超聲輔助提取枸杞多糖的研究進(jìn)展

李冬梅，杭方學(xué)，陸海勤，謝彩鋒，李　凱，張麗超（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004）

超聲輔助提取枸杞多糖的研究進(jìn)展

李冬梅，杭方學(xué)，陸海勤*，謝彩鋒，李凱，張麗超
（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004）

枸杞多糖作為枸杞最主要的生物活性物質(zhì)，具有抗氧化、抗腫瘤、護(hù)肝、降血糖、調(diào)節(jié)免疫等生理功能，對于預(yù)防和治療一些慢性疾病有很好的療效。超聲提取技術(shù)作為一種省時、節(jié)能、高效的提取方法，在植物多糖的提取領(lǐng)域也收到了廣泛關(guān)注。本文就超聲提取技術(shù)在枸杞多糖提取中的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，對目前存在的問題也進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

枸杞多糖，超聲提取，生物活性

枸杞，一種茄屬落葉灌木，主要生長在中國西北部干旱和半干旱地區(qū)、歐洲東南部和地中海區(qū)域。它的果實(shí)枸杞子在中國作為一種傳統(tǒng)的中藥和滋補(bǔ)食品已有2500多年的歷史［1-4］。現(xiàn)代藥理研究證實(shí)，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］、抗腫瘤［6］、抗衰老［7］、降血壓［8］、降血脂［9］、抗疲勞［10］、調(diào)節(jié)免疫［11］、增強(qiáng)新陳代謝［12］等特殊的保健功能。對于預(yù)防和治療一些慢性疾病，如糖尿病、高血脂、血栓、免疫功能缺陷、癌癥、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學(xué)結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量及分子構(gòu)象來決定［14］。枸杞多糖（LBP）的分子量在10～2300 ku之間，主要由6種單糖組成，分別是葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、核糖［15］。除此之外，LBP還含有半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸和18種氨基酸。LBP的鏈結(jié)構(gòu)是由各種單糖通過糖苷鍵相連接，主要的糖苷鍵有β-1，3-、β-1，4-、β-1，6-、α-1，6-、α-1，4-苷鍵［16-17］。秦小明等［18］對分離純化得到的3種冷水可溶性枸杞多糖和4種熱水可溶性枸杞多糖進(jìn)行分析，得出LBP為一種高度分支構(gòu)造的阿拉伯聚糖，并且其糖鏈具有高度分支的梳妝結(jié)構(gòu)。它的骨骼是β-（3，6）-半乳糖，由阿拉伯糖組成的寡糖支鏈少量的非還原末端阿拉伯糖、巖藻糖、鼠李糖、木糖、甘露糖和半乳糖醛酸等結(jié)合在骨架上。

1　超聲輔助提取枸杞多糖

1.1超聲輔助提取植物多糖的發(fā)展簡介

近年來超聲輔助提取植物多糖（尤其是中草藥多糖）的技術(shù)已取得快速發(fā)展。有資料記載，最早將超聲波用于植物活性成分的提取是在1952年，W.Specht等對超聲輔助水提法和傳統(tǒng)熱水提取法提取啤酒花活性成分進(jìn)行了對比，結(jié)果表明運(yùn)用超聲提取的啤酒花活性高，可使啤酒生產(chǎn)過程中的啤酒花使用量減少30%～40%［19］。隨著超聲設(shè)備的發(fā)展和改進(jìn)，超聲技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于各種植物多糖的提取中。1998年，于淑娟等［20］采用超聲波協(xié)助纖維素酶法提取靈芝多糖，該法與普通方法相比，水解效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，同時還能大大縮短提取時間，并使反應(yīng)條件更加溫和。1999年，Z.Hromadkova等［21］對超聲輔助酒精水溶液提取鼠尾草多糖的結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)證明超聲的應(yīng)用顯著增強(qiáng)了鼠尾草多糖的提取效率，提高了原料的利用率。至此以后，超聲輔助提取開始快速發(fā)展，被用于各種活性多糖的提取中。Li J等［22］對比了傳統(tǒng)方法和超聲輔助提取法提取酸棗多糖的抗氧化生理活性，實(shí)驗(yàn)表明與傳統(tǒng)方法相比，超聲輔助提取法獲得的酸棗多糖的產(chǎn)量提高了27.6%，且具有更強(qiáng)的自由基清除能力和鐵離子還原能力。大量的實(shí)驗(yàn)和研究表明，超聲輔助提取可以有效縮短提取時間，提高提取效率［23］。超聲波提取技術(shù)是集物理系、化學(xué)和工程學(xué)于一體的一門綜合技術(shù)，將超聲波應(yīng)用于提取植物的有效成分，操作簡單快捷，無需加熱，提取率高，速度快，效果好，且結(jié)構(gòu)未被破壞，顯示出明顯的優(yōu)勢［24］。與傳統(tǒng)方法相比，超聲提取具有省時、節(jié)能、雜質(zhì)少、提取率高等優(yōu)點(diǎn)［25］。

