超声辅助提取枸杞多糖的研究进展

李冬梅，杭方学，陆海勤，谢彩锋，李　凯，张丽超（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

超声辅助提取枸杞多糖的研究进展

李冬梅，杭方学，陆海勤*，谢彩锋，李凯，张丽超
（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

枸杞多糖作为枸杞最主要的生物活性物质，具有抗氧化、抗肿瘤、护肝、降血糖、调节免疫等生理功能，对于预防和治疗一些慢性疾病有很好的疗效。超声提取技术作为一种省时、节能、高效的提取方法，在植物多糖的提取领域也收到了广泛关注。本文就超声提取技术在枸杞多糖提取中的应用及研究进展进行阐述，对目前存在的问题也进行了相应的分析。

枸杞多糖，超声提取，生物活性

枸杞，一种茄属落叶灌木，主要生长在中国西北部干旱和半干旱地区、欧洲东南部和地中海区域。它的果实枸杞子在中国作为一种传统的中药和滋补食品已有2500多年的历史［1-4］。现代药理研究证实，枸杞多糖（Lycium bararum polysaccharides，LBP）是枸杞中的主要生物活性成分，具有抗氧化［5］、抗肿瘤［6］、抗衰老［7］、降血压［8］、降血脂［9］、抗疲劳［10］、调节免疫［11］、增强新陈代谢［12］等特殊的保健功能。对于预防和治疗一些慢性疾病，如糖尿病、高血脂、血栓、免疫功能缺陷、癌症、肝炎以及男性不孕等有很好的功效［13］。

多糖的生物活性主要由其化学结构、分子质量及分子构象来决定［14］。枸杞多糖（LBP）的分子量在10～2300 ku之间，主要由6种单糖组成，分别是葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、核糖［15］。除此之外，LBP还含有半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸和18种氨基酸。LBP的链结构是由各种单糖通过糖苷键相连接，主要的糖苷键有β-1，3-、β-1，4-、β-1，6-、α-1，6-、α-1，4-苷键［16-17］。秦小明等［18］对分离纯化得到的3种冷水可溶性枸杞多糖和4种热水可溶性枸杞多糖进行分析，得出LBP为一种高度分支构造的阿拉伯聚糖，并且其糖链具有高度分支的梳妆结构。它的骨骼是β-（3，6）-半乳糖，由阿拉伯糖组成的寡糖支链少量的非还原末端阿拉伯糖、岩藻糖、鼠李糖、木糖、甘露糖和半乳糖醛酸等结合在骨架上。

1　超声辅助提取枸杞多糖

1.1超声辅助提取植物多糖的发展简介

近年来超声辅助提取植物多糖（尤其是中草药多糖）的技术已取得快速发展。有资料记载，最早将超声波用于植物活性成分的提取是在1952年，W.Specht等对超声辅助水提法和传统热水提取法提取啤酒花活性成分进行了对比，结果表明运用超声提取的啤酒花活性高，可使啤酒生产过程中的啤酒花使用量减少30%～40%［19］。随着超声设备的发展和改进，超声技术也开始广泛应用于各种植物多糖的提取中。1998年，于淑娟等［20］采用超声波协助纤维素酶法提取灵芝多糖，该法与普通方法相比，水解效率高，产品质量好，同时还能大大缩短提取时间，并使反应条件更加温和。1999年，Z.Hromadkova等［21］对超声辅助酒精水溶液提取鼠尾草多糖的结果进行分析，实验证明超声的应用显著增强了鼠尾草多糖的提取效率，提高了原料的利用率。至此以后，超声辅助提取开始快速发展，被用于各种活性多糖的提取中。Li J等［22］对比了传统方法和超声辅助提取法提取酸枣多糖的抗氧化生理活性，实验表明与传统方法相比，超声辅助提取法获得的酸枣多糖的产量提高了27.6%，且具有更强的自由基清除能力和铁离子还原能力。大量的实验和研究表明，超声辅助提取可以有效缩短提取时间，提高提取效率［23］。超声波提取技术是集物理系、化学和工程学于一体的一门综合技术，将超声波应用于提取植物的有效成分，操作简单快捷，无需加热，提取率高，速度快，效果好，且结构未被破坏，显示出明显的优势［24］。与传统方法相比，超声提取具有省时、节能、杂质少、提取率高等优点［25］。

