超声波-表面活性剂协同萃取黄姜中薯蓣皂苷的工艺研究.doc

超声波-表面活性剂协同萃取黄姜中薯蓣皂苷的工艺研究 杨转萍 罗仓学 李祥 （陕西科技大学生命科学与工程学院 陕西西安710021）摘要：研究了利用超声波-表面活性剂协同萃取黄姜中薯蓣皂苷的新工艺。通过对七种不同类型表面活性剂的比较研究发现，十二烷基硫酸钠能显著提高皂苷的得率；采用单因素试验和正交试验确定了薯蓣皂苷最佳萃取条件，结果表明：常温下，料液比为1：14 ，十二烷基硫酸钠表面活性剂浓度为8.610-3( 25,cmc，临界胶团浓度)，超声频率为25.8KHz，萃取40min，可以使黄姜中薯蓣皂苷得率达到6.50%，比水萃取高3.33%。关键字：超声波；表面活性剂；薯蓣皂苷；萃取中图分类号： 献标识码： 文章编号： Study on The ultrasonic- assisted surfactant extraction process of dioscin from turmeric Yang Zhuan-ping, Luo Cang-xue, Li xiang （College of life science and engineering,Shaanxi University of Science and Technology, Xian710021）Abstract: The ultrasonic- surfactant extraction process of dioscin from Turmeric was studied in this article. The optimum extraction condition were confirmed by the single factor test and the orthogonal test .The result shows that the dioscin extraction efficiency was 6.50% when the proportion of stuff mass to solvent volume was 1:14,surfactant concentration was 8.610-3( 25,cmc, the critical micelle concentration), and last extracting for 40min under 25.8KHz., this process can make the yield of dioscin reached 6.50%, 3.33% higher than the water extraction.Keywords: ultrasonic; surfactant; dioscin; extractionCLC number: Document code: A Article IC:0前言黄姜为薯蓣科多年生缠绕性草本植物，又名盾叶薯蓣，是我国特有种，且资源丰富。其根茎中含多种薯蓣皂苷1,2，黄色素，单宁，大量淀粉和纤维素。其活性物质薯蓣皂苷元 （俗称皂素 ）以皂苷的形式存在于根茎中，具有治疗冠心病、 调节新陈代谢、 抗高血脂、 抗癌等效果，是合成激素类药物的重要原料3。目前常用的皂苷萃取方法为有机溶剂浸取法，即用甲醇、乙醇或其水溶液浸取分离薯蓣皂苷。优点是方法成熟、操作简单，缺点是有机溶剂用量大、提取时间长、能耗大、成本高。大多数溶剂还有毒、易挥发，限制了其应用。葛发欢4等采用超临界CO2流体萃取法提取黄山药中的薯蓣皂苷，但该方法仍需加入一定量的乙醇作为助溶剂。郭湘汾等5采用筛分法和旋流分离法分离黄姜中的纤维和淀粉，再进行皂素提取，但分离的选择性较差、薯蓣皂苷分离不够彻底。从目前国内外天然产物提取研究的总体趋势上看，溶剂提取法因其操作简单、工艺成熟仍是目前的主导技术6, 7 。本课题以水为溶剂，采用超声波-表面活性剂萃取黄姜中的薯蓣皂苷。超声波可以强化对溶剂的渗透效应，加速薯蓣皂苷的溶出，具有省时，节能，萃取率高等优点8,9；表面活性剂能使被溶物的化学势降低，促进被萃取物在水中的溶解，可提高被萃取物稳定性及得率10。近年来，超声波-表面活性剂协同萃取的报道较少，本课题采用此方法萃取黄姜中的薯蓣皂苷，高效，节能，无污染，也降低了生产成本。1.试验材料与仪器1.1 试验材料黄姜（陕西省山阳县采购），薯蓣皂苷标准品（纯度98%，上海融禾医药科技发展有限公司），十二烷基三甲基溴化铵，十二烷基硫酸钠（SDS），十二烷基苯磺酸钠，十八烷基三甲基氢化铵，吐温-20，吐温-80，OP-10，甲醇，高氯酸（均为分析纯）1.2 试验仪器SC-型多频声化学发生器（成都市九洲机电工程研究所）， SHB-B95型循环水式多用真空泵（河南大康科教仪器厂），UV75-18PC型-紫外可见分光光度计（天津拓普仪器有限公司），101A-1B型电热鼓风干燥箱（上海实验仪器厂有限公司），玻璃仪器气流烘干器（郑州杜甫仪器厂），BS2202S型电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司），SHZ-C型水浴恒温振荡器（上海浦东物理光学仪器厂）2 试验方法2.1薯蓣皂苷含量测定2.1.1薯蓣皂苷标准曲线的绘制参考王光忠等方法配置薯蓣皂苷标准溶液并绘制标准曲线11-13。