1.2超聲輔助提取植物多糖的作用機(jī)理

大多數(shù)的植物多糖都存在于植物細(xì)胞內(nèi)，因此植物多糖提取過程主要包含兩個物理現(xiàn)象：細(xì)胞膜的通透性增大，多糖從細(xì)胞膜中滲出；細(xì)胞膜破裂后多糖從細(xì)胞中流出。如圖1，超聲對這兩個現(xiàn)象都有顯著的影響。首先，超聲作為一種彈性機(jī)械波，在溶劑中傳播時可以加強(qiáng)溶劑分子的運(yùn)動，從而加速溶質(zhì)在溶劑中的傳質(zhì)速度；同時，超聲空化產(chǎn)生的湍動效應(yīng)還可以減小兩相間邊界層的厚度，從而加速植物細(xì)胞中多糖在溶劑中的溶解和擴(kuò)散。分子振動產(chǎn)生的能量被溶劑吸收轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼臒崮埽梢允贵w系的溫度升高，進(jìn)一步加快溶質(zhì)在溶劑中的擴(kuò)散和傳遞速度。超聲空化產(chǎn)生的微射流和沖擊波可以加速細(xì)胞壁的破裂，同時提高細(xì)胞膜的通透性和穿透力，加速多糖從植物細(xì)胞中的滲出速度。而現(xiàn)有的機(jī)械破碎細(xì)胞法很難對植物細(xì)胞進(jìn)行有效的破碎，化學(xué)破碎法容易造成被提取物結(jié)構(gòu)性質(zhì)等的變化而使提取物失去活性，因而難以取得理想的效果［26］。除此之外，對于從干燥的原料中提取植物多糖，超聲還可以加速植物細(xì)胞的吸水膨脹過程和水合過程，進(jìn)而加速細(xì)胞的破裂和可溶性多糖的溶出。同時，實(shí)驗(yàn)表明，低頻率超聲波具有更好的組織破碎能力［27］。

圖1　胞內(nèi)多糖提取過程的示意圖Fig.1　Diagram of the process of intracellular polysaccharides extraction

2　超聲輔助提取枸杞多糖

國內(nèi)目前提取枸杞多糖的方法一般有水提法、發(fā)酵法、微波法、超聲輔助法、堿液提取法、超臨界CO2萃取法和酶提取法等［28］。其中，超聲提取法具有很大的優(yōu)越性。超聲在液體介質(zhì)中可以產(chǎn)生特有的空化作用［29］，能破壞植物細(xì)胞的細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)的生物活性物質(zhì)更容易被提取出來，加上超聲波傳播過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動、微射流、微聲流等多極效應(yīng)，能夠更充分地提取植物中的有效成分［30-31］。

2.1超聲輔助水提法提取枸杞多糖

超聲輔助水提法是最常用也是最節(jié)約成本的提取方法之一。與常規(guī)水提法相比，具有耗能少，提取率高，操作時間短，提取溫度低，有效成分破壞少及提取結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在提取枸杞多糖中具有很大的推廣意義［32-33］。超聲輔助水提法提取枸杞多糖主要是利用超聲作用過程中產(chǎn)生的空化作用。超聲空化引起了湍動效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)、聚能效應(yīng)。其中湍動效應(yīng)可以使物料與水的邊界層厚度減薄，增大傳質(zhì)速率；微擾效應(yīng)可以強(qiáng)化微孔擴(kuò)散，增加植物細(xì)胞細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的通透性，從而加快多糖的滲出速度；界面效應(yīng)增大了傳質(zhì)表面積；從而在整體上強(qiáng)化了枸杞多糖提取過程的傳質(zhì)速率和效率［34］。

