植物多糖的新型提取分離技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

石奇

(西安文理學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，西安 710065)

摘要：植物多糖因具有抗腫瘤、增強(qiáng)免疫力、降血糖等多種生物活性而廣受關(guān)注與研究.提取分離是多糖領(lǐng)域研究的基礎(chǔ).綜述了植物多糖提取分離的六種新型技術(shù):酶法,超聲波,微波,超臨界萃取,膜分離以及色譜分離,分析了它們的作用原理、主要影響因素和應(yīng)用,并探討了發(fā)展前景.

關(guān)鍵詞：植物多糖；提取；分離；技術(shù)

中圖分類號：TQ461文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-5564(2015)03-0055-03

收稿日期：2015-03-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21402114)；寧夏自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NZ13209；NZ14277)；寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NGY2013109；寧教高【2014】222號)；寧夏師范學(xué)院重點(diǎn)科學(xué)研究項(xiàng)目(ZD2011002)

作者簡介：陳懷軍(1979—)，男，山東萊蕪人，寧夏師范學(xué)院物理與信息技術(shù)學(xué)院講師，博士，主要從事聲學(xué)超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)與功能研究.

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豐富的生物聚合物，是多種中草藥的有效成分之一，由10個以上單糖通過甙鍵連接而成，通常是上百乃至幾千個單糖基組成的高分子化合物.近年來的大量研究表明，多糖具有抗腫瘤[1]、增強(qiáng)免疫[2]、抗氧化[3]、抗菌[4]、抗病毒[5]、降血糖[6]等生物功效.引發(fā)了學(xué)者對植物多糖展開新一輪的研發(fā)熱潮，并取得了卓有成效的研究結(jié)果[7-9].為了獲得較高生物活性的多糖，植物多糖的提取分離工作就成為相關(guān)研究工作的基礎(chǔ).

傳統(tǒng)熱水浸提法由于提取溫度較高，時間較長，極易導(dǎo)致多糖生物活性降低；溶劑萃取法則存在溶劑回收困難、產(chǎn)物溶劑殘留等問題.大部分含有豐富多糖的植物其細(xì)胞壁較厚，致使多糖難以從植物細(xì)胞中擴(kuò)散出來等多種因素阻礙了植物多糖提取分離過程的進(jìn)行.隨著新型提取分離技術(shù)的不斷出現(xiàn)和生命科學(xué)的不斷發(fā)展，植物多糖的提取分離研究也邁入一個新的時代.

1酶解技術(shù)

酶參與到植物多糖的提取分離過程中，主要是利用酶促反應(yīng)，借助酶的參與來降低提取過程的活化能，使整個提取活動在較低能量水平上進(jìn)行，易于多糖從植物細(xì)胞中釋放出來.鑒于不同酶參與提取的作用機(jī)理不同，以及植物結(jié)構(gòu)和其所含各種生物活性成分含量的差異，結(jié)合文獻(xiàn)研究，常見的酶解法可總結(jié)為：單酶法，復(fù)合酶法.單酶法就是根據(jù)植物自身的特點(diǎn)，遴選出一種酶參與提取過程.陳貴堂[10]在提取金針菇根部多糖時，采用單酶法，木瓜蛋白酶酶解82min時，溫度52℃，不但提取時間縮短且提取效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)熱水浸提法.蔣德旗等[11]在提取桂花多糖時，采用纖維素酶，桂花多糖的得率高達(dá)18.43%.單酶法的介入，在很大程度上提高了提取效率.為了極大限度地發(fā)揮酶解技術(shù)的效用，利用各種不同酶的協(xié)同作用，可以選用幾種酶同時參與提取過程，這就是所謂的復(fù)合酶法.多糖被包裹于植物纖維中，植物中又往往含有蛋白質(zhì)、果膠成分，使得其難以從細(xì)胞中擴(kuò)散出來，因此在提取過程中，可以考慮采用纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶等酶的連用[12-13].張素斌等[14]研究竹蓀中多糖的提取工藝，對比研究單酶法和復(fù)合酶法，研究結(jié)果表明：單酶法多糖提取率為10.35%，而復(fù)合酶法多糖提取率可提高0.92%.

無論是單酶法還是復(fù)合酶法，其本身都用的是純酶，純酶的介入會進(jìn)一步增加植物多糖提取的成本費(fèi)用，而混合酶(又稱粗酶)價格較低，并且具有較寬的活性溫度、pH值適用范圍.例如，寧夏夏盛公司所生產(chǎn)的中性蛋白復(fù)合酶，其中還含有少量的纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶，利用多種酶相互之間產(chǎn)生的協(xié)同作用，可極大程度地提高植物多糖提取效率.筆者采用此種復(fù)合酶來提取大棗多糖，其應(yīng)用效果顯著，粗多糖純度高達(dá)54.26%[15]，同時具有優(yōu)異的生物活性.這種混合酶的應(yīng)用，可以為植物多糖提取與分離的工業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)支持.

