响应面法优化超声-微波协同提取的山茱萸总皂苷及方法

摘要

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括以下步骤：(1)材料处理，得到山茱萸药材粉末；(2)超声-微波协同提取，得到总皂苷样液；(3)大孔树脂纯化，洗脱液浓缩干燥后得到粉末状的山茱萸总皂苷。本发明山茱萸总皂苷，由以上所述的提取方法制得。本发明通过结合超声波的空化作用和微波的高能红外加热作用，实现对样品进行快速、高效、可靠地处理，在缩短提取时间，提高提取效率，保证提取物结构的同时，通过分别对料液比、微波功率、超声功率和提取时间的进行限定，山茱萸总皂苷的提取率达到13.96mg/g，提取率提高达20％，原料利用率高，高效省时，大大节约了成本，适应于工业生产。

说明书

技术领域

本发明属于总皂苷的提取技术领域，涉及响应面法优化超声-微波协同提 取的山茱萸总皂苷及方法。

背景技术

山茱萸为山茱萸科山茱萸属多年生植物，其药用部位为成熟果实去核后 的干燥果肉，是世界上三大名贵木本药材之一，具有补肝益肾、涩精固脱、 内热消渴等功效。山茱萸果肉中含有环烯醚萜类、皂苷类、鞣质类、多糖、 维生素、氨基酸和矿物质等多种有效成分。现代药理学研究表明，皂苷是山 茱萸的重要生物活性成分之一，具有调节免疫、降血糖、抗心律失常及抑制 细胞株增殖分裂等作用。

目前，有关山茱萸总皂苷的提取方法包括浸提法、回流法、超声法和微 波法等。其中浸提法、回流法耗时且提取率低；超声法、微波法则杂质多， 提取不彻底等缺点，并且由于提取条件的限定没有统一标准，对山茱萸不能 充分利用，提取率低，无法满足山茱萸总皂苷工业生产的提取要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种提取率高，时间短，参数 控制精准的，响应面法优化超声-微波协同提取的山茱萸总皂苷的及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括以下 步骤：

(1)材料处理：

将新鲜成熟的山茱萸果实在开水中浸泡数分钟后，流水冲洗冷却，剥除 果核；将剩余的果肉干燥后粉碎，过40目筛，得到山茱萸药材粉末；

(2)超声-微波协同提取：

称取一定量的山茱萸药材粉末，置于反应容器中，按料液比为1:10～1:30 的比例加入体积分数为70％的乙醇溶液并密封，连接好冷凝装置，在温度 70℃，微波功率200～600W，超声功率240～420W的条件下提取3～12min得 到提取液；提取液挥去乙醇后通过水饱和正丁醇萃取，合并萃取液后减压挥 去正丁醇，经蒸馏水复溶得到总皂苷样液；

(3)大孔树脂纯化：

将总皂苷样液过HPD-300型大孔树脂，洗脱液浓缩干燥后得到粉末状的 山茱萸总皂苷。

优选的，步骤(2)中，将山茱萸药材粉末与体积分数为70％的乙醇溶 液按料液比为1；15～1:25混匀，于70℃提取3～9min，微波功率为300～500W， 超声功率为300～420W。

优选的，所述的步骤(2)中，将山茱萸粉末与70％乙醇溶液按料液比 为1︰21混匀，于70℃提取5min，微波功率为417W，超声功率为369W。

优选的，所述的料液比1:21，微波功率为417W，超声功率为369W和 时间5min的提取条件由响应面法优化得到，步骤如下；

1)制备山茱萸总皂苷样品液；称取山茱萸药材粉末1g，置于反应瓶中， 加入70％的乙醇溶液密封，连接好回流装置，在一定条件下提取，抽滤，挥 去乙醇，水饱和正丁醇萃取，定容至20mL，得到山茱萸总皂苷样品液备用； 精密称取齐墩果酸标品2.0mg，用无水乙醇制得0.2mg/mL的标准品溶液，并 绘制标准曲线；按照标准曲线下的检测方法进行测定，并根据回归方程计算 山茱萸总皂苷样品液中总皂苷的含量；

2)单因素实验；根据步骤1)中山茱萸总皂苷样品液的制备方法，分别 按料液比、超声功率、微波功率和提取时间四个单因素设计若干组单因素实 验；

3)响应面法优化；以山茱萸总皂苷提取率为响应因子，采用Design-Expert 软件中的Box-Behnken原理在步骤2)中单因素实验的基础上进行响应面实 验，模拟得到二次多元回归方程如下：

