现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S2) : 116-123. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S2.021

科研与开发

层次分析-响应面法优化九制黄精超声提取工艺

朱纪洲 ¹ ,
郑之恒 ¹ ,
谈俊翔 ² ,
许鹏 ³ ,
唐德志 ¹ ,
李来 ⁴^,⁵ ,
刘军 ⁴^,⁵^,^*

作者信息 +

Optimization of the ultrasonic extraction process of nine-steamed Polygonatum cyrtonema by combining analytic hierarchy process and response surface methodology

ZHU Ji-zhou ¹ ,
ZHENG Zhi-heng ¹ ,
TAN Jun-xiang ² ,
XU Peng ³ ,
TANG De-zhi ¹ ,
LI Lai ⁴^,⁵ ,
LIU Jun ⁴^,⁵^,^*

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2026-04-27		2026-10-31
Issue Date	Revised Date
2026-10-21	2026-04-27

PDF (4164K)

摘要

采用层次分析-响应面法联用优化九制黄精超声提取工艺,以乙醇体积分数、超声温度、时间、液料比为考察因素,总多糖、总皂苷、总酚、总黄酮、总氨基酸提取率为评价指标。通过层次分析法确定权重(总多糖0.502 8,总皂苷0.260 2,总酚0.134 4,总黄酮0.067 8,总氨基酸0.034 8),计算综合评分后进行Box-Behnken设计与响应面分析。建立的二次回归模型极显著,R²为0.962 3。最优条件:乙醇体积分数2.6%,超声温度75℃,时间50 min,液料比20∶1 mL/g,综合评分实测与预测偏差2.49%。该联用策略实现了多组分协同优化,工艺可行、重复性好,可推广至工业化应用。

Abstract

Using analytic hierarchy process-response surface methodology (AHP-RSM) to optimize the ultrasonic extraction process of nine-steamed Polygonatum cyrtonema,the ethanol volume fraction,ultrasonic temperature,extraction time,and liquid-to-solid ratio were taken as investigation factors,and the extraction rates of total polysaccharides,total saponins,total phenols,total flavonoids,and total amino acids were used as evaluation indicators.The weights were determined by AHP (total polysaccharides 0.502 8,total saponins 0.260 2,total phenols 0.134 4,total flavonoids 0.067 8,total amino acids 0.034 8).After calculating the comprehensive score,Box-Behnken design and response surface analysis were performed.The established quadratic regression model was highly significant with an R² of 0.962 3.The optimal conditions were determined as follows:ethanol volume fraction of 2.6%,ultrasonic temperature of 75℃,extraction time of 50 min,and liquid-to-solid ratio of 20∶1 mL/g.The relative deviation between the measured and predicted comprehensive score was 2.49%.This combined strategy achieved synergistic optimization of multiple components,and the process is feasible,reproducible,and suitable for industrial application.

Graphical abstract

关键词

黄精 / 层次分析法 / 响应面法 / 超声提取 / 综合评分

Key words

polygonatum cyrtonema / analytic hierarchy process / response surface methodology / ultrasonic extraction / comprehensive score

引用本文

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朱纪洲,郑之恒,谈俊翔,许鹏,唐德志,李来,刘军. 层次分析-响应面法优化九制黄精超声提取工艺[J]. 现代化工, 2026, 46(S2): 116-123 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S2.021

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黄精为百合科植物黄精、滇黄精或多花黄精的干燥根茎,具有补气养阴、健脾润肺、益肾填精之功效^[1]。现代研究证实其富含多糖、皂苷、黄酮、酚类和氨基酸,具有抗氧化、免疫调节、降血糖及抗肿瘤等作用^[2-4]。“九蒸九制”是黄精代表性传统炮制方法,可降低刺激性、增强补益作用^[5]。炮制过程中化学成分发生复杂转化:多糖总量下降,部分降解为小分子糖^[6-7];总黄酮与总多酚显著增加^[8-9];皂苷含量先升后稳^[10];多糖分子量及构象亦发生变化^[11-12]。因此,九制黄精的提取工艺优化宜采用多指标综合评分策略。