2微波提取技術(shù)

近年來微波輔助技術(shù)已被用于植物有效成分的提取，它具有快速、高效的特點(diǎn)，在提取過程中能有效保護(hù)功能成分并能保證其充分溶出，符合熱敏性物料的提取工藝[16].微波輔助提取的功率通常分為低、中、高等幾個檔次.在微波萃取過程中，所需的微波功率的確定應(yīng)以最有效地萃取出目標(biāo)成分為原則.微波一般選用功率為200～1 000W，頻率為(0.2～30)×104MHz，微波輻射時間不可過長[17].韓秋菊[18]通過對比枸杞多糖的傳統(tǒng)水提法和微波輔助法，得出微波輔助提取比傳統(tǒng)水提法的效率高得多，微波單次提取時間為90s，而傳統(tǒng)提取方法提取時間長達(dá)4h，且提取多糖的得率及多糖含量也較傳統(tǒng)方法有所提高.張麗紅等[19]采用微波技術(shù)輔助提取紫蘇葉多糖，多糖的得率為3.99%，提取效果優(yōu)于纖維素酶法提取紫蘇葉多糖[20].

微波輔助提取技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是加熱效率高，提取時間短，能耗低，操作較為簡單，但在高頻微波場作用下，多糖提取過程較為劇烈，容易導(dǎo)致局部溫度過高，對多糖的生物活性會有一定的影響，同時微波提取對提取溶劑也有選擇性，需要溶劑必須是透明或半透明的[21]，在后續(xù)的研究中還需進(jìn)一步改善和探討.

3超聲波提取技術(shù)

超聲波法提取多糖類化合物的主要原理是利用超聲波的空化效應(yīng)增加溶劑穿透力，提高活性成分溶出速度和溶出次數(shù)[22].超聲空化是指液體中的微小泡核在超聲場作用下被激活，表現(xiàn)為泡核的振動、生長、收縮乃至氣泡急劇崩潰閉合等一系列過程，這大大加速了提取過程[23].對于不同植物提取過程，影響多糖超聲提取率的因素主要包括超聲功率、超聲時間、超聲溫度、液固比和超聲頻率[24].管驍[25]在豆粕水溶性多糖的提取過程中利用超聲波提取法后，與傳統(tǒng)單純水提法[26]相比，料水比從20∶1降至4∶1，提取時間縮短了91.7%，同時大豆多糖得率提高了4.64%.彭川叢等[27]采用超聲波輔助熱水浸提香菇多糖研究中，與傳統(tǒng)的熱水煎煮工藝相比，采用超聲波輔助熱水浸提的方法提取，可使香菇多糖得率提高33.29%，提取能耗降低55.51%.

超聲波提取技術(shù)可以有效縮短提取周期，減少溶劑用量，節(jié)約能源成本，但有研究表明[28-29]，超聲技術(shù)參與后往往導(dǎo)致多糖具有低分子量化趨勢，這主要與超聲對多糖鏈的降解有關(guān).因此，對于不同來源植物多糖的提取，在考慮多糖得率的前提下，還應(yīng)進(jìn)一步研究超聲技術(shù)對多糖活性的影響.

4超臨界萃取技術(shù)(SFE)

超臨界萃取(SFE)是利用超臨界狀態(tài)，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，使其有選擇性地把極性、沸點(diǎn)和分子量大小不同的成分依次萃取出來[30].目前，CO2作為普遍應(yīng)用的超臨界流體，其臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.38MPa，臨界條件容易實(shí)現(xiàn).在超臨界狀態(tài)下，溫度和壓力參數(shù)的變化對CO2流體的溶劑強(qiáng)度影響較大[31]，因此，在植物多糖的提取過程中可以通過改變溫度和壓力條件使植物多糖的溶解度發(fā)生變化，進(jìn)而分離出來，最終達(dá)到分離提取的目的.李嘩[32]在采用SFE-CO2萃取處理灰樹花后，SFE-CO2萃取法所得灰樹花多糖得率為7.38%，多糖純度為44.21%，其純度約為熱水浸提法的2倍.任美玲等[33]采用SFE-CO2提取竹葉中的多糖，竹葉多糖得率在4.283%～6.816%之間，與周躍斌[34]在研究毛竹葉多糖時所采用的水提法、超聲波提取和微波3種提取方法相比較，其提取效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者.

由于SFE在接近室溫下進(jìn)行，能同時完成萃取和分離兩步操作，過程中不使用有機(jī)溶劑，產(chǎn)物無溶劑殘留，因此與傳統(tǒng)的提取方法相比，具有多糖產(chǎn)物生物活性高、過程分離效率高、操作周期短、萃取速率快、工藝簡單容易掌握、選擇性易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[35]，與此同時，由于該技術(shù)參與提取過程涉及較高壓力，大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用時其對生產(chǎn)技術(shù)要求較高，設(shè)備費(fèi)用較大也成為該法的最大弊端.

