響應面法優化黨參多糖硒酸酯的制備工藝

舒暢，夏潔，袁帥，張西鋒，鄢又玉

（武漢輕工大學生物與制藥工程學院，湖北武漢430023）

黨參是我國經常使用的傳統補益中藥之一，又名中靈草、防風黨參、黃參等。《中國藥典》2015版（一部）中規定其為桔梗科植物黨參、川黨參或素花黨參的干燥根部[1]。近年來，許多研究工作者對黨參進行了深入探究，發現它在增強機體免疫力、調理腸胃運動、抗潰瘍、降血壓、抗缺氧、延緩衰老、抗輻射等方面有較好的治療效果。黨參除了作為藥用藥材利用之外，還可以作為保健藥材，現多用于食療方面[2]。近幾年來，許多研究者對黨參的化學成分進行了研究，發現黨參所含的化學成分種類繁多[3]，主要包括糖類、生物堿類、三萜類、黃酮類、甾體類等多種化合物，其中主要有效成分是黨參多糖。黨參多糖和其他的植物多糖一樣，都具備一定的藥理作用，主要有調節機體免疫力、促進造血機能、抗缺氧、調節血糖和血脂代謝、抗氧化等功能[4-5]。

硒元素是一種動植物生命活動所需的微量元素，其主要存在于酶中，例如谷胱甘肽過氧化物酶、硫氧還蛋白還原酶和甲酸脫氫酶[6]。據相關數據統計，全球大約有10億人可能患有硒攝入不足，并且一些疾病與硒的缺乏有關，如病毒性疾病，心血管硬化，癌癥和糖尿病等[7-9]。硒元素主要有無機硒和有機硒兩種存在形式[10]，相比于無機硒，有機硒的生物利用度相對較高，因為它比較容易在人體消化道中被吸收，并在人體尿液中排泄。目前無機硒有亞硒酸鈉和硒酸鈉，有機硒主要以硒多糖和硒蛋白的形式存在，無機硒具有蓄積性毒性，而有機硒的毒副作用小，可以更好地發揮硒元素的作用。而天然有機硒多糖在植物和微生物中含量較低，這就使得以硒多糖為主要補硒劑的研究顯得更加重要。

多糖硒是由硒元素和多糖經過硒氧鍵結合在一起的化合物[11]。硒元素具有抗氧化、抗病毒和抗癌等活性，多糖也具有增強機體免疫力、促進造血功能、抗潰瘍等作用。這就使多糖硒更好地擁有兩者的生理和藥理功能，在治療機體一些疾病時，能更好地發揮其生物活性，達到治療效果。多糖硒為有機硒化合物，是目前效果優良的補硒劑和免疫反應調節劑之一。黨參作為我國傳統的補益中藥，種植面積廣，多糖又是其主要成分且含量高，易制備多糖提取物，使得黨參多糖硒的研究越來越具有開發前景。

響應面（response surface methodology，RSM）[12]是一種找到最佳模型的現代統計手段，可以為最佳工藝的探尋提供技術支持。本課題通過響應面法優化合成黨參多糖硒酸酯（Codonopsis pilosula polysaccharide selenate，CPPS）的最佳合成工藝，對其進行了結構表征及體外抗氧化活性考察，為硒資源和傳統中藥的深度開發與利用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料試劑與儀器

黨參多糖（Codonopsispilosulapolysaccharide，CPP）：武漢輕工大學生物與制藥工程學院制藥實驗室自制，純度90%以上；硒粉標準品（純度＞99.99%）：河南華宇化工原料有限公司；亞硒酸鈉、鄰苯二胺、正丁醇、三氯乙烷、氨水、無水碳酸鈉、無水硫酸鈉、抗壞血酸、氯化鋇、硫酸、硝酸、甲苯等（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

硒儲備液（1.0 mg/mL）：準確稱量50.0 mg硒，置于燒杯中，加入 3 mL混酸（H2SO4∶HNO3=1∶2，體積比），反應至澄清，用蒸餾水定容至50 mL，備用；硒對照品溶液（4 μg/mL）：用移液管準確移取1.0 mL硒儲備液用蒸餾水定容到250 mL。CPPS樣品溶液的配制：分別配制 1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/mL 的水溶液備用。

