姜黃素的提取技術(shù)研究進(jìn)展

黃榕清，許傳俊，蘭 濤，明艷林

(1.福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省亞熱帶植物研究所/福建省亞熱帶植物生理生化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361006；3.廈門華僑亞熱帶植物引種園/廈門市植物引種檢疫與植物源產(chǎn)物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361002)

市場(chǎng)上所銷售的“姜黃素”通常為姜黃素(Curcumin，CUR，含量約 77%)、去甲氧基姜黃素(Demethoxycurcumin，DMC，含量約18%)、雙去甲氧基姜黃素(Bisdemethoxycurcumin，BDMC，含量約5%)等的混合物。

姜黃素(C12H20O6)以兩個(gè)苯丙烯?；鶠楣羌?，苯環(huán)上連接鄰羥基甲氧基，丙烯基則連接一個(gè)β-雙酮(烯醇式)，是一種極為罕見(jiàn)的二酮多酚類物質(zhì)(圖 1)。姜黃素是姜科和天南星科根莖中的主要成分，熔點(diǎn)為180～l83 ℃，最大吸收峰在425 nm波長(zhǎng)附近，難溶于水，易溶于甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯和堿性溶液中，著色力較強(qiáng)；由于姜黃素含有雙鍵、-OH、-OCH3等性質(zhì)活潑的結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、光照或高溫下很不穩(wěn)定，容易被氧化而變性變色，且易與金屬離子形成螯合物[1—3]。

姜黃素具有抗氧化[4]、抗凝[5]、降血脂[6]、抗動(dòng)脈粥樣硬化[7]、抗肝纖維化[8—9]、抗腫瘤[10—12]、抗炎[5,13]、抗病毒[14—15]等藥理活性，且毒性低，廣泛應(yīng)用于食品加工與醫(yī)療行業(yè)。高效的提取方法對(duì)于姜黃素的生產(chǎn)與研發(fā)都是必要的。傳統(tǒng)方法多是一些簡(jiǎn)單粗糙的提取手段，提取過(guò)程中出現(xiàn)溶劑消耗大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、提取效率低、污染環(huán)境等問(wèn)題[12]，不適用于現(xiàn)階段研發(fā)和市場(chǎng)需求。目前常見(jiàn)的提取方法包括有機(jī)溶劑提取、酸堿提取、微波輔助提取、超聲輔助提取、雙水相萃取、酶輔助提取、閃式提取、超臨界CO2流體萃取等。本文通過(guò)介紹以上提取方法，旨在為姜黃素的開(kāi)發(fā)和利用提供參考。

圖1 姜黃色素化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of curcumin

1 化學(xué)提取技術(shù)

1.1 有機(jī)溶劑提取

有機(jī)溶劑提取是根據(jù)所需要提取物的溶解性，選擇甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等有機(jī)溶劑滲透到組織細(xì)胞內(nèi)部，將化學(xué)物質(zhì)浸提(固液萃取)出來(lái)[16]。有機(jī)溶劑提取法是姜黃素提取最常用的手段，操作簡(jiǎn)單方便，常常作為提取的首要步驟與其他輔助手段相結(jié)合，如劉莉等[17]分別用九種常用提取溶劑加熱回流提取姜黃素，各溶劑的提取率由大到小分別是：甲醇(0.56%)、乙酸乙酯:乙醇(0.55%)、無(wú)水乙醇(0.53%)、乙酸乙酯(0.50%)、70%乙醇(0.45%)、丙酮(0.44%)、80%乙醇(0.43%)、50%乙醇(0.31%)、水(0.15%)。蔡婧婧等[18]用響應(yīng)面優(yōu)化有機(jī)溶劑結(jié)合均漿法提取生姜的姜黃素，按照優(yōu)化的提取工藝，用90%乙醇提取的姜黃素含量為2.27 mg·g-1，與預(yù)測(cè)值2.34 mg·g-1基本吻合。曾志丁[19]確定丙酮提取法的最佳提取條件為姜黃粉目數(shù)40 目、提取溫度30 ℃、料液比1:10、攪拌轉(zhuǎn)數(shù)400 r·min-1，提取率達(dá) 2.69%。張敏等[20]分別以體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯和堿液作為溶劑提取姜黃素，發(fā)現(xiàn)堿液提取姜黃素不穩(wěn)定；乙酸乙酯的提取效果最好，但成本較高；乙醇不僅提取效果好而且經(jīng)濟(jì)安全，是理想的姜黃素提取溶劑。一般提取姜黃素采用的具有親水性的乙醇溶劑，相比有毒的甲醇和丙酮，操作更安全，可重復(fù)利用，價(jià)格便宜，且提取液不易發(fā)霉變質(zhì)，是良好的綠色溶劑。