5膜分離技術(shù)(MST)

MST與多糖提取液的真空濃縮法相比，能耗少、條件溫和、操作簡單，尤其是分離所得多糖含量高于真空濃縮法[41].該技術(shù)的參與提高了植物多糖的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了多糖進(jìn)一步分離與純化目的.目前，由于活性多糖一般屬于大分子化合物，很多還具有黏性，在膜分離操作過程中容易造成膜污染和堵塞[37]，因此一些新型技術(shù)例如超頻震動膜過濾技術(shù)有望加入到該研究中，將植物多糖的膜分離純化工作引入一個新的高度.

6色譜分離技術(shù)

色譜分離技術(shù)是分離復(fù)雜混合物中各個組分的有效方法之一，能夠分離出物化性能有差別的化合物，尤其當(dāng)被分離組分的性質(zhì)較為接近，而其他分離技術(shù)很難或根本無法應(yīng)用時，色譜分離技術(shù)就顯示出其突出的優(yōu)越性[42].色譜分離技術(shù)目前主要應(yīng)用于植物多糖的提純方面，其依靠植物粗多糖中各組分的物化性質(zhì)的差異，及其在兩相之間分布和流動速度的差異而達(dá)到分離的目的，常見的色譜分離方法有徑向流色譜法、高速逆流色譜法、凝膠色譜法和離子交換色譜法.徑向流色譜法采用徑向流動技術(shù)，即通過流動相攜帶被分離樣品沿徑向移動，不同于流體在色譜柱內(nèi)沿軸向從一端流向另一端的傳統(tǒng)軸向色譜法，徑向流動方式使得過程操作壓力降低，線性放大容易，分離效率較高.魏海龍等[43]在分離純化茯苓菌絲多糖時采用徑向流色譜法分離工藝，多糖回收率達(dá)到83.26%，比傳統(tǒng)軸向色譜分離效率高，時間短，同樣，香菇多糖在應(yīng)用徑向流色譜法分離工藝時，達(dá)到相同濃度、相同上樣量時，徑向色譜分離20min內(nèi)即可完成整個分離過程，多糖回收率可達(dá)84.32%，而傳統(tǒng)軸向色譜分離方法完成同樣過程需耗時115min[44].高速逆流色譜是一種連續(xù)液-液分配色譜技術(shù)，它利用樣品在兩種互不相溶的溶劑系統(tǒng)中分配系數(shù)的不同，從而實(shí)現(xiàn)樣品分離.蔣志國等[45]利用高速逆流色譜成功分離香菇多糖粗品，得到LenⅠ，LenⅡ兩種香菇多糖組分，研究結(jié)果顯示高速逆流色譜作為新型分離技術(shù)，對植物多糖分離純化具有很大的優(yōu)勢，純化產(chǎn)品損失小.在對苦瓜多糖進(jìn)行分離純化時[46]，采用SuperdexG-100凝膠柱色譜分離可得到平均分子量為93 577D的MCP-A1純組分.陳小強(qiáng)等[47]以低檔龍井綠茶為原料提取的茶葉粗多糖，經(jīng)過DEAE-纖維素DE-52柱離子交換色譜純化后分離出TPS-Ⅰ、TPS-Ⅱ和TPS-Ⅲ3種中性茶多糖.

色譜分離技術(shù)參與植物多糖分離過程效率高，靈敏度強(qiáng)，選擇性好，是分離純化植物多糖過程中切實(shí)有效的方法，但由于一些天然植物組成極其復(fù)雜，單靠一種色譜分離技術(shù)不能很好滿足生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)的需要，多個色譜技術(shù)的聯(lián)用將是推動植物多糖分離純化的可發(fā)展方向之一.

7展望

目前，各種新型分離技術(shù)在不同程度上都可改善植物多糖的提取與分離工藝，而且由于多糖的來源與分子結(jié)構(gòu)的不同，其在提取與分離的過程中所發(fā)揮的作用也有所差異.近年來，隨著交叉科學(xué)的發(fā)展，研究工作者正試圖采用多種分離技術(shù)共同參與到植物多糖的提取與分離過程中，讓技術(shù)之間相互增效，產(chǎn)生協(xié)同作用，最終徹底解決植物多糖提取工藝存在溶劑消耗大、提取周期長、效率不高和產(chǎn)品活性不好的問題，使多糖制備向高效節(jié)能、綠色環(huán)保的可持續(xù)方向發(fā)展，不斷探索和完善的提取與分離技術(shù)，將會推動植物多糖研發(fā)工作上升到前所未有的高度.

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[責(zé)任編輯馬云彤]

Vol.18No.3Jul.2015