三七药渣中多糖提取工艺优化及其动力学分析

摘要：以三七药渣为原料，探讨了超声辅助提取三七药渣中三七多糖的优化工艺，并对提取 过程进行动力学分析。在单因素实验的基础上，利用 BBD（Box-Behnken Design）响应面法优 化工艺条件，得到最优提取条件为：超声温度 60 ℃、超声功率 136.8 W、超声时间 53 min、 液固比 43 mL/g，此时多糖得率为 6.79%。通过测定不同超声功率、不同超声时间下提取液中 的多糖浓度，得到超声辅助提取三七药渣中三七多糖的提取速率常数、相对萃余率，验证了所 推导的动力学模型，拟合得到了半衰期以及有效扩散系数回归方程。

关键词：三七药渣；多糖；超声辅助提取；BBD 响应面法；动力学分析

中图分类号：R284.2

文献标志码：A

三七（Panax notoginseng），又被称为田七、滇三 七、人参三七等 ，为五加科（Araliaceae）人参属植 物[1] ，主产于我国云南、广西等地[2] ，是临床上一种非 常重要的中药材，具有祛瘀止血、消肿止痛的功效[3]。 三七多糖作为三七的主要有效成分之一，对于三七 的临床功效起着重要的作用。大量实验表明，三七 多糖具有抗肿瘤[4]、神经保护[5]、抗衰老[6]、免疫调 节[7] 等药理活性。

目前对于三七多糖的提取工艺包括热水浸提[8]、 超声波提取[9]、微波辅助提取[10]、内部沸腾法[11] 等， 主要以三七药材中的皂苷为指标成分。以 2020 版药 典[12] 为例 ，将三七主根或根茎粉碎成粗粉后 ，用 70%（体积分数，下同）乙醇对其进行提取，提取后的 药渣中仍含有水溶性活性成分，如多糖、三七素、黄 酮和氨基酸等，仍有较大利用价值。近年来，对三七 药渣的科学报道主要包括对其中多糖[13]、三七素[14] 的药理活性的研究，以及将其作为发酵基质生产其 他物质[15]。多糖作为三七药渣中的重要活性物质，其 主要成分包括葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖醛 酸等[16] ，有关其提取工艺的研究并不多见，主要以传 统水煎煮法[17]为主，而该法耗时长、能耗高，且提取 效果不佳，针对三七提取过程的动力学研究也仅仅 局限于三七皂苷的提取[18]。

本文在单因素实验的基础上，通过 BBD（Box[1]Behnken Design）响应面设计优化超声辅助提取三七 药渣中多糖的工艺参数，并对其提取过程进行动力 学分析，为三七药渣的重复利用提供理论依据。

1""" 实验部分

1.1 原料和试剂

三七药渣，昆明华润圣火药业有限公司；葡萄 糖、苯酚、浓硫酸，均为分析纯，上海国药集团化学试 剂有限公司。

1.2 测试与表征

SK5210HP 型功率可调台式加热系列（LCD）超 声仪（上海科导超声仪器有限公司）；UV1901PC 型紫 外-可见光分光光度计（上海奥析科学仪器有限公 司）；TDZ5-WS 型台式低速离心机（湖南湘仪实验室 仪器开发有限公司）；H1650-W 型台式高速离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）。

1.3 实验步骤

1.3.1"" 三七药渣中多糖的提取及含量测定 标准曲 线的绘制：参考豆欣欣等[19] 的实验方法，并加以改 进。分别取 1 mL 不同浓度的葡萄糖溶液于 25 mL 比 色管中，加入 1 mL 质量分数为 6% 的苯酚溶液、5 mL 浓硫酸，摇匀，室温下静置 10 min，随后转移至 30 ℃ 的水浴锅中反应 20 min，以超纯水为参比，在最大吸 收波长 487.5 nm 下检测溶液的吸光度。以标准品葡 萄糖的不同浓度为 x 轴，吸光值为 y 轴，得到标准曲 线 y=10.063 8x+0.0260，R 2=0.9991。

三七药渣置于 50 ℃ 烘箱中干燥至恒重，粉碎 过 50～60 目（300～355 μm）筛，得到三七药渣粉末。准 确称取 2.0 g 三七药渣粉末，加入一定量的超纯水，在 一定功率和温度下对三七药渣进行超声提取实验， 提取结束后立即将提取液于 3800 r/min 条件下离心 10 min，将上清液转移至容量瓶中，用超纯水定容至 刻度，得到三七药渣粗多糖待测液，采用苯酚-硫酸法 测定待测液吸光度并代入上述标准曲线方程，计算 提取液中的多糖质量浓度，按式（1）计算得率（Y）。 平行实验 3 次，取平均值。

