Box-Behnken設計優化薔薇紅景天總黃酮提取純化工藝

帕提曼·肖開提，穆巴熱科·吾普爾，劉 陽，王新玲

（新疆醫科大學藥學院，新疆 烏魯木齊 830011）

薔薇紅景天 Rhodiola rosea L.為景天科 Crassulaceae紅景天屬 Rhodiola L.多年生草本植物。據統計，全世界有90種紅景天屬植物，我國目前有73種，多分布于東北、甘肅、四川、云南、貴州、新疆等地區[1]。《新疆藥用植物志》記載，新疆薔薇紅景天主要分布于天山山脈海拔1 600～2 700 m的高寒地區[2]。紅景天屬植物的主要成分有紅景天苷、苷元酪醇、黃酮類、沒食子酸與苷、草質素及其苷類。其中，紅景天黃酮類化合物具有抗病毒、抗腫瘤、強心、降壓、降低膽固醇、止咳祛痰、保肝等作用[3]。黃酮類化合物是植物中含量最豐富的一類，迄今已在植物中鑒定出數千種黃酮類化合物。隨著關于黃酮類化合物對人類健康有益認識的加深，富含黃酮類化合物植物的提純越來越受到關注，且黃酮類成分已在抗炎、抗腫瘤、抗高血壓與心血管疾病等方面取得了一定的研究成果[4]。本研究中通過Box-Behnken響應面分析法，以提取物中總黃酮含量為考察指標，對新疆薔薇紅景天總黃酮的提取工藝進行研究；在已確定的提取工藝基礎上，通過篩選，應用HPD-600型大孔吸附樹脂來純化薔薇紅景天總黃酮，并通過Design-Expert 8.06軟件，優化工藝條件，為新疆薔薇紅景天資源的開發利用和后期研究提供科學的試驗依據。現報道如下。

1 儀器與試藥

儀器：HH-S4型數顯恒溫水浴鍋（金壇市醫療儀器廠）；EYELA型旋轉蒸發儀（上海愛朗儀器有限公司，東京理化器械株獨資工廠）；KQ-250DV型數控超聲波清洗器（江蘇省昆山市超聲儀器有限公司，功率為150 W，頻率為 50 Hz）；New classic MF型電子天平（Mettler Toledo公司，精度為萬分之一）；T6型新世紀紫外分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；HY-5型回旋振蕩器（金壇市醫療儀器廠）。

試藥：薔薇紅景天購于新疆伊犁，品種由新疆醫科大學藥學院胡君萍教授鑒定為正品，標本保留在新疆醫科大學藥學院天藥／生藥教研室；蘆丁對照品（中國食品藥品檢定研究院，批號為100080-200707）。

2 方法與結果

2.1 黃酮含量測定(硝酸鋁-亞硝酸鈉法)[5]

2.1.1 對照品溶液制備

取干燥至恒重的蘆丁對照品2.5 mg，精密稱定，置25 mL容量瓶中，用70%乙醇溶解并定容至刻度，搖勻，制成質量濃度為0.1 mg／mL的溶液，即得。

2.1.2 測定波長選擇

取蘆丁對照品5.72 mg，精密稱定，置25 mL容量瓶中溶解，精密吸取1 mL，蘆丁溶液置10 mL容量瓶中；加 5%亞硝酸鈉溶液 0.4 mL，搖勻，放置 6 min，加10% 硝酸鋁溶液 0.4 mL，搖勻，放置 6 min，加 4% 氫氧化鈉溶液4 mL，再加70%乙醇溶液至刻度，搖勻，放置15 min，采用紫外-可見分光光度法，在200～800 nm波長區間掃描。結果對照品溶液在510 nm波長處有最大吸收，故選用510 nm為測定波長。

2.1.3 薔薇紅景天總黃酮制備及含量測定

取2.0 g薔薇紅景天藥材粉末，精密稱定，按提取條件加熱回流提取一定時間后，趁熱過濾，減壓濃縮至10 mL容量瓶中，作為待測溶液。取薔薇紅景天總黃酮提取物適量，依法操作，于510 nm波長處測定吸光度，依據標準曲線計算出相應的黃酮含量。

2.1.4 方法學考察

精密度試驗：準確吸取對照品溶液1.5 mL，置10 mL容量瓶中，按擬訂方法測定吸光度，重復測定6次。結果的 RSD為0.22%(n＝6)，表明儀器精密度良好。

穩定性試驗：取紅景天總黃酮提取物19.56 mg，精確稱定，置10 mL容量瓶中，按擬訂方法分別于0，15，30，45，60，90，120 min 時測定吸光度。結果的 RSD 為1.91%(n＝6)，表明供試品溶液在2 h內穩定。

