产学研背景下药学专业探究性实验的教学设计——以多指标正交试验优化甘草酸提取工艺为例

孔继川，王海洋，王 鑫，王继杰，张 辉，周景春

（1.河南理工大学，河南 焦作 454000；2.北京本草方源药业集团有限公司，北京 102600）

产学研协同育人是我国现阶段经济发展背景下应用型人才培养的重要方式之一[1]。药学作为实践性学科，在药学高等教育中如何培养动手能力强，专业素质高的药学人才是药学教学改革研究的重点课题，也是我国药学人才培养的重要目标[2-3]。药学实验是培养学生实践能力和创新能力的重要环节。为适应药学专业创新型应用人才培养目标需要，实验教学中不但要培养学生的基本实验操作技能和生产工艺常识，还应着重培养学生分析问题、解决问题及设计实验的能力。目前药学高等教育中药学实验课验证性实验较多，设计性与生产实践结合的实验极少，因此设计并增设与药物生产相关的探究性实验，鼓励学生参与实验的准备和方案设计，培养学生独立研究解决问题的能力及对实验数据的整理和分析能力，可提升学生综合素养，实现药学实践教育产学研的融合。

中医药作为现代医学重要组成部分在疫情防控，疾病治疗领域发挥了重要作用，尤其是随着分离提取技术发展和药用作用机制的成功探索，中药活性成分在诸多疾病治疗中显示出越来越突出的作用[4-5]。甘草酸是甘草中最主要的活性成分，具有抗炎、神经保护、抗菌、抗病毒、抗肿瘤和免疫调节等多种药理特性，近年来还发现甘草酸对呼吸系统急危重症有较好的应用前景，已被广泛应用于医药、食品等领域[6-9]。本文以中药甘草中甘草酸提取工艺为例，设计探究性实验。

一、实验的技术背景和设置思路

溶剂提取法是中草药甘草传统的提取工艺，包括热回流法，索氏提取法及室温提取法。热回流法能很好地避免乙醇等低沸点提取溶媒的挥发损失，是目前药企中药提取主流方法；索氏提取法又称为连续回流提取法，通过溶媒的蒸发冷凝回流和虹吸作用实现溶媒多次热循环，使中药活性成分被提取溶媒循环多次溶解萃取，该方法提取的效率高，节省提取溶媒，且杂质含量少，但此提取方法不适合药厂大规模的中药提取生产；室温提取法更加简单，但提取时间长，效率较低，杂质也较多，尤其是用水做提取溶媒时容易发霉变质，从而影响提取效率；微波辅助提取是近十年来兴起的一种新的提取方法，虽然提取效率不错，但是成本较高。因此，研究开发经济、高效的甘草酸提取工艺具有重要的意义。本文以目前工业应用的溶剂热回流提取方法为基础，探索影响甘草酸提取效率的各种因素，寻找最佳提取工艺。

溶剂法提取工艺中影响甘草酸提取的因素有甘草酸粒径的大小、提取温度、提取时间、提取次数、提取溶媒、固液比和pH 等。甘草酸分子内含有2 分子的糖醛酸，难水解，几乎不溶于无水乙醇，易溶于稀热乙醇、水或稀氨水，加酸沉淀析出。依据甘草酸性质，在甘草酸提取过程中提取溶媒是影响甘草酸提取效率的重要因素，因此实验主要以溶剂法为基础，探究以水提法、氨醇法和稀氨水法提取甘草酸效率的差异，重点考察提取温度、固液比、时间和溶媒组成等实验室易操控的因素。目前常用的工艺优化策略有单因素和多因素正交试验[10]，其中单因素法操作简便，但没有考虑各因素之间的协同影响，所以优化工艺效果有限，而正交试验考虑到各因素的协同影响，更有利于最佳工艺的确定，同时考虑到实验学时限制和学生平时实验中对正交试验接触较少，从学生创新和操作能力培养考虑，实验采用正交试验法优化提取工艺各种影响因素，探讨甘草酸的最佳提取工艺，在训练学生分析问题、解决问题能力的同时，以期为甘草酸的工业化生产提供理论支撑。由甘草酸结构式（图1）可以分析出甘草酸对光产生紫外吸收，由此甘草酸含量测定方法可用高效液相色谱法和紫外分光光度法，高效液相色谱法测试结果准确度高但操作较为烦琐，耗时长，而紫外分光光度法操作简便，作为定量测试手段在药学专业实验中最为常用，在有限的实验学时内也便于操作，因此本实验采用紫外分光光度法对甘草酸进行定量。