式中 ： n 为稀释倍数 ； ρ 为稀释后样品质量浓度 ， mg/mL；V 为待测液体积，mL；m 为三七药渣粉末质 量，mg。

1.3.2"" BBD 响应面实验设计 在前期单因素实验的 基础上，确定超声温度（A）、超声功率（B）、超声时间 （C）以及液固比（D）为响应因子，以从三七药渣中提 取三七多糖（以下简称三七药渣多糖）的得率为响应 值 ， 借 助 Design" Expert 软 件 进 行 4 因 素 3 水 平 BBD 响应面优化分析和设计实验，优化超声辅助提 取三七药渣中多糖的工艺，因素水平表如表 1 所示。

1.3.3"" 超声提取三七药渣中多糖过程的动力学模型 中草药的提取本质上是活性成分的质量传递过程， 可以借助传质理论进行解释，而整个提取过程主要 是扩散过程，因此可以基于 Fick 第二定律对三七药 渣中多糖的提取动力学进行分析[20]。为便于后续研 究，现做以下 4 点假设：（1）粉碎并过筛后的三七药渣 粉末为球状颗粒且大小均匀；（2）多糖在三七药渣颗 粒内部的扩散沿着径向进行；（3）在整个提取过程 中，药材颗粒内部的多糖分布均匀且扩散系数不随 提取时间变化；（4）三七药渣颗粒在溶剂中分布均匀 且与溶剂温度保持一致[21]。

基于上述假设，设定三七药渣颗粒半径为 R，药 材颗粒与溶剂的接触面积为 S，提取过程中，任意 t 时 刻药材颗粒内距表面 r 处的多糖质量浓度为 ，超 声影响下的扩散系数为 Du，三七药渣多糖分子本身 的扩散系数为 D0，某一时刻测得溶液中的多糖质量 浓度为 ρ，多糖初始质量浓度为 ρ0（即 t=0 时刻溶液中 的多糖质量浓度），平衡质量浓度为 ρ∞ [22]。

1.3.4"" 超声提取三七药渣中多糖过程的动力学 精 确称取 0.1 g 三七药渣粉末 12 份，根据响应面优化结 果，分别加入 4.3 mL 已加热至预定温度的超纯水，超声温度为 60 ℃，分别在覆盖超声仪的全部功率范 围 5 个功率 （ 72、 99、 126、 153、 180" W） 下对三七 药渣进行超声提取，每过 5 min 取出一管，将提取液 于 11000 r/min 条件下离心 3 min，用苯酚-硫酸法测 定其上清液中的多糖浓度，直至 60 min 提取完全为止。

2""" 结果与讨论

2.1 响应面优化结果

2.1.1"" 响应面实验结果与分析 依据单因素实验结 果，进行 4 因素 3 水平 BBD 响应面优化实验，按照 表 1 进行三七药渣多糖的提取实验，同一条件下每组 实验平行进行 3 次，取平均值，结果如表 2 所示。

为了考察超声对于多糖的强化提取作用，在相 同条件（无超声辅助）下对于相同批次三七药渣粉末 进行传统热水浸提，即：提取温度 60 ℃、提取时间 53 min、液固比 43 mL/g，重复实验 3 次，取平均值，得 到传统水提法多糖得率为 4.33%，超声辅助提取法相 比传统热水浸提法得率提高 55% 以上，表明超声强 化作用显著。

2.2 三七药渣多糖的超声提取动力学

2.2.1"" 不同功率下三七药渣多糖超声提取结果 不同超声功率下三七药渣多糖的提取实验结果如表 5 所示，平衡质量浓度如表 6 所示。由于受到超声的作 用，相较于多糖分子本身的扩散而言，涡流扩散才是 起到主要作用的因素，因此超声功率对于整个提取 过程的影响都极为显著。由表 5 和表 6 可知，三七药 渣多糖的溶出速度随超声功率的增大而加快，达到 平衡质量浓度的时间也越来越短，意味着涡流扩散系 数随超声功率的增大而增大。当超声功率低于 126 W 时，需要 45 min 才能够达到平衡质量浓度；而当超声 功率为 153 W 和 180 W时，达到平衡质量浓度的时间 分别为 40 min 和 30 min，但过高的超声功率可能使 多糖发生分解[25-26] ，超声功率为 180 W 时的平衡浓度 反而有所降低。

