植物多糖的新型提取分离技术应用进展

植物多糖的新型提取分离技术应用进展

石奇

(西安文理学院 化学工程学院，西安 710065)

摘要：植物多糖因具有抗肿瘤、增强免疫力、降血糖等多种生物活性而广受关注与研究.提取分离是多糖领域研究的基础.综述了植物多糖提取分离的六种新型技术:酶法,超声波,微波,超临界萃取,膜分离以及色谱分离,分析了它们的作用原理、主要影响因素和应用,并探讨了发展前景.

关键词：植物多糖；提取；分离；技术

中图分类号：TQ461文献标志码：A

文章编号：1008-5564(2015)03-0055-03

收稿日期：2015-03-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21402114)；宁夏自然科学基金资助项目(NZ13209；NZ14277)；宁夏高等学校科学研究项目(NGY2013109；宁教高【2014】222号)；宁夏师范学院重点科学研究项目(ZD2011002)

作者简介：陈怀军(1979—)，男，山东莱芜人，宁夏师范学院物理与信息技术学院讲师，博士，主要从事声学超构材料的设计与功能研究.

ApplicationProgressofNewExtractionandSeparationTechnologyforPlantPolysaccharides

SHIQi

(SchoolofChemicalEngineering,Xi’anUniversity,Xi’an710065,China)

Abstract：Plant polysaccharides had been attached importance to study for its anti-tumour, immunocompetence intensifier, lower glycemia and other biological activity. Extraction and separation are the basis of study in the field of polysaccharide. Six prevalent extraction technologies of plant polysaccharides such as enzymatic, ultrasonic, microwave, supercritical fluid extraction, membrane separation and chromatographic separation were described and the corresponding principles as well as the main influence factors and its application were also analyzed in this paper. Moreover the prospect of prevalent technologies of polysaccharides preparation was discussed.

Keywords：plantpolysaccharides;extraction;separation;technology

多糖是自然界中含量最丰富的生物聚合物，是多种中草药的有效成分之一，由10个以上单糖通过甙键连接而成，通常是上百乃至几千个单糖基组成的高分子化合物.近年来的大量研究表明，多糖具有抗肿瘤[1]、增强免疫[2]、抗氧化[3]、抗菌[4]、抗病毒[5]、降血糖[6]等生物功效.引发了学者对植物多糖展开新一轮的研发热潮，并取得了卓有成效的研究结果[7-9].为了获得较高生物活性的多糖，植物多糖的提取分离工作就成为相关研究工作的基础.

传统热水浸提法由于提取温度较高，时间较长，极易导致多糖生物活性降低；溶剂萃取法则存在溶剂回收困难、产物溶剂残留等问题.大部分含有丰富多糖的植物其细胞壁较厚，致使多糖难以从植物细胞中扩散出来等多种因素阻碍了植物多糖提取分离过程的进行.随着新型提取分离技术的不断出现和生命科学的不断发展，植物多糖的提取分离研究也迈入一个新的时代.

1酶解技术

酶参与到植物多糖的提取分离过程中，主要是利用酶促反应，借助酶的参与来降低提取过程的活化能，使整个提取活动在较低能量水平上进行，易于多糖从植物细胞中释放出来.鉴于不同酶参与提取的作用机理不同，以及植物结构和其所含各种生物活性成分含量的差异，结合文献研究，常见的酶解法可总结为：单酶法，复合酶法.单酶法就是根据植物自身的特点，遴选出一种酶参与提取过程.陈贵堂[10]在提取金针菇根部多糖时，采用单酶法，木瓜蛋白酶酶解82min时，温度52℃，不但提取时间缩短且提取效果远优于传统热水浸提法.蒋德旗等[11]在提取桂花多糖时，采用纤维素酶，桂花多糖的得率高达18.43%.单酶法的介入，在很大程度上提高了提取效率.为了极大限度地发挥酶解技术的效用，利用各种不同酶的协同作用，可以选用几种酶同时参与提取过程，这就是所谓的复合酶法.多糖被包裹于植物纤维中，植物中又往往含有蛋白质、果胶成分，使得其难以从细胞中扩散出来，因此在提取过程中，可以考虑采用纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶等酶的连用[12-13].张素斌等[14]研究竹荪中多糖的提取工艺，对比研究单酶法和复合酶法，研究结果表明：单酶法多糖提取率为10.35%，而复合酶法多糖提取率可提高0.92%.

