化及验证

经过响应面分析,得到提取见血青酚类物质提取的最佳工艺条件: 乙醇浓度为72.441 8%,料液比为1∶71.953 8 (g∶mL), 提取时间为54.069 9 min, 在此条件下,见血青酚类成分得率的理论值为14.546 mg·g-1。考虑到工艺条件和实际操作的可行性,调整乙醇浓度为72%, 料液比为1∶72 (g∶mL), 提取时间为54 min, 进行3组平行试验,得到见血青酚类成分得率为(14.31±1.26) mg·g-1, 与响应面预测的理论得率相比,相对误差约为0.02%, 说明模型拟合合理,该工艺条件适用于见血青酚类物质的提取,该工艺具有实用价值[15]。

2.3 超声辅助提取与其他提取工艺的比较

在确定了超声辅助提取法从见血青中提取酚类成分的最佳条件后,比较其与浸渍提取和加热回流提取这2种传统提取工艺提取效果的差异,结果见表4。超声辅助提取、浸渍提取和加热回流提取法在相同的乙醇浓度和料液比提取条件下,浸渍提取和加热回流提取所得酚类成分得率分别为(9.63±0.67)和(10.73±0.05) mg·g-1, 低于超声辅助提取的酚类成分得率(14.31±1.26) mg·g-1, 说明超声辅助提取法可在相对于加热回流提取低的温度下,在更短的时间内从见血青中提取较多的酚类物质,同时还提高原料的利用率。

表4 超声波辅助提取、浸渍提取及加热回流提取酚类成分得率的比较☆Tab.4 Comparison of phenol yield obtained from ultrasound-assisted extraction, maceration extraction and heated reflux extraction

3 讨论

本研究以单因素试验为基础结合响应面试验设计对见血青酚类成分提取工艺进行了优化。首先通过单一变量原则研究超声功率、乙醇浓度、料液比和提取时间4个因素对酚类成分得率的影响。通过单因素方差分析和邓肯多重范围检验发现, 4个因素对酚类成分得率均有影响,其中超声功率为350 W时酚类成分得率最大,其他3个因素的最佳提取条件分别为乙醇浓度80%、料液比1∶60 (g∶mL)和提取时间50 min。在单因素试验的基础上,通过Box-Behnken试验设计对见血青酚类成分提取的影响因素进行了响应面分析,通过响应面方差分析,得出各影响因素对见血青酚类成分得率的影响由强到弱依次为乙醇浓度(A)、料液比(B)、提取时间(C)。通过3个水平的试验设计得到的最佳提取工艺条件为超声功率350 W、乙醇浓度72%、料液比1∶72 (g∶mL)、提取时间54 min, 在此条件下,见血青酚类成分得率可达(14.31±1.26) mg·g-1。

浸渍提取、加热回流提取和索氏提取等常用提取方法耗时久、得率低。随着技术的进步和发展,中药提取引入了一些新的方法,例如微波萃取和超声辅助提取,然而微波萃取在理论和实践中还存在一些问题,如有微波穿透物质内部时的衰减、操作难度大、要求高和有机溶剂的残留等问题。超声辅助提取相对于传统提取方法和微波萃取,具有环境友好、提取效率高和操作简便等特点,显示出优势[13]。熊利芝等[14]研究表明,利用超声波辅助提取法和索氏提取法从秦皮中提取香豆素,超声辅助提取的提取率是索氏提取的2倍多,而耗时仅是索氏提取的1/28。 本研究比较了超声辅助提取、浸渍提取和加热回流提取3种方法获得的酚类成分得率的差异。采用与超声辅助提取法相同的乙醇浓度(72%)和料液比[1∶72 (g∶mL)], 利用浸渍、加热回流提取法对见血青酚类成分进行提取。从酚类成分得率来看,超声辅助提取工艺极显著高于加热回流提取和浸渍提取; 从提取温度来看,超声辅助提取工艺能在较低的温度下达到最好的提取效果; 从提取时间来看,超声辅助提取所需时间比加热回流提取和浸渍提取短,仅需54 min。相对于加热回流提取和浸渍提取,超声辅助提取无需高温加热不仅能很好地保护酚类成分的结构和特性,还能通过超声波的机械粉碎机制和空化作用提高酚类成分得率,是一种较为理想的提取方法。

综上,超声辅助提取相对于传统提取方法具有更好的提取效果。从化学成分和生物活性角度综合考虑,后续进行见血青酚类化学成分的研究可重点关注超声辅助提取,通过超声辅助提取方法所得的酚类成分含量更高,有利于后续进行系统的成分分离、结构鉴定和活性分析,为创新药物的研究提供更多的活性成分。

4 结论

见血青含多种酚类成分,可能是其发挥药效的主要活性成分。超声辅助提取见血青酚类成分是一种高效节能的方法,值得今后深入研究。