黃精多糖提取工藝優化及其吸濕、保濕性能研究

程茜菲，張玩濤，王飛娟，李娟花，彭修娟，王 靜，韓文冬，劉 峰，4*

（1.陜西國際商貿學院，陜西 西安 712046；2.陜西省中藥綠色制造技術協同創新中心，陜西 西安 712046；3.臨潼區中醫院，陜西 西安 7 106003；4.陜西步長制藥有限公司，陜西 西安 710075）

黃精（Polygonati Rhizoma）為百合科（Liliaceae）植物滇黃精（Polygonatum kingianumColl. et Hemsl.）、黃精（Polygonatum sibiricumRed.）或多花黃精（Polygonatum cyrtonemaHua）的干燥根莖［1］。自古以來，黃精就被認為是藥食同源之品，久服可輕身不老，益壽延年。黃精多糖為黃精中主要成分，是其抗疲勞、抗氧化作用以及延緩衰老的主要活性物質［2］。天然植物的多糖提取物具有低刺激性、安全、營養成分豐富等特性，應用于化妝品可以產生保濕、抗紫外線、抗菌消炎、抗氧化和延緩衰老等功效［3］。

本研究采用熱回流法，并運用正交設計進行了黃精多糖提取工藝優化；并對黃精多糖的吸濕保濕、護膚性能進行研究；采用雙指數、一級過程、零級過程等6 種數學模型探索了黃精多糖的吸濕機制［4-6］，從而為黃精多糖等多糖生產企業和研究者提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃精，購自西安中藥材市場，經陜西國際商貿學院雷國蓮教授鑒定為百合科植物黃精（Polygonatum sibiricumRed.）的干燥根莖；D-無水葡萄糖（202109，中國藥品生物制品檢定所）；乙醇、無水乙醇、苯酚、濃硫酸、甘油以及透明質酸為分析純。

TU - 1810 紫外分光光度計（北京普析通用有限公司）；SHH - 500GSD - 2T綜合藥品穩定性試驗箱（重慶康誠永生試驗設備有限公司）；Milli - Q Reference超純水儀（默克化工技術上海有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

將黃精藥材在60℃條件下干燥4 h后，粗碎。

1.2.2 多糖含量測定

稱取D-無水葡萄糖適量，加純化水溶解制成質量濃度分別為每升含17、25、34、42、51 mg的標準品溶液。分別吸取標準品溶液2 mL，加入2 mL 體積分數為5%苯酚溶液和5 mL 濃硫酸，搖勻靜置30 min。應用紫外分光光度儀在490 nm 處測定吸光度值，以吸光度值為Y軸，濃度為X軸，得線性回歸方程Y= 0.068 2X- 0.0007，R2= 0.999 5。吸取樣品溶液2 mL，加入2 mL 體積分數為5%苯酚溶液和5 mL 濃硫酸，搖勻靜置30 min。在490 nm 處測定吸光度值，結合線性回歸方程計算樣品多糖含量。

1.2.3 黃精多糖提取工藝優化

1.2.3.1 單因素實驗

將回流提取時間固定為30 min，提取次數固定為1 次，考察料液比1 ∶ 10、1 ∶ 15、1 ∶ 20、1 ∶ 25 和1 ∶ 30 （g/mL）對結果的影響。將料液比固定為1 ∶ 20 （g/mL），提取次數固定為1 次，考察回流提取時間（30、60、90、120 和150 min）對結果的影響。將料液比固定為1 ∶ 20 （g/mL），回流提取時間固定為120 min，考察提取次數（1、2、3、4 和5 次）對結果的影響。試驗過程中，平行試驗均3次。

1.2.3.2 正交試驗設計

根據單因素結果，采用正交設計L9（34）進行提取工藝優化試驗方案設計，根據試驗方案進行試驗，提取液進行適宜的稀釋。

1.2.3.3 工藝驗證

根據最優提取工藝條件，平行試驗3 次，計算3次試驗結果的RSD值。

1.2.4 吸濕率測定及擬合

1.2.4.1 吸濕率測定

精密稱定黃精多糖、甘油、透明質酸各0.5 g，置于已恒重的稱量瓶中，平行3 份。再分別置于綜合藥品穩定性試驗箱中（25℃，相對濕度43%；25℃，相對濕度81%），放置1、2、3、4、5、6、12、36、48、60、72 h后取出，稱定質量，計算吸濕率，式1。

