响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸

孔 涛，范杰平*，胡小芳，曹 婧，张 璐，童 声

(南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031)

响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸

孔 涛，范杰平*，胡小芳，曹 婧，张 璐，童 声

(南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031)

目的：优化超声辅助提取车前草中的熊果酸工艺。方法：在单因素试验基础上，采用响应面法，以熊果酸的提取率为响应值，通过回归分析各工艺参数与响应值之间的关系，并由此预测最佳的工艺条件。结果：超声提取的最佳条件为提取温度75℃、乙醇体积分数90%、功率480W、液固比5:1(mL/g)、提取时间25min，该条件下提取3次，熊果酸的提取率达到0.144%。结论：响应面法优化超声辅助提取车前草中熊果酸的预测准确、方便，所得的最佳提取工艺条件高效、可行。

响应面法；超声提取；车前草；熊果酸

车前草又名车前、车轮草、猪儿草、钱串草等，为车前科植物(Plantago asiaticaL.)或平车前(Plantago depressaWilld.)的干燥全草。车前草分布范围广，为传统草药，具有清热利尿、祛痰、凉血、解毒等功能，并且有止泻、护肝、降压、降压血清转氨酶、抗癌、抑菌和降低血清胆固醇的作用[1]。车前草中主要的有效成分有熊果酸、车前苷、桃叶珊瑚苷等。熊果酸(ursolic acid)又名乌苏酸、乌索酸，属三萜类化合物，在自然界分布比较广泛。参照有关文献，目前对熊果酸的药理作用研究比较多[2-7]，对熊果酸提取的研究也比较多[8-11]，但对从车前草中提取熊果酸的研究相对较少。本研究采用超声辅助提取车前草中的熊果酸，用响应面法系统优化其提取工艺。以期为车前草提取物及其制剂的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

车前草购自江西樟树天齐堂中药饮片有限公司，烘干、粉碎、过筛、脱脂，备用；熊果酸对照品(纯度≥98%) 浏阳艾特天然产物研究与开发有限公司。

甲醇(色谱纯)、石油醚(分析纯)、无水乙醇(分析纯)天津大茂化学试剂厂；高效液相色谱用水为二次水。

1.2 仪器与设备

1100高效液相色谱仪(配有四元泵及自动进样器、DAD检测器) 美国安捷伦公司；KQ-600D型数控超声清洗器(超声频率40kHz、超声最大功率600W、功率可调40%～100%、加热最大功率800W、温度可调10～80℃) 昆山市超声仪器有限公司；分析天平、电子天平 上海民桥精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 熊果酸的提取

将干燥的车前草粉碎后过筛，参照文献[12]，取20～40目的车前粉，用石油醚在55℃脱脂3次，干燥备用。精密称取一定量的车前粉，加入一定量的乙醇，称量，在一定的超声波功率下提取一定时间后，擦干外壁，再称量，用乙醇补充缺失的质量，离心。用注射器抽取一定量上清液，过0.45μm滤膜，进行检测。每个实验进行3次平行实验。取其平均值。结果以提取率(E)的来表示。

式中：C为熊果酸的质量浓度/(g/mL)；V为加入乙醇的体积/mL；m为车前草的质量/g。

1.3.2 标准曲线的绘制

精密称取熊果酸对照品9.8mg，加甲醇定容至10mL的容量瓶中，摇匀，配成质量浓度0.98mg/mL的对照品溶液，分别进样0.5、5、10、20、3 0μL，每个样重复3次，分别进行进样分析。记录峰面积，绘制标准曲线，得回归曲线Y=401.21x＋34.026，R2=0.9999，其中Y为熊果酸峰面积/(mAU·s)；x为进样量/μg。结果表明熊果酸在0.49～29.4μg范围内线性关系良好。

1.3.3 色谱条件

色谱柱：Eclipse XDB-C18柱(4.6mm×150mm，5μm)；柱温25℃；流动相：甲醇-水(0.1%的H3PO4)(90:10，V/V)[13]；流速1mL/min；检测波长λ=210nm。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 液固比对提取率的影响

