火麻資源綜合加工及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展

高 哲 張志軍 李會(huì)珍 李曉君

(中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，太原 030051)

火麻(CannabissativaL.)又名大麻、漢麻、寒麻等，一年生草本植物，原產(chǎn)錫金、印度和中亞細(xì)亞[1]，我國(guó)各地也有栽培。火麻莖皮纖維堅(jiān)固且長(zhǎng)，可用來(lái)造紙、織麻布、制繩索等；火麻籽含油量30%，除可食用外也可做油漆、涂料等；火麻仁可入藥，性平，味甘，具有潤(rùn)腸通便功效[1]。隨著生物化工技術(shù)的不斷發(fā)展，已從火麻資源中提取分離出多種生物活性成分，這些物質(zhì)因其良好的抗氧化和保健作用而對(duì)高血壓、糖尿病、便秘等有預(yù)防作用。近年來(lái)開(kāi)發(fā)出諸多火麻類產(chǎn)品，如火麻油、火麻蛋白粉、火麻飲料和火麻龜苓膏等[1]，這些綠色保健食品逐漸受到人們的青睞。隨之火麻在全球范圍內(nèi)大規(guī)模種植，而相對(duì)于國(guó)外，中國(guó)火麻資源更為豐富，可為火麻產(chǎn)品的科學(xué)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供大量原材料[1]。

1 火麻葉

火麻葉片為綠色，有單葉和復(fù)葉之分，且多為掌狀復(fù)葉，其葉序?yàn)閷?duì)生和互生。迄今為止，科研工作者們已經(jīng)從火麻葉中分離出包括大麻酚類、萜類、生物堿、有機(jī)酸、多糖等在內(nèi)的累計(jì)達(dá)528種化合物[2]。

1.1 大麻二酚及其提取工藝

火麻葉中包含許多大麻素類化合物，但主要是大麻二酚(Cannabidiol, CBD)及其羧基化合物。大麻二酚結(jié)構(gòu)式如圖1所示，其是非成癮性成分，具有治療阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥癲癇、口服黏膜炎、糖尿病、阻斷乳腺癌轉(zhuǎn)移、抗痙攣和抗失眠等一系列生理活性功能[3-7]?，F(xiàn)階段，科學(xué)家們對(duì)大麻二酚抑菌、抗炎、抗癌等活性進(jìn)行了深入研究，并將其應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)。

近年來(lái)，大麻二酚的提取制備工藝得到廣泛重視。吳俊峰等[1]以火麻葉為原料，采用酶輔助溶劑、超臨界及亞臨界三種萃取方法制備富含CBD的浸膏。經(jīng)復(fù)合植物水解酶和酸性蛋白酶的復(fù)合物酶解，正己烷提取，活性炭脫色，所得浸膏中大麻二酚含量為56.11 mg/g；當(dāng)超臨界和亞臨界中夾帶劑(乙醇)體積分?jǐn)?shù)分別為35%和40%時(shí)，所得浸膏CBD純度分別為56.36 mg/g和25.02 mg/g[8]。Thomas等[9]優(yōu)化了超臨界CO2萃取火麻纖維產(chǎn)品加工廢棄物中CBD的工藝，在350 bar和50 ℃條件下，CBD含量為833 μg/g。此外，高寶昌等[10]用甲醇超聲法提取，測(cè)得火麻葉中大麻二酚含量約為0.2%。本課題組以正己烷作為提取溶劑，經(jīng)熱回流法80 ℃下提取3 h浸膏得率為5.24%，浸膏中大麻二酚含量為46.16 mg/g，此方法成本低且更適于工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 CBD結(jié)構(gòu)

1.2 揮發(fā)油及其他成分

蔣勇等[11]采用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)法分析火麻葉揮發(fā)性成分，鑒定出的44種物質(zhì)占揮發(fā)油總組分的86.04%。主要組分如表1所示，含量較多的是石竹烯氧化物(14.36%)、石竹烯(8.08%)和α-石竹烯(7.05%)等。田愛(ài)瑩等[2]優(yōu)化了從火麻葉中提取黃酮、多酚和多糖的工藝條件：65%乙醇、提取時(shí)間133 min、提取溫度60 ℃、料液比1∶30(g/mL)工藝條件下，黃酮和多酚的得率分別為2.15%和1.97%；火麻葉多糖的提取選用料液比1∶22(g/mL)、提取時(shí)間98 min、提取溫度97 ℃、提取次數(shù)3次作為最佳工藝條件，多糖得率為3.38%。