1.2 酸堿提取

酸堿提取是指根據(jù)所需提取成分的水溶解性與酸堿度有關(guān)的性質(zhì)，在溶液中加入適量酸或堿，促使該成分溶解或析出。由于姜黃素的酚羥基易溶于堿溶液，可用NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)乙醇溶劑pH，以提高姜黃素的提取率。宋長(zhǎng)生等[21]采用正交試驗(yàn)優(yōu)化姜黃素堿溶液法提取工藝條件，在投料10 g、浸取溫度20 ℃、浸取時(shí)間28 h、NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的最佳條件下，姜黃素提取率為3.13%，總姜黃素純度達(dá)95.44%。該方法得到的粗姜黃素容易干燥，但溶液pH難以一次調(diào)控，一旦pH值過(guò)大姜黃素容易分解，所得產(chǎn)品性質(zhì)不穩(wěn)定。

1.3 雙水相萃取

雙水相萃取是利用物質(zhì)在互不相溶的兩液相間分配系數(shù)的差異來(lái)進(jìn)行萃取。雙水相萃取技術(shù)是一種新型的、環(huán)保的提取純化技術(shù)，此法多應(yīng)用于蛋白質(zhì)、核酸的提取純化[22—24]。目前，該方法用于姜黃素提取的報(bào)道并不多，但由于其條件溫和可用于提取色素。此法要求根據(jù)提取物性質(zhì)選擇雙水相體系(ATPS)，雙水相系統(tǒng)有高聚物/高聚物、高聚物/無(wú)機(jī)鹽(硫酸鉀、硫酸鈉等)、低分子有機(jī)物/無(wú)機(jī)鹽、表面活性劑四種。出于溶劑來(lái)源及成本的考慮，一般植物提取多采用低分子有機(jī)物/無(wú)機(jī)鹽雙水相體系。

蘇文斌等[25]以親水性離子液體溴化N-丁基吡啶([BPy]Br)和磷酸氫二鉀形成的ATPS結(jié)合微波輔助萃取姜黃中姜黃素類化合物，姜黃素提取率達(dá)4.99%，比傳統(tǒng)熱回流方法的提取率(0.042%)高100多倍。王佳靜等[26]取脫脂姜黃20 g，用乙醇提取液和60%硫酸銨溶液按1:1進(jìn)行混合獲得雙水相，取超聲提取液50 mL與硫酸銨鹽溶液按1:1混合，取醇相進(jìn)行濃縮烘干得到姜黃素粗品，液相檢測(cè)其含量為11%。Ghasemzadeh等[27]則選擇由碳水化合物(山梨醇、果糖)和四丁基溴化膦(IL)組成的ATPS提取姜黃素。雙水相萃取的提取液較穩(wěn)定，但雙水相體系易發(fā)生乳化，提取效率偏低，需借助微波、超聲等輔助，不適用于樣品最初的粗提取。

1.4 酶輔助提取

酶輔助提取是指在溶劑中加入適量的酶分解植物組織，促使組織中的有效成分快速溶解，提高提取效率。常用的酶有分解植物細(xì)胞壁的纖維素酶、果膠酶等，尹立沖[28]利用酶協(xié)同超聲波法提取姜黃素，酶用量21 mg·g-1酶解42 min后，姜黃素得率達(dá)4.890%。寧娜等[29]采用微波輔助酶法提取姜黃中姜黃素，姜黃素收率為21.96 mg·g-1。相比機(jī)械物理細(xì)胞破碎，此法操作更簡(jiǎn)單，提取效率高，但酶的適宜環(huán)境難以準(zhǔn)確調(diào)控，操作不當(dāng)易失活，影響提取效率。