无论是单酶法还是复合酶法，其本身都用的是纯酶，纯酶的介入会进一步增加植物多糖提取的成本费用，而混合酶(又称粗酶)价格较低，并且具有较宽的活性温度、pH值适用范围.例如，宁夏夏盛公司所生产的中性蛋白复合酶，其中还含有少量的纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶，利用多种酶相互之间产生的协同作用，可极大程度地提高植物多糖提取效率.笔者采用此种复合酶来提取大枣多糖，其应用效果显著，粗多糖纯度高达54.26%[15]，同时具有优异的生物活性.这种混合酶的应用，可以为植物多糖提取与分离的工业化发展提供技术支持.

2微波提取技术

近年来微波辅助技术已被用于植物有效成分的提取，它具有快速、高效的特点，在提取过程中能有效保护功能成分并能保证其充分溶出，符合热敏性物料的提取工艺[16].微波辅助提取的功率通常分为低、中、高等几个档次.在微波萃取过程中，所需的微波功率的确定应以最有效地萃取出目标成分为原则.微波一般选用功率为200～1 000W，频率为(0.2～30)×104MHz，微波辐射时间不可过长[17].韩秋菊[18]通过对比枸杞多糖的传统水提法和微波辅助法，得出微波辅助提取比传统水提法的效率高得多，微波单次提取时间为90s，而传统提取方法提取时间长达4h，且提取多糖的得率及多糖含量也较传统方法有所提高.张丽红等[19]采用微波技术辅助提取紫苏叶多糖，多糖的得率为3.99%，提取效果优于纤维素酶法提取紫苏叶多糖[20].

微波辅助提取技术的最大优点是加热效率高，提取时间短，能耗低，操作较为简单，但在高频微波场作用下，多糖提取过程较为剧烈，容易导致局部温度过高，对多糖的生物活性会有一定的影响，同时微波提取对提取溶剂也有选择性，需要溶剂必须是透明或半透明的[21]，在后续的研究中还需进一步改善和探讨.

3超声波提取技术

超声波法提取多糖类化合物的主要原理是利用超声波的空化效应增加溶剂穿透力，提高活性成分溶出速度和溶出次数[22].超声空化是指液体中的微小泡核在超声场作用下被激活，表现为泡核的振动、生长、收缩乃至气泡急剧崩溃闭合等一系列过程，这大大加速了提取过程[23].对于不同植物提取过程，影响多糖超声提取率的因素主要包括超声功率、超声时间、超声温度、液固比和超声频率[24].管骁[25]在豆粕水溶性多糖的提取过程中利用超声波提取法后，与传统单纯水提法[26]相比，料水比从20∶1降至4∶1，提取时间缩短了91.7%，同时大豆多糖得率提高了4.64%.彭川丛等[27]采用超声波辅助热水浸提香菇多糖研究中，与传统的热水煎煮工艺相比，采用超声波辅助热水浸提的方法提取，可使香菇多糖得率提高33.29%，提取能耗降低55.51%.

超声波提取技术可以有效缩短提取周期，减少溶剂用量，节约能源成本，但有研究表明[28-29]，超声技术参与后往往导致多糖具有低分子量化趋势，这主要与超声对多糖链的降解有关.因此，对于不同来源植物多糖的提取，在考虑多糖得率的前提下，还应进一步研究超声技术对多糖活性的影响.

