基于相似度价比法优化天然药物有效成分的提取工艺

严 婧 ，李亚梅 ，贺福元 ，谭 茜 ，章 莹 ，黄 杰 ，谢雪姣 ，廖端芳 ，吴 萍

（1. 湖南中医药大学 a. 干细胞中药调控与应用研究室；b. 湖南省中药不良成分快速检测及脱除工程技术研究中心/中药有毒物质防控技术湖南省工程实验室，湖南 长沙 410208；2. 湖南省教育厅 中药现代化重点实验室，湖南 长沙 410208）

基于相似度价比法优化天然药物有效成分的提取工艺

严 婧1a，b，李亚梅1b，贺福元2，谭 茜1a，章 莹1a，黄 杰1a，谢雪姣1a，廖端芳1a，b，吴 萍1a，b

（1. 湖南中医药大学 a. 干细胞中药调控与应用研究室；b. 湖南省中药不良成分快速检测及脱除工程技术研究中心/中药有毒物质防控技术湖南省工程实验室，湖南 长沙 410208；2. 湖南省教育厅 中药现代化重点实验室，湖南 长沙 410208）

为了给天然药物有效成分最佳提取工艺条件的评价与筛选提供参考，以铁皮石斛多糖的提取工艺为例，在单因素、正交实验的基础上，应用一种新的提取工艺评价方法——相似度价比法，采用夹角余弦法计算其相似度价比，结合提取得率和生产成本，对其提取工艺进行了优化。结果表明：应用相似度价比法分析得到的铁皮石斛多糖酶提的最佳工艺条件为：固液比为1︰30，纤维素酶浓度为1.2%，提取温度为60 ℃，提取时间为1 h。文中认为，相似度价比法综合考虑了提取得率和经济效率，是评价和优选高效率低成本的天然药物有效成分提取工艺的一种新方法。

提取工艺；相似度价比法；夹角余弦法；铁皮石斛多糖

天然药物提取工艺的筛选对于天然药物有效成分的获得及质量保证具有十分重要的影响。目前，主要以成分含量或药效作为评价指标[1]，通过正交设计、均匀设计、星点设计-效应面法等实验设计，筛选出最佳提取工艺条件[2-3]；但这种工艺筛选与评价方法是不计工艺成本的。因此，基于工艺成本角度考虑，笔者应用了一种新的工艺评价方法——相似度价比法来优化传统中药铁皮石斛有效成分的提取工艺。

铁皮石斛Dendrobium of ficinaleKimura et Migo为多年生草本植物，能益胃生津、滋阴清热、调节免疫力[4-6]，与人参、冬虫夏草等并称为“中华九大仙草”。有关研究结果表明，铁皮石斛中主要的生物活性物质是多糖类化合物[7-8]。本研究以石斛多糖的提取工艺为模型，在单因素与正交实验相结合的基础上，引入相似度价比法，结合提取率和生产经济效益来优化提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试品铁皮石斛由湖南龙石山铁皮石斛基地有限公司提供，由湖南中医药大学药学院周日宝教授鉴定，打粉后过140目筛；苯酚、浓硫酸、无水乙醇均为分析纯；无水葡萄糖由中国药品生物制品检定所提供（批号为0833-9501）；纤维素酶，Solarbio公司，批号为507A0214。

恒温数显鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；紫外-可见分光光度计，日本岛津公司；冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；分析天平，梅特勒-托利多仪器上海有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 夹角余弦相似度的计算

设提取工艺1、2的特征点集表示为X(x1，…，xi，…，xn)、Y(y1，…，y2，…，yn)，（n=1，…，n），其中X、Y表示工艺影响因素的特征值，n表示影响因素的个数。则夹角余弦法公式[9]表示2个提取工艺的相似度如下：

式（1）中：Sxy表示两个提取工艺间的相似度，该数值保持在 0～1的范围内。考虑到提取工艺影响因素的特征值的大小对整个余弦值的贡献程度不同，因此把影响因素的每个特征值都转化为占因素总水平之和的百分数来计算其相似度 ，即为式（2）或式（3）：

