產學研背景下藥學專業探究性實驗的教學設計
——以多指標正交試驗優化甘草酸提取工藝為例

孔繼川，王海洋，王 鑫，王繼杰，張 輝，周景春

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.北京本草方源藥業集團有限公司，北京 102600）

產學研協同育人是我國現階段經濟發展背景下應用型人才培養的重要方式之一[1]。藥學作為實踐性學科，在藥學高等教育中如何培養動手能力強，專業素質高的藥學人才是藥學教學改革研究的重點課題，也是我國藥學人才培養的重要目標[2-3]。藥學實驗是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節。為適應藥學專業創新型應用人才培養目標需要，實驗教學中不但要培養學生的基本實驗操作技能和生產工藝常識，還應著重培養學生分析問題、解決問題及設計實驗的能力。目前藥學高等教育中藥學實驗課驗證性實驗較多，設計性與生產實踐結合的實驗極少，因此設計并增設與藥物生產相關的探究性實驗，鼓勵學生參與實驗的準備和方案設計，培養學生獨立研究解決問題的能力及對實驗數據的整理和分析能力，可提升學生綜合素養，實現藥學實踐教育產學研的融合。

中醫藥作為現代醫學重要組成部分在疫情防控，疾病治療領域發揮了重要作用，尤其是隨著分離提取技術發展和藥用作用機制的成功探索，中藥活性成分在諸多疾病治療中顯示出越來越突出的作用[4-5]。甘草酸是甘草中最主要的活性成分，具有抗炎、神經保護、抗菌、抗病毒、抗腫瘤和免疫調節等多種藥理特性，近年來還發現甘草酸對呼吸系統急危重癥有較好的應用前景，已被廣泛應用于醫藥、食品等領域[6-9]。本文以中藥甘草中甘草酸提取工藝為例，設計探究性實驗。

一、實驗的技術背景和設置思路

溶劑提取法是中草藥甘草傳統的提取工藝，包括熱回流法，索氏提取法及室溫提取法。熱回流法能很好地避免乙醇等低沸點提取溶媒的揮發損失，是目前藥企中藥提取主流方法；索氏提取法又稱為連續回流提取法，通過溶媒的蒸發冷凝回流和虹吸作用實現溶媒多次熱循環，使中藥活性成分被提取溶媒循環多次溶解萃取，該方法提取的效率高，節省提取溶媒，且雜質含量少，但此提取方法不適合藥廠大規模的中藥提取生產；室溫提取法更加簡單，但提取時間長，效率較低，雜質也較多，尤其是用水做提取溶媒時容易發霉變質，從而影響提取效率；微波輔助提取是近十年來興起的一種新的提取方法，雖然提取效率不錯，但是成本較高。因此，研究開發經濟、高效的甘草酸提取工藝具有重要的意義。本文以目前工業應用的溶劑熱回流提取方法為基礎，探索影響甘草酸提取效率的各種因素，尋找最佳提取工藝。

溶劑法提取工藝中影響甘草酸提取的因素有甘草酸粒徑的大小、提取溫度、提取時間、提取次數、提取溶媒、固液比和pH 等。甘草酸分子內含有2 分子的糖醛酸，難水解，幾乎不溶于無水乙醇，易溶于稀熱乙醇、水或稀氨水，加酸沉淀析出。依據甘草酸性質，在甘草酸提取過程中提取溶媒是影響甘草酸提取效率的重要因素，因此實驗主要以溶劑法為基礎，探究以水提法、氨醇法和稀氨水法提取甘草酸效率的差異，重點考察提取溫度、固液比、時間和溶媒組成等實驗室易操控的因素。目前常用的工藝優化策略有單因素和多因素正交試驗[10]，其中單因素法操作簡便，但沒有考慮各因素之間的協同影響，所以優化工藝效果有限，而正交試驗考慮到各因素的協同影響，更有利于最佳工藝的確定，同時考慮到實驗學時限制和學生平時實驗中對正交試驗接觸較少，從學生創新和操作能力培養考慮，實驗采用正交試驗法優化提取工藝各種影響因素，探討甘草酸的最佳提取工藝，在訓練學生分析問題、解決問題能力的同時，以期為甘草酸的工業化生產提供理論支撐。由甘草酸結構式（圖1）可以分析出甘草酸對光產生紫外吸收，由此甘草酸含量測定方法可用高效液相色譜法和紫外分光光度法，高效液相色譜法測試結果準確度高但操作較為煩瑣，耗時長，而紫外分光光度法操作簡便，作為定量測試手段在藥學專業實驗中最為常用，在有限的實驗學時內也便于操作，因此本實驗采用紫外分光光度法對甘草酸進行定量。

