文章编号：1006-3080(2024)02-0231-07DOI: 10.14135/jki.1006-3080.20230104001
顾丽芸1， 罗知微1， 王承潇2， 韩 伟1
（1. 华东理工大学药学院, 制药工程与过程化学教育部工程研究中心, 上海市新药设计重点实验室,
上海 200237；2. 昆明理工大学生命科学与技术学院, 昆明 650000）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 -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
收稿日期： 2023-01-04
基金项目： 云南省科技厅重大专项计划子课题（202002AA1000056，202102AA310045）；云南省三七资源可持续开发利用重点实验室开放基金作者简介： 顾丽芸（1997—），女，上海人，硕士生，主要研究方向为中药活性成分的提取分离。E-mail ：********************.edu 通信联系人： 韩 伟， E-mail ：**************
引用本文： 顾丽芸, 罗知微, 王承潇, 等. 三七药渣中多糖提取工艺优化及其动力学分析[J]. 华东理工大学学报（自然科学版）, 2024, 50(2): 231-237.Citation ： GU Liyun, LUO Zhiwei, WANG Chengxiao, et al . Optimization of Extraction Process of Polysaccharides from Panax Notoginseng Residue and Its
Kinetic Analysis[J]. Journal of East China University of Science and Technology, 2024, 50(2): 231-237.
Vol. 50 No. 2华 东 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
2024-04
Journal of East China University of Science and Technology
231
（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+0.026 0，R2=0.999 1。
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3 800 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。
表 1 BBD实验设计因素水平及编码
Table 1 Experimental factor level and coding for BBD
Level
Ultrasonic
temperature/ ℃
（A）
Ultrasonic
power/W
（B）
Ultrasonic
time/min
（C）
Liquid-solid
rate/（mL·g−1）
（D）
−140993030
0501264540
1601536050
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]。
ρr 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D u，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]。
由于超声的影响因素，因此有效扩散系数
根据Fick第二定律，
f=ρr·r
令
，上式可转化为
r=0f=0r=R
当 ， 时， ，有
根据傅里叶变换法[23]可以得到，
由于浓度的高次项无限趋近于零，可以忽略不计，因此取n=1，上式可变化为
等式两边取对数可得，
D u≫D0
D s≈D u
由于在超声辅助提取过程中 ，因此
[24]，上式可转化为：
式（9）即为超声作用下三七药渣多糖的提取动力学模型。
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
232华 东 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 50 卷
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11 000 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。
由表2实验结果得回归模型方程：
根据表3回归模型方差分析可知，模型P值小于0.000 1，失拟项P值为0.701 6不显著，表明该模型达到极显著水平，可用于分析各响应因子和响应值之间的交互关系。模型一次项对三七药渣多糖得率的影响均为极显著，表明4个因素对于多糖得率都存在很大影响，而AB、BD的P值大于0.01，表明超声温度和超声功率的交互作用以及超声功率和液固比的交互作用对于多糖得率的影响并不显著。
R2 Adj R2
Pred
R2
Adj
由表4 BBD回归模型可信度分析可知，该回归方程的相关系数（R2）为0.983 9，表明该模型的预测值与实际值在绝大多数情况下高度相关，修正相关系数（ ）略小于R2，且预测修正相关系数（ ）与
的差值小于0.1，表明数据波动范围合理，回归模型的信噪比（S/N）为26.02，表明该模型的拟合结果具有良好的可信度。上述结果均证实了该响应面模型可以充分反映响应值与响应因子之间的关系。
2.1.2 响应面验证实验 根据二次模型方程，预测出最佳提取工艺为：超声温度59.83 ℃、超声功率136.73 W、超声时间5
3.31 min、液固比42.92 mL/g，该提取条件下三七药渣多糖得率为6.88%。考虑到仪器设备参数设置及实际操作的可行性，将上述工艺条件进行调整：超声温度60 ℃、超声功率136.8 W、超声时间53 min、液固比43 mL/g，在此工艺条件下重复3次验证实验，得到多糖的平均得率为6.79%，略低于预测值，相对标准偏差（RSD）为1.31%，说明上述回归模型预测结果准确，优化后的提取工艺具有良好的重现性。
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
表 2 BBD实验优化设计及实验结果
Table 2 Optimal design and results of BBD experiment
No.A B C D Yield/%
1−1−100 4.900
21−100 6.096
3−1100 5.035
41100 6.480
500−1−1 4.764
6001−1 5.616
700−11 5.895
80011 5.469
9−100−1 4.938
10100−1 5.852
11−1001 4.899
121001 6.508
130−1−10 5.354
1401−10 5.215
150−110 5.538
160110 6.078
17−10−10 4.956
1810−10 6.083
19−1010 4.951
201010 6.794
210−10−1 4.955
22010−1 5.184
230−101 5.394
240101 5.682
250000 6.306
260000 6.357
270000 6.441
280000 6.165
290000 6.158
第 2 期顾丽芸，等：三七药渣中多糖提取工艺优化及其动力学分析233
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。
表 5 不同超声功率下三七药渣多糖的质量浓度Table 5 Mass concentration of polysaccharides from Panax
notoginseng residue under different ultrasonic power
Ultrasonic time/min
ρ/(mg·mL −1)
72 W 99 W 126 W 153 W 180 W 00000050.4490.4870.5970.6260.79710 1.017 1.061 1.152 1.220 1.45615
1.236 1.419 1.549 1.587 1.57420 1.454 1.527 1.626 1.723 1.79925 1.614 1.669 1.751 1.907 1.99030 1.663 1.797 1.950