4超临界萃取技术(SFE)

超临界萃取(SFE)是利用超临界状态，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性、沸点和分子量大小不同的成分依次萃取出来[30].目前，CO2作为普遍应用的超临界流体，其临界温度为31.1℃，临界压力为7.38MPa，临界条件容易实现.在超临界状态下，温度和压力参数的变化对CO2流体的溶剂强度影响较大[31]，因此，在植物多糖的提取过程中可以通过改变温度和压力条件使植物多糖的溶解度发生变化，进而分离出来，最终达到分离提取的目的.李哗[32]在采用SFE-CO2萃取处理灰树花后，SFE-CO2萃取法所得灰树花多糖得率为7.38%，多糖纯度为44.21%，其纯度约为热水浸提法的2倍.任美玲等[33]采用SFE-CO2提取竹叶中的多糖，竹叶多糖得率在4.283%～6.816%之间，与周跃斌[34]在研究毛竹叶多糖时所采用的水提法、超声波提取和微波3种提取方法相比较，其提取效果远远优于后者.

由于SFE在接近室温下进行，能同时完成萃取和分离两步操作，过程中不使用有机溶剂，产物无溶剂残留，因此与传统的提取方法相比，具有多糖产物生物活性高、过程分离效率高、操作周期短、萃取速率快、工艺简单容易掌握、选择性易于调节等优点[35]，与此同时，由于该技术参与提取过程涉及较高压力，大规模工业化应用时其对生产技术要求较高，设备费用较大也成为该法的最大弊端.

5膜分离技术(MST)

MST与多糖提取液的真空浓缩法相比，能耗少、条件温和、操作简单，尤其是分离所得多糖含量高于真空浓缩法[41].该技术的参与提高了植物多糖的品质，实现了多糖进一步分离与纯化目的.目前，由于活性多糖一般属于大分子化合物，很多还具有黏性，在膜分离操作过程中容易造成膜污染和堵塞[37]，因此一些新型技术例如超频震动膜过滤技术有望加入到该研究中，将植物多糖的膜分离纯化工作引入一个新的高度.

6色谱分离技术

色谱分离技术是分离复杂混合物中各个组分的有效方法之一，能够分离出物化性能有差别的化合物，尤其当被分离组分的性质较为接近，而其他分离技术很难或根本无法应用时，色谱分离技术就显示出其突出的优越性[42].色谱分离技术目前主要应用于植物多糖的提纯方面，其依靠植物粗多糖中各组分的物化性质的差异，及其在两相之间分布和流动速度的差异而达到分离的目的，常见的色谱分离方法有径向流色谱法、高速逆流色谱法、凝胶色谱法和离子交换色谱法.径向流色谱法采用径向流动技术，即通过流动相携带被分离样品沿径向移动，不同于流体在色谱柱内沿轴向从一端流向另一端的传统轴向色谱法，径向流动方式使得过程操作压力降低，线性放大容易，分离效率较高.魏海龙等[43]在分离纯化茯苓菌丝多糖时采用径向流色谱法分离工艺，多糖回收率达到83.26%，比传统轴向色谱分离效率高，时间短，同样，香菇多糖在应用径向流色谱法分离工艺时，达到相同浓度、相同上样量时，径向色谱分离20min内即可完成整个分离过程，多糖回收率可达84.32%，而传统轴向色谱分离方法完成同样过程需耗时115min[44].高速逆流色谱是一种连续液-液分配色谱技术，它利用样品在两种互不相溶的溶剂系统中分配系数的不同，从而实现样品分离.蒋志国等[45]利用高速逆流色谱成功分离香菇多糖粗品，得到LenⅠ，LenⅡ两种香菇多糖组分，研究结果显示高速逆流色谱作为新型分离技术，对植物多糖分离纯化具有很大的优势，纯化产品损失小.在对苦瓜多糖进行分离纯化时[46]，采用SuperdexG-100凝胶柱色谱分离可得到平均分子量为93 577D的MCP-A1纯组分.陈小强等[47]以低档龙井绿茶为原料提取的茶叶粗多糖，经过DEAE-纤维素DE-52柱离子交换色谱纯化后分离出TPS-Ⅰ、TPS-Ⅱ和TPS-Ⅲ3种中性茶多糖.

色谱分离技术参与植物多糖分离过程效率高，灵敏度强，选择性好，是分离纯化植物多糖过程中切实有效的方法，但由于一些天然植物组成极其复杂，单靠一种色谱分离技术不能很好满足生产和实验的需要，多个色谱技术的联用将是推动植物多糖分离纯化的可发展方向之一.