孫漢文等［35］應(yīng)用超聲波輔助水提取枸杞多糖的工藝，用正交設(shè)計和單因素實(shí)驗(yàn)方法考察了提取溫度、時間、料液比對提取率的影響。實(shí)驗(yàn)表明超聲水提法提取的初始溫度以室溫為宜，而無超聲輔助水提法提取工藝的提取溫度在90～100℃［36-38］。因此，超聲輔助水提可大大地降低了提取時的溫度，從而降低了提取時對能量的消耗，同時避免了由于溫度過高而使枸杞多糖中的生物活性物質(zhì)喪失活性或活性降低。此實(shí)驗(yàn)采取四次提取的方法，每次提取超聲作用時間為20 min，料液比為1∶3。整個實(shí)驗(yàn)過程中，所用的提取時間為80 min，料液比為1∶12。通過與無超聲條件下的提取工藝進(jìn)行對比［37-38］，可發(fā)現(xiàn)，超聲輔助水提能夠縮短提取時間，減少提取過程中溶劑的使用量，降低提取溫度，但是對超聲輔助提取獲得的枸杞多糖的穩(wěn)定性和生物活性，還缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)說明，目前缺少相關(guān)的證據(jù)來說明超聲輔助水提法獲得的枸杞多糖生物活性和穩(wěn)定性更好。嚴(yán)成等［39］分別用浸泡水提取法、超聲輔助水提取法、微波輔助水法提取枸杞多糖，結(jié)果表明超聲輔助提取法不僅縮短了提取時間，降低了提取中的料液比，同時提高了提取效率。

2.2超聲輔助酶法提取枸杞多糖

超聲輔助酶法提取枸杞多糖更大程度地降低了提取所需的時間和提取溫度，并且提取物的產(chǎn)量也有了很大程度的提高。在纖維素酶或木瓜蛋白酶提取的基礎(chǔ)上添加超聲作用，可以更大程度地破壞植物組織的細(xì)胞壁，加速細(xì)胞的破裂，從而加速胞內(nèi)多糖的溶出。這是由于在反應(yīng)體系中，酶與植物組織細(xì)胞分別處于兩相中，酶對細(xì)胞壁產(chǎn)生分解作用時必須要通過邊界層，當(dāng)添加超聲后，超聲空化產(chǎn)生的湍動效應(yīng)可以減小邊界層的厚度［40］，加快酶與細(xì)胞壁的反應(yīng)速度；同時，超聲產(chǎn)生的機(jī)械振動，增大了破碎的植物組織在溶劑中的分散性和懸浮性，進(jìn)而增大了酶與植物組織細(xì)胞的接觸面積，從而提高了酶對植物組織細(xì)胞壁的降解速度。

Liu Y等［41］用超聲輔助纖維素酶提取枸杞中的水溶性多糖，并通過響應(yīng)面的方法對提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，用超聲輔助纖維素酶提取水溶性枸杞多糖是一種省時、高效的提取技術(shù)，可以大幅度提高提取物的產(chǎn)量。與水提法相比，超聲輔助纖維素酶提取時間短，僅需20 min，而水提法需要180 min；提取溫度低，超聲輔助酶法的提取溫度為56℃，而水提溫度為80℃；提取率高，超聲輔助酶法提取率為6.32%，而水提法提取率為3.88%，提高了62.89%；與雙酶法（木瓜蛋白酶-纖維素酶）［37］相比，超聲輔助單酶法同樣大幅度地縮短了提取時間，從91 min縮短到20 min；提取溫度也從60℃降低到了56℃，在保證提取率（雙酶法：6.81%；超聲輔助單酶法：6.32%）的同時還降低了提取成本。

2.3超聲輔助亞臨界水法提取枸杞多糖

亞臨界水又稱為高壓熱水或過熱液態(tài)水，指在一定壓力下，將水加熱到100℃以上、臨界溫度374℃以下的高溫，水體仍然保持在液體狀態(tài)。亞臨界狀態(tài)下，隨著溫度的升高，氫鍵減弱甚至斷裂，因而水的極性由強(qiáng)極性漸變?yōu)槿鯓O性，從而促進(jìn)有機(jī)溶質(zhì)分子的溶解［42］。此外，亞臨界水還可以降低固液兩相界面層的液膜強(qiáng)度，從而改善溶質(zhì)的傳質(zhì)動力學(xué)，可以降低表面張力和粘度，增加有機(jī)活性物質(zhì)在水中的溶解速度［43］。由于超聲作用過程中產(chǎn)生的空化泡在破裂的瞬間，會產(chǎn)生局部瞬時的高溫高壓的環(huán)境，從而在超聲作用下，水分子會分解，產(chǎn)生H·和·OH［44-45］。因此在亞臨界水的基礎(chǔ)上添加超聲，可以加快水中氫鍵的斷裂，加速亞臨界水極性的轉(zhuǎn)變。同時，還可以加速植物多糖的溶解和擴(kuò)散速度，提高提取效率。

