響應(yīng)面法優(yōu)化紅芪多糖的提取工藝

董嘉琪，張曉松，彭曉婷，文艷巧，薛 姣，姚萬玲，魏彥明

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

紅芪為豆科植物多序巖黃芪(HedysarumpolybotrysHand)的干燥根，其最早記錄于《神農(nóng)百草經(jīng)》[1]。1977年版《中國藥典》將紅芪列入黃芪項下，作為黃芪來源收載，《中國藥典》自1985年版開始，將紅芪由黃芪項下轉(zhuǎn)為單一的一味中藥[2]。紅芪為甘肅道地藥材，主產(chǎn)于甘肅隴南、武威、隴西等地區(qū)，具有補氣升陽、固表止汗、利水消腫、生津養(yǎng)血、行滯通痹、托毒排膿、斂瘡生肌之功效[3]。藥理成分分析表明，紅芪中可能含有氨基酸(或蛋白質(zhì))、皂苷、有機酸、酚類、黃酮、生物堿、甾醇，微量元素及木質(zhì)素等成分。隨著20 世紀80年代日本學(xué)者對紅芪的不斷研究探索，從紅芪中分離出黃芪中不存在的抗菌成分1-3-羥基-9-甲氧基紫檀烷，該化合物具有較強的殺菌作用，紅芪的研究逐漸引起了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。紅芪多糖(Radix Hedysari polysaccharide,RHPS)屬多聚糖，是紅芪的主要活性成分，其結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。紅芪多糖為其重要的有效成分之一，其具有增強免疫、抗氧化、抗腫瘤、降血糖、抗輻射、治療肝損傷等多種藥理作用。

近年來，多糖類中藥保健品在市場上的占有率越來越高，但是多糖類藥品屈指可數(shù)。其原因是多糖的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提取分離較難。因此，對多糖的研究與提取便成為了多糖類藥品發(fā)展過程中必不可少的重要一環(huán)。據(jù)文獻報道，紅芪多糖提取的優(yōu)化方法多采用正交試驗設(shè)計，而Box-Benhnken設(shè)計結(jié)合響應(yīng)面分析法比正交設(shè)計試驗法更簡便易行，且預(yù)測性好，便于實際應(yīng)用。本試驗采用水提醇沉法提取紅芪多糖，并以多糖提取率為衡量指標，在單因素試驗基礎(chǔ)上，進行Box-Behnken設(shè)計結(jié)合響應(yīng)面分析法，通過回歸模型的建立及顯著性檢驗，得到紅芪多糖提取工藝的最佳參數(shù)，以期為紅芪多糖的有效提取提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藥材與主要試劑 紅芪藥材，產(chǎn)自甘肅省武都，經(jīng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院魏彥明教授鑒定，將其制成飲片，干燥以待用。苯酚、無水乙醇、950 mL/L乙醇、丙酮、濃硫酸、D-無水葡萄糖等均為分析純，天津致遠化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.1.2 主要儀器 RE-6000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)品；冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司產(chǎn)品；HH-S型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市恒豐儀器廠產(chǎn)品；TDZ5-WS型臺式多管架自動平衡離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司產(chǎn)品；紫外分光光度計，上?，槴\實驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品等。

1.2 方法

1.2.1 水提醇沉法提取紅芪多糖 取紅芪飲片，粉碎，過60目篩，加入6倍量950 mL/L的乙醇溶液回流，重復(fù)多次，直至液體接近無色為止，以除去單糖、低聚糖、色素和多肽等小分子物質(zhì)，同時滅活酶以防止在提取過程中酶對多糖的降解。然后進行抽濾，40℃真空干燥，得到預(yù)處理紅芪藥材。在不同的影響條件下，采用水提醇沉法提取紅芪多糖：稱取預(yù)處理后紅芪藥材2 g，加入設(shè)定倍數(shù)的蒸餾水，按設(shè)定的提取溫度、提取時間和提取次數(shù)進行回流提取。待提取液冷卻至室溫后抽濾，收集液體，濃縮到0.1 g/mL后離心(4000 r/min，15 min)，去除雜質(zhì)，收集上清液；測量上清液體積，加入950 mL/L乙醇，使醇沉比達到設(shè)定百分比。4℃靜置12 h后離心(4000 r/min，15 min)，取沉淀。將沉淀用無水乙醇、丙酮、950 mL/L無水乙醇依次充分潤洗，冷凍干燥，得紅芪多糖。