1.2超声辅助提取植物多糖的作用机理

大多数的植物多糖都存在于植物细胞内，因此植物多糖提取过程主要包含两个物理现象：细胞膜的通透性增大，多糖从细胞膜中渗出；细胞膜破裂后多糖从细胞中流出。如图1，超声对这两个现象都有显著的影响。首先，超声作为一种弹性机械波，在溶剂中传播时可以加强溶剂分子的运动，从而加速溶质在溶剂中的传质速度；同时，超声空化产生的湍动效应还可以减小两相间边界层的厚度，从而加速植物细胞中多糖在溶剂中的溶解和扩散。分子振动产生的能量被溶剂吸收转变为自身的热能，可以使体系的温度升高，进一步加快溶质在溶剂中的扩散和传递速度。超声空化产生的微射流和冲击波可以加速细胞壁的破裂，同时提高细胞膜的通透性和穿透力，加速多糖从植物细胞中的渗出速度。而现有的机械破碎细胞法很难对植物细胞进行有效的破碎，化学破碎法容易造成被提取物结构性质等的变化而使提取物失去活性，因而难以取得理想的效果［26］。除此之外，对于从干燥的原料中提取植物多糖，超声还可以加速植物细胞的吸水膨胀过程和水合过程，进而加速细胞的破裂和可溶性多糖的溶出。同时，实验表明，低频率超声波具有更好的组织破碎能力［27］。

图1　胞内多糖提取过程的示意图Fig.1　Diagram of the process of intracellular polysaccharides extraction

2　超声辅助提取枸杞多糖

国内目前提取枸杞多糖的方法一般有水提法、发酵法、微波法、超声辅助法、碱液提取法、超临界CO2萃取法和酶提取法等［28］。其中，超声提取法具有很大的优越性。超声在液体介质中可以产生特有的空化作用［29］，能破坏植物细胞的细胞膜，使细胞内的生物活性物质更容易被提取出来，加上超声波传播过程中产生的机械振动、微射流、微声流等多极效应，能够更充分地提取植物中的有效成分［30-31］。

2.1超声辅助水提法提取枸杞多糖

超声辅助水提法是最常用也是最节约成本的提取方法之一。与常规水提法相比，具有耗能少，提取率高，操作时间短，提取温度低，有效成分破坏少及提取结果稳定等优点，在提取枸杞多糖中具有很大的推广意义［32-33］。超声辅助水提法提取枸杞多糖主要是利用超声作用过程中产生的空化作用。超声空化引起了湍动效应、微扰效应、界面效应、聚能效应。其中湍动效应可以使物料与水的边界层厚度减薄，增大传质速率；微扰效应可以强化微孔扩散，增加植物细胞细胞膜和细胞壁的通透性，从而加快多糖的渗出速度；界面效应增大了传质表面积；从而在整体上强化了枸杞多糖提取过程的传质速率和效率［34］。

孙汉文等［35］应用超声波辅助水提取枸杞多糖的工艺，用正交设计和单因素实验方法考察了提取温度、时间、料液比对提取率的影响。实验表明超声水提法提取的初始温度以室温为宜，而无超声辅助水提法提取工艺的提取温度在90～100℃［36-38］。因此，超声辅助水提可大大地降低了提取时的温度，从而降低了提取时对能量的消耗，同时避免了由于温度过高而使枸杞多糖中的生物活性物质丧失活性或活性降低。此实验采取四次提取的方法，每次提取超声作用时间为20 min，料液比为1∶3。整个实验过程中，所用的提取时间为80 min，料液比为1∶12。通过与无超声条件下的提取工艺进行对比［37-38］，可发现，超声辅助水提能够缩短提取时间，减少提取过程中溶剂的使用量，降低提取温度，但是对超声辅助提取获得的枸杞多糖的稳定性和生物活性，还缺少相关的数据说明，目前缺少相关的证据来说明超声辅助水提法获得的枸杞多糖生物活性和稳定性更好。严成等［39］分别用浸泡水提取法、超声辅助水提取法、微波辅助水法提取枸杞多糖，结果表明超声辅助提取法不仅缩短了提取时间，降低了提取中的料液比，同时提高了提取效率。