Chao Z等［46］用超聲輔助亞臨界水法提取枸杞多糖，并在單因素的基礎(chǔ)上采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計對提取條件進(jìn)行優(yōu)化，同時以提取率和抗氧化效果為指標(biāo)對通過超聲輔助亞臨界水法、亞臨界水法和熱水法提取的枸杞多糖進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，超聲輔助亞臨界水法提取枸杞多糖的最佳工藝條件為提取溫度100℃，提取時間53 min，料液比為1∶26，超聲功率為160 W，此條件下的枸杞多糖提取率為5.957%。在相同提取條件（提取溫度為110℃，提取時間為60 min，料液比為1∶25，提取壓力為5 MPa）情況下，超聲輔助亞臨界水法提取率為4.444%，與無超聲輔助的亞臨界水提取法（3.99%）相比，枸杞多糖的提取率提高了11.38%；與熱水提取法（提取溫度為100℃，提取時間為120 min，提取率為3.44%）相比，枸杞多糖的提取率提高了29.19%，同時將提取所花費(fèi)的時間縮短了一倍。通過超聲產(chǎn)生的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)，不僅加速了細(xì)胞的破裂，增大了溶劑的擴(kuò)散速度和溶解能力，同時也加速了固液兩相間物質(zhì)的傳遞速度，使細(xì)胞內(nèi)的枸杞多糖更容易溶出。從而加快了提取速度，提高了提取效率。而由于提取溫度都較高，因此實(shí)驗(yàn)中通過不同方法獲得的提取物的抗氧化活性并沒有表現(xiàn)出很大的差異性。

以上三種方法是超聲輔助提取枸杞多糖最常用的，這三種方法相比各有優(yōu)劣。超聲輔助酶法與超聲輔助水提法相比，提取溫度更低，提取時間更短，提取效率更高，同時由于酶的專一性，在破壞細(xì)胞壁的同時不會對提取物造成破壞，因此能夠更好地保護(hù)提取物的結(jié)構(gòu)及生理活性；但是在提取過程中加入纖維素酶或木瓜蛋白酶，提高了提取成本，也增加了多糖分離和純化的難度；超聲輔助亞臨界水法在超聲輔助水提法的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步提高了提取物的提取效率；同時，還可以通過調(diào)節(jié)溫度有選擇地提取從強(qiáng)極性到弱極性的不同多糖組分；雖然其提取效率沒有超聲輔助酶法的提取效率高，但是其提取設(shè)備簡單，后期的分離純化簡單，提取成本低，因此也是一種非常有前途的提取技術(shù)。

3　結(jié)論與討論

超聲輔助提取法提取植物多糖可以顯著地提高提取效率，減少溶劑的使用量，降低提取所需的時間，減短提取周期，降低提取溫度，在植物多糖提取中表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。因此近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是，超聲提取技術(shù)在植物多糖提取中的應(yīng)用仍存在一些問題。首先，目前對超聲提取技術(shù)的研究還相對較簡單，大多數(shù)只是研究超聲作用條件對提取率的影響，對超聲作用機(jī)理及其對植物多糖的穩(wěn)定性和生物活性的影響并未做深入的研究；對超聲提取是否會對枸杞多糖的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響以及這種影響是否會改變多糖的性質(zhì)等都未進(jìn)行研究和探討；Z.Hromádková等［47］在利用超聲提取纈草水溶性多糖時發(fā)現(xiàn)超聲可能會導(dǎo)致提取的多糖發(fā)生降解，使其溶解在乙醇溶液中，但對產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因并未給出準(zhǔn)確的結(jié)論。對于枸杞多糖的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，以及枸杞多糖的穩(wěn)定性等，都還缺乏相應(yīng)的研究；同時，超聲提取技術(shù)本身也存在很多問題，超聲作為一種高效、節(jié)能的提取方式，其應(yīng)用主要集中在小型實(shí)驗(yàn)室階段，工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用還很有限，一方面是由于超聲設(shè)備本身的缺點(diǎn)制約了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，例如：超聲設(shè)備小，作用范圍窄，設(shè)備穩(wěn)定性不好，能耗高，噪音大等。另一方面是由于目前超聲技術(shù)在植物多糖提取中應(yīng)用機(jī)理的研究還不是很深入，無法為工業(yè)生產(chǎn)提供更多更可靠的理論支撐。因此，要使超聲技術(shù)真正的成熟、完善，并在植物多糖的提取中進(jìn)行推廣、普及，還需要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)一種低成本、高效率，且適用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的超聲提取方法。

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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，碩士研究生，研究方向：超聲與矩形電場協(xié)同提取植物多糖及其耦合機(jī)理研究，E-mail：hongy1988@163.com。

陸海勤（1973），女，博士，副教授，研究方向：超聲化學(xué)的應(yīng)用，E-mail：haiqinlu@gxu.edu.cn。

國家自然基金資助項(xiàng)目（11464002）。