将公式（2）或（3）代入公式（1）中计算得到的余弦值能更好地体现两个提取工艺的相似度，Sxy值越接近1，说明两者相似度越大。

1.2.2 相似度价比的计算

在经济学上，常用性价比即性能与价格的比值来评价一个商品，提高性价比不仅要求产品的质量高，而且要求生产产品的成本低。笔者参照经济学上的性价比概念，以提取率与相似度的比值作为相似度价比（α）[10]，以此来评价天然药物提取的综合效益，以η表示提取率，相似度价比的计算公式见式（4）。

在相同提取效率下宜选择更低成本的提取工艺，即相似度价比值越大，该提取工艺的提取率和经济效益的综合效益越大。

1.2.3 葡萄糖标准曲线的制作

采用苯酚-硫酸法制作葡萄糖标准曲线：即以葡萄糖为标准品，精密配制不同浓度的标准品溶液，将1.0 mL标准品加入5%苯酚1.0 mL，浓硫酸5.0 mL，充分摇匀，于100 ℃下水浴20 min后立即冰浴5 min，然后于488 nm处测定其吸光度；再以吸光度A为纵坐标，多糖浓度C为横坐标，绘制标准曲线，即得如下线性回归方程。

A=0.016C－0.026，R2=0.999。

1.2.4 优化铁皮石斛多糖酶提条件的单因素实验设计

精密称取铁皮石斛超微粉2.0 g，在固定其他因素的情况下，考察了固液比、酶浓度、酶解温度、酶解时间对铁皮石斛多糖的溶出量的影响情况。

1.2.5 优化铁皮石斛多糖酶提条件的正交实验设计

按L9（34）正交实验设计方案，考察固液比（A）、酶浓度（B）、酶解温度（C）和时间（D）四因素对铁皮石斛多糖的影响情况，正交实验因素与水平见表l。

表1 正交实验因素与水平Table 1 The orthogonal test factor levels

1.2.6 夹角余弦相似度法优选提取工艺

先按公式（2）或（3）把因素A、B、C、D的 4个实验水平的测定值分别转化为占该因素总水平之和的百分数，再按夹角余弦法即公式（1）计算其相似度，最后按公式（4）计算相似度价比。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

不同固液比、酶浓度、酶解温度、酶解时间对铁皮石斛多糖溶出量的影响情况如图1所示。由图可知，溶剂体积的增大、纤维素酶浓度的增多、酶解温度的上升、酶解时间的延长都会增加铁皮石斛多糖的溶出量，当固液比为1∶30、酶浓度为1.2%、温度为60 ℃、酶解时间为1 h时，铁皮石斛多糖溶出量曲线不再上升而进入到一个平缓期，因此可认为在此条件下的多糖溶出量有最大值。

2.2 正交实验结果

图1 单因素实验结果Fig. 1 Results of single factor test

固液比(A)、酶浓度(B)、酶解温度(C)和酶解时间(D)四个因素的正交实验设计与结果见表2，对表2的数据进行方差分析，结果见表3。

由正交实验结果的极差分析（见表2）可知，各因素的主次顺序为A＞B＞D＞C，即最重要的因素为固液比，其次是酶的用量、酶解时间，最后是酶解温度。酶提法的最佳工艺组合为A2B2C3D1：固液比1∶30，纤维素酶1.2%，在60 ℃的温度条件下水浴提取1 h。方差分析结果（见表3）表明，因素A、B、C、D的P值均小于0.01，具有统计学意义，因此认为，这四个因素都是主要因素，对实验都有重要影响。在最佳工艺条件下进行重复实验，测得多糖含量为21.9%，RSD为2.14%，表明该工艺稳定可行。

表2 多糖酶提工艺正交实验设计与结果（n＝3）Table 2 Orthogonal test analysis of enzymes process of polysaccharides

表3 正交实验结果的方差分析结果Table 3 Variance analysis of orthogonal test

2.3 以夹角余弦相似度法优选提取工艺

根据夹角余弦法计算相似度和相似度价比值，结果见表4。从相似度价比值看，5号实验组的相似度价比值最大，说明该提取条件的成本最低，这与正交实验的最佳结果恰好一致。因此，无论从提取率或提取工艺成本考虑，第5组的实验条件不仅是提取效率最高也是最有经济效率的提取条件，即在固液比1∶30的情况下用1.2%的纤维素酶在60 ℃的温度条件下水浴提取1 h。