重復性試驗：取紅景天總黃酮提取物共6份，精密稱定，平行制備 6份提取液，各0.5 mL，置 10 mL容量瓶中，按擬訂方法測定吸光度。結果的 RSD為0.86%(n＝6)，表明方法重復性良好。

加樣回收試驗：準確稱取已知含量（5.108 4 mg／mL）的薔薇紅景天粉末9份，各1 g，制備供試品溶液，再分別精確加入蘆丁對照品，混勻，按擬訂方法進行測定，計算得回收率為 100.58% ，RSD 為 1.97% （n＝9），表明方法穩定可行。詳見表1。

2.2 提取工藝優化

2.2.1 單因素考察

提取溶劑體積分數：取薔薇紅景天藥材粉末1 g，精密稱定，加入20 mL不同體積分數的10%乙醇、30%乙醇、50%乙醇、70%乙醇、90%乙醇，加熱回流提取1 h，過濾并濃縮，低溫干燥，按擬訂方法測定提取物中黃酮含量 。結果測得含量依次為 16.73%，33.51%，38.00% ，46.25% ，39.26% ，故選擇 70% 乙醇為最佳提取溶劑體積分數。

表1薔薇紅景天總黃酮加樣回收試驗結果（n＝9）

提取時間：取薔薇紅景天藥材粉末1 g，精密稱定，加入 20 mL 70% 乙醇，加熱回流提取 30，60，90，120，150 min，過濾并濃縮，低溫干燥，按擬訂方法測定提取物中黃酮含量。結果測得含量依次為 36.14%，41.25% ，39.38% ，39.20% ，41.96% ，考慮到周期問題，故初步確定最佳提取時間為60 min。

物料比：取薔薇紅景天藥材粉末1 g，精密稱定，分別按 1 ∶10，1 ∶20，1 ∶30，1 ∶40，1 ∶50，1 ∶60，1 ∶70 的物料比加入70%乙醇，加熱回流提取，將提取液過濾并濃縮，低溫干燥，取濾液按擬訂方法測定提取物中黃酮含量。結果測得含量依次為 35.36% ，36.68% ，36.86% ，43.82% ，42.49% ，41.95% ，40.54% ，故選擇物料比為1 ∶40。

提取次數：取薔薇紅景天藥材粉末1 g，精密稱定，用已篩選的提取溶劑濃度、提取時間、物料比分別提取1，2，3次，將提取液過濾濃縮，低溫干燥，按擬訂方法測定提取物中的黃酮含量。結果測得含量依次為 39.16%，42.85%，39.66%，故初步確定提取次數為2次。

2.2.2 響應面法優化試驗設計

試驗設計：根據單因素試驗結果，固定提取次數2次，選取乙醇體積分數（因素A）、提取時間（因素B）和物料比（因素C）為自變量，以薔薇紅景天提取物總黃酮含量（Y）為響應值，利用 Design-Expert 8.06 軟件中的Box-Behnken進行響應面中心組合設計，優化提取工藝。試驗因素與水平見表2，響應面設計方案見表3。

方差分析：試驗結果見表3。數據采用 Design-Expert 8.06軟件進行多元模擬擬合分析，得到以薔薇紅景天提取物中黃酮含量為目標函數的二次回歸方程Y＝53.47+2.05A+1.96B+0.73C+2.09AB-2.19AC+1.39 BC-4.45 A2-4.36 B2-1.78 C2。回歸方程方差分析見表 4。可見，響應面模型 F值為 7.02，P＜0.01回歸模型極顯著，失擬項為 0.689 5，P＞0.05表示不顯著，表明此模型以實際情況擬合很好。R2＝0.900 2，Radj2＝0.771 9，Rp2＝0.438 4，表明預測值與實測值間具有高度相關性，模型方程能很好地反映真實的試驗值。由表3可見，該模型中一次項A和B對該模型的影響顯著（P ＜0.05）；二次項中，A2和 B2對模型的影響極顯著（P ＜0.01）；交互項 AB，AC、BC 無顯著性。表明乙醇體積分數與提取時間對薔薇紅景天總黃酮提取物含量的影響顯著，但各因素間無影響。由響應面結果得到各因素對總黃酮提取物含量的影響大小依次為因素A＞因素B＞因素C，即乙醇體積分數＞提取時間＞物料比。