结果表明 ，薯蓣皂苷在0.01160.058g/L范围内与吸光度( A) 呈良好的线性关系回归方程为: A = 13.302C- 0.0709 r = 0.9973。2.1.2 薯蓣皂苷得率计算准确称取10g的黄姜粉末样品于烧杯中，加入规定剂量的溶剂，在不同条件下进行超声波辅助萃取，抽滤，定容至250ml。在最大吸收波长408nm测定吸光度A，根据吸光度由回归方程求出薯蓣皂苷浓度，并计算萃取液中皂苷的质量。按下列公式计算薯蓣皂苷的得率。薯蓣皂苷得率（萃取液中薯蓣皂苷质量黄姜粉末的质量）100%2.2 表面活性剂的选择表面活性剂在其稀溶液中成单分子分散，当浓度逐渐升高,达到临界胶束浓度时,因吸附在界面上的表面活性剂分子的排列已达到最大程度,其分子开始转入溶液互相凝集 , 几十个甚至更多个分子综合在一起的形成胶团。但是如果表面活性剂加入量过大，它所形成的胶团就会将皂苷包裹，影响皂苷的水解，故选择表面活性剂时，用皂苷元作参考指标。称取7份黄姜粉末样品各10g，分别以临界胶团浓度（见表1）的十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠，十八烷基三甲基氢化铵，吐温-20，吐温-80，OP-10水溶液为溶剂，料液比1：10，频率为25.8KHz，常温下，超声处理30min，抽滤，水解4h,索氏提取，计算薯蓣皂苷元得率（重量法），比较筛选出最适宜的表面活性剂。2.3单因素试验准确称取黄姜粉末样品10g，放入带塞磨口三角烧瓶，然后加入溶剂，在固定其他条件不变的情况下进行超声波-表面活性剂协同萃取，研究不同频率、时间、料液比、表面活性剂浓度对黄姜中薯蓣皂苷得率的影响。2.4 正交试验设计在单因素的基础上，选用超声频率，超声时间，料液比，表面活性剂浓度为考察因素，以研究这四个因素的交叉作用对黄姜中薯蓣皂苷得率的影响。以黄姜中薯蓣皂苷得率为试验指标，采用L9（34）正交试验表进行试验设计。3. 结果与分析3.1表面活性剂种类的筛选 在超声波体系中，引入特定的表面活性剂，可以显著提高超声波对极性物质的萃取率。此外，超声处理时，以水为溶剂时，萃取物中的酶没有进行灭活，一部分的萃取物被分解，阴离子表面活性剂对酶具有一定的抑制作用。结果如表1所示。表1 不同种类表面活性剂对皂苷含量的影响表面活性剂类别临界胶团浓度（mol/L）皂苷元得率(%)十六烷基三甲基溴化铵 阳离子9.1210-5 0.171十二烷基硫酸钠 阴离子 8.6010-3 1.502十二烷基苯磺酸钠 阴离子1.210-3 0.314十八烷基三甲基氢化铵 阳离子0.3410-3 0.216吐温-20 非离子610-2 0.205吐温-80 非离子1.410-2 0.339OP-10 非离子3.310-4 0.295空白 0.38 由表1可以看出，在7种表面活性剂中，只有十二烷基硫酸钠的加入能显著提高薯蓣皂苷元得率，比空白提高了1.122%，由此可知，十二烷基硫酸钠的加入明显促进了薯蓣皂苷在水中的溶解14,15 。这是由于阴离子型表面活性剂形成的反胶束溶液的增溶水量比阳离子型和非离子型表面活性剂形成的反胶束溶液增溶水量大。十二烷基硫酸钠形成的胶束空间结构更有利于薯蓣皂苷的增溶。因此,本研究选择十二烷基硫酸钠为最佳表面活性剂。3.2 单因素试验3.2.1超声频率对薯蓣皂苷得率的影响超声波的热效应，机械效应，空化效应是相互关联的，通过控制超声的频率和强度，可以突出某个作用，减少或避免另一个作用，以达到提高有效成分提取率的目的。超声波作用于生物体所产生的热效应受超声频率的影响显著16。图1 超声频率对薯蓣皂苷得率的影响 由图1可知，当频率在14.5KHz到25.8KHz范围内，随频率增大，薯蓣皂苷得率提高，但是，当频率超过25.8KHz时，薯蓣皂苷的得率随频率增大而降低，原因可能是超声频率越高，超声场内所产生的热效应增强，空化效应，粉碎等作用减弱，所以选择25.8KHz为最佳超声频率。3.2.2 超声时间对薯蓣皂苷得率的影响有关超声时间对药物提取率和对中药有效成分的影响大致有三种情况：一是有些有效成分随超声时间增加而增大；二是提取率随超声时间的增加逐渐增高，一定时间后，超声时间再延长，提取率增加缓慢；三是提取率随超声时间增加，在某一时刻达到一个极限值后，提取率反而减小16。薯蓣皂苷的提取符合第三种情况（如图2所示）。从图2可以看出，随着超声时间的增长，薯蓣皂苷的得率也随之增加。当达到50min时，皂苷开始减少。可能是因为在超声过程中不断产生热量，对皂苷类化合物的活性成分造成损失。另一方面从节省时间的角度考虑，超声萃取时间选用40min60min比较合适。 图2 超声时间对薯蓣皂苷得率的影响3.2.3 料液比对薯蓣皂苷得率的影响图3 料液比对薯蓣皂苷得率的影响 在一般植物性有效成分提取中，随着料液比的增加，有效成分得率增加。