1.3 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

火麻葉提取濃縮后所得浸膏具有水不溶性、氣味刺鼻、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，因而將其包埋于某些水溶性物質(zhì)內(nèi)，可以降低其結(jié)晶度，提高生物利用率。吳俊峰等[1]采用反溶劑法(以浸膏為芯材，以酪朊酸鈉(NaCas)、OSA改性淀粉(OSA-S)及皂苷(Quillaja)為穩(wěn)定劑)制備具有良好穩(wěn)定性的CBD微球顆粒。Hernán等[12]開(kāi)發(fā)了油包埋制備大麻素負(fù)載的聚ε-己內(nèi)酯(PCL)微粒，獲得尺寸范圍為20～50 μm和高包封率(約100%)的球形微粒，且體外細(xì)胞活力研究表明CBD從微粒釋放出一定的抗腫瘤活性。經(jīng)過(guò)分離純化的大麻二酚廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥研發(fā)方面，Zuardi等[13]發(fā)明了經(jīng)口遞送的含大麻二酚60～1 200 mg的壓制片劑，當(dāng)持續(xù)4周給予精神分裂癥患者1 500 mg/d CBD(溶于油)時(shí),在治療期間改善顯著,而中斷施用時(shí)即觀察到惡化。

表1 氣質(zhì)聯(lián)用分析火麻葉中揮發(fā)油主要組分

火麻葉揮發(fā)油中主要成分有石竹烯、α-石竹烯及其石竹烯氧化物，這些物質(zhì)能滲透進(jìn)皮膚，促進(jìn)活性因子的局部傳遞，是安全的皮膚滲透增強(qiáng)劑，可應(yīng)用在化妝品配方中，開(kāi)發(fā)出高檔化妝品[11]。有研究表明，火麻葉中的多酚類、生物堿、有機(jī)酸和多糖等物質(zhì)除對(duì)霉菌有不同程度的抑制作用外，對(duì)多種革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌也有明顯抗菌性能。在進(jìn)行體內(nèi)體外抗氧化、抑菌活性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，可為今后抗氧化劑、抑菌劑的篩選做出科學(xué)依據(jù)，從而開(kāi)發(fā)出各式各樣的日化品，如洗手液、空氣噴霧劑、牙膏、驅(qū)蚊劑和電子煙等[2,14]。

2 火麻籽

火麻籽包括籽殼和火麻仁兩大部分，火麻籽殼中的膳食纖維可應(yīng)用于糖尿病、高血壓病人膳食中，具有疏通腸道、美容養(yǎng)顏、調(diào)節(jié)血糖的作用，用火麻籽殼制作的活性炭可用于食品脫色及各種食品制造中催化劑的載體[14]；據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道火麻種仁比果實(shí)更安全，其藥用部位應(yīng)為種仁[15]?；鹇槿适且晃端幨惩吹臐?rùn)下藥，在臨床上主治腸燥便秘、腳氣、月經(jīng)不調(diào)及丹毒等癥，對(duì)心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等都有顯著療效[15]。

2.1 火麻油

火麻油優(yōu)于眾多植物油的原因是亞油酸和亞麻酸總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)65%～95%，且兩者比例接近人體所需比例3∶1；特別是γ-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)4%，高于大多數(shù)植物油，具有抗氧化、抗炎、延緩衰老等特性[16]。