2.2超声辅助酶法提取枸杞多糖

超声辅助酶法提取枸杞多糖更大程度地降低了提取所需的时间和提取温度，并且提取物的产量也有了很大程度的提高。在纤维素酶或木瓜蛋白酶提取的基础上添加超声作用，可以更大程度地破坏植物组织的细胞壁，加速细胞的破裂，从而加速胞内多糖的溶出。这是由于在反应体系中，酶与植物组织细胞分别处于两相中，酶对细胞壁产生分解作用时必须要通过边界层，当添加超声后，超声空化产生的湍动效应可以减小边界层的厚度［40］，加快酶与细胞壁的反应速度；同时，超声产生的机械振动，增大了破碎的植物组织在溶剂中的分散性和悬浮性，进而增大了酶与植物组织细胞的接触面积，从而提高了酶对植物组织细胞壁的降解速度。

Liu Y等［41］用超声辅助纤维素酶提取枸杞中的水溶性多糖，并通过响应面的方法对提取工艺进行优化，结果表明，用超声辅助纤维素酶提取水溶性枸杞多糖是一种省时、高效的提取技术，可以大幅度提高提取物的产量。与水提法相比，超声辅助纤维素酶提取时间短，仅需20 min，而水提法需要180 min；提取温度低，超声辅助酶法的提取温度为56℃，而水提温度为80℃；提取率高，超声辅助酶法提取率为6.32%，而水提法提取率为3.88%，提高了62.89%；与双酶法（木瓜蛋白酶-纤维素酶）［37］相比，超声辅助单酶法同样大幅度地缩短了提取时间，从91 min缩短到20 min；提取温度也从60℃降低到了56℃，在保证提取率（双酶法：6.81%；超声辅助单酶法：6.32%）的同时还降低了提取成本。

2.3超声辅助亚临界水法提取枸杞多糖

亚临界水又称为高压热水或过热液态水，指在一定压力下，将水加热到100℃以上、临界温度374℃以下的高温，水体仍然保持在液体状态。亚临界状态下，随着温度的升高，氢键减弱甚至断裂，因而水的极性由强极性渐变为弱极性，从而促进有机溶质分子的溶解［42］。此外，亚临界水还可以降低固液两相界面层的液膜强度，从而改善溶质的传质动力学，可以降低表面张力和粘度，增加有机活性物质在水中的溶解速度［43］。由于超声作用过程中产生的空化泡在破裂的瞬间，会产生局部瞬时的高温高压的环境，从而在超声作用下，水分子会分解，产生H·和·OH［44-45］。因此在亚临界水的基础上添加超声，可以加快水中氢键的断裂，加速亚临界水极性的转变。同时，还可以加速植物多糖的溶解和扩散速度，提高提取效率。

Chao Z等［46］用超声辅助亚临界水法提取枸杞多糖，并在单因素的基础上采用Box-Behnken响应面设计对提取条件进行优化，同时以提取率和抗氧化效果为指标对通过超声辅助亚临界水法、亚临界水法和热水法提取的枸杞多糖进行了比较。结果表明，超声辅助亚临界水法提取枸杞多糖的最佳工艺条件为提取温度100℃，提取时间53 min，料液比为1∶26，超声功率为160 W，此条件下的枸杞多糖提取率为5.957%。在相同提取条件（提取温度为110℃，提取时间为60 min，料液比为1∶25，提取压力为5 MPa）情况下，超声辅助亚临界水法提取率为4.444%，与无超声辅助的亚临界水提取法（3.99%）相比，枸杞多糖的提取率提高了11.38%；与热水提取法（提取温度为100℃，提取时间为120 min，提取率为3.44%）相比，枸杞多糖的提取率提高了29.19%，同时将提取所花费的时间缩短了一倍。通过超声产生的热效应、机械效应、空化效应，不仅加速了细胞的破裂，增大了溶剂的扩散速度和溶解能力，同时也加速了固液两相间物质的传递速度，使细胞内的枸杞多糖更容易溶出。从而加快了提取速度，提高了提取效率。而由于提取温度都较高，因此实验中通过不同方法获得的提取物的抗氧化活性并没有表现出很大的差异性。