2.019 2.07835
1.750 1.907
2.058 2.091 2.07440 1.787 1.987 2.117 2.180 2.07845 1.940 2.098 2.207 2.179 2.07850 1.935 2.093 2.204 2.175 2.07655 1.934 2.095 2.206 2.178 2.07660
1.937
2.097
2.203
2.179
2.077
表 6 超声辅助提取三七药渣多糖的平衡质量浓度Table 6 Equilibrium mass concentration of polysaccharides from
Panax notoginseng residue with ultrasonic assisted extraction method
Ultrasonic power/W
Equilibrium mass concentration/ (mL·mg −1)
72 1.94099 2.098126 2.207153 2.180180
2.078
ln [ρ∞/(ρ∞−ρ)]
2.2.2 速率常数的求解 利用表5和表6的实验结
果，令y = ，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0.960 0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
表 3 BBD 回归模型方差分析
Table 3 Variance analysis of BBD regression model
Source Sum of squares df Mean square
F
P
Significance
Model 10.17140.7360.96<0.000 1**A 5.521 5.52462.69<0.000 1**B 0.1710.1714.400.002 0**C 0.4010.4033.20<0.000 1**D 0.5410.5445.06<0.000 1**
AB 0.0210.02 1.29
0.274 5
AC 0.1310.1310.720.005 5**AD 0.1210.1210.130.006 7**BC 0.1210.129.670.007 7**
BD 8.53×104
18.53×104
0.07
0.792 9
CD 0.4110.4134.32<0.000 1**A 20.3510.3529.48<0.000 1**B 2 1.201 1.20100.79<0.000 1**C 20.7110.7159.27<0.000 1**D 2 1.791 1.79149.82<0.000 1
**
Residual 0.17140.01Lack of fit 0.11100.010.71
0.701 6Pure error 0.0640.02
Cor total
10.34
28
** Means extremely remarkable (P <0.01); df—Degree of freedom
表 4 BBD 回归模型可信度分析
Table 4 Reliability analysis of BBD regression model
Mean R 2R 2Adj
R 2Pred
S /N Coefficient of variation Standard deviation 5.66
0.983 9
0.967 7
0.931 5
26.02
1.93
0.11
234华 东 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 50 卷
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0.980 0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。
0.20.40.6
0.81.0
y ′
Ultrasonic time/min
图 2 不同超声功率下相对萃余率与提取时间的关系Fig. 2 Relationship between relative raffinate rate and ultrasonic
time under the different ultrasonic power
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。
t 1/2=15.6162e −0.0048P u
2.2.4 半衰期的求解 半衰期t 1/2=(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（P u ）为横坐标、半衰期t 1/2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=
0.933 8。结果见图3。
5
6789101112t 1/2/m i n
Ultrasonic power/W
图 3 超声辅助提取三七药渣多糖t 1/2与超声功率的关系Fig. 3 Relationship between t 1/2 and ultrasonic power of
polysaccharides from Panax notoginseng residue with ultrasonic assisted extraction method
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。
D u =5.0098e 0.0058P u
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，D u =kR 2/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、D u 为纵坐标作图，并用指数方程进行拟合，得到回归方程为： ×
10−4，R 2=0.932 3（如图4）。
由图4可以看出，随着超声功率的升高，D u 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
表 7 不同超声功率下y 对提取时间的线性回归结果Table 7 Linear regression results of y with ultrasonic time under
different ultrasonic power
Ultrasonic power/W
Regression equation R 2k /s −172y = 0.065 1t + 0.031 50.993 4 1.085 0×10−399y = 0.070 3t −0.043 30.988 8 1.171 7×10−3
126y = 0.077 0t −0.072 30.981 8 1.283 3×10−3
叶念琛153y = 0.089 8t −0.084 30.993 4 1.496 7×10−3
180
y = 0.117 7t −0.091 4
0.960 4
1.961 7×10
−3
表 8 不同超声功率下相对萃余率对提取时间的回归方程Table 8 Regression equation of the relative raffinate rate with
time under different ultrasonic power
Ultrasonic power/W
Regression equation R 272y' = 0.950 7e −0.064t 0.986 999y' =1.072 1e −0.071t 0.989 3126y' = 1.123 3e −0.079t 0.986 0153y' = 1.088 0e −0.090t 0.994 3180
y' = 1.095 7e −0.118t
0.989 7
y
Ultrasonic time/min
图 1 不同超声功率下y 与提取时间的关系
Fig. 1 Relationship between y and ultrasonic time under different
ultrasonic power
第 2 期
顾丽芸，等：三七药渣中多糖提取工艺优化及其动力学分析235
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