鹽地堿蓬有效成分提取方法及工藝研究進(jìn)展

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(滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院,河北滄州 061001)

藜科堿蓬屬植物堿蓬(Suaedasalsa)是一年生草本鹽生植物,可食用且營養(yǎng)價值較高,一般生于鹽堿荒地上,是鹽堿地的典型指示植物[1]。河北省瀕臨渤海,大陸海岸線長達(dá)421.0 km,濱海鹽生植物計有25科、62屬、91種[2]。鹽地堿蓬是河北省滄州市沿海地區(qū)常見植物,生長區(qū)域廣泛,且數(shù)量很大,每年基本都是自生自滅,沒有有效利用,造成資源浪費。鹽地堿蓬中含有多種化學(xué)成分,包括脂肪酸類、黃酮類、色素類、多糖類、蛋白、酚類、無機(jī)鹽等,有研究從堿蓬中分離得到胡蘿卜苷、沒食子酸、槲皮素等化學(xué)成分[3-4]。堿蓬種子含大量脂肪,種子脂肪含量占干物質(zhì)的36.5%,高于大豆,其中高度不飽和脂肪酸含量與必需脂肪酸含量很高,提取得到的堿蓬籽油營養(yǎng)價值較高[5-6];脂肪酸甲酯化產(chǎn)物具有抗炎作用[7]。黃酮類化合物、多糖類物質(zhì)均具有抗氧化活性,是具有開發(fā)前景的天然抗氧化劑;堿蓬色素的提取為開發(fā)天然色素提供了資源。對堿蓬中的有效化學(xué)成分開發(fā)提取既能有效利用野生植物資源,又具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1　堿蓬籽油的提取方法及工藝進(jìn)展

提取堿蓬籽油是當(dāng)前堿蓬開發(fā)利用的研究熱點。對大慶市鹽堿地角堿蓬的研究表明其含油量為25.34%,其中不飽和脂肪酸的含量占94.21%[8]。對吉林省西部地區(qū)三種堿蓬屬種子的含油量研究表明堿蓬的含油量為24.39%,不飽和脂肪酸的含量為88.65%[9]。堿蓬籽油精煉后可達(dá)到食用油標(biāo)準(zhǔn),同時也是制備共軛亞油酸和硬脂酸的原料[10-12]。合理的提取工藝是大規(guī)模利用堿蓬資源的基礎(chǔ),隨著研究的不斷深入,堿蓬籽油的提取工藝不斷完善,新技術(shù)不斷引入,提取率不斷提高。提取堿蓬籽油的方法有有機(jī)溶劑提取法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法和超臨界萃取法。在各種工藝中,響應(yīng)面法常被用于工藝優(yōu)化。響應(yīng)面分析法是通過對過程的回歸擬合和響應(yīng)面、等高線的繪制,求出相應(yīng)各因素水平的響應(yīng)值,在各因素水平響應(yīng)值的基礎(chǔ)上,找出預(yù)測的響應(yīng)最優(yōu)值以及相應(yīng)的實驗條件的一種方法[13-14]。利用響應(yīng)面分析法可以優(yōu)化加工條件,有效解決生產(chǎn)過程中實際問題。

1.1　有機(jī)溶劑萃取

有機(jī)溶劑萃取法是傳統(tǒng)的油脂提取方法,通常在索氏抽提器中進(jìn)行。一般將堿蓬籽干燥、粉碎、過篩后加入萃取劑萃取,萃取液蒸餾后回收溶劑并得到堿蓬籽油。溶劑萃取法中,乙醚、石油醚(30～60、60～90 ℃)、正己烷是常用萃取劑,也有采用極性較大的甲醇/氯仿體系為萃取劑。溶劑的沸點直接決定了脫溶溫度,也會影響堿蓬籽中其他成分如色素的溶出,進(jìn)而影響油的精煉。李洪山等對堿蓬籽經(jīng)乙醚萃取后進(jìn)行了分析,在水浴溫度75～80 ℃的條件下進(jìn)行,抽提時間為7～8 h[15-16]。牟書勇等[17]在分析囊果堿蓬中脂肪酸組成時用石油醚(30～60 ℃)為萃取劑提取10 h。張愛軍等[18-19]用沸程為30～60 ℃的低沸點溶劑為萃取劑開展了堿蓬籽油提取和精煉的中試研究。有機(jī)溶劑萃取法提取時間長、效率低,超聲波輔助提取和微波輔助提取等新技術(shù)被用于堿蓬籽油提取。