R1＝13.76+0.34A+0.25B+0.16C－1.22D+0.25AB+0.34AC－0.01AD +0.42BC+0.068BD+0.21CD－0.75A²－1.02B²－0.85C²－1.49D²

其中，R1为相应因子，A为料液比的影响量，B为微波功率的影响量， C为超声功率的影响量，D为时间的影响量；

4)通过Design-Expert软件对回归方程的求解，得到山茱萸总皂苷提取 的最佳条件为：料液比1:21.47、微波功率417.37W、超声功率368.78W、时 间4.81min；再以实际操作为约束条件，将修正得到最佳提取工艺参数为： 料液比1:21、微波功率417W、超声功率369W、时间5min。

本发明响应面法优化超声-微波协同提取的山茱萸总皂苷，由以上任意一 项技术方案所述的提取方法制得。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过结合超声波的空化作用和微波的高能红外加热作用，实现对 样品进行快速、高效、可靠地处理，在缩短提取时间，提高提取效率，保证 提取物结构的同时，通过分别对料液比、微波功率、超声功率和提取时间的 进行限定，山茱萸总皂苷的提取率达到13.96mg/g，相比较超声或微波辅助 技术，使提取率提高达20％，在时间上仅为超声辅助技术的1/4，原料利用 率高，高效省时，大大节约了成本，适应于工业生产。

进一步的通过采用响应面法，分别对料液比、微波功率、超声功率和提 取时间的进行优化，确定了在超声-微波协同提取下最优的工艺参数区间，以 及工艺参数的最优取值；响应面法优化是配合单因素变量的分析和设置，通 过对回归模拟分析得到最佳工艺参数，回归方程精度高，拟合性好，使得在 最优的工艺参数区间内得到超声微波提取工艺的最佳提取参数，对山茱萸总 皂苷的提取更为精准，提高工业生产中的效率和产值。

附图说明

图1是料液比对总皂苷提取率的影响图，其中：微波功率为500W，超 声功率为360W，时间为6min。

图2是微波功率对总皂苷提取率的影响图，其中：料液比为1:20，超声 功率为360W，时间为6min。

图3是超声功率对总皂苷提取率的影响图，其中：料液比为1:20，微波 功率为400W，时间为6min。

图4是时间对总皂苷提取率的影响图，其中：料液比为1:20，微波功率 为400W，超声功率为360W。

图5是料液比和微波功率对总皂苷提取率影响图，5a为响应曲面图，5b 为等高线图。

图6是料液比和超声功率对总皂苷提取率影响图，6a为响应曲面图，6b 为等高线图。

图7是料液比和时间对总皂苷提取率影响图，7a为响应曲面图，7b为等 高线图。

图8是微波功率和超声功率对总皂苷提取率影响图，8a为响应曲面图， 8b为等高线图。

图9是微波功率和时间对总皂苷提取率影响图，9a为响应曲面图，9b 为等高线图。

图10是超声功率和时间对总皂苷提取率影响图，10a为响应曲面图，10b 为等高线图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

实例1

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括如下 步骤：

(1)材料处理：将新鲜成熟的山茱萸果实在开水中浸泡数分钟后，流水 冲洗冷却，剥除果核；将剩余的果肉干燥后粉碎，过40目筛，得到山茱萸药 材粉末；

(2)超声-微波协同提取：称取一定量的山茱萸药材粉末，置于反应容 器中，按料液比为1:21的比例加入体积分数为70％的乙醇溶液并密封，连接 好冷凝装置，在温度70℃，微波功率417W，超声功率369W的条件下提取 5min得到提取液；提取液挥去乙醇后通过水饱和正丁醇萃取，合并萃取液后 减压挥去正丁醇，经蒸馏水复溶得到总皂苷样液；

(3)大孔树脂纯化：将总皂苷样液过HPD-300型大孔树脂，洗脱液浓缩干 燥后得到粉末状的山茱萸总皂苷。

经计算得到的山茱萸总皂苷的提取率达13.96mg/g。

实例2

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括如下 步骤：

(1)材料处理：将新鲜成熟的山茱萸果实在开水中浸泡数分钟后，流水 冲洗冷却，剥除果核；将剩余的果肉干燥后粉碎，过40目筛，得到山茱萸药 材粉末；

(2)超声-微波协同提取：称取一定量的山茱萸药材粉末，置于反应容 器中，按料液比为1:10的比例加入体积分数为70％的乙醇溶液并密封，连接 好冷凝装置，在温度70℃，微波功率600W，超声功率500W的条件下提取 6min得到提取液；提取液挥去乙醇后通过水饱和正丁醇萃取，合并萃取液后 减压挥去正丁醇，经蒸馏水复溶得到总皂苷样液；