1.2.2 紅芪多糖含量的測定 采用苯酚-硫酸法[5]進行。

1.2.3 單因素試驗 通過查閱文獻得出影響紅芪多糖提取率的主要因素有提取溫度、液料比、醇沉比、提取時間和提取次數(shù)等因素。本試驗中提取溫度設(shè)置為50℃、60℃、70℃、80℃、90℃5個水平；液料比設(shè)置為10、15、20、25、30 mL/g 5個水平；醇沉比設(shè)置為50%、60%、70%、80%、90% 5個水平；提取時間設(shè)置為1、1.5、2、2.5、3 h 5個水平；提取次數(shù)設(shè)置為1次、2次、3次、4次、5次5個水平。按照上述設(shè)置進行單因素試驗，且以提取率為響應(yīng)值。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化紅芪多糖的提取條件 響應(yīng)面試驗設(shè)計：以多糖的提取率為響應(yīng)值，采用5因素3水平的Box-Behnken試驗設(shè)計，考察提取溫度(A，℃)、液料比(B，mL/g)、醇沉比(C，%)、提取時間(D，h)和提取次數(shù)(E，次)對紅芪多糖提取率的影響。每個考察因素設(shè)3個水平，即提取溫度75℃、80℃、85℃，料液比20、15、10 mL/g，醇沉比75%、70%和65%，提取時間3、2.5 、2 h，提取次數(shù)4次、3次和2次(表1)。

驗證試驗：根據(jù)響應(yīng)面法優(yōu)化的最佳提取條件做3次平行試驗，按照1.2.2方法測定多糖含量，計算其提取率，并通過獨立性t檢驗分析試驗值與理論值間是否存在差異性。

1.2.5 統(tǒng)計學(xué)分析 用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對單因素試驗各組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，試驗數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標準差(Mean±SD)表示；用Design-Expert8.0.6對響應(yīng)面數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)單因素方差分析(ANOVA)結(jié)果對模型中的顯著性進行評價，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取溫度對紅芪多糖提取率的影響 固定液料比為10 mL/g，提取時間為1 h，提取次數(shù)為2次，醇沉比為80%，研究提取溫度在50℃～90℃范圍內(nèi)對紅芪多糖提取率的影響。隨著溫度的不斷增高，紅芪多糖的提取率呈線性增加，在80℃時達到最大值，80℃后溫度繼續(xù)增高，多糖的提取率反而下降，所以選擇80℃作為最佳提取溫度。在中藥提取的過程中，加熱可促進分子運動，軟化組織，加速溶劑對藥材組織細胞的滲透作用，降低溶液黏度，使藥物有效成份溶解并且能提高溶解度[4]。但是，對于含黏液質(zhì)、淀粉較多的糖類中草藥，溫度過高可能分解其有效成分，因而應(yīng)避免加熱提取[6]。

2.1.2 液料比對紅芪多糖提取率的影響 固定提取溫度為80℃，提取時間為1 h，提取次數(shù)為2次，醇沉比為80%，研究液料比在10 mL/g～30 mL/g范圍內(nèi)對紅芪多糖提取率的影響。當(dāng)液料比為15 mL/g時，紅芪多糖提取率達到最大值，之后隨著液料比的增加多糖的提取率不斷下降，所以選擇液料比15 mL/g作為最佳提取條件。液料比越大時，植物細胞與外部溶劑的濃度差越大，致使多糖的擴散速度越快，進而可提高多糖提取率[7]。另一方面，當(dāng)料液比過大時，植物與溶劑之間的吸附作用減小，導(dǎo)致多糖的提取需要吸收更多的能量。因此，當(dāng)能量供給不足時，植物細胞壁無法達到完全破碎，所以多糖提取率會降低[8]。