层次分析法(AHP)可将多指标的主观经验判断转化为客观权重赋值,已在多种中药提取及炮制工艺优化中得到应用^[13-15]。响应面法(RSM)能以较少实验建立高精度预测模型,分析多因素交互作用,是目前中药工艺优化中广泛使用的方法^[16-17]。二者联用可兼顾各活性成分贡献度,获得综合最优提取方案^[18-19]。

本研究以九制黄精为对象,选择乙醇体积分数、超声温度、超声时间和液料比为考察因素,以总多糖、总皂苷、总酚、总黄酮和总氨基酸的提取率为评价指标,运用AHP确定指标权重,再结合Box-Behnken响应面法优化超声提取工艺,旨在为九制黄精的综合利用与质量控制提供参考。

1 材料、仪器与试剂

1.1 材料

九制黄精样品由江西顺福堂中药饮片有限公司提供,按传统工艺“九蒸九晒”法制备^[5],经江西省著名中医熊光明主任鉴定为百合科植物多花黄精的九蒸九晒炮制品。样品经切片、干燥、粉碎后过80目筛备用。

1.2 仪器及试剂

L8紫外-可见分光光度计,上海佑科仪器仪表有限公司生产;LC-FA1004电子分析天平,上海力辰邦西仪器科技有限公司生产;JM-05D-40液晶单频超声波清洗仪器,广东洁盟超声实业有限公司生产;1500A多功能粉碎机,永康市红太阳机电有限公司生产;SHS-2电热恒温水浴锅,黄石市恒丰医疗器械有限公司生产;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,杭州瑞佳精密科学仪器有限公司生产;TG-165高速台式离心机,湖南沪康离心机有限公司生产;101-3B电热鼓风干燥箱,绍兴市博特仪器设备有限公司生产。

L-谷氨酸(≥99.5%)、碳酸钠(≥99.9%)、亚硝酸钠(99.99%)、水合茚三酮(98%)、硝酸铝九水合物(99.99%)、磷酸盐缓冲液(pH=6.8)、福林酚(BR),没食子酸、人参皂苷Rb1和芸香叶苷均为分析对照品,购自上海麦克林生化科技股份有限公司;葡萄糖、香草醛、氢氧化钠、乙醇、硫酸、乙酸、苯酚和高氯酸均为分析纯,购自西陇科学股份有限公司。

2 实验方法

2.1 对照品和样品制备

精密称取各对照品,分别配制葡萄糖(0.1 mg/mL)、人参皂苷Rb1(1.0 mg/mL)、没食子酸(0.4 mg/mL)、芸香叶苷(0.4 mg/mL)、L-谷氨酸(0.1 mg/mL)标准溶液,4℃保存。取九制黄精粉末2.0 g,精密称定,按设定工艺超声提取,过滤定容,即得样品溶液。

2.2 各成分测定方法

总多糖:采用苯酚-硫酸法^[20],以葡萄糖为对照品。精密吸取对照品溶液适量(0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL),加蒸馏水至2 mL,依次加入5%苯酚1 mL(现配)和浓硫酸5 mL,摇匀,室温放置 30 min,于486 nm处测定吸光度(n=3)。

总皂苷:采用香草醛-冰醋酸比色法^[21],以人参皂苷Rb1为对照品。精密吸取对照品溶液(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL),挥干溶剂,加入5%香草醛-冰醋酸0.2 mL(现配)和高氯酸 0.8 mL,摇匀,60℃水浴15 min,冰浴2 min,加冰醋酸5 mL,摇匀,于568 nm处测定吸光度(n=3)。

总酚:采用福林酚法^[22],以没食子酸为对照品。精密吸取对照品溶液(0、20、40、60、80、100、120、140、160 μL),加蒸馏水3.2 mL,福林酚试剂 200 μL,振荡后静置6 min,加15% Na₂CO₃溶液500 μL,避光反应2 h,于765 nm处测定吸光度(n=3)。

