全 文 ：第７卷第４期
２００９年７月
生 物 加 工 过 程
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．７Ｎｏ．４
Ｊｕｌｙ２００９
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１７６２－３６７８．２００９．０４．００４
收稿日期：２００８－１０－１３
基金项目：国家自然科学基金资助项目（２０７７２０７７，１０４７４０６１）
作者简介：牛春玲（１９８１—），女，内蒙古呼和浩特人，硕士，研究方向：生物物理学；吴胜举（联系人），副教授，Ｅｍａｉｌ：ｗｕｓｈｊｕ＠ｓｎｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
盾叶薯蓣总皂苷超声提取及动力学
牛春玲，吴胜举，沈壮志，郭树琴，郝长春
（陕西师范大学 物理学与信息技术学院，西安 ７１００６２）
摘 要：考察了乙醇体积分数、溶剂用量、超声时间、超声功率和超声频率对盾叶薯蓣总皂苷提取率的影响，研究了
以体积分数７０％乙醇溶液或水作溶剂从盾叶薯蓣中超声提取总皂苷的动力学模型。结果表明，在扩散过程中超声
提取薯蓣总皂苷的动力学模型满足非定常扩散方程，相关系数为ｒ＝０９５，最佳超声时间为４０ｍｉｎ。
关键词：盾叶薯蓣；皂苷；提取；超声
中图分类号：Ｑ９４３．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－３６７８（２００９）０４－００２０－０４
Ｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔｅｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｓａｐｏｎｉｎｆｒｏｍ
ＤｉｏｓｃｏｒｅａｚｉｎｇｉｂｅｒｅｎｓｉｓＣ．Ｈ．Ｗｒｉｇｈｔ
ＮＩＵＣｈｕｎｌｉｎｇ，ＷＵＳｈｅｎｇｊｕ，ＳＨＥＮＺｈｕａｎｇｚｈｉ，ＧＵＯＳｈｕｑｉｎ，ＨＡＯＣｈａｎｇｃｈｕｎ
（ＣｏｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｆｅｃｔｓｏｆｅｔｈａｎｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｒａｔｉｏｏｆｓｏｌｖｅｎｔｔｏｂｉｏｍａｓｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｉｍｅ，ｕｌｔｒａ
ｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒ，ａｎｄｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｎｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄｏｆｇｒｏｓｓｔｈｅｓａｐｏｎｉｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｗａｔｅｒ
ａｎｄａｑｕｅｏｕｓｅｔｈａｎｏｌ（７０％，ｖ／ｖ）ｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｅｘｔｒａｃｔｓａｐｏｎｉｎｆｒｏｍ ｔｈｅＤｉｏｓｃｏｒｅａｚｉｎｇｉｂｅｒｅｎｓｉｓ
Ｃ．Ｈ．Ｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓａｎｕｎｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅｄｉｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｌｉｎｅａｒ
ｃｏｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｒｗａｓ０９５．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｏｎｉｃａｔｉｏｎｔｉｍｅｏｆｓａｐｏｎｉｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
ｌｉｑｕｉｄｒｅａｃｈｅｄ４０ｍｉｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｏｓｃｏｒｅａｚｉｎｇｉｂｅｒｅｎｓｉｓ；ｓａｐｏｎｉｎ；ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ
盾叶薯蓣（ＤｉｏｓｃｏｒｅａｚｉｎｇｉｂｅｒｅｎｓｉｓＣ．Ｈ．Ｗｒｉｇｈｔ），
为薯蓣属植物，其活性物质薯蓣皂苷元 （俗称皂素）
以皂苷的形式存在于根茎中，具有治疗冠心病、调节
新陈代谢、抗高血脂、抗癌等效果，是合成激素类药物
的重要原料［１－２］。从盾叶薯蓣中提取薯蓣皂素的方
法有直接酸水解法、发酵 酸水解法、酶解 酸水解法、
预分离纤维素淀粉法、超临界萃取法等。目前生产中
大部分企业采用直接酸水解法，该方法的缺点是酸和
萃取剂用量大，产生的废水废渣多，副产品淀粉和纤
维素无法回收等［３］。
针对以上存在的问题，笔者先利用超声提取法
从盾叶薯蓣中分离出总皂苷粗品，应用非定常扩散
模型模拟超声提取薯蓣总皂苷的动力学过程［４］，对
其提取条件进行优化，再加酸水解提取薯蓣皂苷
元，由于纤维素、淀粉不参与水解和萃取过程，从而
大大降低了酸和萃取剂的用量，缓解了产生的废水
废渣对环境的污染，同时也为回收淀粉和纤维素等
副产品提供了可能。本研究对超声提取总皂苷及
其动力学模型进行实验研究，对进一步优化提取皂
苷元的影响因素有重要意义。
１ 材料与方法
１．１ 仪器与试药
ＪＹ ９２Ｉ型超声细胞破碎机 宁波新芝生物科
技股份有限公司；ＴＵ １８１０型紫外 可见分光光度
计 北京普析通用仪器有限公司。
薯蓣皂苷标品购于上海融禾医药制品有限公
司；盾叶薯蓣购于西安药材市场。
１．２ 提取方法
精确称取１０ｇ盾叶薯蓣粉末，加入乙醇溶液中，
将容器固定于反应架上，启动超声波细胞破碎机进
行提取，改变乙醇体积分数、溶剂用量、超声时间、
超声功率、超声频率等因素，提取完毕后抽滤、浓
缩，回收溶剂得浸膏。将浸膏加水悬浮，置分液漏
斗中，加入石油醚充分振摇萃取至石油醚层无色，
弃去石油醚相，水相加入２倍量的水饱和正丁醇溶
液萃取，重复３次，合并萃取液，再用正丁醇饱和过
的水洗涤萃取液，减压回收正丁醇，取少量浸膏溶
于甲醇溶液中用于检测含量［５］。
１．３ 薯蓣总皂苷的分析
据文献［６］，称取薯蓣皂苷对照品，用甲醇溶解，
配制成质量浓度为０１ｍｇ／ｍＬ的对照液，分别移取
０４、０８、１２、１６和２０ｍＬ上述溶液置于具塞试管
内挥干溶剂，再分别依次加入０２ｍＬ５％香草醛 冰
醋酸溶液和０８ｍＬ高氯酸，混匀、密塞，置６０℃恒温
水浴中显色１５ｍｉｎ后取出，立即冰水冷却５ｍｉｎ后各加
入冰醋酸４０ｍＬ摇匀，静置１０ｍｉｎ，以试剂空白为参
比，用紫外 可见分光光度计于波长５４７ｎｍ处测薯蓣
皂苷对照品吸光度。以薯蓣皂苷质量浓度（ρ）为横坐
标、吸光度为纵坐标，绘制薯蓣皂苷标准曲线，其线性
方程为 Ａ＝００１１０８ρ－００１１１２，相关系数ｒ＝０９９９９。
总皂苷提取率＝提取液中皂苷质量（ｇ）所用盾叶薯蓣粉末量（ｇ）×１００％
１４ 超声提取动力学模型
超声提取生物活性物质满足非定常扩散
模型［７］：
ｑ
ｑ０
＝（１－ｂ）ｅ－ｋｔ （１）
其线性变换为
ｌｎｑｑ０
＝ｌｎ（１－ｂ）－ｋｔ （２）
式中：ｂ为洗涤参数；ｋ为慢萃取参数；ｑ为提取过程中
从原料中提取出的提取物质量（ｇ）；ｑ０为提取物在原料
中的理论质量（ｇ）；ｔ为提取时间（ｍｉｎ）。
２ 结果与讨论
２．１ 乙醇体积分数对总皂苷提取率的影响