2.1.3 醇沉比對紅芪多糖提取率的影響 固定提取溫度為80℃，提取時間為1 h，提取次數(shù)為2次，液料比為10 mL/g，研究醇沉比在50%～90%范圍內(nèi)對紅芪多糖提取率的影響。當(dāng)醇沉比在70%時，紅芪多糖提取率達到最大值，之后隨著醇沉比的增加多糖的提取率有下降趨勢，但不顯著，所以選擇醇沉比70%作為最佳提取條件。隨醇沉比的增加多糖提取率先增加后減少，這可能是因為隨著醇沉比的增加，多糖的溶解度增加，使多糖不斷的從乙醇中析出；但是，多糖組成中有較多羥基醛和羥基酮，當(dāng)醇沉比達到一定值后，其分子中的羥基會與多糖分子中的羥基形成互溶體系[9]，可使多糖提取率減少。當(dāng)醇沉比過大時，會使沉淀中雜質(zhì)(淀粉、蛋白質(zhì)、無機鹽類)的含量增加，且有效成分易被沉淀物包裹而造成損失。

表1紅芪多糖提取Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果

2.1.4 提取時間對紅芪多糖提取率的影響 固定提取溫度為80℃，液料比為10 mL/g，提取次數(shù)為2次，醇沉比為80%，研究提取時間在1 h～3 h范圍內(nèi)對紅芪多糖提取率的影響。隨著提取時間的不斷增加，紅芪多糖的提取率不斷增加，當(dāng)時間在2.5 h時，多糖的提取率達到最大值，2.5 h后隨著時間的增加，紅芪多糖的提取率反而下降，所以選擇2.5 h作為最佳提取時間。在藥物提取過程中，延長提取時間可提高多糖的得率。但過長的提取時間也會引起多糖分子結(jié)構(gòu)的改變，從而降低多糖的提取率。

2.1.5 提取次數(shù)對紅芪多糖提取率的影響 固定提取溫度為80℃，提取時間為1 h，液料比為10 mL/g，醇沉比為80%，研究提取次數(shù)在1～5次范圍內(nèi)對紅芪多糖提取率的影響。隨提取次數(shù)的增加，多糖的提取率也隨之增加。當(dāng)提取次數(shù)達到3次后，多糖的提取率變化不大，所以選擇3次作為最佳提取次數(shù)。當(dāng)提取次數(shù)超過3次時，對提取率的影響不大。因此，將提取率和加工成本考慮在內(nèi)，提取3次就足夠了。若僅進行一次提取，不能將多糖最大限度的提取完全，造成原料的浪費。

2.2 響應(yīng)面法試驗

2.2.1 各響應(yīng)面條件下提取率結(jié)果 采用 Design-Expert 8.0.6軟件，通過多元二次回歸方程來擬合各因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，考察提取溫度、提取時間、提取次數(shù)、液料比和醇沉比對紅芪多糖提取率的影響。通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2紅芪多糖提取率的顯著性檢驗及方差分析

2.2.2 建立回歸模型及顯著性檢驗 利用 Design-Expert 8.0.6軟件對表 2 中的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到二次項回歸方程：y=6.86+0.28A-0.28B+0.24C+0.37D+0.82E+0.44AB-0.19AC-0.52AD+0.48AE+0.2BC+0.083BD+0.22BE+1.65CD-0.21CE-1.256-003DE-1.32A2-0.52B2-0.42C2-0.96D2-0.46E2。

其中Y為紅芪多糖的提取率，A、B、C、D和E分別代表提取溫度、液料比、醇沉比、提取時間和提取次數(shù)。

2.2.3 各因素之間的交互作用 采用響應(yīng)面法對提取參數(shù)與紅芪多糖提取率之間的關(guān)系進行了三維響應(yīng)面圖和等高線圖的研究。圓形或橢圓形等高線圖的形狀表明變量之間的相互作用是否顯著。

三維響應(yīng)面圖表示，隨著提取溫度的升高和液料比的增加，多糖的提取率逐漸增加，當(dāng)這兩變量上升到峰值時，多糖的提取率將下降。等高線圖表示，沿提取溫度軸等高線變化密集，說明提取溫度對響應(yīng)值的影響比液料比影響顯著。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著(圖1)。

圖1提取溫度與液料比對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取溫度的上升，多糖提取率逐漸提高到最大，然后呈現(xiàn)下降趨勢。而隨著醇沉比的增加多糖的提取率變化不大。等高線圖表示，沿提取溫度軸等高線變化密集，說明提取溫度對響應(yīng)值的影響比醇沉比影響顯著。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著(圖2)。

