亞臨界水萃取技術(shù)及其在林下資源活性成分提取中的應(yīng)用

范澤琨，許瑩瑩，張宇，肖康曼，李德海

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

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亞臨界水萃取技術(shù)及其在林下資源活性成分提取中的應(yīng)用

范澤琨，許瑩瑩，張宇，肖康曼，李德海

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘要：林下資源生長在純天然的環(huán)境中，受污染情況小，具有較高的安全性能、廣泛的營養(yǎng)價值和較強的生理功能.因此，提取林下資源活性成分和開發(fā)功能性產(chǎn)品成為人們的研究熱點.亞臨界水萃取技術(shù)由于具有無毒、無害、環(huán)保、無污染、對活性成分不破壞不氧化、產(chǎn)能大和成本低等諸多優(yōu)點，受到研究者的重視和應(yīng)用.亞臨界水技術(shù)是將水加熱到100～374 ℃臨界溫度范圍，通過改變溫度，改變了水中的氫鍵強度，從而使水的極性發(fā)生了改變，實現(xiàn)了水溶性物質(zhì)和脂溶性物質(zhì)的連續(xù)性和選擇性提取.該技術(shù)常用于萃取蛋白質(zhì)、多糖、酚類、醌類和揮發(fā)油等天然功能性成分.重點闡述了亞臨界水萃取技術(shù)在林下資源活性成分提取中的應(yīng)用情況，為林下資源的開發(fā)提供參考.

關(guān)鍵詞：亞臨界水；林下資源；功能成分；提取

亞臨界水是近年來新興的一種提取方法，早期被應(yīng)用于土壤等環(huán)境樣品中污染物的檢測與提?。?］，近年來逐漸在食品行業(yè)得到了重視并且有了廣泛的應(yīng)用，尤其在植物活性物質(zhì)的提取上更是得到了廣泛的應(yīng)用.長期以來，人們對植物中的各種活性物質(zhì)的提取通常使用超臨界CO2、有機溶劑萃取和水蒸氣蒸餾等方法.這些方法往往具有許多缺點，如提取溶劑殘留、成本高、效率低下等.亞臨界水的出現(xiàn)，正好克服了這些缺點，并因其具有無毒環(huán)保、高效節(jié)能、提取快速優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點，問世以來迅速獲得了人們的廣泛關(guān)注，并得到了廣泛的應(yīng)用.基于亞臨界水在食品行業(yè)的廣泛研究與應(yīng)用，本文主要介紹亞臨界水技術(shù)及其在林下資源產(chǎn)品活性成分提取中的應(yīng)用.

1　亞臨界水提取技術(shù)在林下資源活性物質(zhì)提取中的重要性

1.1 林下資源的發(fā)展優(yōu)勢

林下資源涵蓋內(nèi)容十分豐富，既包括生物性成分也包括非生物性成分，如礦物質(zhì)資源等.目前，林下植物資源應(yīng)用最廣，從高等植物到食用菌（一般歸到植物類），林下資源豐富的地區(qū)主要是東北大興安嶺，西南橫斷山區(qū)等.林下資源產(chǎn)品因為其獨特的地理優(yōu)勢，加之野外生長比較多，化肥農(nóng)藥污染比較輕，所以使得一些產(chǎn)品（如堅果，食用菌等）的商品價值增高.林下資源的開發(fā)利用，活性物質(zhì)的提取勢必需要一種無溶劑污染、省時省力的方法.為了保證提取物質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量，一些堅果類和藥食同源類林下資源的精深加工可以首選亞臨界水法.

