三七藥渣中多糖提取工藝優化及其動力學分析

摘要：以三七藥渣為原料，探討了超聲輔助提取三七藥渣中三七多糖的優化工藝，并對提取 過程進行動力學分析。在單因素實驗的基礎上，利用 BBD（Box-Behnken Design）響應面法優 化工藝條件，得到最優提取條件為：超聲溫度 60 ℃、超聲功率 136.8 W、超聲時間 53 min、 液固比 43 mL/g，此時多糖得率為 6.79%。通過測定不同超聲功率、不同超聲時間下提取液中 的多糖濃度，得到超聲輔助提取三七藥渣中三七多糖的提取速率常數、相對萃余率，驗證了所 推導的動力學模型，擬合得到了半衰期以及有效擴散系數回歸方程。

關鍵詞：三七藥渣；多糖；超聲輔助提取；BBD 響應面法；動力學分析

中圖分類號：R284.2

文獻標志碼：A

三七（Panax notoginseng），又被稱為田七、滇三 七、人參三七等 ，為五加科（Araliaceae）人參屬植 物[1] ，主產于我國云南、廣西等地[2] ，是臨床上一種非 常重要的中藥材，具有祛瘀止血、消腫止痛的功效[3]。 三七多糖作為三七的主要有效成分之一，對于三七 的臨床功效起著重要的作用。大量實驗表明，三七 多糖具有抗腫瘤[4]、神經保護[5]、抗衰老[6]、免疫調 節[7] 等藥理活性。

目前對于三七多糖的提取工藝包括熱水浸提[8]、 超聲波提取[9]、微波輔助提取[10]、內部沸騰法[11] 等， 主要以三七藥材中的皂苷為指標成分。以 2020 版藥 典[12] 為例 ，將三七主根或根莖粉碎成粗粉后 ，用 70%（體積分數，下同）乙醇對其進行提取，提取后的 藥渣中仍含有水溶性活性成分，如多糖、三七素、黃 酮和氨基酸等，仍有較大利用價值。近年來，對三七 藥渣的科學報道主要包括對其中多糖[13]、三七素[14] 的藥理活性的研究，以及將其作為發酵基質生產其 他物質[15]。多糖作為三七藥渣中的重要活性物質，其 主要成分包括葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖醛 酸等[16] ，有關其提取工藝的研究并不多見，主要以傳 統水煎煮法[17]為主，而該法耗時長、能耗高，且提取 效果不佳，針對三七提取過程的動力學研究也僅僅 局限于三七皂苷的提取[18]。

本文在單因素實驗的基礎上，通過 BBD（Box[1]Behnken Design）響應面設計優化超聲輔助提取三七 藥渣中多糖的工藝參數，并對其提取過程進行動力 學分析，為三七藥渣的重復利用提供理論依據。

1""" 實驗部分

1.1 原料和試劑

三七藥渣，昆明華潤圣火藥業有限公司；葡萄 糖、苯酚、濃硫酸，均為分析純，上海國藥集團化學試 劑有限公司。

1.2 測試與表征

SK5210HP 型功率可調臺式加熱系列（LCD）超 聲儀（上海科導超聲儀器有限公司）；UV1901PC 型紫 外-可見光分光光度計（上海奧析科學儀器有限公 司）；TDZ5-WS 型臺式低速離心機（湖南湘儀實驗室 儀器開發有限公司）；H1650-W 型臺式高速離心機（湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司）。

1.3 實驗步驟

1.3.1"" 三七藥渣中多糖的提取及含量測定 標準曲 線的繪制：參考豆欣欣等[19] 的實驗方法，并加以改 進。分別取 1 mL 不同濃度的葡萄糖溶液于 25 mL 比 色管中，加入 1 mL 質量分數為 6% 的苯酚溶液、5 mL 濃硫酸，搖勻，室溫下靜置 10 min，隨后轉移至 30 ℃ 的水浴鍋中反應 20 min，以超純水為參比，在最大吸 收波長 487.5 nm 下檢測溶液的吸光度。以標準品葡 萄糖的不同濃度為 x 軸，吸光值為 y 軸，得到標準曲 線 y=10.063 8x+0.0260，R 2=0.9991。

三七藥渣置于 50 ℃ 烘箱中干燥至恒重，粉碎 過 50～60 目（300～355 μm）篩，得到三七藥渣粉末。準 確稱取 2.0 g 三七藥渣粉末，加入一定量的超純水，在 一定功率和溫度下對三七藥渣進行超聲提取實驗， 提取結束后立即將提取液于 3800 r/min 條件下離心 10 min，將上清液轉移至容量瓶中，用超純水定容至 刻度，得到三七藥渣粗多糖待測液，采用苯酚-硫酸法 測定待測液吸光度并代入上述標準曲線方程，計算 提取液中的多糖質量濃度，按式（1）計算得率（Y）。 平行實驗 3 次，取平均值。