图1 甘草酸结构

二、实验的具体内容

（一）实验目的

通过探究性实验打破学生课程实验中验证性实验的固有模式，拓展学生对中药提取工艺的认识，熟悉依据提取物的性质和结构确定提取工艺重要参数并建立定量鉴别的方法，掌握影响提取工艺因素的优化方法，熟悉掌握提取实验所用仪器的操作方法，了解实验方案设计的基本思路和基本方法，培养学生科研思维和技能，掌握研究数据处理方法，依据工业生产需求得出切合实际的结论，培养学生实事求是的科研品质。

（二）实验的设计

1.甘草酸的提取工艺

（1）水提法：取甘草切片100 g，以药材5 倍量的水为溶媒在80 ℃下连续提取4 h，过滤，滤液浓缩，蒸发、干燥，得到甘草酸粗提品，称重并计算甘草酸粗提品的得率。

（2）氨醇法：取甘草切片100 g，以药材5 倍的20%的乙醇和5%的稀氨水混合溶剂为溶媒在80 ℃下连续提取4 h，过滤，滤液浓缩至200 mL 左右，调节pH 至2.5 左右，沉淀静置后抽滤，沉淀干燥后得甘草酸粗提品，称重并计算甘草酸的得率。

（3）稀氨水法：取甘草切片100 g，以药材5 倍的5%的稀氨水为溶媒在80 ℃下连续提取4 h，过滤，取滤液浓缩至200 mL 左右，调节pH 至2.5 左右，沉淀静置后抽滤，沉淀干燥后得甘草酸粗提品，称重并计算甘草酸的得率。

2.甘草酸含量测定

（1）甘草酸对照品标准曲线的绘制：精密称量甘草酸标准品10 mg，用70%的乙醇溶解并定容到100 mL作为储备液，分别移取1、2、3、4、5、6 mL 储备液用70%的乙醇稀释定容到10 mL 的容量瓶中，在250.2 nm 下分别测定其吸光度值，以甘草酸标准品的质量浓度（g/mL）为横坐标，以吸光度A 为纵坐标作图，通过线性拟合得到线性回归方程。

（2）甘草酸供试品溶液的制备和含量测定：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%的乙醇稀释100 倍，在相同条件下测定250.2 nm下其吸光度值，利用回归方程计算供试品甘草酸含量。

3.正交试验考察因素及实验设计

影响甘草酸提取的因素很多，依据甘草酸结构性质并考虑实验学时和操作可行性，参考已报导文献资料，本实验的试验采用3 水平4 因素探讨甘草酸最佳的提取工艺，见表1 和表2，试验以甘草酸含量及粗提品综合得率为考察指标，对甘草酸溶剂提取工艺进行优化。根据正交试验的实验条件提取并测试正交试验的结果。