圖2提取溫度與醇沉比對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取溫度的升高和提取時間的增加，多糖的提取率顯著增加，當(dāng)這兩變量上升到峰值時，多糖的提取率將不停的下降。等高線圖表示，提取時間對響應(yīng)值峰值的影響比提取溫度交互作用較強，影響顯著。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著(圖3)。

圖3提取溫度與提取時間對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取溫度的上升，多糖提取率緩慢增加到最大值時，然后逐漸下降。而隨著提取次數(shù)的增加多糖的提取率不斷增加。等高線圖表示，提取次數(shù)對響應(yīng)值峰值的影響比提取溫度交互作用較強，影響顯著。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著(圖4)。

圖4提取溫度與提取次數(shù)對紅芪多糖提取率的影響

當(dāng)醇沉比在65%～70%時，隨著液料比的增加提取率不斷增加；之后隨醇沉比的增加，提取率變化不大；而醇沉比對多糖提取率的影響變化不大。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著(圖5)。

圖5液料比與醇沉比對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取時間的增加，多糖提取率不斷增加到最大值后略有下降。而隨著液料比的增加多糖的提取率也不斷增加。等高線圖表示，提取時間軸等高線密集，而液料比軸等高線相對稀疏，說明提取時間對響應(yīng)值峰值的影響比液料比交互作用強(圖6)。

圖6液料比與提取時間對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取次數(shù)的增加，多糖提取率呈增加趨勢。而隨著液料比的增加多糖的提取率變化不大。等高線圖表示，提取次數(shù)軸等高線密集，而液料比軸等高線相對稀疏，說明提取次數(shù)對響應(yīng)值峰值的影響比液料比交互作用較強，影響顯著(圖7)。

圖7液料比與提取次數(shù)對紅芪多糖提取率的影響

當(dāng)提取時間2 h～2.5 h時，多糖提取率呈上升趨勢，隨著提取時間增加，提取率略有下降。等高線圖表示，沿提取時間軸等高線變化密集，說明提取時間對響應(yīng)值的影響比醇沉比影響顯著(圖8)。

圖8醇沉比與提取時間對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取次數(shù)的增加，多糖提取率逐漸增加，而隨著醇沉比的增加多糖的提取率變化不大。等高線圖表示，沿提取次數(shù)軸等高線變化密集，說明提取次數(shù)對響應(yīng)值的影響比醇沉比影響顯著。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著(圖9)。

圖9醇沉比與提取次數(shù)對紅芪多糖提取率的影響

隨著提取時間的增加，多糖提取率先緩慢增加后下降。而隨著提取次數(shù)的增加多糖的提取率不斷增加。等高線圖表示，沿提取次數(shù)軸等高線變化密集，說明提取次數(shù)對響應(yīng)值的影響比提取時間影響顯著。等高線呈圓形，說明兩因素的交互作用不顯著(圖10)。

綜上所述，溫度與液料比、溫度與醇沉比、溫度與時間、溫度與次數(shù)、液料比與醇沉比、液料比與次數(shù)、醇沉比與時間、液料比與次數(shù)的交互作用極顯著，影響紅芪多糖提取率因素的主次順序為提取次數(shù)>提取時間>提取溫度>液料比>醇沉比。

圖10提取時間與提取次數(shù)對紅芪多糖提取率的影響

2.2.4 響應(yīng)面試驗方案優(yōu)化及結(jié)果驗證 通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得出紅芪多糖最佳提取工藝條件為：提取溫度80 ℃，提取時間3 h，提取次數(shù)4次，液料比17 mL/g，醇沉比75%，紅芪多糖理論提取率為8.01%。在此條件下做3次平行試驗進行驗證，紅芪多糖平均提取率為7.70%。獨立性t檢驗理論值與實際值之間無顯著性差異(P>0.05)，說明該模型的預(yù)測條件與實際情況相吻合，模型建立成功，故此方案可行，可以廣泛推行。