式中 ： n 為稀釋倍數 ； ρ 為稀釋后樣品質量濃度 ， mg/mL；V 為待測液體積，mL；m 為三七藥渣粉末質 量，mg。

1.3.2"" BBD 響應面實驗設計 在前期單因素實驗的 基礎上，確定超聲溫度（A）、超聲功率（B）、超聲時間 （C）以及液固比（D）為響應因子，以從三七藥渣中提 取三七多糖（以下簡稱三七藥渣多糖）的得率為響應 值 ， 借 助 Design" Expert 軟 件 進 行 4 因 素 3 水 平 BBD 響應面優化分析和設計實驗，優化超聲輔助提 取三七藥渣中多糖的工藝，因素水平表如表 1 所示。

1.3.3"" 超聲提取三七藥渣中多糖過程的動力學模型 中草藥的提取本質上是活性成分的質量傳遞過程， 可以借助傳質理論進行解釋，而整個提取過程主要 是擴散過程，因此可以基于 Fick 第二定律對三七藥 渣中多糖的提取動力學進行分析[20]。為便于后續研 究，現做以下 4 點假設：（1）粉碎并過篩后的三七藥渣 粉末為球狀顆粒且大小均勻；（2）多糖在三七藥渣顆 粒內部的擴散沿著徑向進行；（3）在整個提取過程 中，藥材顆粒內部的多糖分布均勻且擴散系數不隨 提取時間變化；（4）三七藥渣顆粒在溶劑中分布均勻 且與溶劑溫度保持一致[21]。

基于上述假設，設定三七藥渣顆粒半徑為 R，藥 材顆粒與溶劑的接觸面積為 S，提取過程中，任意 t 時 刻藥材顆粒內距表面 r 處的多糖質量濃度為 ，超 聲影響下的擴散系數為 Du，三七藥渣多糖分子本身 的擴散系數為 D0，某一時刻測得溶液中的多糖質量 濃度為 ρ，多糖初始質量濃度為 ρ0（即 t=0 時刻溶液中 的多糖質量濃度），平衡質量濃度為 ρ∞ [22]。

1.3.4"" 超聲提取三七藥渣中多糖過程的動力學 精 確稱取 0.1 g 三七藥渣粉末 12 份，根據響應面優化結 果，分別加入 4.3 mL 已加熱至預定溫度的超純水，超聲溫度為 60 ℃，分別在覆蓋超聲儀的全部功率范 圍 5 個功率 （ 72、 99、 126、 153、 180" W） 下對三七 藥渣進行超聲提取，每過 5 min 取出一管，將提取液 于 11000 r/min 條件下離心 3 min，用苯酚-硫酸法測 定其上清液中的多糖濃度，直至 60 min 提取完全為止。

2""" 結果與討論

2.1 響應面優化結果

2.1.1"" 響應面實驗結果與分析 依據單因素實驗結 果，進行 4 因素 3 水平 BBD 響應面優化實驗，按照 表 1 進行三七藥渣多糖的提取實驗，同一條件下每組 實驗平行進行 3 次，取平均值，結果如表 2 所示。

為了考察超聲對于多糖的強化提取作用，在相 同條件（無超聲輔助）下對于相同批次三七藥渣粉末 進行傳統熱水浸提，即：提取溫度 60 ℃、提取時間 53 min、液固比 43 mL/g，重復實驗 3 次，取平均值，得 到傳統水提法多糖得率為 4.33%，超聲輔助提取法相 比傳統熱水浸提法得率提高 55% 以上，表明超聲強 化作用顯著。

2.2 三七藥渣多糖的超聲提取動力學

2.2.1"" 不同功率下三七藥渣多糖超聲提取結果 不同超聲功率下三七藥渣多糖的提取實驗結果如表 5 所示，平衡質量濃度如表 6 所示。由于受到超聲的作 用，相較于多糖分子本身的擴散而言，渦流擴散才是 起到主要作用的因素，因此超聲功率對于整個提取 過程的影響都極為顯著。由表 5 和表 6 可知，三七藥 渣多糖的溶出速度隨超聲功率的增大而加快，達到 平衡質量濃度的時間也越來越短，意味著渦流擴散系 數隨超聲功率的增大而增大。當超聲功率低于 126 W 時，需要 45 min 才能夠達到平衡質量濃度；而當超聲 功率為 153 W 和 180 W時，達到平衡質量濃度的時間 分別為 40 min 和 30 min，但過高的超聲功率可能使 多糖發生分解[25-26] ，超聲功率為 180 W 時的平衡濃度 反而有所降低。