在温度30℃、功率480W、乙醇体积分数80%、提取时间20min的条件下，考察液固比5:1～25:1(mL/g)对提取效果的影响，结果如图1所示。

图1 液固比对提取率的影响Fig.1 Effect of liquid/material ratio on extraction rate of ursolic acid

由图1可知，在实验范围内，熊果酸的提取率随着液固比的增大而减小，这与普通回流提取规律正好相反，这是由于在提取的过程中，车前草的质量固定，随着溶剂的增加，超声波的穿透能力下降，所以熊果酸提取率反而减少。为验证这一点，固定液固比，而车前草的质量和溶剂量都相应增加，实验结果如图2所示。

图2 相同液固比、不同车前粉对提取率的影响Fig.2 Effect ofPlantago asiaticaL. amount at a constant liquid/material ratio of 5:1 on extraction rate of ursolic acid

从图2可以看出，同一液固比的条件下，随着车前草质量的增加，溶剂量也相应增大，提取率反而下降，同样也说明了超声波的穿透能力与车前草和溶剂的量有很大关系，车前草和溶剂的量越大，穿透能力越差，故熊果酸提取率越低。为了方便取样，同时保证有较大的提取率，选择2g左右的车前草，采用5:1的液固比。

2.1.2 提取温度对提取率的影响

固定液固比5:1、超声功率480W、乙醇体积分数80%、提取时间20min，在30～70℃范围内考察温度对熊果酸提取率的影响，结果如图3所示。

图3 提取温度对提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of ursolic acid

从图3可以看出，车前草中熊果酸的提取率与提取温度呈正相关，在70℃时，熊果酸的提取率最大，考虑到超声仪器实际的承受能力，选择70℃为最佳提取温度。

2.1.3 提取时间对提取率的影响

固定液固比5:1、提取温度70℃、提取功率480W、乙醇体积分数80%，在10～30min范围内考察提取时间对熊果酸提取率的影响，实验结果如图4所示。

图4 提取时间对提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of ursolic acid

由图4可以看出，在超声波的作用下，熊果酸的提取率随时间变长而逐渐增加，在25min达到最大值，随后减小。这可能是由于提取时间过长，一些糖类和蛋白质等杂质慢慢溶出，使得溶液黏度增大，熊果酸被吸附在固体基质上而不易被提取出来。因此应选择25min作为最佳的提取时间。

2.1.4 乙醇体积分数对提取率的影响

固定液固比5:1、提取温度70℃、提取功率480W、提取时间25min，考察乙醇体积分数(60%～100%)对提取率的影响，结果如图5所示。

图5 乙醇体积分数对提取率的影响Fig.5 Effect of ethanol concentration on extraction rate of ursolic acid

由图5可知，熊果酸的在乙醇体积分数90%左右提取率最高。车前草中有很多极性不同的化合物，它们最适合的溶剂极性各不相同[14]。因此，熊果酸的提取率会随着乙醇体积分数的增加先增大后减小。

2.1.5 超声功率对提取率的影响

固定液固比5:1、提取温度70℃、乙醇体积分数90%、提取时间25min，在360～600W范围内考察超声功率对提取率的影响，结果如图6所示。

图6 超声功率对提取率的影响Fig.6 Effect of ultrasound power on extraction rate of ursolic acid

从图6可以看出，随着功率的增大，熊果酸的提取率逐渐增大，当超过480W后，其增大不是很明显，因而选择480W为最佳超声提取功率。

2.2 响应面法优化车前粉中熊果酸的提取工艺

2.2.1 响应面试验设计及结果

为优化超声辅助提取车前草中熊果酸的工艺条件[15]，采用经典的三因素三水平Box-Behnken试验设计，在单因素试验基础上，精密称取2g左右的车前粉于具塞塑料管中，选取提取温度(A)、乙醇体积分数(B)、超声功率(C)对车前粉中熊果酸的提取工艺进行优化。具体方案及结果见表1、2。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