7展望

目前，各种新型分离技术在不同程度上都可改善植物多糖的提取与分离工艺，而且由于多糖的来源与分子结构的不同，其在提取与分离的过程中所发挥的作用也有所差异.近年来，随着交叉科学的发展，研究工作者正试图采用多种分离技术共同参与到植物多糖的提取与分离过程中，让技术之间相互增效，产生协同作用，最终彻底解决植物多糖提取工艺存在溶剂消耗大、提取周期长、效率不高和产品活性不好的问题，使多糖制备向高效节能、绿色环保的可持续方向发展，不断探索和完善的提取与分离技术，将会推动植物多糖研发工作上升到前所未有的高度.

[参考文献]

[1]彭梅,唐健波,肖雄,等.提取方法对仙茅多糖提取率及抗肿瘤活性的影响[J].中成药,2014,36(9):1985-1988.

[2]宫春宇,郑玉萍,胡清秀,等.黄伞多糖的提取、纯化及增强免疫力功能研究[J].食品科技,2013,38(4):195-199.

[3]吴彦.升麻多糖提取及其抗氧化作用[J].光谱实验室,2013,30(5):2444-2446.

[4]于莲,张俊婷,马淑霞.山药多糖提取工艺优化及其抗菌活性研究[J].中成药,2014,36(6):1994-1998.

[5]罗振宇,陈薪研,王小燕,等.孔石莼抗病毒蛋白多糖的提取分离及抗柯萨奇病毒B3活性[J].时珍国医国药,2010,21(5):1090-1093.

[6]张宽朝,马皖燕,文汉.油茶籽多糖降血糖作用的初步研究[J].食品工业科技,2014,35(2):337-340.

[7]严春艳,华雨蕾,黎乃生,等.薄树芝多糖提取工艺优化及抗氧化活性研究[J].中药材,2013,36(5):825-827.

[8]李敏杰,熊亚,韩何波.白灵菇多糖提取工艺优化[J].食品与机械,2014,30(5):225-228.

[9]金芬芬,金锡妓,杨惠鑫,等.不同提取方法对黄茂多糖提取率影响的实验研究[J].中华中医药学刊,2013,31(10):2136-2137.

[10]陈贵堂,赵立艳,刘玮,等.响应面优化酶法辅助提取金针菇根部多糖的工艺研究[J].食品工业科技,2013,34(24):209-213.

[11]蒋德旗,黄利敏,王艳.响应面优化纤维素酶法提取桂花多糖工艺及其抗氧活性研究[J].食品工业科技,2015,35(2):271-276.

[12]周瑶,毛淑红,孙祺,等.茶树菇多糖提取的复合酶制剂筛选及工艺研究[J].食品研究与开发,2013,34(2):73-76.

[13]尚喜雨.水提法·酶法提取铁皮石斛多糖的比较研究[J].安徽农业科学,2010,38(18):9787-9788.

[14]张素斌,蔡丽燕.不同方法对虫草花多糖提取效果的研究[J].北方园艺,2015(3):119-122.

[15]石奇,樊君,石异.中性蛋白复合酶法提取大枣多糖的研究[J].时珍国医国药,2009,20(1):7-8.

[16]马长雨,杨悦武.微波萃取在中药提取和分析中的应用[J].中草药,2004,35(11):7-10.

[17]张素萍,吕颐抗.中药制药工艺与设备[M].北京:化学工业出版社,2005:104-105.

[18]韩秋菊,马宏飞.两种提取枸杞多糖方法的比较研究[J].化学与生物工程,2012,29(5):64-66.

[19]张丽红,谢三都,沈萃.微波技术辅助紫苏叶多糖提取工艺优化[J].中国农学通报,2014,30(15):305-309.

[20]吕长鑫,李萌萌,徐晓明,等.响应面分析法优化纤维素酶提取紫苏多糖工艺[J].食品科学,2013,34(2):6-10.

[21]张英,俞卓裕,吴晓琴.中草药和天然植物有效成分提取新技术—微波协助萃取[J].中国中药杂志,2004,29(2):104-108.

[22]HROMDZ,EBRINGEROVA,VALACHOVICP.Comparisonofclassicalandultrasound-assistedextractionofpolysaccharidesfromSalviaofficinalisL[J].UltrasonSonochem，1999,5(4):163-168.