1.2　超聲輔助提取

超聲浸取技術(shù)是依靠超聲波的機(jī)械粉碎和空化作用,利用液體空穴的形成、增大和閉合產(chǎn)生極大的沖擊波和剪切力,使細(xì)胞破碎釋放出胞內(nèi)物,強(qiáng)化傳質(zhì)過程,具有時間短、溫度較低、浸取率高等優(yōu)點[20]。于海芹[9]在分析堿蓬籽含油量時采用了超聲浸取工藝,3次浸取共計浸取時間為70 min。Xu 等[21]以正己烷為萃取劑,對堿蓬籽超聲萃取45 min得到堿蓬籽油。超聲波的強(qiáng)度和頻率對堿蓬籽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸取率以及達(dá)到最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時間有重要影響。曹雁平等[20]研究了低強(qiáng)度多頻超聲浸取堿蓬籽油的工藝,其中單頻超聲和雙頻復(fù)合超聲達(dá)到最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時間僅為1 min,雙頻交變超聲為8 min,通過比較認(rèn)為雙頻交變超聲浸取的堿蓬籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸取率都優(yōu)于單頻和雙頻復(fù)合超聲浸取,適合進(jìn)一步的工業(yè)化研究。

金紹娣等[13]在超聲提取鹽地堿蓬籽中亞油酸時利用響應(yīng)面法對工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到了亞油酸的最佳提取工藝為提取溫度42 ℃、料液比1∶28 (g/mL)、提取25 min,亞油酸提取率為74.31%。

1.3　微波輔助提取

微波法輔助提取油脂的主要原理是應(yīng)用微波的體加熱特性。當(dāng)微波進(jìn)入細(xì)胞時,使得細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高、壓力增大,進(jìn)而使細(xì)胞壁破裂,細(xì)胞內(nèi)的成分迅速釋放至周圍溶劑中,達(dá)到快速提取效果[22-23]。金麗珠等[24]在以石油醚萃取堿蓬籽油的過程中,引入微波輔助提取。研究發(fā)現(xiàn),堿蓬籽的出油率隨微波功率的增加先升高后降低。在低功率區(qū)因為微波的熱特性發(fā)揮作用,細(xì)胞壁的破壞程度隨功率增加而增大,分子運(yùn)動加劇,物料中的油脂迅速擴(kuò)散至溶劑中,出油率升高。當(dāng)功率達(dá)到一定值時,萃取系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài),出油率最高。但當(dāng)微波功率繼續(xù)增加時,內(nèi)部溫度持續(xù)升高,溶劑的揮發(fā)程度加劇,油脂的氧化與分解作用增強(qiáng),出油率呈下降趨勢。

1.4　水提法和酶解法

李超峰等[25-26]公開了用去離子水提取和酶解法提取堿蓬籽油的專利。水提法的工藝包括粉碎過篩,用去離子水浸泡,調(diào)節(jié)pH后的固液混合物在溫度為40～65 ℃的水浴上熱解催化1～5 h,再經(jīng)離心分離得到堿蓬籽油。酶解法的工藝是將堿蓬籽和水混合后,加入激活的纖維素酶,在溫度為40～60 ℃的水浴上酶解3～15 h,酶解即利用纖維素酶破壞細(xì)胞骨架,分離蛋白、糖等大分子和油脂的結(jié)合,最后離心分離出堿蓬籽油。兩種工藝簡單安全,條件溫和,但提取時間較長;水提法成本低,但酶的高價格,使得酶解法生產(chǎn)成本較大。

1.5　超臨界CO2萃取

溶劑萃取法存在溶劑回收和產(chǎn)品有機(jī)溶劑殘留等問題。超臨界萃取技術(shù)作為一種新興的分離技術(shù)受到廣泛重視并被應(yīng)用到油脂提取中[27-28]。CO2因其綜合性能優(yōu)異成為常用的超臨界萃取溶劑[29]。柳仁民等[30]應(yīng)用超臨界CO2萃取技術(shù),研究了堿蓬籽油的提取工藝,并比較了所得工藝和傳統(tǒng)乙醚萃取得到的堿蓬籽油的性能,研究表明,超臨界CO2萃取得到的堿蓬籽油色淺、酸值低、過氧化值低,油品質(zhì)量優(yōu)于乙醚萃取油樣,符合食用油的標(biāo)準(zhǔn)。專利CN101074405A公開了超臨界CO2流體萃取提取堿蓬籽油的方法,優(yōu)選條件為:萃取溫度40～45 ℃,萃取壓力20～25 MPa,CO2流量35～40 kg/h,萃取時間120～150 min[31];專利CN104450173A公開了以乙醇為夾帶劑進(jìn)行超臨界CO2萃取堿蓬籽油的方法,萃取溫度40～50 ℃,萃取壓力20～26 MPa,夾帶劑流量0.02～0.06 mL/min,萃取時間100～140 min,以亞油酸得率為主要指標(biāo),相較于沒有夾帶劑亞油酸得率明顯提高[32]。研究進(jìn)一步采用響應(yīng)面法對工藝進(jìn)行優(yōu)化并得到最佳工藝條件為提取溫度46 ℃,提取壓力23.5 MPa,提取時間 137 min,夾帶劑流量0.04 mL/min,在此條件下亞油酸酯得率為15.29%[33]。超臨界CO2流體萃取在常溫下操作,工藝簡單、萃取率高,并且無溶劑殘留,提取后的原料還可以充當(dāng)飼料或繼續(xù)提取其它成分。

