响应面法优化超声波辅助从姜黄中提取姜黄素的工艺研究

单后松，陈 昊，曲 君，张 薇，张思佳，刘彦琳

(辽宁工业大学，化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001)

姜黄素是广泛存在于姜科、天南星科植物根茎中一类化合物的总称[1]，因其在医药、食品安全、化妆品等众多领域具有良好的生物活性而成为研究热点之一，尤其其良好的抗癌活性，在医学领域的研究极为广泛[2-4]，这使得姜黄素提取工艺的优化极为重要。目前姜黄素的提取方法主要有酶法[5]、微波提取法[6]、双水相提取法[7]以及传统提取法等，其中酶法最为环保，但操作条件易受环境影响，传统提取法提取率较低，而双水相法操作繁琐，微波提取法破坏性较强。

本论文主要比较了浸渍提取法与超声波辅助提取法的提取效果，系统地考察了影响姜黄素提取率的因素，并应用响应面法进行了工艺优化，旨在获得简便、有效的提取条件。

1 实验部分

1.1 单因素实验

取粉碎过筛的姜黄粉末于锥形瓶中，加入乙醇溶液，设定超声功率、时间、温度后，振荡提取，过滤取上清液测定其吸光度，计算所提取姜黄素的浓度(标准曲线方程为：A=175C-0.015，R2= 0.99983)。姜黄素提取率计算方法：

分别控制其他条件不变，在一定范围内改变单因素(乙醇浓度、料液比、提取温度、提取时间、不同存储期)对姜黄素进行提取，分光光度法测定其吸光度，计算提取率。

1.2 Box-Benhnken中心组合实验设计

表1 响应面设计实验因素水平及编码

如表1所列，在单因素实验的基础上，选取三个对姜黄素提取率影响较大的因素，进行三因素三水平的Box-Benhnken中心组合实验，以姜黄素提取率为响应值，各因素的水平采用-1、0、1进行编码；所得实验数据用Design-expert8.0.5进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 浸渍提取法与超声提取法对比

浸渍提取法和超声波提取法的实验结果如图1所示：在不同实验条件下，超声波法姜黄素的提取率较浸渍法的均明显提高。这可能是由于在正常情况下，姜黄细胞的细胞壁保护细胞不被破坏，细胞内的物质不能有效的释放，所以姜黄素不能有效的从细胞内转移到溶剂之中，提取率较低。而超声波辅助提取，借助超声波振荡产生的能量，细胞壁通透性增加，从而使细胞内的姜黄素有效渗出。

图1 不同提取方法对比图

图2 不同存储期对比图

图3 料液比对提取率的影响

2.2 单因素实验考察

2.2.1 不同存储期姜黄中姜黄素含量探究

如图2所示，对于两种不同存储期的姜黄，在不同影响因素下具有相同的提取率趋势，即存储期为12个月的姜黄中姜黄素的含量明显少于存储期为5个月的，这可能与姜黄素类化合物的性质有关，随着存储期的延长，姜黄素类化合物逐渐从姜黄中氧化流失，从而导致姜黄素的含量降低，而姜黄素是中药姜黄的主要成分，这就导致其疗效降低，故而中药姜黄的使用需要在一定的期限之内方才有效。

2.2.2 料液比对姜黄素提取率的影响

如图3所示，随着提取剂量的增加，姜黄素的提取率逐渐升高，在料液比为1∶30 g/mL时，姜黄素提取率最大值，之后基本保持不变。这表明在提取剂达到一定量时，姜黄素的提取率已经达到极限，不再随着提取剂量的增加而增大。原因可能是当提取剂用量达到一定比例后，姜黄细胞内的姜黄素含量达到极低的程度，细胞内姜黄素析出与细胞外提取剂内的姜黄素渗入细胞达到动态平衡，所以姜黄素的提取率不再增加，从而达到最大值。

图4 提取时间对提取率的影响

图5 提取温度对提取率的影响

图6 乙醇浓度对提取率的影响

2.2.3 提取时间对姜黄素提取率的影响

由图4可知，随着提取时间的增加，姜黄素的提取率先略有增加，在50min之后，几乎不再变化，说明此时姜黄中的姜黄素不再渗出。在提取过程中，姜黄细胞中的姜黄素含量远高于提取剂乙醇中的含量，在细胞内外较大的渗透压差的推动以及超声波振荡的外界刺激下，细胞内的姜黄素可以很快渗出，细胞内外达到渗出渗入动态平衡后，提取率即趋于稳定。