數顯恒溫水浴攪拌鍋（SHJ-6）：金壇市億能實驗儀器廠；紫外-可見光分光光度計（Lambda25）：美國PerkenElmer公司；pH 計（STARTER 2100）：奧豪斯儀器（上海）有限公司；真空干燥箱（DZF-6020）：上海新苗醫療器材制造有限公司；低速大容量離心機（TDL-5）：上海安亭科學儀器廠；旋轉蒸發器（RE52-A）：上海亞榮生化儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 CPPS的制備

參照文獻，采用HNO3-NaSeO3法合成CPPS[13-15]。稱取一定質量的CPP粉末置于圓底燒瓶中，加入一定體積分數的稀HNO350 mL，攪拌均勻使多糖全部溶解。加入適量的Na2SeO3和BaCl2。70℃水浴5 h。反應結束后，冷卻至25℃，依次加無水Na2CO3調節pH值至 6～7，適量無水 Na2SO4去除 Ba2+，并于 6 000 r/min 轉速離心5 min以去除沉淀。將上層清液裝入截留分子量3 500 Da的透析袋中，25℃流水透析24 h，然后用超純水透析清洗12 h。取少量透析液于燒杯中，加入一定量抗壞血酸觀察顏色，當溶液無紅色時停止透析處理。將透析溶液與3倍體積95%乙醇溶液混合，置于錐形瓶中密封，于4℃冰箱中醇沉12 h后10 000 r/min離心10 min后得到沉淀，即為CPPS。25℃真空干燥24 h后研磨粉碎，即得CPPS粉末。

1.2.2 CPPS中硒含量的測定及硒標準曲線的建立

采用鄰苯二胺法[16]測定硒含量。準確稱量20.0 mg的CPPS固體，置于50 mL燒杯中，然后加入3 mL混酸，置于95℃水浴鍋中消化2 h至澄清后冷卻至25℃。另外精密吸取1.1中硒對照品溶液（4 μg/mL）0、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 mL，分別依次加入 25 mL蒸餾水，然后用氨水調節pH值至2，再加入1%的鄰苯二胺水溶液2 mL，搖勻，置于具塞錐形瓶中，避光反應2 h，隨后轉入分液漏斗中，加入9.5 mL甲苯，搖勻，靜置萃取分層，取甲苯層定容至10 mL，再從中吸取1 mL稀釋1倍，于334 nm測定吸光度。計算CPPS中硒的含量，并作出硒標準曲線[15]。

1.2.3 CPPS合成單因素試驗

參照1.2.1方法，設計CCP與Na2SeO3的質量比（X1：1 ∶0.6、1 ∶0.8、1 ∶1.0、1 ∶1.2、1 ∶1.4）、HNO3體積分數（X2：0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）、反應溫度（X3：50、60、70、80、90 ℃）及反應時間（X4：1、3、5、7、9 h）4 個單因素試驗，分別找出各單因素最佳反應條件。

1.2.4 響應面優化試驗設計

在1.2.3單因素試驗的基礎上，固定反應時間為5 h，進一步優化3個單因素對CPPS合成的影響，采用三因素三水平的Box-Behnken方法進行設計，并通過Design-Expert 8.0.6.1軟件進行數據處理。

1.2.5 CPP和CPPS的結構表征

參照1.2.2中測量CPPS中Se含量的方法，精密稱取20 mg CPP和CPPS進行消化，最后在200 nm～600 nm波長范圍內進行全波段紫外掃描。采用傅立葉變換紅外光譜儀，分別取適量CPP和CPPS粉末與適量KBr混合壓片，在4 000 cm-1～500 cm-1范圍內進行紅外光譜掃描，得到CPP和CPPS紅外光譜圖。

1.2.6 Fe2+清除能力測定

參考Que等[17]抗氧化活性測定方法，將40 μL 5 mmol FeCl2溶液，80 μL 5 mmol菲啰嗪溶液和 1.08 mL蒸餾水與400 μL 1.1中不同濃度的CPPS樣品溶液混合，于 562 nm 處測吸光度。清除率/%=[1-（A1-A2）/A0]×100，式中：A0（蒸餾水代替樣品）為對照組吸光度；A1為樣品吸光度；A2（蒸餾水代替FeCl2溶液）為樣品的本底吸光度。每個樣品重復測定3次，結果帶入計算清除率后取平均值。

