郭耀東,牛仙,任嘉瑜
(1.商洛學(xué)院 健康管理學(xué)院,陜西商洛726000;2.商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院,陜西商洛726000)
萬(wàn)壽菊(Tagetesspp.),原產(chǎn)于墨西哥,為菊科萬(wàn)壽菊屬、一年生草本植物[1-3]。我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始引種萬(wàn)壽菊,目前已在東北、西北、華北、西南等地區(qū)廣泛栽培[4-5]。萬(wàn)壽菊因其花色鮮艷并含有葉黃素、多酚等多種生物活性物質(zhì)而兼具觀賞價(jià)值和藥用價(jià)值,近年來(lái)已成為陜西省秦巴山區(qū)實(shí)施精準(zhǔn)扶貧和美麗鄉(xiāng)村戰(zhàn)略中主要栽培的一類經(jīng)濟(jì)作物[6-8]。相關(guān)地方政府也圍繞萬(wàn)壽菊的種植、加工制定了專門(mén)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)對(duì)萬(wàn)壽菊資源進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用,提升產(chǎn)業(yè)附加值已成為制約陜西省萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問(wèn)題?;诖?,本文按照生物資源活性功能因子基礎(chǔ)研究—提取制備—產(chǎn)品深加工—副產(chǎn)物利用的思路,對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在萬(wàn)壽菊資源開(kāi)發(fā)利用鏈條各環(huán)節(jié)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)合地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際提出了萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵路徑,以期為秦巴山區(qū)生物資源的高增值利用以及產(chǎn)業(yè)扶貧戰(zhàn)略實(shí)施提供一定借鑒和參考。
葉黃素是萬(wàn)壽菊中含有的主要生物活性物質(zhì),甘藍(lán)、玉米、獼猴桃、菠菜等蔬果中均有此物質(zhì)[9]。但萬(wàn)壽菊因其葉黃素含量高、適合大規(guī)模種植、成本低等優(yōu)點(diǎn),已成為工業(yè)化制備葉黃素的主要來(lái)源。葉黃素屬于類胡蘿卜素物質(zhì)的一種,相關(guān)研究已經(jīng)證明其對(duì)防止老年黃斑變性等眼部疾病具有明確的作用。1995年美國(guó)食品及藥物管理局(FDA)對(duì)葉黃素的實(shí)用性和安全性進(jìn)行審核,批準(zhǔn)將其作為食品補(bǔ)充劑;我國(guó)于2008年將源于萬(wàn)壽菊的葉黃素列入新資源食品目錄中[10-11]。目前萬(wàn)壽菊葉黃素作為一種保健食品原料被廣泛應(yīng)用于保健食品及膳食補(bǔ)充劑的生產(chǎn)制作中。美國(guó)CVS、Costco等保健食品銷售終端均有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn),并受到了消費(fèi)者的歡迎。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)萬(wàn)壽菊中葉黃素類物質(zhì)的生物活性進(jìn)行了進(jìn)一步研究,主要集中在抗氧化、抗腫瘤及抑制心血管疾病等方面。
人體內(nèi)積累過(guò)多的氧自由基對(duì)細(xì)胞和組織具有一定的損傷,是導(dǎo)致人體衰老及許多慢性疾病的重要原因。葉黃素作為一類四萜類物質(zhì),含有豐富的共軛雙鍵,具有較強(qiáng)的清除自由基能力,能夠有效阻止氧自由基對(duì)細(xì)胞的破壞[12-13]。