(3)大孔树脂纯化：将总皂苷样液过HPD-300型大孔树脂，洗脱液浓缩干 燥后得到粉末状的山茱萸总皂苷。

经计算得到的山茱萸总皂苷的提取率达11.68mg/g。

实例3

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括如下 步骤：

(1)材料处理：将新鲜成熟的山茱萸果实在开水中浸泡数分钟后，流水 冲洗冷却，剥除果核；将剩余的果肉干燥后粉碎，过40目筛，得到山茱萸药 材粉末；

(2)超声-微波协同提取：称取一定量的山茱萸药材粉末，置于反应容 器中，按料液比为1:15的比例加入体积分数为70％的乙醇溶液并密封，连接 好冷凝装置，在温度70℃，微波功率200W，超声功率420W的条件下提取 9min得到提取液；提取液挥去乙醇后通过水饱和正丁醇萃取，合并萃取液后 减压挥去正丁醇，经蒸馏水复溶得到总皂苷样液；

(3)大孔树脂纯化：将总皂苷样液过HPD-300型大孔树脂，洗脱液浓缩干 燥后得到粉末状的山茱萸总皂苷。

经计算得到的山茱萸总皂苷的提取率达11.84mg/g。

实例4

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括如下 步骤：

(1)材料处理：将新鲜成熟的山茱萸果实在开水中浸泡数分钟后，流水 冲洗冷却，剥除果核；将剩余的果肉干燥后粉碎，过40目筛，得到山茱萸药 材粉末；

(2)超声-微波协同提取：称取一定量的山茱萸药材粉末，置于反应容 器中，按料液比为1:25的比例加入体积分数为70％的乙醇溶液并密封，连接 好冷凝装置，在温度70℃，微波功率300W，超声功率240W的条件下提取 12min得到提取液；提取液挥去乙醇后通过水饱和正丁醇萃取，合并萃取液 后减压挥去正丁醇，经蒸馏水复溶得到总皂苷样液；

(3)大孔树脂纯化：将总皂苷样液过HPD-300型大孔树脂，洗脱液浓缩干 燥后得到粉末状的山茱萸总皂苷。

经计算得到的山茱萸总皂苷的提取率达12.05mg/g。

实例5

本发明响应面法优化超声-微波协同提取山茱萸总皂苷的方法，包括如下 步骤：

(1)材料处理：将新鲜成熟的山茱萸果实在开水中浸泡数分钟后，流水 冲洗冷却，剥除果核；将剩余的果肉干燥后粉碎，过40目筛，得到山茱萸药 材粉末；

(2)超声-微波协同提取：称取一定量的山茱萸药材粉末，置于反应容 器中，按料液比为1:30的比例加入体积分数为70％的乙醇溶液并密封，连接 好冷凝装置，在温度70℃，微波功率500W，超声功率300W的条件下提取 3min得到提取液；提取液挥去乙醇后通过水饱和正丁醇萃取，合并萃取液后 减压挥去正丁醇，经蒸馏水复溶得到总皂苷样液；

(3)大孔树脂纯化：将总皂苷样液过HPD-300型大孔树脂，洗脱液浓缩干 燥后得到粉末状的山茱萸总皂苷。

经计算得到的山茱萸总皂苷的提取率达12.79mg/g。

为了确定本发明的最佳原料配比和最佳工艺步骤，发明人进行了大量的 实验室研究试验，试验情况如下。

一、选取的材料、仪器和试剂。

山茱萸于2010年10月采集于浙江淳安，称取已去核的山茱萸干燥果肉， 粉碎，过40目筛后放置在干燥器中备用。

仪器包括XO-200微波超声波组合反应系统(南京先欧仪器制造有限公 司)；超微量微孔板分光光度计(美国BioTek)；RE-52AA型旋转蒸发仪(上 海亚荣生化仪器厂)；HH-2B型数显恒温水浴锅(国华电器有限公司)； SHB-HIA型循环水式多用真空泵(陕西太康生物科技有限公司)；DFT-50手 提式粉碎机(温岭市林大机械有限公司)。