总黄酮:采用亚硝酸钠-硝酸铝比色法^[23],以芸香叶苷为对照品。精密吸取对照品溶液(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mL),加5% NaNO₂溶液0.3 mL,摇匀静置6 min,加10% Al(NO₃)₃溶液0.3 mL,静置6 min,加4% NaOH溶液2 mL,再用50%乙醇定容,静置15 min,于510 nm处测定吸光度(n=3)。

总氨基酸:采用茚三酮比色法^[24],以L-谷氨酸为对照品。精密吸取对照品溶液(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL),加2%水合茚三酮7 mL和磷酸盐缓冲液2 mL,沸水浴15 min,冷却后加水定容,于 565 nm处测定吸光度(n=3)。

2.3 各成分含量计算

精密吸取待测样品溶液,按“2.2”项下方法测定,代入各成分的标准曲线回归方程计算质量含量。提取率(Q_d)按式(1)计算。

(1)$Q_{\mathrm{d}}=(C V E / M D) \times 100 \%$

式中:C为质量含量,μg/mL;D为取样体积,mL;E为稀释体积,mL;V为提取液总体积,mL;M为样品质量,mg。

2.4 单因素实验

精密称取九制黄精粉末2.00 g,固定乙醇体积分数10%、超声温度50℃、液料比15∶1 mL/g、超声时间50 min(相应因素除外),分别考察:超声时间(20、30、40、50、60 min);超声温度(40、50、60、70、80℃);液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1 mL/g);乙醇体积分数(0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%)。

2.5 响应面实验

根据单因素结果,选取乙醇体积分数(A)、超声温度(B)、超声时间(C)、液料比(D)4个因素,以总多糖、总皂苷、总酚、总黄酮、总氨基酸提取率及综合评分(S)为评价指标,采用Box-Behnken设计四因素三水平响应面实验,共29个实验点(含5个中心点)^[16,18],优化九制黄精的超声提取工艺。

2.6 综合评分指标权重的确定

2.6.1 AHP综合评价模型

采用层次分析法确定各指标的权重系数^[13-15]。利用实验数据计算方案层各指标下的比较矩阵,如果超声提取工艺的指标参数在[p,q]之间,则为有效值,否则需要对第i个方案的第k个指标

${\widehat{x}}_{i}^{\left(k\right)}$

∉[p,q]利用式(2)进行调整。

(2)$x_{i}^{(k)}=\left\{\begin{array}{cc} p, & \hat{x}_{i}^{(k)} \notin[p, q] \text { 且为正项指标 } \\ q, & \hat{x}_{i}^{(k)} \notin[p, q] \text { 且为负向指标 } \\ \hat{x}_{i}^{(k)}, & \hat{x}_{i}^{(k)} \notin[p, q] \\ u-\left|u-\hat{x}_{i}^{(k)}\right|, & \text { 中性指标 } \end{array}\right.$

式中,

${x}_{i}^{\left(k\right)}$

为调整后的第i个方案的第k个指标值,u为中性指标的最优点。

对调整后的指标参数利用公式(3)进行计算。

(3)$X_{i}^{k}=\left[x_{i}^{(k)}-\min \left(x^{(k)}\right)\right] /\left[\max \left(x^{(k)}\right)-\min \left(x^{(k)}\right)\right]$

进行归一化后,方案层第k个指标下的比较矩阵A⁽^k⁾如式(4)所示。

(4)$a_{i j}^{(k)}=\left\{\begin{array}{l} \exp \left[2 \ln 3\left(X_{i}^{(k)}-X_{j}^{(k)}\right)\right], \text { 参数为正项指标 } \\ \exp \left[2 \ln 3\left(X_{j}^{(k)}-X_{i}^{(k)}\right)\right], \text { 参数为负向指标 } \end{array}\right.$