1.2 亞臨界水提取技術(shù)的簡介

所謂亞臨界水提取技術(shù)就是采用水作為提取溶劑，加熱到100 ℃以上，374 ℃以下的臨界溫度，并保持高壓，使得水仍然處于液態(tài)，用這種特殊狀態(tài)的水來提取物質(zhì)［2］.亞臨界狀態(tài)下的水具有很多特性，首先，由于高壓和高溫，水的極性發(fā)生改變，由極性向非極性物質(zhì)轉(zhuǎn)變，使得水自身的介電常數(shù)降低.實驗表明，在22.1 MPa的高壓下，水的介電常數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低［3］，這意味著水的極性可以在一個相對寬松的范圍內(nèi)發(fā)生變化，從而使得其對中等極性乃至非極性的物質(zhì)有著相當(dāng)好的溶解性.通過溫度的改變，可以使亞臨界水對于脂溶性物質(zhì)的溶解性接近有機溶劑，從而解決了普通水難以溶解脂溶性物質(zhì)的問題.其次，亞臨界狀態(tài)下水以氫離子和氫氧根離子存在，具有酸堿的性質(zhì)，因此可以提取極易溶于酸堿的活性物質(zhì).第三，亞臨界狀態(tài)下的水，黏度及表面張力降低，擴散能力增強，此狀態(tài)下的水對細胞膜的穿透力和對細胞內(nèi)活性物質(zhì)的溶解能力增強.因此，更有利于活性物質(zhì)的提取，提高提取率.但是亞臨界狀態(tài)的水存在一些弊端，由于實驗條件為高溫高壓，此種情況下，活性物質(zhì)更容易發(fā)生分解，聚合反應(yīng)，使所得產(chǎn)品的副產(chǎn)物較多，純度降低.一般影響亞臨界水提取的因素有提取時間、提取壓力、提取溫度、萃取溶劑和液料比等.

1.3 亞臨界水提取技術(shù)在林下資源開發(fā)中的應(yīng)用

實驗表明，用亞臨界水提取牛至葉的精油，在150 ℃時提取15 min即可提取完全，比水蒸氣蒸餾提取3 h的提取率高5.1倍，且精油的質(zhì)量較好［4］.李雙明［5］等采用亞臨界水法提取東北紅豆杉中的多糖，并與熱水回流提取和超聲波輔助提取相比較，發(fā)現(xiàn)亞臨界水提取法得率為3.03%，遠遠高于兩者.徐志宏［6］等采用亞臨界水法和有機溶劑提取法提取了丹參中的脂溶性物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)亞臨界水更環(huán)保，更節(jié)省能源，當(dāng)兩者提取量相同時，亞臨界水法需要的溶劑少，提取時間短.Yang H［7］等采用亞臨界水法提取沙棘葉中的活性物質(zhì)，并檢測了活性物質(zhì)的成分，發(fā)現(xiàn)提取物中總酚質(zhì)量分數(shù)為76.07～93.72 mg/g，類黃酮質(zhì)量分數(shù)為47.06～66.03 mg/g，較其他提取方法高.

2　亞臨界水在林下資源活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用

2.1 亞臨界水在林下資源中提取多酚類物質(zhì)的應(yīng)用

植物多酚又稱植物單寧，是一類大分子多元酚化合物，廣泛存在于植物的皮、根、葉和果中，含量可達20%.多酚在制革、化工、醫(yī)藥和食品中有著廣泛的應(yīng)用，并且是許多藥用植物的主要成分，通過亞臨界水提取技術(shù)，可以實現(xiàn)對植物多酚的提取.亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取多酚的最佳提取條件見表1.

除此之外，對于多酚類的物質(zhì)，水處在亞臨界狀態(tài)，具有特殊的性質(zhì)，一定程度上會對提取物質(zhì)分解有加速或者減弱的影響.李霄虹［8］等采用亞臨界水法研究了杉木中堿木質(zhì)素的解聚特性，發(fā)現(xiàn)溫度升高可以增加愈創(chuàng)木酚的提取效率，使得總酚含量升高，但當(dāng)溫度高達350 ℃時，得到的堿木質(zhì)素高度縮合炭化，實用價值減低.

