主题：【分享】【金秋计划】基于裂区设计优化适用于多批次羊栖菜的提取工艺参数

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发表于：2024/09/08 18:39:03 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

羊栖菜Sargassum fusiforme (Harv.) Setch.隶属于褐藻门马尾藻科马尾藻属，被收录于《中国药典》2020年版一部，味苦、咸，性寒，无毒，具有化痰软坚、利尿消肿的功效。其中岩藻多糖和海藻酸是羊栖菜中所含多糖的主要成分^[1]。岩藻多糖是一种硫酸化多糖，具有抗氧化^[2]、抗炎^[3]和抗肿瘤^[4]等多种药理活性，被用作开发新型给药系统和功能食品的添加剂^[5]。海藻酸是一种天然多糖醛酸，具有水溶性强、稳定性高以及生物相容性好等优点，广泛应用于制药和食品行业。目前，文献报道中提取羊栖菜获得岩藻多糖的方法有热水提取法^[6]、微波辅助提取法^[7]、酶解法^[8]、超声辅助提取法^[9]等，提取后往往需要采用醇沉等精制工艺获得高质量分数岩藻多糖^[10]。提取海藻酸的方法则包括酸化法^[11]、钙盐沉淀法^[12]、酶解法^[13]等。酶解法不使用有机溶剂，且提取条件较为温和。缺点是酶价格较高，且酶回收难度较大。醇沉法需要使用大量有机溶剂，工业生产需要防爆车间，由于环保等原因并不适合在羊栖菜产区（浙江和福建沿海）附近大规模实施。微波或超声等辅助提取法存在放大后的安全隐患或噪声污染等问题，所以工业化案例较少。因此，仍需要开发成本低、环境友好、且适合放大生产的提取方法来获得岩藻多糖和海藻酸。本研究提出多次水提法提取羊栖菜中岩藻多糖和海藻酸的新工艺，并基于质量源于设计（quality by design，QbD）理念进行优化^[14]。研究中采用“裂区设计”研究羊栖菜批次和提取工艺参数对目标产物的影响，将药材批次设为裂区实验设计中的“难改变因素（hard-to-change factors）”；利用多元二次回归模型建立关键工艺参数与工艺评价指标之间的数学关系，探究关键工艺参数对提取工艺评价指标的影响规律；最后，采用Monte Carlo算法计算提取工艺风险大小，并且获得了药材来源不同时，工艺风险较低的设计空间范围并验证。
陈家兰等^[19]采用均匀设计优化了羊栖菜煎煮提取工艺，优化条件为液固比50∶1，提取时间3 h，提取3次，此时多糖产率可达5.30%。刘剑等^[20]通过正交试验确定了最佳工艺条件为提取温度85 ℃，液固比20∶1，提取时间为1 h，提取次数为3次，此时得到的多糖产率为7.37%。相比上述研究，本实验总提取时间缩短，总提取次数增加，最终的多糖产率也有所提升（最高达12.7%）。Mohammed等^[21]采用稀硫酸溶液从褐藻中提取海藻酸，并用碳酸钠溶液溶解得到质量分数为92%的海藻酸钠。王振伟等^[22]采用酶解法对羊栖菜进行提取，接着进行钙析-离子交换脱钙、酸化、干燥脱水等操作，最终得到质量分数为91.5%的海藻酸。相比之下，本实验方法虽然所得Y₄并没有那么高，但是仅使用水提，无须外加酸碱或者酶，即可得到海藻酸与岩藻多糖2种产物，是一种绿色高效的方法。从表2和图3-a、5-a可知，Y₂与Y₄随着热水提取次数的增加而增加。这个现象符合本研究水提工艺的最初设计：通过第1段相对低温提取去除杂质，第2段煎煮提取获得含较高质量分数岩藻多糖及海藻酸的提取液。新工艺不使用任何有机溶剂，即可获得质量分数超过80%的岩藻多糖以及质量分数超过85%的海藻酸，为后续进一步纯化获得高质量分数产品提供了较好基础，也有利于在产地附近工厂中大规模实施。新工艺的不足之处在于耗水量较多，多次提取耗时长。试验设计类型的选择在中药质量控制研究中常用的优化设计包括正交设计、均匀设计、混料设计、中心复合设计、Box-Behnken设计、确定筛选设计、裂区设计等。由于研究需要考察药材批次差异对于提取工艺评价指标的影响，而裂区设计则能够通过将其设为难改变的因素使实验次数相对更少，因此更适于本研究的情形。同时由于研究所考察的分类变量相对较多（3个），使用裂区设计是能使实验次数相对更少且分析效果较好的一种方法^[23]。本研究结果证明采用裂区设计进行优化时可行的。药材性质的影响钟文等^[24]的研究证明药材批次间差异带来的影响可能远大于工艺参数改变的影响。本研究中，若将Y₁和Y₃下限从原来的7%提高为8%，Y₂和Y₄下限从原来的60%提高为70%，工艺最大可接受的风险值仍为0.1。计算后发现只有“药材批次1，热水提取次数为2时，煎煮提取次数为2或3时”，才能满足所设定的限度。无法获得能同时满足3个批次药材加工的设计空间。这也证实了钟文等^[24]的结论。因此，在研究建立中药工艺设计空间时，有必要把药材批次间质量波动同时考虑在内。本实验所用方法将不同批次药材搭配不同工艺参数实施优化，有利于获得更为稳健的设计空间。类似方法本课题组也成功用于优化盐酸青藤碱和三七总皂苷等的制备工艺等^[25-28]。
本研究提出了一种羊栖菜水提绿色新工艺，采用裂区实验设计对该水提新工艺参数进行优化并建立数学模型，通过MonteCarlo算法计算不同工艺参数取值时的工艺风险大小，根据风险值得到了稳健的设计空间。然而在工业生产中往往存在放大效应，本研究所得设计空间在用于工业生产时仍可能需要根据中试或者大规模生产数据进行更新。药材的来源不同对评价指标的影响很大，因此本研究的工艺转化后应重视药材质量控制。本研究的方法可以做到在药材批次改变时，同时优化工艺参数。该方法会更有利于获得稳健的工艺参数取值，有利于提升中成药批间一致性。

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