表1 甘草酸提取工艺的因素水平

表2 正交试验条件

三、实验过程

（一）实验前准备

本阶段主要是根据药学本科专业四年级学生所学专业基础知识和药企见习了解的药物提取及质量监控相关知识，要求学生查阅相关文献和资料完成以下准备工作。

（1）了解甘草酸结构性质，中药提取工艺流程所涉及的各种参数，学习甘草酸提取工艺参数选择与优化方法，初步设定工艺优化参数。

（2）了解中药工艺提取质量监控方法，熟悉甘草酸质量测定方法，掌握相关仪器设备，比如紫外分光光度计、超声波清洗机和加热回流装置的操作方法。

（3）根据实验目标，学生成立实验小组讨论确定甘草酸提取工艺参数，制定工艺优化策略，设计出实验具体步骤。

（二）实验安排

本实验设置在药学专业四年级本科生第七学期医药企业见习周开设，在医药企业见习周先安排两天的医药企业见习内容，然后根据文献调研和药企见习相关中药提取工艺所涉及的问题开设本次实验，总学时30 学时，具体安排如下：理论讲解2 学时；甘草酸含量测定方法建立2 学时；正交法优化甘草酸提取工艺20 学时；数据处理，绘图与科技论文写作6 学时。实验完成后要求学生制作PPT 对实验过程和实验结果进行总结、汇报、交流和讨论。

（三）课上实验操作

（1）按照设计的实验步骤，依据仪器分析和药物分析实验药品定量测定操作要求，准确配置甘草酸对照品标准溶液，并利用紫外分光光度计在设定波长下测定标准溶液的吸光度值，利用数据处理软件Excel 或origin作图并进行线性拟合，得到甘草酸的含量测定线性回归方程。

（2）按照设计的实验步骤，设定正交试验优化方案，分别按照溶媒的不同分为醇提法、氨醇提取和稀氨水法三种工艺进行正交试验实验设计，具体方案见表3，按照实验步骤，测定不同方案下甘草酸粗提品综合得率和甘草酸的含量。

表3 正交试验设计

四、课后探究分析

本阶段主要是针对实验得出的实验结果进行分析，总结数据规律，对实验中出现的问题及可能对实验造成影响的因素进行分析和探讨，侧重于学生面向药厂生产实际问题的分析和探讨，锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

（1）根据正交试验结果，得出最佳提取工艺。正交试验结果表明（见表4）：水提法中，温度越高，所得粗提品综合得率越高，说明温度升高可以获得高的甘草酸及其同系物的提取率，但是甘草酸在长时间高温下可能分解，在粗品中百分含量较低，所以提取过程中在保证粗品提取效率的条件下应该控制较高温度，提取温度为90 ℃时较佳。在氨醇提取法中，氨水用量和提取时间均会影响提取效率，其中水∶乙醇∶氨水应为79.3%∶20%∶0.7%，提取温度为80 ℃，时间为8 h，提取效率最高为46.70%。在稀氨水法中，氨水用量越大即便是在较短提取时间内也能获得较高的甘草酸提取效率，这可归结为甘草酸与氨水成盐，增加甘草酸溶解度，提高了提取效率，但从料液比比较来看，氨醇提取法料液比相对稀氨水法要小，但获得提取效率较高，综上所述，氨醇提取法提取甘草酸的效率最优，药企生产中可以重点优化氨醇比例获得最佳提取效率。

表4 正交试验结果

（2）按照科技论文格式撰写实验报告，包括分析实验数据并得出结论，总结实验设计心得与操作事项。

五、结束语

中药中含有多种活性成分并已广泛用于各种疾病治疗，其有效成分的提取对研究中药药理作用机制具有重要意义。以培养学生的创新和实践能力为目的，设计了探究性药学专业实验——多指标正交试验优化甘草酸提取工艺。实验设计过程需要学生借助分析化学、仪器分析、药物分析、天然药物化学、文献检索与写作和实验设计与数据处理等多门专业课程的理论知识和企业见习知识建立甘草酸提取方法和工艺，实现专业知识的交叉融合及理论与生产实践的结合，达到产教融合，坚定学生对专业课程学习的信念。甘草酸提取工艺的优化以甘草酸物质结构和性质为基础来确定影响提取效率的工艺参数，正交试验工艺优化策略依据文献调研，由于是探究性实验，实验结果的不确定性和差异性提升了实验挑战度，有效提高学生的兴趣和参与度，锻炼学生科研素养，实现了科教融合。实验前文献调研和教师的讲解相结合，开阔学生的眼界，锻炼学生查阅、整理资料及设计实验的能力。实验过程中表征设备使用、数据处理分析及绘图等可以提高学生的综合素养，为日后从事科研或走向专业技术岗位奠定坚实的基础。