1.2.7 超氧陰離子自由基清除能力測定

參考張越鋒等[18]超氧陰離子自由基清除能力測定方法：取1.1中各濃度CPPS溶液300 μL于試管中，加入 Tris-HCl緩沖溶液 900 μL，再加 90 μL 7 mmol/L 的鄰苯三酚溶液顯色，再加入300 μL 10mol/L鹽酸溶液，于 25 ℃反應 20 min。清除率/%=[1-（A1-A2）/A0]×100。（A0用水代替樣品；A1為樣品吸光度；A2用非極性溶劑無水乙醇替換顯色溶液鄰苯三酚）于420 nm波長處依次測定吸光度值。每個樣品重復測定3次，結果帶入計算后取平均值。

2 結果與分析

2.1 硒標準曲線的建立

參照1.2.2設計測定結果，以硒濃度（X，μg/mL）對吸光度（Y）進行線性回歸，可知在 0～4.8 μg/mL 濃度范圍內，吸光度與硒濃度呈線性關系：Y=0.146 7X+0.006 3（R2=0.999 2）。

2.2 單因素試驗

按照1.2.3中單因素設計進行試驗，結果如圖1所示。

圖1 Na2SeO3與CPP的質量比值、HNO3體積分數、反應溫度及反應時間對CPPS合成的影響Fig.1 Effect of the ratio of Na2SeO3to CPP，the volume fraction of HNO3，reaction temperature and reaction time on the synthesis of CPPS

由圖1（A）可知，隨著Na2SeO3與CPP的質量比值的增加，吸光度先升后降，在Na2SeO3與CPP的質量比值為1.0時達最大，所以最佳質量比值選1.0；由圖1（B）可知，隨著HNO3體積分數的增加，吸光度先上升后下降，在HNO3體積分數為0.6%時最大，在HNO3體積分數大于0.6%時吸光度降低可能是反應體系酸性太大，導致多糖的結構被破壞從而阻礙多糖硒的合成，故HNO3最佳體積分數選擇0.6%；由圖1（C）可知，反應溫度對合成的影響較大，隨著溫度的升高，吸光度值先上升后下降，后降低可能是因為溫度過高破壞了多糖的結構，部分多糖喪失了活性導致合成多糖硒效率降低，所以最佳溫度選為70℃；由圖1（D）可知，隨著反應時間的增加，吸光度先上升后趨于平穩，反應5 h后吸光度增加不明顯，為了節省時間成本以及后續可能的工業化擴大生產著想，故最佳反應時間選擇5 h。

2.3 響應面優化試驗設計

根據2.2單因素試驗結果，進行三因素三水平的Box-behnken試驗設計，如表1所示。

表1 Box-behnken設計因素水平及編碼值Table 1 Design factor level and code value

2.4 響應面優化試驗

2.4.1 CPPS合成工藝響應面試驗結果

參照2.3設計，得到響應面試驗結果如表2所示。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Design and results of Box-Benhnken experiment

以吸光度為響應值，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件，將表2中試驗數據進行統計分析，得到二次多項式回歸方程：Y=-3.542 88+1.162 50X1+1.406 87X2+0.083 013X3-0.1X1X2+0.006 5X1X3+0.000 125X2X3-0.765 62X12-1.059 37X22-0.000 628 750X32，并對此設計的模型進行方差分析，結果見表3。

根據表3可知，不顯著的有X1X2和X2X3，顯著的有X1，其余都是極顯著作用。試驗所建立的模型（P＜0.001）為極顯著，失擬項（P=0.685 3＞0.05）為不顯著，所建立的響應面模型用來優化CPPS制備的最佳工藝條件是可行的。信噪比=36.028比較高，這個數據可以證明該模型可預測試驗結果，而校正判定系數R2Adj=0.989 9，表示可以利用此模型來預測98.99%的響應值。判定系數R2=0.995 6，說明此模型擬合程度良好，可以利用模型來分析和預測制備的CPPS的吸光度值，R2Pred=0.974 9與R2=0.995 6的值相差不大說明該響應面方程無需做進一步優化。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for items of regression equation