1.2.4.2 擬合

以時間為橫坐標、吸濕率為縱坐標做吸濕曲線圖，采用SPSS 24 軟件，按照表1 中6 種模型進行擬合。

表1 吸濕過程模型Tab.1 Hygroscopic process mode

1.2.5 保濕率測定

精密稱定黃精多糖、甘油、透明質酸各0.5 g，置于稱量瓶中，分別加入純水0.5 g，平行3 份，置于裝有干硅膠箱（25℃）中48 h，稱重，計算保濕率，式2。

注：y為吸濕百分率；x為時間；y0為初始含水率；y∞為平衡吸水率；A、B、C為模型參數；k為吸濕速率常數。

1.2.6 人體皮膚水分測試

供試品制備：將質量濃度為2 g/L的黃精多糖溶液添加到市售常用面霜中，且使得面霜中黃精多糖溶液的質量分數分別達到5%，10%，15%和20%，以質量分數為5%的透明質酸液（2 g/L）、質量分數5%的甘油溶液制成的面霜為對照。

測試方法：受試者為20 ~ 35 歲的志愿者，受試者人數為11。試驗前，受試者凈洗左右前臂并搽干，平衡30 min（22℃，RH = 50% ~ 65%的環境中），于受試者左右前臂上劃出測試區域（3 cm × 3 cm），測定各受試區域的皮膚水分含量，每個區域測3 個部位，以平均值作為最終測試值。

1.3 數據處理

采用SPSS 24 統計軟件完成數據分析，多組間比較采用方差分析，組間兩兩比較采用多重比較分析，P< 0.05表示差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

圖1 ~ 3分別為液料比、回流提取時間和提取次數對黃精多糖提取率影響的折線圖，并對數據進行多重比較分析。由圖可知不同料液比對提取率的影響呈先增大后減小的趨勢，當料液比為1 ∶ 20 （g/mL）時多糖提取率最高，該水平與其它水平均有顯著性差異（P< 0.05）；回流提取時間對提取率的影響呈先增大后減小的趨勢，當提取時間為120 min時多糖提取率最高，該水平與其它水平均有顯著性差異（P< 0.05）；提取次數對提取率的影響呈先增大后減小且趨平的勢態，提取次數為2 次時多糖提取率最高，該水平與其它水平均有顯著性差異（P< 0.05），綜上得出因素水平表見表2。

圖1 液料比對黃精多糖提取率的影響Fig.1 Effect of liquid-to-material ratio on extraction rate of Polygonati Rhizoma polysaccharides

圖2 回流提取時間對黃精多糖提取率的影響Fig.2 Effect of reflux extraction time on extraction rate of Polygonati Rhizoma polysaccharides

圖3 提取次數對黃精多糖提取率的影響Fig.3 Effect of extraction times on extraction rate of Polygonati Rhizoma polysaccharides

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Orthogonal test factor level table

2.2 正交試驗

黃精多糖提取工藝優化實驗方案及結果見表3。

表3 試驗方案及結果Tab.3 Test plan and results

通過表3 中R 值分析，料液比影響最大，其次為提取時間，最小為提取次數。運用方差分析法計算的F提取次數值為0.033，小于臨界值19（α = 0.05），說明提取次數對黃精多糖提取率的影響不顯著，考慮生產過程中操作便捷性、安全性和經濟環保性，確定最佳提取工藝條件為料液比是1 ∶ 25 （g/mL），提取時間是150 min，提取次數為1 次。

按照最佳提取工藝條件，平行試驗3 次，黃精多糖平均提取率為68.93 ± 1.27 （mg/g），RSD 值為1.85%，該工藝重復性和可操性較強。

2.3 吸濕性能

根據1.2.4 方法測定，以吸濕率% - 時間做吸濕動力曲線，見圖4、5。從圖可以看出，3 種樣品初始階段吸水速率均較快，大約24 h 后黃精多糖和透明質酸吸水速率變慢。相對濕度43%條件下，黃精多糖、透明質酸和甘油3條吸濕曲線0 ~ 3 h基本重合，說明吸濕行為一致，3 ~ 24 h 時3 條曲線分離、吸濕率相差較大，24 h時黃精多糖、透明質酸吸濕率趨近平衡。相對濕度81%條件下，3 條吸濕曲線分布趨勢與相對濕度43%相似。

圖4 相對濕度43%下樣品吸濕率隨時間的變化Fig.4 Changes of sample moisture absorption with time at 43% relative humidity

圖5 相對濕度81%下樣品吸濕率隨時間的變化Fig.5 Changes of sample moisture absorption with time at 81% relative humidity

在不同濕度下，黃精多糖均表現出了一定的吸濕性能。因為黃精多糖及透明質酸的多羥基大分子結構有利于其與水分子形成氫鍵從而吸收水分，但其表面吸收水分后很容易溶脹，從而阻止其內部分子繼續吸收水分。因此，與甘油相比，黃精多糖與透明質酸更容易達到吸濕平衡。

相對濕度43%、81%下，6 種吸濕模型的擬合結果見表4。R2越接近1，RSS 越接近0，則模型對試驗數據擬合的越好［7］，因此相對濕度43%、81%下雙指數模型最佳。雙指數模型是根據物質質量守恒定律和費克擴散第一定律建立的中藥提取物吸濕過程動學模型，從表4 擬合結果可以看出，模型參數A、B 均大于零，因此表面吸濕速率常數k1> 內部擴散速率常數k2，而黃精多糖在不同的相對濕度環境下，表面吸濕速率常數k1（0.602、0.339）、內部擴散速率常數k2（0.067、0.028）有明顯差異。因此，黃精多糖吸濕量主要由內部擴散決定。