圖1 甘草酸結構

二、實驗的具體內容

（一）實驗目的

通過探究性實驗打破學生課程實驗中驗證性實驗的固有模式，拓展學生對中藥提取工藝的認識，熟悉依據提取物的性質和結構確定提取工藝重要參數并建立定量鑒別的方法，掌握影響提取工藝因素的優化方法，熟悉掌握提取實驗所用儀器的操作方法，了解實驗方案設計的基本思路和基本方法，培養學生科研思維和技能，掌握研究數據處理方法，依據工業生產需求得出切合實際的結論，培養學生實事求是的科研品質。

（二）實驗的設計

1.甘草酸的提取工藝

（1）水提法：取甘草切片100 g，以藥材5 倍量的水為溶媒在80 ℃下連續提取4 h，過濾，濾液濃縮，蒸發、干燥，得到甘草酸粗提品，稱重并計算甘草酸粗提品的得率。

（2）氨醇法：取甘草切片100 g，以藥材5 倍的20%的乙醇和5%的稀氨水混合溶劑為溶媒在80 ℃下連續提取4 h，過濾，濾液濃縮至200 mL 左右，調節pH 至2.5 左右，沉淀靜置后抽濾，沉淀干燥后得甘草酸粗提品，稱重并計算甘草酸的得率。

（3）稀氨水法：取甘草切片100 g，以藥材5 倍的5%的稀氨水為溶媒在80 ℃下連續提取4 h，過濾，取濾液濃縮至200 mL 左右，調節pH 至2.5 左右，沉淀靜置后抽濾，沉淀干燥后得甘草酸粗提品，稱重并計算甘草酸的得率。

2.甘草酸含量測定

（1）甘草酸對照品標準曲線的繪制：精密稱量甘草酸標準品10 mg，用70%的乙醇溶解并定容到100 mL作為儲備液，分別移取1、2、3、4、5、6 mL 儲備液用70%的乙醇稀釋定容到10 mL 的容量瓶中，在250.2 nm 下分別測定其吸光度值，以甘草酸標準品的質量濃度（g/mL）為橫坐標，以吸光度A 為縱坐標作圖，通過線性擬合得到線性回歸方程。

（2）甘草酸供試品溶液的制備和含量測定：取甘草酸粗提品0.100 0 g，用70%乙醇溶解并定容到100 mL，用70%的乙醇稀釋100 倍，在相同條件下測定250.2 nm下其吸光度值，利用回歸方程計算供試品甘草酸含量。

3.正交試驗考察因素及實驗設計

影響甘草酸提取的因素很多，依據甘草酸結構性質并考慮實驗學時和操作可行性，參考已報導文獻資料，本實驗的試驗采用3 水平4 因素探討甘草酸最佳的提取工藝，見表1 和表2，試驗以甘草酸含量及粗提品綜合得率為考察指標，對甘草酸溶劑提取工藝進行優化。根據正交試驗的實驗條件提取并測試正交試驗的結果。