2　堿蓬中黃酮提取及工藝進(jìn)展

研究表明,堿蓬根、莖、葉中均含有一定量的黃酮類物質(zhì),堿蓬葉中總黃酮含量相比根和莖要高[34]。黃酮類物質(zhì)具有一定的抗氧化作用,能夠清除氧自由基,是一類有開發(fā)前景的天然抗氧化劑。堿蓬中黃酮的提取方法包括乙醇浸提法、水提法、超聲波輔助提取和微波輔助提取。在黃酮提取中,影響黃酮提取率的因素一般包括料液比、提取溫度、提取時間等,以及超聲波和微波輔助工藝中超聲波功率和微波功率。

2.1　乙醇浸提

黃酮類化合物易溶于醇。乙醇體積分?jǐn)?shù)對黃酮提取率有一定影響,研究表明45%～75%是提取黃酮類化合物適宜的乙醇體積分?jǐn)?shù)[35]。較低體積分?jǐn)?shù)的乙醇易溶出一些無機(jī)鹽、蛋白質(zhì)、糖類和果膠等雜質(zhì),使后續(xù)的分離工藝更加復(fù)雜;高體積分?jǐn)?shù)的乙醇則使弱極性成分像色素等溶出增加,這些成分同乙醇-水分子結(jié)合,導(dǎo)致黃酮類化合物的提取量下降。高健[36-37]采用乙醇浸提法從堿蓬幼苗中提取得到黃酮類化合物,研究表明,乙醇濃度為65%,乙醇用量為堿蓬干粉的15倍,提取溫度為75 ℃,提取時間為4 h時總黃酮提取率最高,約為5%。黃曉昆等[35,38]研究得到堿蓬葉提取黃酮的工藝為:以30倍原料重的75%乙醇溶液在80 ℃條件下提取30 min,總黃酮含量為6.35%。公衍玲等[39]用乙醇回流提取法進(jìn)行堿蓬中總黃酮提取時,利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到提取工藝優(yōu)化條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)83.12%、料液比1∶31.40 (g/mL)、回流溫度90 ℃、回流時間128.40 min,總黃酮產(chǎn)量0.932%。

2.2　水提

以極性升高的順序依次用石油醚、乙酸乙酯、丙酮、95%乙醇、甲醇和蒸餾水為提取劑,梯度索氏抽提南方堿蓬種子粉末，研究結(jié)果表明堿蓬種子水提物總黃酮得率最大[40]。張躍林等[41]采用水提法對整株堿蓬中的黃酮進(jìn)行提取,提取過程為全物理工藝,無化學(xué)變化,經(jīng)過3次提取得到總黃酮含量為4.84%。水提法工藝簡單無污染,但提取時需將原料加入蒸餾水煮沸,提取溫度較乙醇浸提高。

2.3　超聲波輔助提取

萬洪善等[42]在超聲波功率225 W條件下,以65%乙醇萃取堿蓬中的黃酮類化合物,在料液比為1∶20 (g/mL),60 ℃的條件下萃取40 min,總黃酮得率為5.734%。王記蓮等[43]研究得到超聲強(qiáng)化提取鹽地堿蓬黃酮最佳提取工藝條件為:超聲功率320 W,乙醇濃度55%,料液比 1∶25 (g/mL),提取溫度70 ℃,黃酮的提取率為4.25%。鐘尉方等[44]在超聲波輔助乙醇浸提堿蓬中黃酮時通過響應(yīng)面優(yōu)化得到的最佳工藝條件為:乙醇濃度64%、料液比1∶21 (g/mL)、提取時間46 min、提取溫度62 ℃,提取得到鹽地堿篷總黃酮含量為6. 57 mg/g。