Kumar等[14]利用化學(xué)發(fā)光法研究分析了萬(wàn)壽菊葉黃素對(duì)過(guò)氧化物、超氧陰離子、羥基自由基和脂質(zhì)自由基的清除作用,結(jié)果表明葉黃素對(duì)上述自由基具有較強(qiáng)的清除作用。Ingkasupart等[15]分析了泰國(guó)種植的11個(gè)萬(wàn)壽菊品種提取物中葉黃素含量和抗氧化能力,其中抗氧化能力運(yùn)用清除ABTS自由基、DPPH自由基、鐵離子自由基還原法、氧化自由基吸收能力法(ORAC)、超氧陰離子自由基(SRSA)清除能力等不同指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明不同品種的葉黃素含量與抗氧化能力具有較強(qiáng)相關(guān)性,Optiva Orange和Rodeo Gold兩個(gè)品種可以作為生產(chǎn)制備功能性食品和化妝品中葉黃素的良好來(lái)源。任丹丹等[16]則綜合運(yùn)用基于體外抗氧化和基于小鼠體內(nèi)乙醇氧化損傷模型的體內(nèi)抗氧化兩種方法對(duì)葉黃素與玉米黃兩類胡蘿卜素類物質(zhì)的協(xié)同抗氧化活性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明葉黃素與玉米黃質(zhì)比例為1∶2時(shí)協(xié)同抗氧化作用較好。Mohn等[17]研究葉黃素與腦ω-3多不飽和脂肪酸(PUFA)氧化的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)線粒體葉黃素與二十二碳四烯酸(DHA)氧化產(chǎn)物呈負(fù)相關(guān),該研究提供了亞細(xì)胞葉黃素積累的新數(shù)據(jù)及其與靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦中DHA氧化的關(guān)系,提示葉黃素可能與大腦中的抗氧化功能有關(guān)。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究先后發(fā)現(xiàn)萬(wàn)壽菊中的葉黃素具有抑制結(jié)腸癌、肝癌、乳腺癌、胃癌、食管癌等腫瘤細(xì)胞的作用[12-13,18]。相關(guān)研究表明葉黃素的抗腫瘤作用主要通過(guò)其抑制腫瘤細(xì)胞增殖及誘導(dǎo)分化、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化活性等來(lái)實(shí)現(xiàn)的[18]。裴迎新[19]研究表明葉黃素在一定程度上可抑制食管癌EC9706細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)EC9706細(xì)胞凋亡。陳曉哲[20]對(duì)葉黃素抑制人體肝癌HepG2細(xì)胞增值效應(yīng)及相關(guān)分子機(jī)制進(jìn)行了研究分析,發(fā)現(xiàn)葉黃素可以影響AP-1、p53、caspase-3基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)及凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá),進(jìn)而抑制肝癌HepG2細(xì)胞的增值。
人體內(nèi)膽固醇、LDL(脂蛋白)的堆積等是造成動(dòng)脈粥硬化進(jìn)而產(chǎn)生心血管疾病的重要原因。相關(guān)流行病學(xué)、體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型研究表明,萬(wàn)壽菊葉黃素一定程度上能夠通過(guò)防止動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生降低心腦血管疾病發(fā)病[12-13]。Liu等[21]研究發(fā)現(xiàn)葉黃素可以通過(guò)調(diào)節(jié)腦血管內(nèi)皮細(xì)胞(bEND.3 cells)中Nrf-2和NF-κB的表達(dá)抑制Aβ25-35的誘導(dǎo)毒性,改善線粒體膜電位和細(xì)胞活性。崔蔚[22]通過(guò)小鼠動(dòng)物試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)葉黃素可以通過(guò)調(diào)節(jié)脂代謝和改善氧化應(yīng)激,對(duì)高脂喂養(yǎng)引起apoE-/-小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化及肝臟脂肪變性起到改善作用。劉洋等[23]對(duì)169名動(dòng)脈粥樣硬化患者給予不同劑量葉黃素干預(yù),結(jié)果表明葉黃素可以在一定程度上減輕頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊炎性反映,并預(yù)防心腦血管疾病發(fā)生。
萬(wàn)壽菊是目前工業(yè)化提取制備葉黃素的主要原料之一?,F(xiàn)有提取技術(shù)除傳統(tǒng)溶劑提取法之外,近年來(lái)隨著植物提取技術(shù)不斷發(fā)展,酶法、超聲波提取、超臨界CO2萃取、微波輔助提取、亞臨界提取技術(shù)等也逐步應(yīng)用于萬(wàn)壽菊中葉黃素提取制備的研究與實(shí)踐應(yīng)用中。