表2 响应面试验方案及结果Table 2 Scheme and experimental results of response surface design

2.2.2 模型评价

利用Design-Expert软件对表2试验数据进行二次多项式逐步回归拟合，得到的数学模型为：

Y=0.1＋0.018A－0.001267B＋0.003356C－0.005548AB＋0.001097AC－0.001221CD－0.015A2－0.008588B2－0.008176C2

模型方差分析结果和各项系数显著性检验结果列于表3。

表3 回归模型各项方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

从表3可以看出，模型的F=19.08、P=0.0004＜0.05，说明本实验所采用的二次模型是很显著的。PA、PA2、PB2、PC2均小于0.05，说明提取温度以及3个因素的二次项都具有显著影响；而交互项、乙醇体积分数、提取功率及缺失项显著性较差，也说明三者的交互作用不大。决定因素R2=0.9608，也说明模型能够很好的反应响应值的变化，拟合度好。各因素的效应关系为提取温度＞超声功率＞乙醇体积分数。

2.2.3 响应面分析

图7 各两因素的响应面和等高线图Fig.7 Response surface and contour plots showing the pairwise interactive effects of three factors on extraction rate of ursolic acid

由图7可以看出，当提取功率和乙醇体积分数都固定时，提取率随提取温度的变化幅度较大，而提取率随着乙醇体积分数以及提取功率变化幅度较小，所以，提取温度对提取率的影响较为显著。通过最优化分析，最佳的提取条件为提取温度76.51℃、乙醇体积分数86.96%、提取功率496.32W、提取时间25min、液固比5:1，预测提取率为0.110%。但考虑到实际操作的局限性，将车前草的提取工艺修正为提取温度75℃、乙醇体积分数90%、提取功率480W、提取时间25min、液固比5:1。在此条件下，熊果酸的提取率为0.097%，与预测值基本相符，证实了该方程的准确性和实用性。提取3次，熊果酸的提取率见表4。

表4 最佳工艺条件及其验证Table 4 Results of validation experiments under optimized extraction conditions

经过3次提取，熊果酸的总的提取率达到0.144%。

3 结 论

3.1 采用单因素试验及响应面法对超声波辅助提取车前草中熊果酸的工艺条件进行优化，通过回归分析建立相关性良好的方程，得到的最佳的提取工艺为提取温度75℃、液固比5:1、乙醇体积分数90%、提取时间25min、超声功率480W，实验值与预测值相符，证实该方程的准确性和实用性。在此条件下，提取3次，熊果酸的提取率为0.144%。

3.2 与传统的提取工艺不同的是，在一定液固比范围内，熊果酸的提取率随着液固比的增大而减小，并且在同一液固比的条件下，随着车前草和溶剂量的增大，提取率也呈下降的趋势，这说明超声波的穿透力与溶剂量呈负相关。

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Optimizzation of Ultrasound-assisted Extraction of Ursolic Acid fromPlantago asiaticaL. by Response Surface Methodology

KONG Tao，FAN Jie-ping*，HU Xiao-fang，CAO Jing，ZHANG Lu，TONG Sheng
(School of Environmental and Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Objective: To optimize the ultrasound-assisted extraction of ursolic acid fromPlantago asiaticaL.. Methods: On the basis of single-factor experiments, response surface methodology (RSM) was used to explore the optimal conditions for extracting ursolic acid fromPlantago asiaticaL. following regression analysis of the relationship between extraction parameters and extraction rate of ursolic acid. Results: The optimal extraction conditions were extraction temperature of 75 ℃, ethanol concentration of 90%, ultrasound power of 480 W, liquid/material ratio of 5:1, and extraction time of 25 min. Under the optimal extraction conditions,the extraction rate of ursolic acid was 0.144%. Conclusion: The optimal extraction conditions are reasonable and effective.

response surface methodology (RSM)；ultrasound-assisted extraction；Plantago asiaticaL.；ursolic acid

TS201.1

A

1002-6630(2011)06-0080-05

2010-06-05

江西省研究生创新专项(YC09B012)

孔涛(1984—)，男，硕士研究生，研究方向为天然药物分离。E-mail：b0421kongtao@163.com

*通信作者：范杰平(1974—)，男，副教授，博士，研究方向为化工分离和精细化工。E-mail：jasperfan@163.com