表2 響應面法優化提取工藝試驗因素與水平

表3 響應面法優化提取工藝試驗設計與結果

表4 響應面法優化提取工藝試驗方差分析結果

圖1 乙醇體積分數與提取時間對提取物中總黃酮含量的響應曲面及等高線圖

圖2 乙醇體積分數與物料比對提取物中總黃酮含量的響應曲面及等高線圖

圖3 提取時間與物料比對提取物中總黃酮含量的響應曲面及等高線圖

響應面分析：圖1至圖3可直觀反映兩變量交互作用的顯著程度，圓形表示兩因素交互作用不顯著，橢圓形表示兩因素交互作用顯著。由圖1可見，A，B，C 3因素交互作用顯著。隨著乙醇體積分數的增加，提取物中黃酮含量隨之增加，隨后黃酮含量有下降趨勢，當乙醇體積分數為70%和提取時間為60 min時，其值最大。響應面的坡度較陡，等高線為橢圓形，表明乙醇體積分數與提取時間交互作用較強，對提取物中黃酮含量的影響較大；乙醇體積分數的曲面相對于提取時間較陡，表明乙醇體積分數對提取物中黃酮含量的影響比提取時間大（因素A＞因素B）；當乙醇體積分數增加到一定程度后，其增加趨勢不太明顯，其中物料比的變化對提取物中黃酮含量的影響對于其他因素最小。可見，對黃酮含量的影響顯著程度為因素A＞因素B＞因素C，與方差分析結果一致。

2.2.3 最佳條件預測及驗證試驗

通過Design-Expert 8.06軟件進行數據分析得到最佳提取工藝為：溶劑體積分數69.89%，提取時間58.08 min，料液比 1∶40，提取物中總黃酮含量的理論值為56.15%。根據實際情況確定最佳提取工藝條件為70%乙醇、提取 60 min、物料比(1∶40)。在此條件下，取3份藥材，精密稱定，進行驗證試驗，測定薔薇紅景天提取物中黃酮的含量。結果3批樣品中總黃酮含量分別為56.38% ，57.70% ，56.82% ，平均含量為 56.97% ， RSD為1.18%，表明優化提取工藝穩定、可控。

2.3 純化工藝篩選

2.3.1 樹脂型號篩選

預處理與再生：將大孔樹脂用無水乙醇充分浸泡24 h，用蒸餾水淋洗至流出液與水（1∶5）混合無渾濁為止，再用5%鹽酸浸泡4～6 h，用水洗至中性，最后用5%氫氧化鈉溶液浸泡4～6 h，用水洗至中性，備用[6]。

靜態吸附與靜態解吸考察：取預處理好的6種大孔吸附樹脂各1 g，精密稱定，置50 mL具塞三角瓶中，加入總黃酮粗提物制備的溶液20 mL（總黃酮質量濃度為5.230 8 mg ／mL），密閉，室溫回旋振蕩吸附（每分鐘 120次）24 h，充分吸附后，過濾，吸取濾液按含量測定方法測定總黃酮的含量，計算不同大孔樹脂的吸附量和吸附率；將吸附飽和的樹脂晾干后，加入20 mL 70%乙醇，回旋振蕩（每分鐘120次）24 h解吸附，過濾，吸取濾液按含量測定方法測定總黃酮的含量，計算不同樹脂的解吸附量和解吸附率。

2.3.2 大孔吸附樹脂類型確定

根據靜態吸附、解吸的考察，計算6種樹脂的吸附量、吸附率、解吸量與解吸率，詳見表5。可見，HPD600型樹脂對薔薇紅景天總黃酮的指標均較其余5種好，故確定用HPD600型大孔吸附樹脂為理想樹脂。

表5 6種樹脂的性質、吸附量、吸附率及解吸率

2.4 純化工藝優化

2.4.1 單因素考察

總黃酮上樣液質量濃度：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。用蒸餾水沖洗樹脂除去水溶性雜質，確保樹脂被沖洗干凈且無氣泡，取6.071 2 mg／mL的總黃酮粗提液，加水稀釋至0.514 0，1.032 1，1.517 8，2.003 5，2.489 2，3.035 6，3.521 3 mg／mL，按2 BV個表現體積(1 BV為 1個樹脂床體積)，以1 mL／min的流速上樣，收集流出液，在最大波長處測定吸光度，計算樹脂吸附量和吸附率。當質量濃度為 2.003 5 mg／mL時吸附率最高，可達86.14%，故上樣質量濃度選擇 2.003 5 mg／mL 。

