黄芩中黄芩苷常规回流浸提工艺优化研究

2013-08-06滕占才王波梁英

黑龙江八一农垦大学学报 2013年1期

滕占才，王波，梁英

（黑龙江八一农垦大学理学院，大庆 163319）

黄芩为唇形科多年草本植物黄芩（scutellaria baicalensis georgi）的根，别名黄金茶或空心草，为常用中药，性寒味苦。研究表明黄芩主要有效成分及其制剂主要质量的控制指标是黄芩苷，黄芩中的黄芩苷具有显著的生物活性[1]，可消除氧自由基抑制黑色素的生成[2]，是一种很好的功能性美容化妆品原料[3-5]，黄芩苷是一种很有发展前途的生物性活性成分[6]，医药、保健品和化妆品市场对黄芩苷需求量逐年增加[7]。黄芩苷来源较稳定，质量可控，高效低毒，进行提取分离的工艺研究具有重大现实意义。黄芩苷的提取方法主要有温浸法[14]，回流法[10]，酸沉温浸法[11]和超声波法[12]等。本文采用常规回流的方法对黄芩进行浸提工艺的研究，并研究了浸提温度，浸提时间，固液比和颗粒粒度对黄芩苷得率的影响，采用四因素二次回归正交螺旋组合设计对工艺参数进行优化研究，以获得黄芩苷浸提的优化工艺，为黄芩苷提取的工业化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

UV-2802PC/PCS 型紫外分光光度计，尤尼柯上海仪器有限公司；AB204-B 型电子分析天平，瑞士梅特勒公司；RE-5299 型旋转蒸发仪，巩义市英峪予华仪器厂；DZKW-D 型恒温水浴锅，河北黄骅石航天仪器厂；微型植物粉碎机，河北黄骅齐家务科学仪器厂。

1.2 材料与试剂

黄芩干燥根，购自北京海淀区医药经营公司；黄芩苷标准品（含量大于99.0%），购自日本和光纯药工业株式会社；硫酸，乙醇。

1.3 方法

1.3.1 试验指标及测定方法

黄芩苷含量测定：采用HPLC 法[4]。

1.3.2 试验方案

为了得到黄芩苷常规回流浸提的优化工艺条件，建立常规回流浸提工艺优化的回归方程，确定以浸提时间x1、浸提温度x2、颗粒粒度x3和液固比x4为试验因素，运用四因素二次正交旋转组合设计，进行试验，因素水平选择及编码结果见表1。

表1 黄芩苷得率二次回归正交旋转组合试验设计因素水平编码表Table 1 Factors and levels of orthogonal regressive cross rotary design for extracting rate of baicalins from Scutellaria Radix

1.3.3 数据处理

采用Excel、SAS8.2 统计软件和Matlab 数学分析软件对试验数据进行分析及处理。

2 结果与分析

2.1 回归模型的建立与统计分析

将黄芩苷得率进行多元回归分析，建立二次回归数学模型，经对回归模型的方差分析、F 检验及验证后，确认有效（不显著因素已剔除），回归方程（1）为：

将编码Z 用自然变量X 代换，得到用自然变量表示的回归方程（2）为：

2.2 主效应分析

回归方程（1）中，浸提时间、浸提温度、颗粒粒度和液固比这些因素在设计中均经无量纲线性编码处理，消除了因素量纲的影响。因此，方程中各项系数绝对值的大小能直接反映各项试验因素对指标值的影响程度，系数的正负则能反映这种影响的方向。由回归方程（1）可知，浸提时间、浸提温度、颗粒粒度和液固比系数的绝对值分别是0.943、1.053、0.287 和0.400，由此可知，4 个因素中浸提温度对黄芩苷得率影响最大，浸提时间次之，液固比居第三位，颗粒粒度的影响较小。

图1 浸提时间、浸提温度、颗粒粒度、液固比对黄芩苷得率的影响Fig.1 Effects of time，temperature，powder granularity and liquor-solid ratio on extraction rate of baicalins