2.4.2 CPPS合成工藝響應面圖分析與對比

根據2.4.1所得回歸方程，考察擬合響應面的形狀，繪制響應面圖及等高線圖，結果見圖2所示。

圖2 CPPS中硒吸光度響應面及等高線圖Fig.2 Response surface plot and contour plot of Se absorbance of CPPS

各因素的交互作用可以通過圖2中響應面圖的陡峭程度和等高線圖的疏密程度來直觀的表現出來。由圖2（A）可以看出HNO3體積分數的響應面相對陡峭，等高線較密集，Na2SeO3與CPP的質量比值的響應面較平緩，等高線較稀疏，說明HNO3體積分數對CPPS制備的影響比Na2SeO3與CPP的質量比值更顯著。同理，由圖2（B）可以看出反應溫度的響應面相對陡峭，等高線較密集，Na2SeO3與CPP的質量比的響應面較平緩，等高線較稀疏，說明反應溫度對CPPS制備的影響比Na2SeO3與CPP的質量比值更顯著。由圖2（C）可以看出溫度的響應面相對陡峭，等高線較密集，HNO3體積分數的響應面較平緩，等高線較稀疏，說明溫度對CPPS制備的影響比HNO3體積分數更顯著。上述結論與2.3.1中單因素顯著性分析結論完全吻合。由圖2（A～C）可以看出，響應面和等高線存在極值，響應面的最高點也就是等高線中的最小橢圓的中心點[19]。通過觀察等高線圖中中心橢圓的情況可以了解兩兩交互作用的影響強弱：中心橢圓越接近圓形，兩兩交互作用相對越弱，越偏離圓形，交互作用越強。根據結論由圖2（A～C）等高線圖判斷可知：Na2SeO3與CPP的質量比值和反應溫度即X1X3的交互作用最強，Na2SeO3與CPP的質量比值和HNO3體積分數即X1X2的交互作用適中，HNO3體積分數和反應溫度即X2X3的交互作用最弱，這一結論也與表3方差分析結果相吻合。

2.4.3 最佳提取工藝驗證

通過響應面軟件優化得到的最佳制備工藝條件為：Na2SeO3與黨參多糖的質量比為1.02，HNO3體積分數為0.62%，反應溫度為71.35℃，此時的理論吸光度值為0.449。為驗證該試驗模型的可靠性，按照上述最佳方案進行5組平行試驗。實際合成條件取Na2SeO3與CPP的質量比值為1，HNO3體積分數為0.6%，反應溫度為 70 ℃，吸光度值為：0.448、0.457、0.462、0.458、0.454，平均吸光度值為0.456，相對誤差為1.56%，說明此模型可靠性較高，可以用來優化CPPS制備的工藝條件。此時CPPS中硒含量為3.06 mg/g，CPP中未檢測到硒。據報道，天然富硒土壤種植的黨參硒多糖中硒含量高達0.886 mg/kg[20]，本文合成的CPPS中硒的含量遠高于天然CPP，也高于陳文霞等[21]合成的硒化紋黨參多糖中硒含量（1.07 mg/g），但遠低于劉寬輝等[22]合成的硒化黨參多糖中硒含量（11.86 mg/g）。認為因CPP的純度、CPPS合成的條件及硒的檢測方式不一，CPPS中硒含量的高低并不具備可比性，因此通過此指標比較硒化工藝的優劣也并不科學，后期可在一定的限制條件下展開進一步研究。

2.5 CPPS結構表征

2.5.1 紫外光譜分析

為了驗證CPP硒化成功，分別對CPP及CPPS做了紫外全波段掃描，具體參見圖3。

圖3CPP和CPPS的紫外掃描光譜Fig.3 Ultraviolet scanning spectrum of CPP and CPPS

由圖3 CPP與CPPS的紫外掃描圖譜對比可知，在300 nm～400 nm波長范圍內CPP沒有明顯的吸收峰；而CPPS在334 nm處有一個強吸收峰，這與高義霞等[23]報道的硒在334 nm產生的最大吸收峰位吻合，表明合成的CPPS中含有硒元素。