如图3所示，薯蓣皂苷的萃取在料液比1：41：14的范围内符合一般植物性因可能是料液比过大表面活性剂的对酶的抑制作用减有效成分提取的规律；但是，当料液比大于1：14，薯蓣皂苷的得率有所降低，原弱，造成了一部分有效成分的降解。而且料液比过大，不但会增加溶剂的用量，而且会增大去除溶剂所需负荷，因此料液比不宜过大。另一方面考虑到节省能源，料液比选用1：121：16比较合适。3.2.4 表面活性剂浓度对薯蓣皂苷得率的影响 图4 表面活性剂浓度对薯蓣皂苷得率的影响 由图4可知，随着表面活性剂浓度的增加，薯蓣皂苷的得率也随之增加，这是因为随着十二烷基硫酸钠浓度的增大，体系中形成的反胶团增多，对皂苷的增溶量增大。但是实验中，我们发现，当表面活性剂浓度达到4cmc时，索氏提取时出现黑色油状物，影响薯蓣皂苷元的分离。这是由于表面活性剂浓度过大时，形成的反胶团结构趋于紧密，皂苷进入胶团内核的空间阻力增大，同时过多的表面活性剂超过了其在体系中的溶解度，不溶的表面活性剂会将薯蓣皂苷包裹，导致薯蓣皂苷水解不完全，所以我们选1cmc3cmc为最佳表面活性剂浓度范围。3.3正交试验结果与分析 正交试验设计如表2，试验结果及极差分析如表3所示。从表3可以得出薯蓣皂苷最佳萃取组合为A2B1C2D1。即超声频率25.8KHz，超声时间40min，料液比1：14，表面活性剂浓度为8.610-3，即临界胶团浓度。 表2 正交试验因素水平表水平因素A超声频率（KHz）B超声时间（min）C料液比D表面活性剂浓度（cmc）114.5401:121225.8501:142335.7601:163 表3 L9（34）正交试验结果及极差分析编号ABCD皂苷得率（%）111116.41212226.02313335.49421236.30522316.09623125.63731325.73832135.98933216.05 K117.9218.4418.0218.55 K218.0218.0918.3717.38 K317.7617.1717.3117.77K15.976.156.016.18K26.016.036.125.79K35.925.725.775.92R0.090.430.350.39表4 正交试验方差分析表方差来源平方和自由度 均方和 F值显著性A0.012320.006151B0.295520.1477524.02P0.05C0.192320.0961515.63P0.01D0.23720.118519.27P0.05误差0.012320.00615 注：F0.01(2, 2)=9.00, F0.05(2, 2)=19 对试验数据进行方差分析（见表4）可以得出，超声时间、表面活性剂浓度对薯蓣皂苷的萃取工艺在在水平0.05上有显著影响，料液比在0.01水平有显著影响，而超声频率对实验影响较小。 3.4验证试验 按3.3得出的薯蓣皂苷的最佳萃取条件进行重复验证试验，其结果见表5。由表5可以看出，在最佳的萃取条件下，3次萃取所得的薯蓣皂苷得率均值为6.50%。表5 最佳萃取条件的重复验证试验 试验123平均值皂苷得率(%)6.46.626.47 6.503.5 萃取方法的比较 按照3.3得出的最佳料液比、萃取时间，不进行超声-表面活性剂处理，直接水萃取，薯蓣皂苷得率只有2.17%，超声-表面活性剂协同萃取法比其高3.33%。因此该工艺对工业化生产有一定的参考价值。4 结论4.1通过对七种不同类型表面活性剂的比较研究发现，十二烷基硫酸钠能显著提高皂苷的得率。4.2采用单因素试验和正交试验确定了超声波-表面活性剂协同萃取黄姜中薯蓣皂苷的新工艺。结果表明：常温下，料液比为1：14 ，表面活性剂浓度为8.610-3( cmc，临界胶团浓度)，超声频率为25.8KHz，萃取40min，可以使黄姜中薯蓣皂苷得率达到6.50%，比水萃取高3.33%。4.3该工艺不但能提高薯蓣皂苷得率，还能减少有机溶剂的使用，解决了薯蓣皂苷萃取中的污染问题。参考文献1丁怡. 天然甾体皂甙研究进展J. 中国新药杂志，2000, 9(8): 56-59.2孙麒, 巨勇, 赵玉芬. 具有生物活性的甾体皂甙J. 中草药，2002, 33(3): 276-280.3 李军超,李向民,郭晓思,等.盾叶薯蓣研究进展 J ,西北植物学报, 2003, 23 (10) : 1842-18484葛发欢, 史庆龙, 林香仙, 等. 超临界CO2 从黄山药中萃取薯蓣皂素的工艺研究J. 中草药，2000，31(3)：181-1835 何春茂. 茴脑的性质及生产、利用 J . 林产化工通讯，2004, 38(1) : 31 - 35.6 孙宝国，何坚. 香料化学与工艺学M . 北京:化学工业出版社，2004.7 Schrader J, EtschmannM M W, Sell D, et al. 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