试剂包括购自于Sigma公司的齐墩果酸标品；均为分析纯的无水乙醇、 香草醛、冰醋酸、高氯酸、正丁醇。

二、试验方法如下。

山茱萸总皂苷样品的制备；称取山茱萸药材粉末1g，置于反应瓶中，加 入70％的乙醇溶液密封，连接好回流装置，在一定条件下提取，抽滤，挥去 乙醇，水饱和正丁醇萃取，定容至20mL，备用。一定条件至少包括加入的 料液比，提取时的超声功率、微波功率和提取时间四个条件。

1、标准曲线的绘制。

精密称取齐墩果酸标品2.0mg，无水乙醇定容至10mL容量瓶中，即得 0.2mg/mL的标准品溶液。精密吸取标品溶液0.00、0.18、0.24、0.30、0.36、 0.42、0.48、0.54、0.60、0.66、0.72mL至10mL具塞试管中，水浴蒸干，冷 却后，依次加入新配制的5％香草醛-冰醋酸0.2mL，高氯酸0.8mL，60℃水 浴15min。取出置冰水中冷却，再加冰醋酸5mL，摇匀后于550nm波长下测 定吸光度(A值)。以齐墩果酸的浓度c(μg/mL)为横坐标，A值为纵坐标， 绘制标准曲线得：A＝0.0475c﹣0.0376，其中R²＝0.9993。

总皂苷含量测定：精密吸取山茱萸样品液50μL，按照标准曲线下的检测 方法进行测定，并根据回归方程计算总皂苷的含量。

2、单因素实验设计。

根据样品液的制备方法，分别设置料液比(1:10、1:15、1:20、1:25、1:30)、 超声功率(240、300、360、420、480W)、微波功率(200、300、400、500、 600W)和提取时间(3、6、9、12、15min)4个单因素实验，研究各个因 素对山茱萸总皂苷提取率的影响。

3、响应面优化实验设计。

根据单因素实验结果，选取料液比、超声功率、微波功率和时间4个因 素并确定各个因素适宜的水平数，以山茱萸总皂苷提取率(R1)为响应因子， 采用Design-Expert软件中的Box-Behnken原理进行响应面实验设计，并对实 验结果进行分析。选取的因素水平及编码见表1。

表1Box-Behnken设计实验因素水平及编码

4、不同方法的比较。

1)超声波辅助提取法。

称取山茱萸粉末1g，在料液比为1:16，乙醇浓度60％，超声功率250W， 提取时间20min的条件下提取三次，合并提取液，抽滤，水饱和正丁醇萃取 后定容备用。

2)微波辅助提取法。

称取山茱萸粉末1g，乙醇浓度70％，料液比1:20，微波功率500W，于 80℃条件下反应3min，抽滤，水饱和正丁醇萃取后定容备用。

3)超声-微波协同辅助提取法。

参照本发明所述的优化后的提取工艺和参数进行提取，水饱和正丁醇萃 取后定容备用。

5、结果与分析。

单因素实验结果：实验结果见图1～4。

按照料液比分别为1:10、1:15、1:20、1:25、1:30，微波功率500W，超 声功率360W，提取时间6min，考察料液比对总皂苷提取率的影响。由图1 可知，提取率在料液比1:10～1:20之间增加较快，此后趋于平缓，这是由于 材料中的总皂苷已完全溶出，基于成本的考虑，选择1:20的比例较佳。

按照料液比1:20，微波功率分别为200、300、400、500、600W，超声 功率360W，提取时间6min，考察微波功率对总皂苷提取率的影响。由图2 可知，提取率先随着微波功率的增大而增大，功率超过400W后，提取率随 着微波功率的增大而减小，这是因微波加热作用跟功率成正比，功率越大， 瞬间产生的高温可能会破坏有效成分的结构，因此选择微波功率为400W适 宜。

按照料液比1:20，微波功率400W，超声功率分别为240、300、360、420、 480W，提取时间6min，考察超声功率对总皂苷提取率的影响。由图3可知， 随着提取过程中超声功率的增大，提取率呈现增大后降低的趋势，在360W 时达到最大值，由于超声波的空化作用随功率的增大而呈现减弱的趋势，因 此选360W作为最佳功率。

按照料液比1:20，微波功率400W，超声功率360W，提取时间分别为3、 6、9、12、15min，考察提取时间对总皂苷提取率的影响。由图4可知，当 提取时间延长至6min以后，总皂苷提取率逐渐降低，这是由于长时间的提 取会使溶液中产生更多杂质或破坏结构，因此选择6min为最佳提取时间。