2.2.2"" 速率常数的求解 利用表 5 和表 6 的实验结 果，令y=ln[p ../ （Pws-P]. 对 y 和提取时间（t）进行线 性回归，根据式（9）可以计算得出不同超声功率下的 速率常数 k，结果见图 1 和表 7。

由表 7 的线性回归拟合结果可知，不同超声功 率条件下拟合得到的线性回归方程相关系数 R 2 均 在 0.9600 以上，说明拟合结果良好。随着超声功率 的增加，速率常数 k 也增大，表明超声功率的加强有 利于三七药渣多糖更快溶出。

2.2.3"" 相对萃余率的求解 三七药渣粉末在提取前 未经浸泡，初始质量浓度 ρ0=0，所以可令相对萃余率 y'=（ρ∞−ρ）/ρ∞，式（9）便转化为 y'=（6/π2 ）e−kt，利用表 4 和 表 5 的实验结果，以提取时间为横坐标、相对萃余率y'为纵坐标作图并拟合方程 ，结果见图 2 和表 8。

表 8 所示为不同超声功率下相对萃余率 y'和提 取时间 t 的拟合结果，所得指数方程相关系数 R 2 均 在 0.9800 以上，表明拟合结果良好，符合指数模型。由 图 2 可知，随着超声时间的延长，三七药渣多糖相对 萃余率不断趋近于 0，最后趋于平缓，表明提取过程 不断趋于平衡，没有必要再延长超声时间。

与 2.2.2 节求得的速率常数相比，虽然采用不同 的方程进行拟合，但二者所求得的 k 值基本一致，且 都随着超声功率的增大而增大，表明两种拟合方式 可以相互印证。 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 半三七药渣多糖所消耗的时间，以超声功率（Pu）为横 坐标、半衰期 t1/2 为纵坐标作图，并用指数方程进行 拟合 ，得到回归方程为 ： ，R 2= 0.9338。结果见图 3。

由图 3 可知，随着超声功率的增加，半衰期不断 减小，即提取一半三七药渣多糖所消耗的时间不断 缩短，表明超声功率越大，提取效率越高，提取速度 越快。

2.2.5"" 有效扩散系数的求解 根据 2.2.2 节求得的速 率常数可以计算出三七药渣多糖提取过程中的有效 扩散系数。由式（9）可知，Du=kR2 /π2 ，由于预处理为 过 50～60 目（300～355 μm）筛，因此 R=0.355 mm。以 超声功率为横坐标、Du 为纵坐标作图，并用指数方程 进行拟合 ，得到回归方程为 ：Du = 5.009 8e0.005 8Pu 10−4 ，R 2=0.9323（如图 4）。

由图 4 可以看出，随着超声功率的升高，Du 不断 增大，这可能是由于超声功率的增大提升了三七药 渣多糖的分子运动频率，从而引起有效扩散系数的增大。

3""" 结 论

（1）以三七药渣为原料，采用超声法对药渣中多 糖进行辅助提取 ，在单因素实验的基础上 ，利用 BBD 响应面法优化提取的工艺条件为：超声温度 60 ℃、超声功率 136.8 W、超声时间 53 min、液固比 43 mL/g，多糖得率的预测值为 6.88%，实际得率为 6.79%，相对标准偏差为 1.31%，较相同条件下传统热 水浸提法的多糖得率提高了 55% 以上。

（2）建立了超声辅助提取三七药渣多糖的动力 学模型，通过测定不同超声功率、不同超声时间下提 取液中的多糖浓度，计算并拟合了提取速率常数、相 对萃余率，验证了所推导的动力学模型。结果表明 速率常数 k 随着超声功率的增加而增大，超声功率的 加强有利于三七药渣多糖更快溶出。同时拟合得到了半衰期回归方程1= l5.616 2e-L004 sP. 、有效扩散 系数回归方程D.= 5.009 8eam58P

参考文献：

QIAO" Y" J，" SHANG" J" H，" WANG" D， et al." Research" of Panax spp. in Kunming institute of botany， CAS[J]. Natural Products and Bioprospecting， 2018， 8（4）： 245-263.

刘胜男， 王承潇， 杨野， 等. 三七真空冷冻干燥工艺优化及 对活性成分影响的研究[J]. 华东理工大学学报 （自然科 学版）， 2020， 46（4）： 517-525.

SUN S， WANG C Z， TONG R B， et al. Effects of steaming the root of Panax notoginseng on chemical composition and anticancer activities[J]. Food Chemistry， 2010， 118（2）： 307- 314.