2.1.1 提取工藝

火麻油的提取方法包括熱榨法、冷榨法、水酶法及超臨界CO2法等。田兆飛等[16]采用冷榨法榨取火麻仁中的油脂，進(jìn)行甲酯化處理后，分別利用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、氣相色譜法分析鑒定其脂肪酸組成及含量；水酶法提取火麻仁油的工藝條件為選擇Viscozyme L酶酶解、加酶量7 000 U/g、酶解時(shí)間3 h、酶解溫度60 ℃、料液比1∶6、pH 5，此法提取率高達(dá)83.2%[17]；高曉龍等[18-19]選擇超臨界萃取，在萃取壓力30 MPa，萃取溫度38 ℃，萃取時(shí)間50 min條件下，火麻油的出油率為77.2%，油脂的紅色值為1.0，且萃取出來(lái)的淺色火麻油品質(zhì)較高。另外，楊湄等[20]證實(shí)了微波預(yù)處理會(huì)顯著改善油的氧化穩(wěn)定性，表明微波預(yù)處理是一種適宜提高火麻油品質(zhì)的預(yù)處理方式。

2.1.2 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

火麻油除作為高端食用油外還可用于保健品領(lǐng)域，以精煉火麻油為主要原料，以α-亞麻酸為主要功能成分，用現(xiàn)代醫(yī)藥制作方法研制而成的火麻軟膠囊在潤(rùn)燥滑腸、清除自由基、排毒養(yǎng)顏等方面十分有效，且具有用量小，服用方便的特點(diǎn)[21]。在工業(yè)用途上，火麻油碘值在162.8～168.2 g/100 g之間，由于是高碘值油，含有較多的不飽和甘油酯，可用在制阿立夫油、清漆、油墨以及肥皂、油氈、人造草等方面[21]。

2.2 火麻蛋白

火麻蛋白中含60%～70%麻仁清蛋白和麻仁球蛋白，除富含人體必需8種氨基酸外，其高含量的精氨酸(123 mg/g蛋白)和組氨酸(27 mg/g蛋白)對(duì)兒童的生長(zhǎng)非常重要，其余氨基酸組成合理、效價(jià)均衡，被稱為“優(yōu)質(zhì)完全蛋白”，具有調(diào)節(jié)血糖、血脂和血小板水平，促進(jìn)腦組織發(fā)育等功效[22]。

2.2.1 提取工藝

火麻蛋白提取的最經(jīng)典方法為堿溶酸沉法。衛(wèi)萍等[23]以火麻籽為原料，提取火麻蛋白的最佳工藝參數(shù)為：料液比1∶9、溫度60 ℃、時(shí)間1 h、pH 10。在最佳工藝條件下，火麻蛋白提取率為63.5%；在工業(yè)化生產(chǎn)中，黎科亮等將脫殼/帶殼火麻籽低溫壓榨后采用亞臨界萃取進(jìn)一步脫除粕中油脂，在萃取溫度32 ℃，料液比1∶10(g/mL)，每次萃取時(shí)間35 min(3次)的條件下，脫殼/帶殼火麻籽粗蛋白的蛋白含量分別為75.31%和35.46%，脫殼火麻蛋白中的精氨酸含量高達(dá)133.84 mg/g蛋白，優(yōu)于雞蛋蛋白和大豆蛋白，此研究結(jié)果為火麻蛋白的開(kāi)發(fā)利用提供了參考[24]。

2.2.2 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

蒲海燕等[25]以火麻仁和純牛乳為主要原料，當(dāng)火麻原漿用量10%，新鮮酸奶接種量17%，綿白糖用量8%，發(fā)酵時(shí)間6 h時(shí)，酸奶的品質(zhì)最佳；陸建林等[26]將火麻粉與食鹽、雞精等按一定比例進(jìn)行調(diào)配制成原味型火麻固體湯料。陳聰穎等[27]以火麻仁為原料先將其70 ℃烘烤10 min，再以30 ℃的水浸泡火麻仁1.5 h，瀝干后用70 ℃熱水按料液比1∶12磨漿6 min(pH 7.5)，火麻乳中蛋白含量為2.66%，蛋白質(zhì)提取率高達(dá)78.45%，產(chǎn)品呈乳白色，有火麻清香，品質(zhì)好。此外，以火麻蛋白為主要原料，加入黑芝麻、蔗糖等輔料還可制成營(yíng)養(yǎng)豐富、口感甜美的火麻保健飲料[28]。