表4 6種吸濕模型擬合結果Tab.4 Fitting results of six moisture absorption models

2.4 保濕性能

根據1.2.5方法測定并繪制圖，見圖6。由圖知，黃精多糖、透明質酸和甘油48 h 保濕性能強弱順序為透明質酸 > 黃精多糖 > 甘油，并進行單因素方差分析，3 種物質保濕性有顯著性差異（P< 0.05）。黃精多糖中的親水基團能更好地降低水分有效擴散系數，導致水分擴散能力減弱，從而具有良好的持水保濕作用。當黃精多糖與甘油合用時保濕性低于單一物質，說明兩者合用具有拮抗作用，同時對數據進行多重比較分析，結果顯示兩者合用與單一物質保濕性有顯著性差異（P< 0.05）；多糖與透明質酸合用時保濕性高于單一物質，說明兩者合用具有協同作用，多重比較結果顯示兩者合用與甘油的保濕性有顯著性差異（P< 0.05）。這表明黃精多糖具有潛在的替代昂貴天然保濕劑透明質酸的價值。

圖6 在干燥硅膠條件下樣品的保濕率Fig.6 The moisture retention rate of the samples under dry silica gel condition

2.5 對皮膚水分含量影響

根據1.2.6方法測定并繪制圖7，由圖看出，隨著黃精多糖的質量分數從5%增加到20%，皮膚水分含量變化不明顯，但明顯高于空白面霜皮膚含水量，采用F 檢驗法對實驗數據進行方差分析，結果F > F0.05，涂抹不同濃度黃精多糖溶液的受試區域與空白面霜有顯著性差異，說明黃精多糖能夠有效地促進皮膚水分含量增加。添加黃精多糖、甘油、透明質酸的面霜在相同時間段測量的皮膚含水量均高于空白面霜，采用F 檢驗法對實驗數據進行方差分析，結果F < F0.05，說明加黃精多糖、甘油、透明質酸的面霜相互間沒有明顯差異。

圖7 不同樣品對皮膚含水量影響隨時間的變化Fig.7 Influence of different samples on skin moisture content over time

3 討論與結論

3.1 黃精多糖吸濕、保濕性

根據文獻報道銀耳多糖［8］、山藥多糖、白及多糖［9］等植物多糖具有良好的吸濕保濕性能。多糖這一性能可能與其分子結構中含有大量的羥基有關，另外多糖還可在皮膚表面形成一層均勻的薄膜［10］。本研究發現黃精多糖在不同相對濕度環境下，表面吸濕速率常數k1、內部擴散速率常數k2有明顯差異，因此，可通過環境相對濕度來控制黃精多糖的吸濕率，在相對濕度較大的環境中，黃精多糖含水量明顯上升。

3.2 探索黃精多糖在護膚品中的應用

報道顯示，50 mg/mL石蓮花多糖溶液涂抹于皮膚，1 h 內可以保持不錯的水分含量，在60 min 內具有良好的保濕效果［12］；1%的鐵皮石斛多糖溶液涂抹于皮膚在 30 min 內保濕能力較10%甘油更強［13］。本研究結果顯示，黃精多糖溶液具有良好的保濕性，且在12 小時內其保濕效果與甘油、透明質酸無顯著差異。石蓮花多糖、鐵皮石斛多糖和黃精多糖均為植物多糖，植物多糖的分子結構能夠與水形成大量的氫鍵，在皮膚表面形成“鎖水膜”防止皮膚水分流失，達到持久保濕效果［11］。通過本研究可進一步為植物多糖應用于化妝品領提供理論支撐。

3.3 現狀與展望

查閱文獻知，黃精多糖現有研究主要包括提取工藝、結構特征、抗氧化、藥理作用等方面，未見其吸濕保濕性能和護膚應用兩方面的研究，但其他多糖應用于護膚品中已有報道。

植物多糖具有保濕、抗氧化、抗衰老等作用，可用于化妝品中起到改善皮膚環境、美膚護膚的效果［14］。透明質酸是護膚品常用天然成分之一，但其價格較高，通過本研究結果表明，黃精多糖有望部分替代天然成分透明質酸，為黃精又增加了一新用途，為黃精種植戶可增加一定的經濟收入；此外黃精多糖吸濕動力學研究可為其生產企業生產、保存的環境提供數據參考。

本研究應用的黃精多糖為粗制品，研究結果顯示其吸濕保濕及護膚性能較好，由此可初步推斷純化后的黃精多糖活性或可更高，在后續的研究中將進一步對黃精多糖進行分離、純化，并對純化品進行深入研究。