2.2.2"" 速率常數的求解 利用表 5 和表 6 的實驗結 果，令y=ln[p ../ （Pws-P]. 對 y 和提取時間（t）進行線 性回歸，根據式（9）可以計算得出不同超聲功率下的 速率常數 k，結果見圖 1 和表 7。

由表 7 的線性回歸擬合結果可知，不同超聲功 率條件下擬合得到的線性回歸方程相關系數 R 2 均 在 0.9600 以上，說明擬合結果良好。隨著超聲功率 的增加，速率常數 k 也增大，表明超聲功率的加強有 利于三七藥渣多糖更快溶出。

2.2.3"" 相對萃余率的求解 三七藥渣粉末在提取前 未經浸泡，初始質量濃度 ρ0=0，所以可令相對萃余率 y'=（ρ∞?ρ）/ρ∞，式（9）便轉化為 y'=（6/π2 ）e?kt，利用表 4 和 表 5 的實驗結果，以提取時間為橫坐標、相對萃余率y'為縱坐標作圖并擬合方程 ，結果見圖 2 和表 8。

表 8 所示為不同超聲功率下相對萃余率 y'和提 取時間 t 的擬合結果，所得指數方程相關系數 R 2 均 在 0.9800 以上，表明擬合結果良好，符合指數模型。由 圖 2 可知，隨著超聲時間的延長，三七藥渣多糖相對 萃余率不斷趨近于 0，最后趨于平緩，表明提取過程 不斷趨于平衡，沒有必要再延長超聲時間。

與 2.2.2 節求得的速率常數相比，雖然采用不同 的方程進行擬合，但二者所求得的 k 值基本一致，且 都隨著超聲功率的增大而增大，表明兩種擬合方式 可以相互印證。 t1/2 = 15.616 2e?0.004 8Pu

2.2.4"" 半衰期的求解 半衰期 t1/2=（ln2）/k 表示提取一 半三七藥渣多糖所消耗的時間，以超聲功率（Pu）為橫 坐標、半衰期 t1/2 為縱坐標作圖，并用指數方程進行 擬合 ，得到回歸方程為 ： ，R 2= 0.9338。結果見圖 3。

由圖 3 可知，隨著超聲功率的增加，半衰期不斷 減小，即提取一半三七藥渣多糖所消耗的時間不斷 縮短，表明超聲功率越大，提取效率越高，提取速度 越快。

2.2.5"" 有效擴散系數的求解 根據 2.2.2 節求得的速 率常數可以計算出三七藥渣多糖提取過程中的有效 擴散系數。由式（9）可知，Du=kR2 /π2 ，由于預處理為 過 50～60 目（300～355 μm）篩，因此 R=0.355 mm。以 超聲功率為橫坐標、Du 為縱坐標作圖，并用指數方程 進行擬合 ，得到回歸方程為 ：Du = 5.009 8e0.005 8Pu 10?4 ，R 2=0.9323（如圖 4）。

由圖 4 可以看出，隨著超聲功率的升高，Du 不斷 增大，這可能是由于超聲功率的增大提升了三七藥 渣多糖的分子運動頻率，從而引起有效擴散系數的增大。

3""" 結 論

（1）以三七藥渣為原料，采用超聲法對藥渣中多 糖進行輔助提取 ，在單因素實驗的基礎上 ，利用 BBD 響應面法優化提取的工藝條件為：超聲溫度 60 ℃、超聲功率 136.8 W、超聲時間 53 min、液固比 43 mL/g，多糖得率的預測值為 6.88%，實際得率為 6.79%，相對標準偏差為 1.31%，較相同條件下傳統熱 水浸提法的多糖得率提高了 55% 以上。

（2）建立了超聲輔助提取三七藥渣多糖的動力 學模型，通過測定不同超聲功率、不同超聲時間下提 取液中的多糖濃度，計算并擬合了提取速率常數、相 對萃余率，驗證了所推導的動力學模型。結果表明 速率常數 k 隨著超聲功率的增加而增大，超聲功率的 加強有利于三七藥渣多糖更快溶出。同時擬合得到了半衰期回歸方程1= l5.616 2e-L004 sP. 、有效擴散 系數回歸方程D.= 5.009 8eam58P

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