2.5.2 紅外光譜分析

為了便于觀察與比較，對CPP與CPPS的紅外譜圖沿著縱軸進行了平移處理，結果如圖4所示。

圖4CPP和CPPS紅外光譜Fig.4 IR spectroscopy of CPP and CPPS

由圖4可知，CPP具有典型的多糖特征吸收峰（3 417.4、2 935.2、1 627.7、1 430.9、1 145.5、662.19、602.17cm-1）。3417.4 cm-1處出現的寬峰為多糖O-H的伸縮振動峰，2935.2cm-1為多糖C-H伸縮振動吸收峰，1 627.7 cm-1為多糖羰基C=O伸縮振動峰，1 430.9 cm-1為多糖羰基C-O伸縮振動峰、1 145.5 cm-1為多糖羥基O-H彎曲振動峰，662.19 cm-1為多糖C-H彎曲振動峰、602.17 cm-1為多糖C-O-C振動吸收峰。CPPS中多糖的特征吸收峰依然明顯（3 374.9、2 931.4、1 631.5、1 415.5、1 091.5、937.28、871.71、821.56、651.85、600.28 cm-1），與未修飾的CPP基本相同，只是某些官能團特征峰的峰形略有改變，峰位出現了略微的紅移與藍移。說明CPP與Na2SeO3反應后結構沒有發生大的變化，保持了CPP原有的性質。不同的是，CPPS紅外光譜相對CPP而言，在937.28、871.71、821.56 cm-1處多出了3個明顯的特征吸收峰，分別依次歸屬為Se=O、C-Se、Se-O伸縮振動峰，證明Na2SeO3已經與CPP 結合成酯[15，23-24]。

2.6 CPPS的抗氧化分析

2.6.1 Fe2+清除能力測定

金屬離子（如Fe2+和Cu2+）在自由基的氧化中起催化作用。金屬離子被螯合后失去其催化能力，可減緩自由基的產生。因此，測定樣品的金屬離子螯合能力是測定其抗氧化性能的常用評價方法。CPPS對Fe2+螯合能力如圖5所示。

圖5 CPPS對Fe2+的清除能力Fig.5 Scavenging effects of CCPS on Fe2+

由圖5可知，隨著CPPS濃度的增加，其清除率先緩慢后急劇升高，當濃度為10 mg/mL時達到相對最大清除率21.62%，后續因CPPS溶解性及濃度過大導致溶液黏度過大等問題，沒法再增加濃度繼續試驗，故在0～10 mg/mL濃度范圍內，CPPS對Fe2+有一定的清除效果。

2.6.2 CPPS對超氧陰離子自由基清除能力測定

CPPS對超氧陰離子自由基的清除率如圖6所示。

圖6 多糖硒對超氧陰離子自由基的清除能力Fig.6 Scavenging effects of CCPS on superoxide radical

由圖6可知，CPPS對超氧陰離子自由基清除能力隨著其濃度的增加而增加，當CPPS濃度達到8 mg/mL時達到相對最大清除率16.67%，但隨著CPPS濃度的繼續增加，清除率逐漸降低，這可能是因為CPPS濃度增加引起粘度增加抑制了其抗氧化活性，即在0～8 mg/mL濃度范圍內，CPPS對超氧陰離子自由基具有一定的清除作用。這些結果表明CPPS可以作為潛在的抗氧化劑后續繼續探索。

3 結論

選用CPP為材料，通過單因素考察，得出合成黨CPPS的最佳單因素條件為：溫度為70℃，HNO3體積分數為0.6%，Na2SeO3與CPP的質量比值為1.0。進一步運用響應面軟件Design-Expert優化合成工藝，得出CPPS合成最佳的條件為：溫度為70℃，HNO3體積分數為0.6%，Na2SeO3與CPP的質量比為值1。經過對CPPS的紫外及紅外結構表征，表明CPPS合成成功，硒在CPPS中以Se=o形式存在。同時對CPPS進行了抗氧化研究，結果表明CPPS對Fe2+以及超氧陰離子自由基具有一定的清除能力。