表1 亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取多酚的最佳提取條件

2.2 亞臨界水在林下資源中提取黃酮類物質(zhì)的應(yīng)用

黃酮類物質(zhì)廣泛存在于植物中，是一類存在于自然界的、具有2-苯基色原酮（flavone）結(jié)構(gòu)的化合物，其種類繁多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾乎大部分植物中都含有黃酮.近年來的研究表明，黃酮類化合物具有許多種生物活性，尤其在心腦血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的治療上，表現(xiàn)出良好的效果.更有研究表明，其在抗氧化、抑菌和抗腫瘤等方面，有著不俗的效果［14］.亞臨界水在提取黃酮方面目前已見不少的應(yīng)用，目前已從大豆胚芽，葛根等植物中提取出了黃酮.亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取黃酮的最佳提取條件見表2.

表2 亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取黃酮的最佳提取條件

2.3 亞臨界水在林下資源中提取揮發(fā)油及脂溶性物質(zhì)的應(yīng)用

植物的揮發(fā)油又叫精油，是植物中的一種重要成分，其成分較為復(fù)雜，具有芳香的味道.植物的揮發(fā)油具有非常多的生理功能.研究表明，許多植物的精油具有抗菌降壓、舒緩神經(jīng)［20］，甚至是抗癌的作用［21-22］，由于其具有的這些功效，植物的揮發(fā)油被廣泛應(yīng)用，并具有非?？捎^的經(jīng)濟價值.傳統(tǒng)精油的提取方法主要是通過水蒸氣蒸餾或者溶劑浸取的方法，這種方法不僅提取的效率低，同時也存在溶劑殘留難以徹底分離的問題.通過亞臨界水提取精油的方法目前已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的研究，亞臨界水在植物揮發(fā)油的提取上，具有較大的優(yōu)勢.這是因為揮發(fā)油成分沸點比較高，不易分解，采用亞臨界水法往往會取得更高的提取率.Basile［23］等采用亞臨界水法和水蒸氣蒸餾法對迷迭香里的揮發(fā)油進行了提取，發(fā)現(xiàn)亞臨界水法提取下的產(chǎn)率比較高，而且揮發(fā)油不易氧化變質(zhì)，質(zhì)量更好.亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取揮發(fā)油及脂溶性物質(zhì)的最佳提取條件見表3.

表3 亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取揮發(fā)油及脂溶性物質(zhì)的最佳提取條件

除了用來提取揮發(fā)油，亞臨界水還被用來提取植物中的各種脂溶性物質(zhì).姚茂君等［29］使用亞臨界水提取了牡丹籽油，發(fā)現(xiàn)其提取的最佳工藝是50 ℃，0.5 MPa，30 min.徐娟［30］等采用亞臨界水法提取橡膠籽油，并探究了亞臨界水影響因素對橡膠籽油水解反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)增加反應(yīng)壓力，增加水油配比均能促進水解反應(yīng).

2.4 亞臨界水在林下資源中提取糖類化合物的應(yīng)用

植物中的碳水化合物包括2部分，一類是可以被人體利用的糖類，另一類不可以被人體利用.但對人體生理功能具有促進作用，如纖維素、木質(zhì)素.目前已被開發(fā)的林下產(chǎn)品中，木耳多糖為酸粘性多糖，具有降血脂，抑制血小板聚集，抗血栓形成，提高免疫力等功效.香菇多糖是一種宿主免疫增強劑.獨特的環(huán)境優(yōu)勢使得林下產(chǎn)品相對比較安全，無污染，食用菌類作為林下產(chǎn)品的一大群體，近年來更是得到人們的青睞，亞臨界水因為溶劑是水，不存在試劑污染問題，所以人們多愿意采用這種提取方法.亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取碳水化合物的最佳提取條件見表4.

表4 亞臨界水在林下資源產(chǎn)品中提取碳水化合物的最佳提取條件

亞臨界水法有時會作為輔助提取手段應(yīng)用于實驗，提取效果會明顯高于單純的提取實驗，而且可以避免試劑污染，縮短提取時間.戈延茹［36］等采用了微波-亞臨界水法、超聲波法、煎煮法以及微波法進行了紅景天多糖提取實驗，發(fā)現(xiàn)采用亞臨界水輔助提取的情況下，提取率明顯高于其他方法.可能因為在亞臨界狀態(tài)下水的滲透性增強，使得紅景天粉末多糖成分暴露在表面，與溶劑接觸面積增大.而且，亞臨界狀態(tài)下的水極性減弱，溶解多糖能力增強.