根据专家评分构造抉择层指标的比较矩阵。专家比较两两指标之间重要性,评分标准见表1。

运用公式(5)计算一致性指标CI。

(5) $C I=\left(\lambda_{\max }-n\right) /(n-1)$

式中,λ_max为比较矩阵的最大特征值。

在表2中查找对应的平均随机一致性指标RI,运用式(6)计算一致性比例CR。

(6) $C R=C I / R I$

如果CR<0.05,则可认为判断矩阵的一致性可以接受,否则需要对判断矩阵进行修正。

计算方案层第k个指标下比较矩阵的最大特征值对应的特征向量γ⁽^k⁾,并用公式(3)对特征向量中的元素进行归一化得到第k个指标下各方案的权重Γ⁽^k⁾;计算准则层比较矩阵的最大特征值对应的特征向量ψ,并用公式(3)对特征向量中的元素进行归一化得到各指标的权重Ψ。

各方案的得分S如式(7)所示。

(7)$S=\left(\Gamma^{(1)}, \Gamma^{(2)}, \Gamma^{(3)}, \cdots, \Gamma^{(n)}\right) \times \Psi$

式中,n为指标个数。

2.6.2 评价模型求解

将九制黄精超声提取工艺优选设为目标层,总多糖、总皂苷、总酚、总黄酮、总氨基酸为准则层(评价指标),超声时间、温度、乙醇体积分数、液料比为方案层。各指标均为正向指标,有效范围为[0,+∞)。依据各指标在黄精质量评价中的重要性,结合相关文献^[10,25]及专家咨询,确定优先级:总多糖>总皂苷>总酚>总黄酮>总氨基酸。根据多名专家综合评分,得到准则层的比较矩阵,见式(8)。

(8)$B=\left\{\begin{array}{ccccc} 1 & 2 & 4 & 6 & 8 \\ 1 / 2 & 1 & 2 & 4 & 6 \\ 1 / 4 & 1 / 2 & 1 & 2 & 4 \\ 1 / 6 & 1 / 4 & 1 / 2 & 1 & 2 \\ 1 / 8 & 1 / 6 & 1 / 4 & 1 / 2 & 1 \end{array}\right.$

根据公式(5)、(6),计算得到一致性比率CR=0.01<0.05,表明比较矩阵B具有满意的一致性^[15,26]。经计算,总多糖、总皂苷、总酚、总黄酮、总氨基酸的权重分别为0.502 8、0.260 2、0.134 4、0.067 8、0.034 8。

3 结果与分析

3.1 标准曲线

按“2.2”项下方法测定,以质量浓度为横坐标(μg/mL),吸光度为纵坐标绘制标准曲线,结果见表3,各指标成分在线性范围内线性关系良好(R²≥0.998 9)。

3.2 精密度、重复性与稳定性考察

精密吸取同一对照品溶液,按各方法连续测定3次,总多糖、总皂苷、总酚、总黄酮、总氨基酸的RSD依次为1.93%、2.04%、2.17%、2.69%、2.86%(均<3%),表明仪器精密度良好。取同一批样品3份,平行制备并测定,上述5个指标的RSD依次为2.24%、2.48%、2.77%、2.75%、2.89%(均<3%),表明重复性良好。取同一待测样品溶液,于0、1、2、3、4 h测定,5个指标的RSD依次为2.44%、2.46%、2.74%、2.88%、2.98%(均<3%),表明样品溶液在 4 h内稳定。

3.3 单因素实验

3.3.1 超声时间

超声时间对各成分提取率的影响见图1。各成分提取率随超声时间延长先增后减,总多糖、总酚、总黄酮、总氨基酸在40 min达峰值,总皂苷在 30 min达峰值。综合优先顺序,选定30~50 min为响应面水平。

3.3.2 超声温度

超声温度对各成分提取率的影响见图2。随温度升高,总皂苷缓慢增加;总多糖先增后减(60℃达峰);总酚、总黄酮在80℃变化显著;总氨基酸先增后减(50℃达峰)。综合考虑,选定60~80℃为响应面水平。

3.3.3 液料比

液料比对各成分提取率的影响见图3。随液料比增加,总多糖、总黄酮、总氨基酸逐渐减小,总皂苷、总酚逐渐增加。综合选定10∶1~20∶1 mL/g为响应面水平。

3.3.4 乙醇体积分数

乙醇体积分数对各成分提取率的影响见图4。随乙醇体积分数增加,总多糖逐渐减小;总皂苷、总酚先增后减(60%达峰);总黄酮先增后减(20%达峰);总氨基酸先增后减(30%达峰)。综合选定0~20%为响应面水平。