有機(jī)溶劑提取基于相似相溶原理,利用葉黃素與雜質(zhì)性質(zhì)不同(溶解性或者極性)的特性,選擇合適的溶劑,達(dá)到對(duì)葉黃素提取分離的目的[24]。工藝簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、成本較低,適合規(guī)?;a(chǎn)。張志強(qiáng)等[25]以乙醇和石油醚混合溶劑為提取溶劑通過(guò)單因素試驗(yàn)研究?jī)?yōu)化了萬(wàn)壽菊葉黃素的提取、皂化工藝,該工藝具有價(jià)格低廉、沸點(diǎn)低、生產(chǎn)安全性高等特點(diǎn)。王新春等[26]以四氫呋喃和堿性醇溶液為提取皂化溶劑,提取得到葉黃素粗品后,進(jìn)一步洗滌除雜,得到含量高于90%的葉黃素粉末。近年來(lái),在有機(jī)溶劑提取基礎(chǔ)上出現(xiàn)了鹽析萃取法,該方法具有耗材少、產(chǎn)品收率高等特點(diǎn)。馬娜等[27]研究表明利用鹽析萃取法提取得到的萬(wàn)壽菊葉黃素提取物具有更強(qiáng)的抗氧化活性。
由于萬(wàn)壽菊葉黃素提取基質(zhì)中含有較多的纖維素,可以通過(guò)酶法處理,加入纖維素酶等軟化破壞提取基質(zhì)中的細(xì)胞壁,促使葉黃素等目標(biāo)物質(zhì)更多暴露溶解,提取條件溫和,能夠減少葉黃素的損失[28]。李大婧等[28]將液態(tài)纖維素酶處理和溶劑萃取結(jié)合,在酶-水-有機(jī)溶劑共存的體系中同時(shí)提取葉黃素,優(yōu)化了提取工藝條件,結(jié)果表明該方法與單純有機(jī)溶劑提取法相比提取率提高了19.14%。劉愛(ài)琴等[29]則利用專一性較高的宏基因組文庫(kù)脂肪酶,對(duì)亞臨界提取后得到的萬(wàn)壽菊浸膏中的葉黃素進(jìn)行提取分離,結(jié)果表明該方法的提取效率相對(duì)其他方法更高。雖然酶法輔助提取分離葉黃素效率較高,但也存在影響工藝條件因素較多、提取條件控制和設(shè)備要求高、生產(chǎn)成本較高等缺點(diǎn),此方面規(guī)?;a(chǎn)制備的報(bào)道較少[30]。
超聲波輔助提取法是利用超聲波產(chǎn)生的特殊作用,快速破壞細(xì)胞,加快提取速度,從而達(dá)到高效提取葉黃素的目的[24]。李大婧等[31]通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化了超聲波輔助石油醚提取葉黃素的工藝條件,葉黃素提取率達(dá)到97%以上。葉兆偉等[32]分析對(duì)比了水浴加熱法、超聲波法和微波法三種方法提取葉黃素的提取率,結(jié)果表明超聲波法提取葉黃素的提取效率最高,優(yōu)于其他兩種方法。
微波輔助提取技術(shù)的原理是利用微波產(chǎn)生的能量使細(xì)胞內(nèi)部迅速升溫膨脹促使細(xì)胞壁破裂,幫助目標(biāo)物質(zhì)有效流出[33]。Fu等[34]研究利用微波-酶協(xié)同水相萃取法提取萬(wàn)壽菊中葉黃素和總酚類等生物活性物質(zhì),并與其他方法進(jìn)行了比較,該方法具有高效、快速等優(yōu)點(diǎn)。
超臨界CO2提取法基于CO2在超臨界狀態(tài)下具有較高的溶解能力,能夠有效對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行分離,同時(shí)CO2在超臨界狀態(tài)下溫度較低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,提取條件溫和[35]。趙永平等[36]通過(guò)單因素和正交試驗(yàn),研究?jī)?yōu)化了超臨界CO2提取萬(wàn)壽菊中葉黃素的工藝條件:萃取壓力29 Mpa,萃取溫度45℃,萃取時(shí)間2.1 h,流速17 mL·min-1。Pal等[37]也采用超臨界CO2萃取方法從非洲萬(wàn)壽菊中提取得到了葉黃素提取物,并對(duì)其清除DPPH自由基的能力進(jìn)行了分析。
但目前,由于運(yùn)行成本、設(shè)備價(jià)值以及規(guī)?;瘧?yīng)用的難度等原因,大多數(shù)利用超聲波、微波和超臨界CO2等方法開(kāi)展的萬(wàn)壽菊葉黃素提取分離研究基本處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)化規(guī)?;a(chǎn)制備葉黃素的研究報(bào)道相對(duì)較少。