總黃酮含量與提取樣品生長時期也有直接關(guān)系。在以石油醚(60～90 ℃)為萃取劑,對河北滄州地區(qū)的翅堿蓬中的黃酮類化合物進(jìn)行了超聲輔助提取研究中,通過對不同生長時期采集樣品提取結(jié)果的比較,發(fā)現(xiàn)翅堿蓬的總黃酮含量在花期達(dá)到最大[45-46]。對不同生長期的鹽地堿蓬的研究表明黃酮含量在7月份最高,具有較高的抗氧化活性[47]。

2.4　微波輔助提取

專利CN103027962A公開了以乙醇為浸取劑,微波輔助提取黃酮的方法,主要工藝為以20～30倍原料重的70%乙醇浸泡30 min,微波處理10 min,趁熱抽濾得到提取液,工藝簡單,溶劑利用率高,但未考察提取溫度和微波功率對提取率的影響[48]。林文謀等[49]以石油醚為萃取劑,對堿蓬葉中的黃酮進(jìn)行了以微波-堿水法為主要工藝的提取,即將經(jīng)石油醚萃取之后的樣品和堿水混合,浸漬吸脹24 h后,微波間斷處理后累積一定時間。研究結(jié)果表明最適宜的提取工藝條件組合為70倍原料重的pH13堿水,在微波功率為600 W的條件下提取9 min,提取1次,得到總黃酮的提取率為4.87%。由于黃酮類具有堿溶酸析的特點,堿水提取液可經(jīng)酸化沉淀析出黃酮類,簡化了有機(jī)溶劑提取的后續(xù)處理工藝,但是高溫堿水對黃酮類物質(zhì)的影響尚待進(jìn)一步研究。

3　堿蓬中色素的提取及工藝進(jìn)展

堿蓬可作為天然的食用色素來源,富含葉綠素,可經(jīng)過酶解后用有機(jī)溶劑提取[50]。在堿蓬的生長過程中,顏色會由碧綠轉(zhuǎn)成紅色,成熟后變?yōu)樽丶t色。研究表明,翅堿蓬色素為水溶性花青素類色素[51-52],鹽地堿蓬紅色素為水溶性甜菜紅色素[53-55]。因此堿蓬中色素的提取多采用水提和含水乙醇提取,超聲波和微波輔助也被應(yīng)用于堿蓬色素提取中。

吳濤等[56-57]研究了鹽地堿蓬紅色素的提取工藝條件,并對色素的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,經(jīng)過正交實驗優(yōu)化,結(jié)果表明以pH為5的水作提取溶劑,40 ℃下浸提10 min提取效果最好。進(jìn)一步的超聲波輔助提取研究表明超聲波對鹽地堿蓬紅色素提取有一定的強(qiáng)化作用,適宜提取工藝條件為,料液比1∶15 (g∶mL),超聲波功率800 W,提取溫度50 ℃,提取時間50 min[58]。姜雪等[59]對堿蓬色素提取的工藝為以去離子水為提取劑,料液比1∶30 (g∶mL),浸提溫度40 ℃,時間80 min,浸提2次。高雪等[60]以60%乙醇為提取溶劑,超聲輔助提取堿蓬中的甜菜紅色素,工藝條件為室溫下料液比1∶20 (g∶mL),超聲浸提30 min,浸提2次。許杰[61]采用微波輔助法提取鹽地堿蓬紅色素,最佳提取工藝參數(shù)為微波功率560 W,提取時間70 s,料液比1∶20 (g∶mL),提取1次。

與黃酮提取類似,堿蓬色素的提取受料液比、提取溫度、提取時間、提取次數(shù)、以及超聲波和微波功率的影響。微波輔助提取色素大大縮短了提取時間。

4　堿蓬中其他物質(zhì)的提取進(jìn)展

4.1　蛋白的提取

鹽地堿蓬的鮮嫩莖葉的蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)的40%,堿蓬種子榨油后,籽粕內(nèi)蛋白質(zhì)含量達(dá)30%～40%[5]。提取葉蛋白的工藝包括加水配料、粉碎打漿、酸化加熱、冷卻離心、沉淀烘干。衣丹等[62]采用酸化加熱法提取堿蓬中的葉蛋白,在最佳工藝條件下得到葉蛋白的含量為36.75%。

4.2　膳食纖維和多糖的提取

膳食纖維一般是指不易被酶消化的多糖類食物成分[63]。膳食纖維的提取主要是要除去堿蓬中的蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等非纖維成分。衣丹等[64]采用堿蓬提取葉蛋白后的殘渣為原料,用酶解處理和堿處理相結(jié)合的方法提取膳食纖維。先提取蛋白,再從殘渣中提取膳食纖維的思路實現(xiàn)了堿蓬的綜合利用。薛菲等[65]以堿蓬葉為原料,采用雙酶法(木瓜蛋白酶和糖化酶)提取可溶性膳食纖維。