2.2.4 提取温度对姜黄素提取率的影响

由图5可知，随着提取温度的升高，姜黄素的提取率先增加后降低，在50℃之后，姜黄素提取率大幅降低。原因是姜黄素类化合物分子在高温下不能稳定存在，发生分解，从而失去原有的生物活性。这也表明，温度较高不利于姜黄存储，姜黄的药性会降低。

2.2.5 乙醇浓度对姜黄素提取率的影响

姜黄素在不同浓度的乙醇中的溶解度不同，结果如图6所示，乙醇浓度在80%左右时具有最大的提取率。这是由于在不同浓度的乙醇溶液中，姜黄素的生物活性不同，溶解度也不相同，因此在较高浓度时，姜黄素的生物活性降低，溶解度下降，曲线呈现下降趋势。

2.3 BBD实验结果及分析

2.3.1 回归拟合和方差分析

由Design-expert进行实验方案设计，进行17组实验，根据所得姜黄素的提取率进行回归方程拟合及方差分析。

回归方程为：

2.3.2 响应面图分析

两因素的交互作用对姜黄素提取率的影响如图7所示：当乙醇浓度、料液比及提取温度任意一个因素为零水平时，其余两个因素间的交互作用对姜黄素提取率的影响趋势均是随着两因素的升高先升高后降低，这表明在姜黄素达到一定提取率后，姜黄中的姜黄素不再浸出。三组响应面图均是平滑曲面，且开口向下，表明在测量范围内可以达到最大值。

图7 两因素的交互作用对姜黄素提取率影响的等高线图(上)和响应面图(下)

2.4 最优条件验证

由以上实验数据通过 Design Expert8.0 软件BBD法优化分析可得提取的最佳模型条件：提取温度为48.09℃，固液比1∶30.09 g/mL，乙醇浓度为75.09%，理论值为2.716 mg/g；为了便于实验操作和设备自身精确度的影响，选取提取温度48℃，固液比1∶30g/mL，水-乙醇二元体系浓度75%的条件下平行验证实验3次，测定其中总姜黄素的提取率平均值2.728 mg/g，相对偏差为0.44%，响应面法优化模型与实际情况拟合结果较好，该模型可靠。

3 结论

本论文首先对比了浸渍提取法和超声提取法的提取效率，结果表明超声提取法明显优于浸渍提取法。然后，考察了不同存储期姜黄素的提取率，表明随着储存时间延长，姜黄素含量明显降低，姜黄品质下降。最后，在单因素实验的基础上，采用响应面法对姜黄素的提取条件进行优化，建立了姜黄素提取率的回归模型，由改模型优化的姜黄素提取条件为料液比1∶30g/mL、乙醇浓度75%、提取温度48℃；在此条件下，姜黄素的提取率为2.716 mg/g，与模型预期结果相近，进一步验证了该模型的可靠性。

[1] 欧珍贵,刘凡值.姜黄资源概况及其开发利用[J].贵州农业科学, 2006,34(4):126-127.

[2] 王春彬,高大中.姜黄素的研究进展及其在心血管疾病中的应用[J].2005,26(6):614-616.

[3] 黄一可,万敬员.姜黄素和芦丁微波法提取、纳米载药体系构建及其抗氧化活性的研究[D]. 重庆: 重庆医科大学,2016.

[4] 田 杰,刘 珂.姜黄素类化合物的提取分离鉴定及其与化疗药的协同抗肿瘤作用研究[D]. 烟台:烟台大 学,2009.

[5] 宁 娜, 韩建军. 微波辅助酶法提取姜黄中姜黄素的工艺研究[J].中国兽药杂志,2015,49(12):20-26.

[6] 唐课文,易健民,李 立.微波萃取吸附分离法提取姜黄素的研究[J].化工进展,2005(6):647-651.

[7] 王佳静.超声波-双水相提取姜黄素及其纯化工艺的研究[D]. 西安: 陕西师范大学,2015.

(本文文献格式：单后松，陈昊，曲君，等.响应面法优化超声波辅助从姜黄中提取姜黄素的工艺研究[J].山东化工，2018，47(02)：13-15.)