亞臨界提取分離技術(shù)使用處于亞臨界狀態(tài)的萃取劑,利用相似相溶的原理,提取分離目標(biāo)物質(zhì)。該方法具有溶劑擴(kuò)散快、溶解能力強(qiáng)、提取效率高等特點(diǎn),并能在低溫下進(jìn)行提取并實(shí)現(xiàn)萃取溶劑與浸出物的分離,減少葉黃素等生物活性物質(zhì)的損失[38]。與超臨界CO2提取法相比,亞臨界提取分離技術(shù)成本較低、更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),目前已經(jīng)在葉黃素的生產(chǎn)實(shí)際中得到了應(yīng)用。高應(yīng)權(quán)等[39]運(yùn)用亞臨界丁烷流體提取并結(jié)合分子蒸餾技術(shù)制備得到了葉黃素單體,與傳統(tǒng)正己烷溶劑萃取法相比具有葉黃素得率高、葉黃素含量高、溶劑殘留低等優(yōu)點(diǎn)。本研發(fā)團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)校企合作攻關(guān),優(yōu)化并建立了亞臨界提取萬(wàn)壽菊葉黃素的最優(yōu)生產(chǎn)工藝,并將其應(yīng)用于生產(chǎn)線中,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
雖然萬(wàn)壽菊葉黃素具有較高的生理活性,由于葉黃素屬于脂溶性物質(zhì),并且其分子結(jié)構(gòu)中存在大量共軛雙鍵,在光、熱、氧條件下容易被氧化分解,穩(wěn)定性和水溶性較差[40]。為了解決上述問(wèn)題,同時(shí)提升葉黃素產(chǎn)品加工經(jīng)濟(jì)附加值,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者紛紛開(kāi)展了以葉黃素為原料,開(kāi)展制備葉黃素微膠囊、葉黃素軟膠囊的研究開(kāi)發(fā)。
微膠囊技術(shù)利用明膠、阿拉伯膠等物質(zhì)(壁材),對(duì)葉黃素等脂溶性活性物質(zhì)包封形成微小粒子(微膠囊),以達(dá)到提升被包封物質(zhì)穩(wěn)定性和生物活性的目的[40]。徐建中等[41]選用阿拉伯膠為壁材,通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化得到了噴霧干燥法制備葉黃素微膠囊的最優(yōu)配方和工藝,結(jié)果表明葉黃素微膠囊產(chǎn)品穩(wěn)定性得到顯著提高,水溶性良好。王垚等[42]以明膠為壁材,采用單凝聚法制備了葉黃素腸溶微膠囊,并通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了葉黃素腸溶微膠囊的制備工藝,結(jié)果表明制備得到的葉黃素微膠囊具有較好的腸溶特性。
汪老師陪聊了半個(gè)多小時(shí),最后她告訴我一個(gè)小秘密,說(shuō)她在上學(xué)時(shí),第一次住上鋪也跟我一樣害怕,爬上床后坐在上面動(dòng)都不敢動(dòng),我比她勇敢多了,上去之后還敢在床的兩頭來(lái)回放東西,這時(shí)我才發(fā)現(xiàn),在她的指導(dǎo)下,居然把她給我鋪好的床,又按自己的習(xí)慣鋪了一遍。大概是有了汪老師和藹可親的鼓勵(lì),讓我心里有了依靠,抑或是我因?yàn)閾碛辛送衾蠋煹男∶孛?,心里有點(diǎn)小歡喜,等汪老師離開(kāi)時(shí),我已經(jīng)不再恐懼上鋪。
軟膠囊劑目前是一類保健食品領(lǐng)域使用較多的新劑型,外型美觀、生物利用度高、穩(wěn)定性較好,能夠有效防止目標(biāo)物對(duì)光、熱敏感成分的分解[43]。尹俊濤等[44]選擇藥用大豆油為分散介質(zhì),添加蜂蠟和大豆磷脂作為助懸劑和潤(rùn)濕劑,通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化得到葉黃素軟膠囊的最優(yōu)制備配方,結(jié)果表明制備得到的葉黃素軟膠囊內(nèi)容物均勻,具有較好的穩(wěn)定性。高應(yīng)權(quán)等[39]以葉黃素單體、維生素A、維生素E等為原料,通過(guò)復(fù)配研發(fā)制備了具有緩解視疲勞功能的葉黃素軟膠囊。目前,包括湯臣倍健在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外多家保健食品生產(chǎn)企業(yè)均已以葉黃素為原料,研發(fā)生產(chǎn)了相關(guān)具有保護(hù)視力作用的保健食品并投入市場(chǎng)。
此外,也有部分食品生產(chǎn)企業(yè)以萬(wàn)壽菊葉黃素為原料,添加其他功能原料,研發(fā)制備了形狀、口味、包裝各異的萬(wàn)壽菊葉黃素壓片糖果系列產(chǎn)品,并作為快消品進(jìn)入市場(chǎng),受到年輕消費(fèi)人群的青睞。