進樣流速：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。將質量濃度為2.003 5 mg／mL、體積為2 BV 的總黃酮粗提液，以 0.5，1.0，1.5，2.0，3.0 mL ／min流速進行進樣，收集流出液，在最大波長處測定吸光度，計算樹脂吸附量和吸附率。初步確定進樣流速為1.5 mL ／min 。

樣品溶液體積：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。將質量濃度為2.003 5 mg／mL的總黃酮粗提液，選擇不同體積（1，2，3，4，5，6 VB），以最佳流速1.5 mL／min進樣，收集流出液，在最大波長處測定吸光度，計算樹脂吸附量和吸附率。當上樣體積為2 BV時，吸附率最高。故選擇2 BV為進樣體積。

上樣液pH：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。取6份質量濃度為2.003 5 mg／mL的紅景天總黃酮粗提液15 mL，分別調節其pH為3，4，5，6，7，8，以 2 BV 柱床體積，1.5 mL ／min 的流速進樣，收集流出液，在最大波長處測定吸光度，計算樹脂吸附量。結果選擇pH＝4為上樣pH。

洗脫液體積分數：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。將質量濃度為2.003 5 mg／mL、體積為2 BV的總黃酮粗提液以最佳流速1.5 mL／min進樣，進行樹脂吸附，先水洗之無色（棄去水洗部分），再分別用50%，60%，70%，80%，90%，100%乙醇以1.5 BV的柱床體積，1 mL／min的流速進行洗脫，收集洗脫液，在最大波長處測定吸光度，計算樹脂解附量和解吸率。當乙醇體積分數增加到90%時，洗脫率最高可達62.2%。故選用90%乙醇進行洗脫。

洗脫液體積：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。將質量濃度為2.003 5 mg／mL的總黃酮粗提液、以2 BV柱床體積、1.5 mL／min的流速進樣，進行樹脂吸附，再用 90% 乙醇以 1，1.5，2，2.5，3，3.5 BV的柱床體積、1 mL／min的流速進行洗脫，收集洗脫液，在最大波長處測定吸光度，計算樹脂解吸量和解吸率。當洗脫液用量達2BV時，洗脫率最高可達61.73%，解吸效果最好。故洗脫液的洗脫用量選擇2 BV。

洗脫速度：將經過預處理的5 g HPD600型大孔樹脂進行濕法裝柱。將質量濃度為2.0035 mg／mL的總黃酮粗提液，以 2 BV柱床體積、1.5 mL／min流速進樣，進行樹脂吸附，再分別用 2 BV柱床體積的90%乙醇溶液，以 1，2，3，4 mL ／min 的流速進行洗脫，收集洗脫液，依法測定吸光度，計算樹脂解吸量和解吸率。洗脫流速為2 mL／min時洗脫效果最好，洗脫率可達63.87%。故洗脫流速選擇2 mL／min。

2.4.2 響應面法優化試驗設計

試驗設計：在單因素試驗結果的基礎上，利用Design-Expert 8.0.6 軟件，以上樣液質量濃度（因素A）、洗脫液體積分數（因素B）、洗脫液體積（因素C）為自變量，以純度為響應指標，進行響應面分析。結果見表6和表7。

表6 響應面法優化純化工藝試驗因素與水平

表7 響應面法優化純化工藝試驗設計與結果

方差分析：通過軟件對表7的試驗數據進行回歸擬合分析，得到純度（Y）與各水平間的二次多項式方程Y＝81.14+2.65 A+4.08 B+0.37 C+2.16 AB-1.95 AC-0.30 BC-11.00 A2-6.90 B2-15.04 C2。為解釋回歸方程的有效性和各因素對純度的影響程度，對回歸方程進行方差分析，結果見表8。可見，該回歸模型是極顯著的（P ＜ 0.01）。回歸模型的決定系數(R2)＝0.972 4，校正決定系數(Radj2)＝0.936 9，Rp2＝0.640 5。失擬項（P ＝0.640 5＞0.05）不顯著，表明該回歸模型與試驗數據擬合程度高，誤差小。故可用該模型分析紅景天總黃酮的提純效果。由表7可見，該模型中一次項因素A、因素B對該模型的影響顯著（P＜0.05），其中因素 B為極顯著。二次項中 A2，B2，C2對模型的影響極顯著（P ＜0.01）；交互項AB，AC，BC無顯著性。表明上樣液質量濃度、洗脫液體積分數及洗脫液體積對薔薇紅景天總黃酮純度的影響顯著，但各因素間無影響。由響應面分析結果得各因素對總黃酮純度的影響大小依次為因素B＞因素A＞因素C，即洗脫液體積分數＞上樣液質量濃度＞洗脫液體積。