CHEN" T，" ZHONG" Y，" CHEN" Y， et al." Administration" of polysaccharide" from" Panax" notoginseng" prolonged" the survival" of" H22" tumor-bearingnbsp; mice[J]." Oncotargets" amp; Therapy， 2016， 9（1）： 3433-3441.

JIA" D，" DENG" Y，" GAO" J， et al." Neuroprotective "effect" of Panax" notoginseng" plysaccharides" against" focal" cerebral ischemia reperfusion injury in rats[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2014， 63： 177-180.

FENG S L， CHENG H R， XU Z， et al. Thermal stress re[1]sistance and aging effects of Panax notoginseng polysaccha[1]rides on Caenorhabditis elegans[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2015， 81： 188-194.

GAO" H." Immunostimulating" polysaccharides" from" Panax notoginseng[J]. Pharmaceutical" Research，" 1996，" 13（8）： 1196-1200.

魏晓梅， 杨文敏， 聂贤锋， 等. 药用植物三七和金银花多糖 提取工艺优化与比较[J]. 中国野生植物资源， 2020， 39（4）： 19-22.

陈金娥， 刘慧， 赵志刚， 等. 响应面法优化超声波提取三七 根多糖工艺研究[J]. 中国农业科技导报， 2018， 20（4）： 138- 146.

李佳笑， 胡宇琳， 乔春雷， 等. 三七多糖的微波辅助提取工 艺[J]. 食品科学技术学报， 2018， 36（2）： 63-68.

温拥军， 蒋琼凤， 郭浪. 响应面法优化内部沸腾法提取三 七多糖[J]. 食品工业科技， 2013， 34（23）： 260-263.

国家药典委员会编. 中华人民共和国药典2020年版[M]. 第1部. 北京： 中国医药科技出版社， 2020.

LIU Y H， LI S， PU M D， et al. Structural characterization of polysaccharides isolated from Panax notoginseng medi[1]cinal residue and its protective effect on myelosuppression induced" by" cyclophosphamide[J]." Chemistry" amp; Biodiversity， 2021， 19（1）： e2100681.

李双， 杨晓涵， 李怀宇， 等. 工业三七药渣中三七素的提取 纯化及其止血药理活性研究[J]. 天然产物研究与开发， 2019， 31（4）： 663-668.

谭显东， 段娅宁， 王君君， 等. 三七渣固态发酵生产蛋白饲 料的工艺条件研究[J]. 环境科学与技术， 2013， 36（10）： 177-181.

曹玉标， 孙亮亮， 杨野， 等. 三七药渣中主要多糖成分的分 离纯化及其抗氧化活性研究[J]. 中草药， 2023， 54（1）： 100- 111.

韦云川， 王红， 龙江兰. 有效利用三七总皂苷提取后的药 渣提取三七多糖[J]. 文山师范高等专科学校学报， 2006（4）： 95-96.

王博然， 张文生， 赵万顺， 等. 三七的提取动力学研究[J]. 天然产物研究与开发， 2017， 29（1）： 120-124， 151.

豆欣欣， 韩伟. 两种絮凝剂纯化猴头菇总多糖工艺的对 比[J]. 南京工业大学学报（自然科学版）， 2017， 39（1）： 64- 68.

苏辉， 王伯初， 刘玮琦， 等. 天然药物提取过程的动力学数学模型[J]. 中草药， 2011， 42（2）： 384-391. 张琴， 李美东， 张子木， 等. 壶瓶碎米荠多糖提取动力学模 型研究[J]. 食品与发酵工业， 2021， 47（14）： 31-37.

赵鹏. 款冬花多糖提取纯化工艺研究及结构鉴定[D]. 西 安： 西北大学， 2010.

WANG Y G， ZHANG X， MA X Q， et al. Study on the ki[1]netic model，" thermodynamic" and" physicochemical"" proper[1]ties of Glycyrrhiza polysaccharide by ultrasonic assisted ex[1]traction[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2018， 51： 249-257.

袁易全. 近代超声原理与应用[M]. 南京： 南京大学出版 社， 1996： 22-23.

HROMÁDKOVÁ Z， EBRINGEROVÁ A， VALACHOVIC P. Ultrasound-assisted extraction of water-soluble polysac[1]charides" from" the" roots" of" valerian" （Valeriana" officinalis L.）[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2002， 9： 37-44.

郑丹婷， 陈炼茹， 韩伟， 等. 灵芝菌丝体水溶性抗氧化活性 成分的多指标提取工艺优化[J]. 南京工业大学学报（自然 科学版）， 2022， 44（3）： 349-356.