2 物理提取技術(shù)

2.1 微波輔助提取

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，具有較好的穿透力，液體吸收微波會(huì)發(fā)熱。微波輔助提取是通過(guò)加熱溶劑，將有效成分從樣品基體中分離出來(lái)以加快萃取的方法。該方法在于通過(guò)體系發(fā)熱從而加快有效成分溶解速度，Hadi等[30]用微波輔助提取法確定了提取姜黃素最佳工藝條件為微波功率700 W、萃取粒度0.30～0.60 mm、提取時(shí)間3 min、溶劑體積10 mL、樣品2 g、提取溫度60 ℃。劉彩琴等[31]利用微波提取姜黃素的最佳工藝參數(shù)：料液比1:43.81，溶劑為71.21%乙醇，微波功率540 W，提取時(shí)間 30 s。微波條件穩(wěn)定，而傳統(tǒng)熱輔助提取則無(wú)法準(zhǔn)確把控溫度，受熱不均且溫度過(guò)高易使姜黃素變質(zhì)失活，降低提取率。

2.2 超聲輔助提取

超聲輔助提取是利用超聲波破壞植物細(xì)胞壁，便于溶劑滲入細(xì)胞，加速有效成分溶解到溶劑中，進(jìn)而提高有效成分提取率和提取速率[20]。超聲輔助提取姜黃素主要受到超聲次數(shù)、超聲功率、超聲時(shí)間、溶劑種類及用量等因素的影響。郭辰旭[32]超聲提取姜黃素的提取率為(1.22±0.02)%；同時(shí)采用連續(xù)流動(dòng)超聲輔助法提取姜黃素，提取率提高為(1.232±0.031)%。Xu等[33]采用超聲波提取技術(shù)，結(jié)合硫酸銨/乙醇水溶液提取姜黃根莖中的姜黃素，提取率可達(dá)46.91 mg·g-1。

馬銘研等[34]建立以離子液體為提取劑，結(jié)合超聲輔助提取，利用高效液相色譜法測(cè)定溫郁金姜黃素含量的方法，在最佳提取條件下提取姜黃素含量達(dá)68.53 μg·g-1。離子液體由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子組成，是綠色化學(xué)新興研究領(lǐng)域之一。有些離子液體是纖維素的優(yōu)良溶劑，植物細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素組成，傳統(tǒng)溶劑只能依靠濃度差來(lái)完成提取，離子液體可以通過(guò)溶解纖維素來(lái)溶解部分植物細(xì)胞壁達(dá)到提取的目的，從而增大提取率和縮短提取時(shí)間。超聲提取操作簡(jiǎn)單，條件可控且穩(wěn)定，不破壞提取物的結(jié)構(gòu)和活性，有助于加快提高效率，可作為一種“綠色技術(shù)”廣泛應(yīng)用。

2.3 閃式提取

閃式提取又稱組織破碎提取，是在室溫下利用高速破碎、研磨、攪拌和超分子滲透技術(shù)，在數(shù)分鐘內(nèi)使藥材有效成分溶解，達(dá)到快速提取的效果。馮素香等[35]對(duì)比研究回流提取法與閃式提取法提取姜黃中姜黃素的效果，結(jié)果表明閃式提取法效率更高。閃式提取法是材料粉碎與溶解同時(shí)進(jìn)行，大大縮短時(shí)間，避免長(zhǎng)時(shí)間提取造成有效成分分解消耗，提取率高且耗能低，是良好的綠色提取技術(shù)。不過(guò)該方法提取量受限，只適用于實(shí)驗(yàn)室，不能大規(guī)模生產(chǎn)，且不適合粘性過(guò)大的藥材，易造成破碎后難以過(guò)濾[36]。