表4 相似度及相似度价比值的计算结果Table 4 The calculation results of similarity and similarity bid ratio

3 结论与讨论

目前获得天然药物有效成分的方法多种多样，提取条件不一，怎样科学评价其提取工艺，这对天然药物制剂工业化生产有着重要意义。本研究以铁皮石斛多糖酶提工艺为模型，在单因素实验的基础上，先通过正交实验优选多糖提取工艺，再引入相似度、相似度价比值的概念，采用夹角余弦法[9-12]分析了提取工艺中各影响因素的相似度，将天然药物有效成分提取工艺的提取率与工艺成本的比值定义为该提取工艺的相似度价比值，可在天然药物提取工艺稳定性的控制过程中从整体上综合评价该提取工艺的差异程度。本实验以相似度价比法与正交实验法研究得到的最优工艺条件相同，即在固液比为1∶30的情况下用1.2%的纤维素酶在60 ℃的温度条件下水浴提取1 h。运用相似度价比法选择提取工艺，不仅考虑了提高天然药物有效成分提取率和纯度的工艺条件要求，更综合考虑了工业生产中降低提取成本、提高经济效益与优化天然药物提取工艺的重要关系，实现了实验室最优工艺和工业化生产最优工艺的同步化，这对天然药物制剂的实际生产具有参考价值。

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Optimization of extraction technology for natural medicine effective component by similarity bid method

YAN Jing1a,b, LI Ya-mei1b, HE Fu-yuan2, TAN Xi1a, ZHANG Ying1a, HUANG Jie1a, XIE Xue-jiao1a, LIAO Duan-fang1a,b, WU Ping1a,b
(1a. Hunan University of Chinese Medicine Stem Cell Laboratory of Regulation and Application；1b. Hunan Research Center of Engineering Technology for Rapid Test and Removal of Toxic and Harmful Substances in Chinese Medicine /Hunan Engineering Laboratory for Prevention and Control Technology of Toxic Substances in Chinese Medicine, Changsha 410208, Hunan, China; 2. Key Laboratory of Modernization of Chinese Medicine Hunan Provincial Department of Education, Changsha 410208, Hunan, China)

To provide reference for extraction technological conditions of natural medicine effective components, Dendrobium of ficinale polysaccharide extraction process, for example, on the basis of single factor and orthogonal test, the price included angle cosine method to calculate similarity ratio, combined with the extraction yield and production and economic bene fits to optimize extraction process. Results show that by the method of orthogonal test, in the case of enzymes extraction technology for Dendrobium of ficinale polysaccharides, the optimum process in laboratory was as follows: solid-liquid ratio 1:30, cellulose enzyme dosage 1.2%, extracting temperature 60℃ and extracting time 1 h; The optimum process of industrialization was in conformity with the optimum condition for laboratory. This paper argues that the similarity price ratio method considering the access ef ficiency and economic ef ficiency, is a kind of evaluation and optimization of high ef ficiency low cost new methods of natural medicine effective component extraction process.

extraction technology; the method of similar price quality; the cosine method

S759.8

A

1673-923X(2016)10-0124-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.022

2016-04-12

湖南省教育厅重点项目（14A109）；湖南省科技厅发改委项目（ [2013]1199）；企业横向合作项目（合同编号：2014）；湖南省科技厅科研条件创新专项（2012TT2012）；湖南省教学改革研究项目（2012-202）；湖南中医药大学青年教师基金（99820001134）；湖南省研究生省级科研创新项目（CX2015B336）；湖南省研究生校级科研创新项目（2015 CX19）

严 婧，硕士研究生

吴 萍，副教授，硕士研究生导师；E-mail：545371528@qq.com

严 婧，李亚梅，贺福元，等. 基于相似度价比法优化天然药物有效成分的提取工艺[J].中南林业科技大学学报，2016,36(10): 124-127.

[本文编校：吴 彬]