实验结果显示：料液比、微波功率、时间对山茱萸总皂苷提取率有较大 的影响，超声功率对其影响较小。所以初选定山茱萸总皂苷的超声-微波协同 提取的最佳工艺条件为:料液比1:20、微波功率400W、超声功率360W、时 间6min。

响应面优化实验结果：回归模型方程的建立及显著性检验，根据 Box-Behnken原理设计实验方案，考察料液比(A)、微波功率(B)、超声功 率(C)和时间(D)四个因素对山茱萸总皂苷提取率的影响，共设计29个 实验点进行响应面实验，其设计表及结果见表2。

表2中心组合实验设计及结果

采用Design-Expert8.0软件进行模型分析，以山茱萸总皂苷提取率(R1) 为响应值，模拟得到二次多元回归方程如下：

R1＝13.76+0.34A+0.25B+0.16C－1.22D+0.25AB+0.34AC－0.01AD +0.42BC+0.068BD+0.21CD－0.75A²－1.02B²－0.85C²－1.49D²

该模型的回归方差分析见表3。由表3可知，该模型P＜0.0001，说明实 验所选用的二次多项模型具有高度的显著性；失拟项用来检测回归模型与实 际值拟合程度的好坏，如果失拟项显著，说明对响应值有影响的还有其他因 素，该试验的失拟项P＝0.0523＞0.05，即不显著，表明该模型能较好地描述 各因素与响应值之间的真实关系，其回归模拟方程可以用来确定最佳提取工 艺。其中校正决定系数R²_Adj＝0.9432，表明94.32％的数值可以反映响应值的 变化，复相关系数R²＝0.9716，说明模型拟合程度良好，实验误差小。从回 归模型系数的P值可知，AC、BC、A²、B²、C²、D²(P<0.05)均具有生物 统计学意义，对总皂苷提取率有显著影响。各因素对R1的影响程度为：D (时间)>A(料液比)>B(微波功率)>C(超声功率)。

表3模型回归方差分析

注：*表示显著(0.05<p<0.01)，**表示极显著(p<0.01)

响应曲面分析：根据回归方程绘制响应曲面图和等高线图，结果见图 5～10，反映了料液比、微波功率、超声功率、时间四个因素中任意两个自变 量取零水平时，其他两个因素之间的交互作用。从响应曲面图的陡峭或拱形 程度可看出独立变量之间的交互作用对响应值的影响，如图5a、6a、7a、8a、 9a和10a所示；等高线图的形状和密集程度也可以反映出交互作用的强弱， 如图5b、6b、7b、8b、9b和10b所示。

以图8为例，响应曲面陡峭且呈拱形，等高线成椭圆形且排列紧密，表 明微波功率和超声功率的交互作用对响应值(R1)影响显著，与表3中的方 差分析及单因素结果一致。R1随着微波功率与超声功率的递增先升高后降 低，当微波功率为400W，超声功率为360W左右时，R1达到了曲面的顶端。 从图中可以看出微波功率对应的曲面较超声功率的陡峭，其等高线也相对密 集，即微波功率对R1的影响较超声功率大。同理可得出，图5、6中料液比 较微波功率、超声功率影响较大，图7、9、10中时间对提取率的影响较大。

6、最佳工艺的确定及验证。

通过Design-Expert软件对回归方程的求解计算，得到山茱萸总皂苷提取 的最佳条件为：料液比1:21.47、微波功率417.37W、超声功率368.78W、时 间4.81min，在此条件下，山茱萸总皂苷的理论提取率为14.09mg/g。考虑到 实际操作的便利，将最佳提取工艺参数修正如下：料液比1:21、微波功率 417W、超声功率369W、时间5min。在此最佳条件下进行3次平行验证实验， 得到山茱萸总皂苷的平均提取率达13.96mg/g，与理论值相比，RSD为0.66％， 相对误差为0.93％，说明该回归方程拟合度高，其工艺可用于山茱萸总皂苷 的提取。

7、不同方法的比较结果。

通过超声辅助法、微波辅助法和超声-微波协同辅助法分别进行山茱萸总 皂苷的提取，其结果见表4。由表4可知，三种方法之间的差异达到了极显 著水平(P<0.01)，超声-微波协同辅助法对山茱萸总皂苷的提取率最高，与 其他两种方法相比，总皂苷提取率提高达20％左右，在时间上仅为超声辅助 技术的1/4，大大节约了成本。

表4不同方法比较结果

注**代表p<0.01与超声-微波协同辅助法比较差异极显著

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易 见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。