2.4 超臨界CO2流體萃取

超臨界CO2流體萃取是在超臨界狀態(tài)下，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大小、沸點(diǎn)高低和分子量大小的成分依次萃取分離出來(lái)。由于超臨界流體的粘度和擴(kuò)散系數(shù)接近氣體，而密度和溶劑化能力接近液體，相比傳統(tǒng)溶劑提取粘度小、擴(kuò)散度大、溶解性更強(qiáng)，可加快有效成分的提取。羅海等[37]采用超臨界CO2流體萃取法提取姜黃中有效成分姜黃素，夾帶劑用量和萃取壓力是最重要的影響因素，在最佳萃取條件下，姜黃素含量為14.317 mg·g-1。Martinez-Correa等[38]采用40 MPa條件下60 ℃的超臨界二氧化碳(SCCO2)、常壓條件下25 ℃的乙醇(或60 ℃的水)作為提取溶劑，分別比較一步法和兩步法提取姜黃中姜黃素的產(chǎn)率。一步法是同時(shí)用 SCCO2和乙醇(或水)混合溶劑進(jìn)行提取；兩步法則是先用SCCO2連續(xù)萃取，再用乙醇或水萃取，對(duì)應(yīng)于一步法和兩步法的產(chǎn)率分別為3.3%和3.9%(每100g姜黃中姜黃素含量)。此法壓力溫度等條件易于控制，適合于熱敏性物質(zhì)和易氧化物質(zhì)的分離，獲得的提取物純度較高，但是投入成本較高，不適用于工廠化生產(chǎn)。

3 其他提取方法

除了以上方法，姜黃素提取還有水楊酸鈉法、超高壓提取技術(shù)、亞臨界萃取、超聲強(qiáng)化微乳提取、加速溶劑萃取等提取方法，都有較好的效果。

水楊酸鈉法一般用水楊酸鈉溶液浸提姜黃素粗粉，提取液用水稀釋后產(chǎn)生沉淀，取沉淀干燥后乙醇溶解、過(guò)濾、回收干燥得總姜黃素產(chǎn)品。劉新橋等[39]比較水楊酸鈉法、酸堿法、活性炭等方法對(duì)姜黃素提取率的影響，以水楊酸鈉法所得總姜黃素純度最高，可達(dá) 93.2%，但轉(zhuǎn)移率低于 10%。水楊酸鈉提取法獲得的姜黃素具有較高的產(chǎn)品純度，且操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低，重復(fù)利用度高，可以用于小規(guī)模生產(chǎn)。在提取過(guò)程中若采用自然沉降法，提取液中還有大量總姜黃素沒(méi)有沉淀，使轉(zhuǎn)移率過(guò)低；若采用離心法則會(huì)有大量雜質(zhì)隨總姜黃素沉淀，最終產(chǎn)品純度不高，因此不適用于工廠化生產(chǎn)[21]。

超高壓提取技術(shù)的基本原理是在常溫條件下，先將藥材粉碎，再與提取介質(zhì)(提取介質(zhì)根據(jù)藥材的性質(zhì)而選擇)混合放入密閉容器中，對(duì)原料液施加100～1000 MPa的流體靜壓力，保壓一定時(shí)間后迅速卸除壓力，進(jìn)而完成整個(gè)提取過(guò)程。李曉鵬[40]用70%乙醇提取時(shí)，比較四種提取方法的總姜黃素得率，由高到低依次為超高壓(2.874%)＞超聲(2.421%)＞回流(2.039%)＞冷浸(1.585%)。從時(shí)間效率來(lái)看，超高壓3 min的提取率比冷浸12 h的提取率高1.289%，比回流2 h的提取率高0.835%，比超聲1 h的提取率高0.453%。超高壓提取通過(guò)壓力差，減少溶劑消耗，且提取液穩(wěn)定，適合熱敏性和揮發(fā)性成分提取，但與超聲相比條件單一，還需要其他條件調(diào)控。畢曉丹等[41]采用家用高壓鍋模擬家庭煮沸法提取姜黃素，高壓輔助法的提取率最高達(dá)0.403%，而傳統(tǒng)煮沸法的姜黃素提取率為0.200%?？梢?jiàn)高壓輔助提取不僅可作為實(shí)驗(yàn)研究與工廠生產(chǎn)，還可推廣至家用提取，但工廠化應(yīng)用的設(shè)備價(jià)格昂貴且操作安全性要求極高。