以上三种方法是超声辅助提取枸杞多糖最常用的，这三种方法相比各有优劣。超声辅助酶法与超声辅助水提法相比，提取温度更低，提取时间更短，提取效率更高，同时由于酶的专一性，在破坏细胞壁的同时不会对提取物造成破坏，因此能够更好地保护提取物的结构及生理活性；但是在提取过程中加入纤维素酶或木瓜蛋白酶，提高了提取成本，也增加了多糖分离和纯化的难度；超声辅助亚临界水法在超声辅助水提法的基础上又进一步提高了提取物的提取效率；同时，还可以通过调节温度有选择地提取从强极性到弱极性的不同多糖组分；虽然其提取效率没有超声辅助酶法的提取效率高，但是其提取设备简单，后期的分离纯化简单，提取成本低，因此也是一种非常有前途的提取技术。

3　结论与讨论

超声辅助提取法提取植物多糖可以显著地提高提取效率，减少溶剂的使用量，降低提取所需的时间，减短提取周期，降低提取温度，在植物多糖提取中表现出了极大的优势。因此近年来受到国内外学者的广泛关注。但是，超声提取技术在植物多糖提取中的应用仍存在一些问题。首先，目前对超声提取技术的研究还相对较简单，大多数只是研究超声作用条件对提取率的影响，对超声作用机理及其对植物多糖的稳定性和生物活性的影响并未做深入的研究；对超声提取是否会对枸杞多糖的结构产生影响以及这种影响是否会改变多糖的性质等都未进行研究和探讨；Z.Hromádková等［47］在利用超声提取缬草水溶性多糖时发现超声可能会导致提取的多糖发生降解，使其溶解在乙醇溶液中，但对产生此现象的原因并未给出准确的结论。对于枸杞多糖的结构与功能之间的关系，以及枸杞多糖的稳定性等，都还缺乏相应的研究；同时，超声提取技术本身也存在很多问题，超声作为一种高效、节能的提取方式，其应用主要集中在小型实验室阶段，工业规模的生产应用还很有限，一方面是由于超声设备本身的缺点制约了其在工业生产中的应用，例如：超声设备小，作用范围窄，设备稳定性不好，能耗高，噪音大等。另一方面是由于目前超声技术在植物多糖提取中应用机理的研究还不是很深入，无法为工业生产提供更多更可靠的理论支撑。因此，要使超声技术真正的成熟、完善，并在植物多糖的提取中进行推广、普及，还需要在现有技术的基础上，开发一种低成本、高效率，且适用于工业大规模生产的超声提取方法。

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A view of extraction of Lycium bararum polysaccharides assisted by ultrasound and its bioactivities

LI Dong-mei，HANG Fang-xue，LU Hai-qin*，XIE Cai-feng，LI Kai，ZHANG Li-chao
（Institute of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

The polysaccharides isolated from L.barbarum have been identified as the major active ingredients responsible for its biological activities.L.barbarum polysaccharides have various bioactivities，such as antioxidant，antitumor，hepatoprotection，antidiabetics and so on.It was useful for the prevention and therapy for some chronic diseases.Ultrasound-assisted extraction techniques for plant polysaccharides have received extensive concern for its characteristics of time-saving，energy-efficient and high extraction ratio.This paper focused on the application and development of ultrasound-assisted extraction techniques in extracting L.barbarum polysaccharides and the bioactivities of L.barbarum polysaccharides.Meanwhile，the problems existing were analysed.

L.barbarum polysaccharides；ultrasound-assisted extraction；bioactivity

TS201.1

A

1002-0306（2015）20-0392-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.071

2014－12－16

李冬梅（1988），女，硕士研究生，研究方向：超声与矩形电场协同提取植物多糖及其耦合机理研究，E-mail：hongy1988@163.com。

陆海勤（1973），女，博士，副教授，研究方向：超声化学的应用，E-mail：haiqinlu@gxu.edu.cn。

国家自然基金资助项目（11464002）。