在试样中加入１００ｍＬ不同体积分数的乙醇溶
液连续超声提取４０ｍｉｎ，超声功率４００Ｗ，超声频率
２０ｋＨｚ，考察不同乙醇体积分数对总皂苷提取率的
影响，结果见图１。由图１可知，随乙醇体积分数的
增加，总皂苷的提取率是先增大后减小。因为乙醇
体积分数较低时，一些亲水性蛋白质、淀粉和部分
多糖及其他水溶性杂质会溶于溶剂中，给后续的操
作带来困难；而乙醇体积分数太高时，可使植物细
胞蛋白质很快凝固，妨碍乙醇向植物细胞内渗透，
影响浸出。故确定最佳乙醇体积分数为７０％。
图１ 乙醇体积分数对提取率的影响
Ｆｉｇ．１ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｅｔｈａｎｏｌｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏ
ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄ
２．２ 液固比对总皂苷提取率的影响
在试样中加入体积分数７０％乙醇溶液连续超
声提取４０ｍｉｎ，超声功率４００Ｗ，超声频率２０ｋＨｚ，考
察不同液固比对总皂苷提取率的影响，结果见图２。
随着溶剂用量的增加，总皂苷提取率的变化幅度不
大。因此从保证提取效果、减小溶剂用量和降低浓
缩负荷等方面考虑，确定液固比为１０∶１（ｍＬ／ｇ）。
图２ 液固比对提取率的影响
Ｆｉｇ．２ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｌｉｑｕｉｄｔｏｓｏｌｉｄｒａｔｉｏｏｎｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄ
１２ 第４期 牛春玲等：盾叶薯蓣总皂苷超声提取及动力学
２．３ 超声时间对总皂苷提取率的影响
在试样中加入１００ｍＬ体积分数 ７０％的乙醇溶
液连续超声提取，超声功率４００Ｗ，超声频率
２０ｋＨｚ，考察不同超声时间对总皂苷提取率的影响，
结果见图３。由图３可知，超声时间在４０ｍｉｎ内，总
皂苷提取率随时间的延长而增大，这是由于随超声
时间的延长，细胞的破裂越来越完全。当超过
４０ｍｉｎ，细胞内大量不溶物及黏液质等混入提取液
中，使溶液中杂质增多，黏度增大，从而影响了有效
成分的溶出。综合考虑超声４０ｍｉｎ为提取效果最
佳点。
图３ 超声时间对提取率的影响
Ｆｉｇ．３ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｉｍｅｏｎｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄ
２．４ 超声功率对总皂苷提取率的影响
在试样中加入１００ｍＬ体积分数７０％的乙醇溶
液连续超声提取４０ｍｉｎ，超声频率２０ｋＨｚ，考察不同
超声功率对总皂苷提取率的影响，结果见图４。实
验结果表明：超声功率对提取率有较大影响，输出
功率增大有利于液体中空化泡的形成，从而有利于
总皂苷的溶出。输出功率增大到４００Ｗ后，提取率
有所下降，因此选择超声功率４００Ｗ。
图４ 超声功率对提取率的影响
Ｆｉｇ．４ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｏｗｅｒｏｎｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄ
２．５ 超声频率对总皂苷提取率的影响
在试样中加入１００ｍＬ体积分数７０％的乙醇溶
液连续超声提取４０ｍｉｎ，超声功率４００Ｗ，考察不同
超声频率对总皂苷提取率的影响，当超声频率分别
为２０２６、３１４８、３９２１ｋＨｚ时，皂苷提取率分别为
６９３％、６９７％和 ７２１％，实验结果表明随着频率
的增加，有效成分的浸出是增加的，在实验所用的
频率中存在１个最佳值，这主要是由于高频率致使
空化泡的崩溃次数增加，空化所导致的多种机械效
应也增强，但在一定条件下频率可增加的幅度是有