表1 甘草酸提取工藝的因素水平

表2 正交試驗條件

三、實驗過程

（一）實驗前準備

本階段主要是根據藥學本科專業四年級學生所學專業基礎知識和藥企見習了解的藥物提取及質量監控相關知識，要求學生查閱相關文獻和資料完成以下準備工作。

（1）了解甘草酸結構性質，中藥提取工藝流程所涉及的各種參數，學習甘草酸提取工藝參數選擇與優化方法，初步設定工藝優化參數。

（2）了解中藥工藝提取質量監控方法，熟悉甘草酸質量測定方法，掌握相關儀器設備，比如紫外分光光度計、超聲波清洗機和加熱回流裝置的操作方法。

（3）根據實驗目標，學生成立實驗小組討論確定甘草酸提取工藝參數，制定工藝優化策略，設計出實驗具體步驟。

（二）實驗安排

本實驗設置在藥學專業四年級本科生第七學期醫藥企業見習周開設，在醫藥企業見習周先安排兩天的醫藥企業見習內容，然后根據文獻調研和藥企見習相關中藥提取工藝所涉及的問題開設本次實驗，總學時30 學時，具體安排如下：理論講解2 學時；甘草酸含量測定方法建立2 學時；正交法優化甘草酸提取工藝20 學時；數據處理，繪圖與科技論文寫作6 學時。實驗完成后要求學生制作PPT 對實驗過程和實驗結果進行總結、匯報、交流和討論。

（三）課上實驗操作

（1）按照設計的實驗步驟，依據儀器分析和藥物分析實驗藥品定量測定操作要求，準確配置甘草酸對照品標準溶液，并利用紫外分光光度計在設定波長下測定標準溶液的吸光度值，利用數據處理軟件Excel 或origin作圖并進行線性擬合，得到甘草酸的含量測定線性回歸方程。

（2）按照設計的實驗步驟，設定正交試驗優化方案，分別按照溶媒的不同分為醇提法、氨醇提取和稀氨水法三種工藝進行正交試驗實驗設計，具體方案見表3，按照實驗步驟，測定不同方案下甘草酸粗提品綜合得率和甘草酸的含量。

表3 正交試驗設計

四、課后探究分析

本階段主要是針對實驗得出的實驗結果進行分析，總結數據規律，對實驗中出現的問題及可能對實驗造成影響的因素進行分析和探討，側重于學生面向藥廠生產實際問題的分析和探討，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。

（1）根據正交試驗結果，得出最佳提取工藝。正交試驗結果表明（見表4）：水提法中，溫度越高，所得粗提品綜合得率越高，說明溫度升高可以獲得高的甘草酸及其同系物的提取率，但是甘草酸在長時間高溫下可能分解，在粗品中百分含量較低，所以提取過程中在保證粗品提取效率的條件下應該控制較高溫度，提取溫度為90 ℃時較佳。在氨醇提取法中，氨水用量和提取時間均會影響提取效率，其中水∶乙醇∶氨水應為79.3%∶20%∶0.7%，提取溫度為80 ℃，時間為8 h，提取效率最高為46.70%。在稀氨水法中，氨水用量越大即便是在較短提取時間內也能獲得較高的甘草酸提取效率，這可歸結為甘草酸與氨水成鹽，增加甘草酸溶解度，提高了提取效率，但從料液比比較來看，氨醇提取法料液比相對稀氨水法要小，但獲得提取效率較高，綜上所述，氨醇提取法提取甘草酸的效率最優，藥企生產中可以重點優化氨醇比例獲得最佳提取效率。

表4 正交試驗結果

（2）按照科技論文格式撰寫實驗報告，包括分析實驗數據并得出結論，總結實驗設計心得與操作事項。

五、結束語

中藥中含有多種活性成分并已廣泛用于各種疾病治療，其有效成分的提取對研究中藥藥理作用機制具有重要意義。以培養學生的創新和實踐能力為目的，設計了探究性藥學專業實驗——多指標正交試驗優化甘草酸提取工藝。實驗設計過程需要學生借助分析化學、儀器分析、藥物分析、天然藥物化學、文獻檢索與寫作和實驗設計與數據處理等多門專業課程的理論知識和企業見習知識建立甘草酸提取方法和工藝，實現專業知識的交叉融合及理論與生產實踐的結合，達到產教融合，堅定學生對專業課程學習的信念。甘草酸提取工藝的優化以甘草酸物質結構和性質為基礎來確定影響提取效率的工藝參數，正交試驗工藝優化策略依據文獻調研，由于是探究性實驗，實驗結果的不確定性和差異性提升了實驗挑戰度，有效提高學生的興趣和參與度，鍛煉學生科研素養，實現了科教融合。實驗前文獻調研和教師的講解相結合，開闊學生的眼界，鍛煉學生查閱、整理資料及設計實驗的能力。實驗過程中表征設備使用、數據處理分析及繪圖等可以提高學生的綜合素養，為日后從事科研或走向專業技術崗位奠定堅實的基礎。