3.4 响应面实验

3.4.1 实验方案及结果

响应面各因素及水平见表4,响应面实验方案及结果见表5。

3.4.2 模型建立与方差分析

以综合评分为响应值,利用Design-Expert 13软件对实验数据进行多元回归拟合,得到二次回归方程(S=-0.155 089+0.001 66A+0.004 462B-0.001 066C+0.001 067D-0.000 015AB+0.000 000 8AC-0.000 08AD-0.000 013BC-0.000 028BD-0.000 049CD+0.000 024A²-0.000 021B²+0.000 036C²+0.000 146D²)。方差分析结果(表6)显示:模型极显著(P<0.01);一次项B、C、D,交互项AD、CD,以及二次项A²、B²、C²、D²均极显著(P<0.01);A、AB、AC、BC、BD和失拟项不显著(P>0.05)。模型回归系数R²=0.962 3,

${R}_{\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{j}}^{2}$

=0.924 5,表明拟合良好,可用于工艺预测。由F值可知,各因素影响顺序为:超声温度>液料比>超声时间>乙醇体积分数。

3.4.3 交互作用分析

各因素交互作用3D响应面图见图5,响应面愈陡峭,因素间交互作用愈显著。各因素交互作用显著程度次序为AD>CD>AB>BD>BC>AC,其中AD和CD的协同效应较显著,而AB、BD、BC、AC不显著,与方差分析结果一致。

3.4.4 工艺验证

最优工艺条件为:乙醇体积分数2.6%,超声温度75℃,时间50 min,液料比20∶1 mL/g,预测综合评分为0.032。按此条件进行3次平行验证,实验结果见表7,平均综合评分为0.032 796,与预测值的相对偏差为2.49%,表明模型准确、工艺可行、重复性好,具备工业化应用潜力。

4 结论

本研究采用AHP与RSM联用策略,系统优化了九制黄精的超声提取工艺。AHP将多指标评价中的主观经验转化为客观权重,通过一致性检验保证了权重分配的合理性。结合九制黄精功效特点与活性成分研究基础,确定总多糖与总皂苷为核心指标(权重合计76.3%),总酚与总黄酮次之(合计20.22%),总氨基酸权重较低。该分配既反映了各成分的相对重要性,也兼顾了传统药效与现代药理共识。

在单因素实验基础上,RSM构建了二次回归模型,考察了乙醇体积分数、超声温度、时间、液料比对综合评分的影响。方差分析显示模型极显著,失拟项不显著,表明所建模型具有良好的拟合度和预测能力。各因素影响程度依次为:超声温度>液料比>超声时间>乙醇体积分数。超声温度影响最大,可能与细胞壁破坏、分子扩散及热稳定性有关;液料比次之,过大反而稀释目标成分;超声时间影响较小;乙醇体积分数影响最小,可能与九制黄精中活性成分极性分布广、低体积分数乙醇即可有效溶出有关。

交互作用分析表明,乙醇体积分数与超声温度、超声时间与液料比之间存在显著协同效应,其他交互项不显著,说明因素间整体独立性较强,工艺调控稳定性好。验证实验在最优条件(乙醇体积分数2.6%,超声温度75℃,时间50 min,液料比20∶1 mL/g)下,平均综合评分为0.032 796,与预测值相对偏差仅2.49%,证实模型准确、工艺可行、重复性好,具备工业化应用潜力。

综上,本研究的AHP-RSM联用策略实现了九制黄精多组分的协同提取优化,克服了单指标或经验权重评价的局限性,为黄精炮制品的综合利用与质量控制提供了方法学参考。

参考文献

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中央引导地方科技发展专项资金-成果转移转化-乡村振兴项目(20261BDF030016)

江西省财政厅“包干制”试点示范项目(ZBG20230428003)

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