[23]KNORRD,ZENKERM,HEINZV，etal.Applicationsandpotentialofultrasonicsinfoodprocessing[J].TrendsFoodScience&Technology,2004,15:261-266.

[24]洪胜,潘利华,罗建平.生物多糖超声波辅助提取研究进展[J].食品工业科技,2011,32(8):481-484.

[25]管骁,陈姿含.低温豆粕中水溶性多糖的超声萃取技术研究[J].大豆科学,2013,32(6):825-829.

[26]陈红,张波,刘秀奇,等.超声波辅助提取水溶性大豆多糖及纯化工艺[J].食品科学,2011,32(6):139-142.

[27]彭川丛,孔静,游丽君,等.超声波辅助热水浸提香菇多糖响应面优化工艺及其抗氧化活性的研究[J].现代食品科技,2011,27(4):452-456.

[28]OHSH，AHNJ，KANGDH，etal.Theeffectofultrasonificatedextractsofspirulinamaximaontheanticanceractivity[J].MarineBiotechnology,2011,13(2):205-214.

[29]黄永春,马月飞,谢清若,等.超声波辅助提取茶多糖及其分子量变化的研究[J].食品科学,2007,28(7):170-173.

[30]王莹.超临界萃取在中药提取中的应用于发展[J].中医临床研究,2011,3(9):101.

[31]程健,申文忠,刘以红.天然产物超临界CO2萃取[M].北京:中国石化出版社,2009.

[32]李哗.超临界CO2提取灰树花中多糖的研究[J].食用菌,2014(2):61-62.

[33]任美玲,吕兆林,欧阳呓林,等.气相色谱柱前衍生化测定竹叶多糖超临界CO2提取物[J].食品科学,2012，33(6):215-219.

[34]周跃斌,王伟.竹叶多糖提取条件的优化[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2006,32(2):206-209.

[35]刘永静,刘巧,于丽丽,等.超临界流体萃取技术在中药分离分析中的应用进展[J].福建中医学院学报,2008,18(2):60-62.

[36]徐龙泉,彭黔荣,杨敏,等.膜分离技术在中药生产及研究中的应用进展[J].中成药,2013,35(9):1989-1994.

[37]张庆雷,周宏兵.膜分离技术及其在多糖分离纯化研究中的应用[J].食品与药品,2009,11(5):60-62.

[38]杨婕,徐桂香,黄多希,等.膜分离赣南黑灵芝多糖的研究[J].江西中医药,2014,45(384):65-66.

[39]陈智,陈凯,田景振.冻融-酶解-膜分离复合技术纯化板蓝根多糖的工艺优选[J].中国实验方剂学杂志,2013,19(14):42-44.

[40]周家容,田允波,侯轩.超滤膜分离白术多糖及其抗氧化活性的研究[J].西南大学学报(自然科学版),2009,31(4):79-82.

[41]杨宁,赵谋明,崔春,等.仙人掌多糖的超滤膜分离提取及其影响因素[J].华南理工大学学报(自然科学版),2007,35(4):42-45.

[42]陈佑宁.色谱分离技术及其应用研究进展[J].广州化工,2013,41(12):19-21.

[43]魏海龙,贺亮,甘庆军,等.茯苓菌丝体多糖径向流色谱分离参数优化[J].浙江林业科技,2011,31(2):1-5.

[44]程俊文,贺亮,吴学谦,等.香菇多糖径向流色谱分离工艺条件优化[J].中国林副特产,2011,4(2):1-3.

[45]蒋志国,杜琪珍,盛利燚.制备型高速逆流色谱分离纯化香菇多糖[J].分析化学研究简报,2009,37(3):412-416.

[46]刘国凌,宁正祥,郭红辉.苦瓜果实中多糖的分离纯化及性质分析[J].食品科学,2010,31(3):30-34.

[47]陈小强,成浩,叶阳,等.茶多糖纯化组分的理化分析[J].中草药,2008,39(6):828-830.

[责任编辑马云彤]

Vol.18No.3Jul.2015