2.5 亞臨界水在林下資源中提取其他活性物質(zhì)的應(yīng)用

亞臨界狀態(tài)下的水，在高溫條件下存在高離子積和低極性等特點，使得林下資源產(chǎn)品中的一些活性成分發(fā)生聚合或者降解反應(yīng).Baek［37］等利用亞臨界水法提取甘草中的活性物質(zhì)抗氧化能力大大增強，可能因為高溫高壓條件下易氧化的物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)生成了更穩(wěn)定的活性物質(zhì)，降低了常溫下被氧化的可能性.Deng C H［38］等采用亞臨界水法提取川芎、當(dāng)歸中的酯類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在150 ℃，10～30 min，水流速1 mL/min時提取率最佳.張麗影［39］等采用亞臨界水萃取工藝提取了丹參中的紅色素，發(fā)現(xiàn)溫度對提取率的影響最大，其次是物料粒徑，料液比和時間，獲得了提取的最優(yōu)條件為萃取溫度200 ℃，物料粒徑40～60目，液固比為25∶1 mL/g，萃取時間10 min，比采用乙醇法提取率高0.319%.

3　展望與總結(jié)

亞臨界水法水作為一種綠色、環(huán)保、高效的提取方法，必將會廣泛應(yīng)用到林下產(chǎn)品活性物質(zhì)提取中，尤其是對于藥食同源類的食物，為了保證提取物質(zhì)的安全性，亞臨界水法將會受到越來越多的關(guān)注.但同時，亞臨界水也存在某些缺點，其無法單一分離植物中的有效成分，對不耐高溫物質(zhì)的提取無法進行，高溫高壓下容易使提取物質(zhì)發(fā)生降解反應(yīng)，工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)比較困難等缺點，需要在日后加大研究，改進實驗方案.亞臨界水法還存在著對設(shè)備要求較高，操作存在一定危險性的缺點，隨著亞臨界水法的廣泛應(yīng)用，亞臨界提取設(shè)備的改良與簡化將逐漸提上日程.

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The application of extract on bioactive constituents of under-forest resources by subcritical water technology

FAN Ze-kun，XU Ying-ying，ZHANG Yu，XIAO Kang-man，LI De-hai
（School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：The under-forest resources grow up in pure environment，they are with less pollution，high safety property and stronger physiological function.Therefore the extraction of bioactive substances in the under-forest resources attracts people′s attention.The subcritical water technology has been concerned and applicated by reasercher becaues of its aboundant of advantages such as non-toxic，harmless，environmental friendly，no pollution，no damage to bioactive components，high productivity and low cost.The subcritical water technology is the water heated to 100～374 ℃，by changing the temperature to change water hydrogen bonding strength，so the polarity of water has changed . The water soluble substances and fat soluble substances can be extracted continuously and selectively.Commonly used to extract natural functional substances such as protein，polysaccharide，phenols，quinones and volatile oil.Mainly intruduces the usage of extraction of bioactive substances in the under-forest resources，which will provide reference to exploit the under-forest resources.

Key words：subcritical water；under-forest resources；bioactive constituents；extraction

中圖分類號：Q949.91

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.05.012

文章編號：1007-9831（2016）05-0040-05

收稿日期：2016-03-16

基金項目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（12543015）；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生國家級創(chuàng)新實驗項目（201510225070）

作者簡介：范澤琨（1995-），男，湖南岳陽人，在讀本科生.E-mail：1003789222@qq.com

通信作者：李德海 （1976-），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，主要從事食品化學(xué)及植物有效成分方面的研究.E-mail：lidehaineau@163.com