3 討論

多糖的提取方法主要有稀堿或稀酸提取法、酶解法以及水提醇沉法等[10]。由于酸和堿易引起糖苷鍵的斷裂造成多糖得率降低，故往往采用熱水作為提取劑。酶解法會引入其他蛋白，除蛋白效果不是很好。水提醇沉法操作步驟簡單，成本低且安全，被廣泛應(yīng)用于中藥制劑研發(fā)和生產(chǎn)中，尤其在口服藥液或注射液純化過程中，是我國中藥生產(chǎn)企業(yè)首選的分離提純技術(shù)之一。醇沉能夠提高單味藥有效成分含量的提取和純化，減少中藥的服用劑量；乙醇本身還具有殺菌作用，經(jīng)醇沉處理后的中藥液不易發(fā)霉變質(zhì)。紅芪多糖屬于水溶性多糖，通過多糖不溶于乙醇的性質(zhì)，使紅芪多糖從提取液中析出，故采用水提醇沉法進行提取。

在藥物研發(fā)領(lǐng)域通常采用正交試驗設(shè)計、均勻試驗設(shè)計或響應(yīng)面試驗設(shè)計等進行工藝優(yōu)化。正交設(shè)計方法是一種用線性數(shù)學(xué)模型進行設(shè)計的方法，可以找出幾個因素水平的最佳組合，但它不能找出整個區(qū)域上因素和響應(yīng)值之間的一個明確的函數(shù)表達式，只能分析離散型數(shù)據(jù)，無法獲得設(shè)計變量的最優(yōu)組合，所以精確度不高，預(yù)測性不佳。并且當(dāng)試驗因素水平數(shù)較多時，采用正交設(shè)計方法需要進行大量的試驗，實施起來比較困難[11]。均勻設(shè)計以犧牲部分正交性、最大化地追求均勻性來達到減少試驗次數(shù)為目的。當(dāng)試驗次數(shù)少于因素個數(shù)時，采用多重回歸的方法來研究響應(yīng)變量隨自變量的變化的回歸方程就不是唯一的，而且其在試驗設(shè)計時沒有考慮全部交互作用，只有通過回歸分析時引入因素之間的交叉乘積項等來進行探索，因此其結(jié)果不夠穩(wěn)定[12]。因此，需要找到一種試驗次數(shù)少、周期短、求得的同歸方程精度高、預(yù)測性能好，能研究幾種因素間交互作用的回歸分析方法，響應(yīng)面分析方法很大程度上滿足了這些要求。響應(yīng)面法是一種高效、便捷的統(tǒng)計方法，它將實驗設(shè)計和數(shù)學(xué)建模相結(jié)合起來，通過對具有代表性的局部各點進行試驗，回歸擬合全局范圍內(nèi)因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，有助于快速建?？s短優(yōu)化時間和提高應(yīng)用可信度。而且響應(yīng)面法得到的是一個連續(xù)的曲面，能夠?qū)Ω鱾€水平進行連續(xù)分析[13]。通過對函數(shù)響應(yīng)面和等高線的分析對影響響應(yīng)值的各因素水平及其交互作用進行優(yōu)化和評價快速有效地確定多因素系統(tǒng)的最佳條件[14]。所以，本研究采用響應(yīng)面法來優(yōu)化紅芪多糖的水提醇沉方案。

研究發(fā)現(xiàn)，影響水提醇沉法提取紅芪多糖的因素有浸提溫度、浸提次數(shù)、浸提時間和料液比。通過苦瓜多糖水提醇沉、大黃不同醇沉產(chǎn)物、猴頭菇多糖水提醇沉等研究表明，不同的多糖有著不同的最適醇沉濃度，所以醇沉比也是影響多糖提取率的一個重要因素[15-17]。文獻報道，紅芪多糖水提醇沉工藝多以含量或得率為評價標準進行工藝的優(yōu)化。本試驗以提取率(含量與得率的乘積)為衡量指標，從整體角度更加客觀、科學(xué)地評價了紅芪多糖提取工藝，并在單因素試驗基礎(chǔ)上用響應(yīng)面法考查提取溫度、液料比、醇沉比、提取時間和提取次數(shù)對紅芪多糖提取工藝的優(yōu)化，最終得到紅芪多糖的最佳提取條件采用單因素結(jié)合響應(yīng)面法建立紅芪多糖的提取工藝穩(wěn)定可行，可為紅芪多糖的有效提取提供理論依據(jù)。