目前萬(wàn)壽菊資源開(kāi)發(fā)利用主要以提取制備葉黃素及其產(chǎn)品進(jìn)一步加工為主。萬(wàn)壽菊在生產(chǎn)提取葉黃素(脂溶性成分)后大約產(chǎn)生22%的副產(chǎn)物,含有大量的多酚、黃酮類水溶性生物活性物質(zhì)及其他生物活性物質(zhì)[45]。直接廢棄一方面將產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染,另一方面也造成資源浪費(fèi),增加了資源開(kāi)發(fā)利用的總體成本。基于上述原因,國(guó)內(nèi)研究者和產(chǎn)業(yè)界從各自角度開(kāi)展了萬(wàn)壽菊加工副產(chǎn)物利用的技術(shù)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐。目前萬(wàn)壽菊加工副產(chǎn)物利用研究和實(shí)踐主要集中在殘?jiān)兴苄陨锘钚晕镔|(zhì)提取、分離、制備以及研發(fā)制成飼料添加劑兩個(gè)方面。
陸洪[46]以萬(wàn)壽菊殘?jiān)鼮樵咸崛?、分離篩選得到8種黃酮類和有機(jī)酸類化合物,并對(duì)其抗癌活性進(jìn)行了進(jìn)一步的篩選。李禹辰等[7]以萬(wàn)壽菊提取葉黃素后的殘?jiān)鼮樵?,通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到了亞臨界提取萬(wàn)壽菊殘?jiān)偠喾雍涂傸S酮的工藝參數(shù),并對(duì)其抗氧化活性進(jìn)行了研究。本研發(fā)團(tuán)隊(duì)前期也利用超聲波輔助提取法對(duì)萬(wàn)壽菊殘?jiān)卸喾雍忘S酮類水溶性生物活性物質(zhì)的提取工藝進(jìn)行了研究,并發(fā)現(xiàn)萬(wàn)壽菊殘?jiān)卸喾雍忘S酮類物質(zhì)含量較高,具有較高的提取利用價(jià)值。
李喬仙等[45]對(duì)云南萬(wàn)壽菊花渣的常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了分析,結(jié)果表明萬(wàn)壽菊渣營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,適合作為反芻動(dòng)物的飼料原料。肖麗萍等[47]以萬(wàn)壽菊渣作為原料之一制備的微生態(tài)制劑豬飼料能夠有效提高瘦肉率。吳華芹[48]通過(guò)添加萬(wàn)壽菊渣制備的肉小雞飼料營(yíng)養(yǎng)較為全面,能夠顯著提高小雞生長(zhǎng)速度。
隨著產(chǎn)業(yè)扶貧戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施,陜西省各地萬(wàn)壽菊等特色藥用植物的種植規(guī)模和產(chǎn)量還將進(jìn)一步增大。但目前陜西省萬(wàn)壽菊綜合利用技術(shù)研究和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段,主要表現(xiàn)在葉黃素等功能物質(zhì)的基礎(chǔ)研究缺失;現(xiàn)有加工企業(yè)規(guī)模較小,技術(shù)設(shè)備先進(jìn)程度不夠,產(chǎn)品以簡(jiǎn)單萬(wàn)壽菊葉黃素提取物為主,深加工產(chǎn)品較少,產(chǎn)品類型單一,利潤(rùn)率不高;產(chǎn)業(yè)鏈條不完整、資源利用率較低,整個(gè)產(chǎn)業(yè)附加值不高。亟需突破萬(wàn)壽菊加工技術(shù)瓶頸,打通萬(wàn)壽菊種植和開(kāi)發(fā)利用環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和扶貧攻堅(jiān)目標(biāo)。
1)密切跟蹤萬(wàn)壽菊葉黃素等生物活性物質(zhì)的最新基礎(chǔ)研究進(jìn)展,通過(guò)校企合作適當(dāng)開(kāi)展針對(duì)萬(wàn)壽菊葉黃素加工終端產(chǎn)品相關(guān)生物活性以及多酚、黃酮等水溶性成份生物活性等方面的基礎(chǔ)研究,為相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
2)圍繞萬(wàn)壽菊葉黃素產(chǎn)品開(kāi)發(fā),重點(diǎn)開(kāi)展適合于規(guī)?;a(chǎn)的亞臨界等新型提取技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量;加強(qiáng)微膠囊和軟膠囊等高附加值終端保健食品研發(fā),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)的升級(jí)換代,提高產(chǎn)品利潤(rùn)率。
3)針對(duì)萬(wàn)壽菊殘?jiān)雀碑a(chǎn)物開(kāi)展綜合利用技術(shù)研發(fā),制備高附加值的多酚、黃酮等健康食品原料以及飼料添加劑等,提高資源利用效率,降低資源整體開(kāi)發(fā)利用成本,豐富加工產(chǎn)品類型。