表8 優化純化工藝回歸方程分析結果

響應面分析：由圖4至圖6可見，隨上樣液質量濃度和洗脫液體積分數的增加，總黃酮純度先增加后減少，當洗脫液體積為90%、上樣液質量濃度為2.003 5 mg／mL時，達到最大值；響應面的坡度較陡，等高線為橢圓形，表明上樣液質量濃度與洗脫液體積分數交互作用較強，對總黃酮純度的影響較大；總黃酮純度隨著上樣液質量濃度和洗脫液濃度的增加先增加后減少，當上樣液質量濃度為2.003 5 mg／mL、洗脫液體積為2 BV時，總黃酮純度達到響應值最高點；響應面的坡度較陡，等高線為圓形，表明上樣液質量濃度與洗脫液體積交互作用較弱，對總黃酮純度的影響較小；當洗脫液體積分數為90%、洗脫液體積為2 BV時總黃酮純度達到響應面最高點；響應面的坡度平緩，等高線為橢圓形，表明洗脫液體積分數與洗脫液體積交互作用較弱；故由響應面圖可見，洗脫液體積分數（因素B）對純度的影響最顯著，其次是上樣液質量濃度（因素A），影響較小的是洗脫液體積（因素C），與方差分析結果相符。

2.4.3 最佳條件預測及驗證試驗

通過Design-Expert 8.06軟件進行數據分析得到的最佳純化工藝為：上樣質量濃度1.92 mg／mL，洗脫液體積分數89.99%、洗脫液體積 2.16 BV，純度理論值為81.99%。考慮實際情況，最后確定紅景天總黃酮純化工藝條件為：洗脫液體積2 BV，上樣液質量濃度2.003 5 mg／mL，洗脫液體積分數 90%。在此工藝條件下，重復試驗3次進行驗證，結果3批次紅景天總黃酮純度分別為 82.18%，83.60%，82.72%，平均 82.83%，RSD為0.87（n＝3），表明利用此方法純化總黃酮有現實意義。

圖4 洗脫液體積分數與上樣液濃度對總黃酮純度影響的響應曲面及等高線

圖5 洗脫液體積與上樣液濃度對總黃酮純度影響的響應曲面及等高線

圖6 洗脫液體積與洗脫液體積分數對總黃酮純度影響的響應面及等高線

3 討論

響應面法具有檢測精確度高、可靠、試驗所需次數少、能反映因素和預測值之間關系等優點，因此近幾年來，其在中藥提取及純化中得到了廣泛應用[7-8]。

近20年來，吸附性大孔樹脂的快速發展使得其用途不斷擴大，主要應用于糖的精制、氣體吸附、藥理活性天然產物的分離和富集，以及其他生物制品的純化。使用大孔樹脂的吸附過程由于其獨特的吸附性能和其他優點而引起了關注[9]。

本試驗中用單因素試驗對影響薔薇紅景天總黃酮提取物含量的乙醇體積分數、提取時間、物料比等因素進行了篩選，發現其對薔薇紅景天總黃酮提取物含量具有顯著影響。在此基礎上，再利用Box-Behnken的中心組合設計原理，對薔薇紅景天總黃酮的提取工藝進行了優化，得最優提取工藝條件為：70%乙醇，提取60 min，物料比1∶40；在此條件下，薔薇紅景天總黃酮提取物中的平均含量為56.97%，與理論預測值相符。

建立一種高效的大孔樹脂吸附對紅景天提取物中總黃酮的分離純化方法。對6種大孔樹脂（NKA-9，AB-8，D101，HPD100，HPD500，HPD600）進行了比較和評價，HPD600型在所測試的樹脂中表現出最好的吸附容量和解吸率，故選擇HPD600型。通過單因素試驗控制不同變量，初步得出上樣液質量濃度、上樣液體積、洗脫液體積分數、洗脫液體積分數、pH、上樣流速、洗脫流速的適宜范圍，通過響應曲面法優化，最終得到最佳純化工藝為上樣液質量濃度2.003 5 mg／mL、洗脫液體積分數90%，洗脫液體積為2 BV；此條件下，純化后總黃酮平均純度為82.83%。通過響應曲面法優化紅景天總黃酮提取及純化工藝，建立可靠的二次回歸模型，對于紅景天總黃酮的提取、純化有一定的參考意義。