王昭晶[66-67]從堿蓬中采用80%乙醇提取加水煮的方法提取出水溶性粗多糖SP,經(jīng)脫蛋白及進(jìn)一步分離純化得到SPA和SPB。研究表明,純化后的樣品具有高于VC的超氧陰離子清除作用,以及相當(dāng)于VC的羥自由基清除作用。龐庭才等[68]以0.17 mol/L NaOH溶液為提取溶劑,利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到堿蓬多糖的最佳提取工藝為:料液比1∶42.5 (g/mL),提取溫度83.5 ℃,提取時間3.4 h,多糖提取率為8.00%。

4.3　酚類的提取

王新紅等[69]以乙醇為提取劑,對堿蓬籽中的總酚進(jìn)行了提取,最佳工藝條件為:以80%乙醇溶液為提取劑,料液比為1∶23 (g∶mL),提取溫度為80 ℃,提取時間為80 min,得堿蓬籽中的總酚提取率為986.03 μg/g。

4.4　植物鹽提取

植物鹽是指利用植物有機(jī)體為原料,用純粹物理工藝流程生產(chǎn)出來的鹽類,鹽地堿蓬是理想的植物鹽制備資源。專利CN102551028A公開了以新鮮堿蓬莖葉為原料,經(jīng)過壓榨、水提、酶解、煮沸,脫色,脫重金屬、濃縮結(jié)晶,得到成品的工藝[70]。專利CN201510459908.3公開了將生長旺盛期堿蓬莖葉經(jīng)過磨碎,低溫纖維素酶酶解,再加溶劑提取,回收溶劑,真空濃縮,噴霧干燥制備植物鹽的工藝[71]。最新研究直接加水浸提,利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的提取最佳工藝條件為:料液比1∶20.45 (g/mL),提取溫度93.88 ℃,提取時間5.08 h,鹽地堿蓬植物鹽提取的水浸出物含量達(dá)47.9%[72]。

5　結(jié)語與展望

當(dāng)前隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的加劇,能源植物受到重視并將成為一種重要的替代能源[73]。堿蓬是耐鹽、耐旱的野生植物,生長面積廣,是具有開發(fā)前景的能源植物。堿蓬種子富含油脂和蛋白質(zhì),已有研究用鹽地堿蓬籽油制備生物柴油[74],堿蓬降解轉(zhuǎn)化生物乙醇的研究已經(jīng)開展[75],堿蓬作為潛在的能源植物，其利用應(yīng)得到進(jìn)一步開發(fā)。

目前對堿蓬中有效成分的提取主要集中在單一成分的提取研究,對堿蓬綜合提取利用的研究有待于進(jìn)一步展開。如先提取色素后提取堿蓬籽油可以簡化堿蓬籽油的脫色工藝;粗多糖分離純化時需要脫蛋白,可同時實現(xiàn)蛋白和多糖的提取;提取油脂和蛋白后的渣滓可作為生產(chǎn)蛋白飼料的原料;先提取蛋白后提取膳食纖維也實現(xiàn)了堿蓬的綜合利用。

溶劑提取法是堿蓬有效成分提取的主要方法,其中堿蓬籽油提取多用乙醚、石油醚、正己烷等有機(jī)溶劑;黃酮、色素多用水和乙醇溶液提取。有機(jī)溶劑提取法存在溶劑回收和產(chǎn)品中有機(jī)溶劑殘留等問題,浸提時有機(jī)溶劑的揮發(fā)也給環(huán)境和健康帶來危害,提取溶劑的選擇應(yīng)該向綠色、環(huán)保發(fā)展,發(fā)展前景較好的離子液體用于堿蓬提取的研究有待開展。超聲波輔助提取和微波輔助提取能夠縮短提取時間,提高提取率,超聲波和微波功率的影響還應(yīng)深化研究。超臨界CO2萃取技術(shù)能滿足熱敏物質(zhì)的提取,無溶劑殘留,尤其是在萃取出脂溶性成分后,再進(jìn)一步提取極性大的物質(zhì),如蛋白質(zhì)、色素等,可以實現(xiàn)原料的充分利用,在鹽地堿蓬綜合提取利用中有較大前景。堿蓬有效成分提取應(yīng)向工藝整合以實現(xiàn)多種成分綜合提取利用的方向發(fā)展。

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