2.3 单因素效应分析

固定其中3 个因素，考察另外1 个因素对浸提率的影响，见图1。从图1 可看出，各因素对得率的影响具有相同的趋势，即得率先随各因素水平的提高而提高，当各因素的水平达到某一值时，得率达到极大值；当各因素的水平再继续提高时，得率随各因素水平的提高而减小。并且浸提温度和浸提时间对得率有较大的影响，相比之下，颗粒粒度和液固比对得率的影响较小。分析中还可看出，各因素与得率的关系都是非线性的，且浸提率随其他因素水平的变化而变化，说明各因素对得率的影响不是单独起作用的，各因素之间存在交互作用。

2.4 两因素间的交互效应分析

在试验条件下，由建立的回归方程（1）可知，浸提时间与浸提温度及浸提时间与颗粒粒度的交互作用显著，且浸提时间与浸提温度的交互作用大于浸提时间与颗粒粒度的交互作用。将回归方程（1）中的2 个因素固定在0 水平，就可得到另外2 个因素对得率影响的子回归方程，这些子回归方程可用于研究双因素的交互效应。采用Matlab[8]编程，可绘制出子回归方程的响应曲面图。图中看出各因素之间的交互作用和最优化条件。

图2 浸提时间与温度的交互作用对黄芩苷得率影响Fig.2 Effects of time and temperature on extraction rate of baicalins

由图2 可知，浸提时间和浸提温度对得率的影响较大。当液固比为24 mL·g-1、颗粒粒度为80 目（皆为0 水平）时，浸提时间为1.5 h（0 水平）和浸提温度为70 ℃（+1 水平）时，浸提效果最好，得率为8.85%。浸提时间在0 水平前，随浸提温度的提高得率提高；浸提时间在0 水平后，随浸提温度的提高得率先提高随后降低；浸提时间水平越高，得率达到最大值时所需的温度越低。由此可见，浸提时间与浸提温度之间存在着较强的交互作用，在本试验所设条件下，高温短时间和低温长时间浸提均可得到较高的得率。

图3 浸提时间与颗粒粒度交互作用对黄芩苷得率的影响Fig.3 Effects of time and powder granularity on extraction rate of baicalins

由图3 可知，浸提时间对黄芩苷得率的影响大于颗粒粒度对黄芩苷得率的影响。当浸提温度为60 ℃、液固比为24 mL·g-1（皆为0 水平）时，浸提时间为2.0 h（+1 水平）和颗粒粒度为80 目（+1 水平）时，浸提效果最好，得率最高为8.88%。

2.5 黄芩苷浸提工艺参数的优化

2.5.1 回归模型最优解

为获得在试验所设各因素水平范围内黄芩苷得率最高的优化浸提工艺，采用约束复合形法，用Matlab 数学软件编制目标函数文件、约束条件文件及优化值的运行文件程序，上机求解，得其优化解为：

实际值（2.0 h 62.3 ℃ 80 目 27.3 mL·g-1）

2.5.2 黄芩苷得率最优浸提工艺及回归方程的验证

对最优浸提工艺及回归方程进行实验验证，实验结果与回归方程的计算值见表2。

由表2 可知，在各组合实验条件下，回归方程的计算值与实验值吻合程度很高，绝对误差均小于0.7%，相对误差的绝对值均小于10%，说明回归方程（2）的预测精度较高，优化结果的可信度高。

3 结论

对常规回流浸提法中影响黄芩苷得率和含量的因素进行单因素试验的基础上，利用四因素二次回归正交旋转组合试验设计以得率为指标对黄芩苷浸提工艺进行了优化研究。对数据分析的基础上，得到如下结论：

3.1 浸提温度和浸提时间是影响黄芩苷的得率和含量的两个最主要因素。在单因素实验条件下，较适宜的浸提条件是：液固比为24 mL·g-1，颗粒粒度为40 目，浸提温度为70 ℃，浸提时间为2 h。

表2 不同工艺参数组合实验值与计算值的比较Table 2 Comparison of different process parameters combination between experimental and calculated value

3.2 以黄芩苷得率为试验指标，采用四因素二次回归正交旋转组合设计，进行了黄芩苷浸提工艺参数优化研究，建立了黄芩苷与浸提时间、浸提温度、颗粒粒度及液固比之间关系的回归方程，即：

所获得的回归方程有效，与实际情况拟合较好。

3.3 得到的优化工艺为：浸提时间为2.0 h、浸提温度为62.3 ℃、颗粒粒度为80 目、液固比为27.3 mL·g-1，在此组合条件下，黄芩苷得率的理论最大值为8.88%。

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