限的，况且频率升高时，声波在传播的过程中衰减
也随之增大，且频率升高将导致空化的阈值升高，
空化的效果减弱，因此频率不宜过高。
２．６ 超声提取机理的分析
取１０ｇ试样加入１００ｍＬ体积分数７０％的乙醇溶
液或水，超声功率４００Ｗ，超声频率２０ｋＨｚ，连续超声
时间选择５、１０、２０、４０、８０ｍｉｎ，考察薯蓣总皂苷提取
率随提取时间的变化，结果如图５所示。从图５中能
够明显看出超声提取过程的２个机理：洗涤过程，在
提取刚开始总皂苷在提取液中的浓度迅速增加；慢萃
取 （大约１０ｍｉｎ以后），提取物浓度增加缓慢。超声
在液体中传播时产生的空化效应，是集中声场能量并
迅速释放的一系列动力学过程。伴随空化产生的强
大剪切力效应能使植物细胞壁破裂，使细胞更容易释
放内溶物而增大传质速率；声空化的湍流效应、微扰
效应和界面效应，强化了微孔扩散，促使液 固之间发
生分子的相互渗透，从而促进了中药有效成分的溶
解，加快了有效成分进入介质，并与介质充分混合。
由实验可得超声提取的最佳时间约为４０ｍｉｎ。以
７０％乙醇作溶剂提取薯蓣总皂苷的效果要比水作溶
剂提取的效果好，这是因为盾叶薯蓣中的蛋白质、淀
粉、可溶性多糖等杂质在水中容易被浸出，造成溶液
浓度增加，形成黏度较大的料浆，影响了超声波的作
用效果，而体积分数７０％乙醇可以减少大量杂质的
浸出，提高了薯蓣总皂苷的提取率。
图５ 总皂苷提取质量浓度随超声时间的变化
Ｆｉｇ．５ ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＥＳｉｎｔｈｅｌｉｑｕｉｄｅｘｔｒ
ａｃｔｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｏｎｉｃａｔｉｏｎｔｉｍｅｄｕｒｉｎｇｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
２２ 生 物 加 工 过 程 第７卷
２．７ 超声提取动力学
把实验所得数据代入１４给出的超声提取动力
学方程中，其线性变换如图６所示。由图６可知，在
洗涤过程中实验数据是非线性的，而在慢萃取阶段
实验数据线性关系较好，相关系数 ｒ＝０９５，对慢萃
取阶段的实验数据进行线性回归，得以体积分数
７０％乙醇作溶剂超声提薯蓣总皂苷的参数值为 ｂ＝
０３２４，ｋ＝２５２×１０－３ｍｉｎ－１，而以水作溶剂的提取
参数值为 ｂ＝０３５７，ｋ＝４５１×１０－３ｍｉｎ－１，由此可
知动力学参数值与提取溶剂有关。
图６ 基于动力学模型的线性变换
Ｆｉｇ．６ Ｌｉｎｅａｒｉｚｅｄｆｏｒｍｓｏｆｋｉｎｅｔｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎｓ
３ 结 论
超声提取盾叶薯蓣总皂苷与传统提取方法相
比，由于超声空化效应促使液 固之间发生分子的相
互渗透，促进了中药有效成分的溶解，加快了有效
成分进入介质，并与介质充分混合，因此其提取效
率较高，又由于超声提取具有节能、减少环境污染
等优点，故在工业上的推广有着很大的可行性。
盾叶薯蓣总皂苷的超声提取很好地符合了非定
常扩散模型，说明非定常扩散模型适合于超声提取薯
蓣总皂苷，实验表明最佳的超声时间为４０ｍｉｎ，以体
积分数７０％乙醇作溶剂提取总皂苷要优于水作溶剂
的提取。本研究所建立动力学模型不仅有助于理解
超声提取过程，而且对于控制和优化参数都有很重要
的意义。
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ｆｉｃｉｎａｌｉｓＬ．）ａｎｄｇｌｕｔｉｎｏｕｓ（ＳａｌｖｉａｇｌｕｔｉｎｏｓａＬ．）ｓａｇｅ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａ
ｓｏｎｉｃｓＳｏｎｏｃｈｅｍ，２００６，１３（２）：１５０１５６．
３２ 第４期 牛春玲等：盾叶薯蓣总皂苷超声提取及动力学