3 火麻莖稈

火麻莖稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，是非常寶貴的天然植物纖維資源。目前我國(guó)木材資源短缺，木材供不應(yīng)求的局面將會(huì)長(zhǎng)期存在，將火麻莖稈加以利用是代木材料的最佳選擇[29]。火麻莖稈大多是用在纖維產(chǎn)品和木炭的生產(chǎn)上。

3.1 加工工藝

3.1.1 火麻莖稈纖維化處理方法

分離法：莖稈先切段再噴蒸處理、解離處理，最后使莖稈原料呈纖維狀后干燥即得莖稈纖維；

電磨法：此法與分離法大同小異，也是要經(jīng)過(guò)加溫蒸煮后再用電磨加工成纖維；

搓揉法：這種工藝與以上2種方法的區(qū)別就是換成了搓揉設(shè)備。相比較而言，搓揉法是最好的一種工藝，它可以把莖稈搓揉到所需要的纖維狀為止，而其他工藝均為不可逆的[29]。

3.1.2 火麻莖稈生產(chǎn)木炭技術(shù)

火麻莖稈生產(chǎn)木炭技術(shù)主要包括內(nèi)熱式、外熱式以及循環(huán)氣流加熱式[30]。這3種炭化技術(shù)相比：內(nèi)熱式炭化技術(shù)較傳統(tǒng)，關(guān)鍵是控制窯內(nèi)空氣量使莖稈不完全燃燒來(lái)生產(chǎn)木炭；外熱式炭化技術(shù)是利用外部燃燒汽油、廢木材而避免消耗用于生產(chǎn)木炭的莖稈；循環(huán)氣流加熱式炭化則直接將還原性氣體或高溫惰性氣體通入炭化室內(nèi)加熱莖稈，炭化產(chǎn)生的熱解氣隨載熱氣體流出，在燃燒室中燃燒后又可用于炭化莖稈，具有傳熱效率高、炭化周期短、木炭質(zhì)量較好等特點(diǎn)[30]。

3.2 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

火麻莖稈纖維內(nèi)的大麻多酚類物質(zhì)對(duì)白色念珠菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌等有顯著抑制作用，因其天然抑菌、衛(wèi)生健康，可開(kāi)發(fā)醫(yī)用紗布、衛(wèi)生護(hù)墊、兒童尿不濕等產(chǎn)品；火麻纖維耐腐蝕性能好，因此特別適宜各種特殊需要的工作服，如軍服、軍靴、軍用背包等；火麻織物防紫外線輻射能力強(qiáng)，可減少紫外線對(duì)人體的危害[29]。

火麻莖稈加工而成的木炭一方面用于生產(chǎn)活性炭、二硫化碳等，另一方面其作為一種清潔可再生能源，廣泛用于燒烤行業(yè)、家庭烹飪、取暖及發(fā)電廠發(fā)電等，同時(shí)在替代化石燃料方面具有很大的潛力，可作為鋼鐵和工業(yè)硅冶煉的還原劑[30]。

4 展望

火麻花新藥開(kāi)發(fā)。以火麻花為原材料，利用活性追蹤手段尋找具有藥效的物質(zhì)，對(duì)此進(jìn)行評(píng)估并開(kāi)發(fā)出更有價(jià)值的新藥，如抗癌藥、抗艾滋病藥及精神疾病藥物等。

火麻莖皮農(nóng)藥殺菌劑開(kāi)發(fā)。火麻莖皮中的化學(xué)成分齊墩果烯和齊墩果酸有較好的抑菌作用，對(duì)金黃色葡萄球菌及白色念珠菌抑菌作用明顯。對(duì)火麻莖皮中的齊墩果烯和齊墩果酸進(jìn)行分離純化，獲得原藥后，再配以適當(dāng)?shù)闹鷦┘庸こ赊r(nóng)藥殺菌劑，可開(kāi)發(fā)出天然高效殺菌劑。

火麻根新能源開(kāi)發(fā)?；鹇楦c標(biāo)準(zhǔn)煤有同等的熱值，可合成新型可再生生物燃料。