亞臨界萃取是根據(jù)有機(jī)物相似相溶的原理，利用亞臨界流體作為溶媒，在密閉、無(wú)氧、低壓的壓力容器內(nèi)萃取物料脂溶性成分，再通過(guò)減壓蒸發(fā)將萃取劑與目的產(chǎn)物分離的萃取技術(shù)。Kwon等[42]采用亞臨界溶劑萃取法從姜黃中提取3種姜黃色素，姜黃素的最大得率為13.58%(姜黃素4.94%、去甲氧基姜黃素4.73%、雙去甲基姜黃素3.91%)。亞臨界萃取比超臨界CO2流體萃取方法產(chǎn)能大、節(jié)能、運(yùn)行成本低，可進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

岳春華等[43]以微乳為橋梁，把提取工藝和分離工藝耦合到一起，總姜黃素提取量為20.12 mg·g-1，提取粗品中微乳提取液和油層分離液可以不去除輔料直接制成藥品。

加速溶劑萃取或加壓液體萃取是在較高的溫度(50～200 ℃)和壓力(1000～3000 psi)下用有機(jī)溶劑萃取固體或半固體基質(zhì)中有效成分的新型提取技術(shù)。Yadav等[45]以加速溶劑萃取法提取姜黃素類化合物，并對(duì)乙醇、乙酸乙酯、丙酮作為萃取溶劑的性能進(jìn)行了比較，類姜黃素收率分別為3.8%、2.8%和2.9%。此法大大縮短時(shí)間，過(guò)程自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，提取效率高。各提取技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1。

表1 姜黃素各提取技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Comparison of the extraction techniques of curcumin

4 展望

基于姜黃素特性、工藝條件、成分的代謝機(jī)制等研究提取方法，已發(fā)展出超聲輔助提取法、超臨界流體萃取法、閃式提取法等新型提取技術(shù)，與傳統(tǒng)提取方法相比，這些新技術(shù)在提取姜黃素中大大縮短時(shí)間，耗材耗能小，提取效率明顯提高，但仍存在以下問(wèn)題。

首先姜黃素提取研究多是工藝參數(shù)優(yōu)化、不同工藝之間的比較，而對(duì)不同工藝間的結(jié)合創(chuàng)新還是較少。

其次，隨著提取工藝過(guò)程越來(lái)越繁雜，標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，這些技術(shù)的推廣普及仍有一定困難，且提取設(shè)備資金投入增加，不適于小型公司前期生產(chǎn)投入。

再者，姜黃素提取技術(shù)工藝優(yōu)化及相應(yīng)提取設(shè)備以實(shí)驗(yàn)研究為主，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)缺乏，實(shí)驗(yàn)研究成果較難落地，造成實(shí)驗(yàn)技術(shù)與工廠化生產(chǎn)出現(xiàn)斷層。

此外，作者在從姜黃中提取姜黃素的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)姜黃中含有大量與姜黃素物理化學(xué)特性極為相似姜黃油，其很難從姜黃素粗品中去除，導(dǎo)致后續(xù)分離純化較為困難。

為此，今后對(duì)于姜黃素提取技術(shù)的研究首先應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)方面結(jié)合多種提取技術(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)設(shè)備，簡(jiǎn)化提取技術(shù)；其次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和工廠化生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)提取技術(shù)進(jìn)行分門別類，將實(shí)驗(yàn)研究與工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)接，使實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)及工藝更好的落地應(yīng)用；建議在提取過(guò)程中嘗試去除姜黃油，減輕分離純化的難度，提高姜黃素的純度，甚至獲得姜黃素結(jié)晶。姜黃是一類藥食同源的植物，姜黃素作為其主要活性成分，在醫(yī)療和食品加工行業(yè)廣泛應(yīng)用，需求量大，因此高效的提取技術(shù)將更有利于姜黃研究和產(chǎn)業(yè)鏈的開(kāi)發(fā)。