欒樹中有效成分的提取、應(yīng)用及其生物修復(fù)綜述

張 勝，湯少展，彭兆豐

(1.衢州第二中學(xué) ，浙江 衢州 324000 ；2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心(國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心),湖北 武漢 430034;3.國土資源部稀土稀有稀散礦產(chǎn)勘查及綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034; 4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)， 湖北 武漢 430074 )

欒樹(Koelreuteriapaniculata)為無患子科欒樹屬落葉喬木，民間俗稱“燈籠樹”或“搖錢樹”。欒樹喜溫暖、濕潤氣候，喜光，且耐寒、耐旱，適宜栽種在溫帶及亞熱帶。其根系發(fā)達(dá)，萌蘗性強(qiáng)，對土壤要求不嚴(yán)，抗污染性強(qiáng)，微酸至堿性土壤中都能生長[1-2]。欒樹的枝葉含有殺菌性物質(zhì)，其含有的豐富黃酮類物質(zhì)可供提??；其含量有較高的葉黃素，可作為黃色染料原材料加以提取。欒樹花是優(yōu)良的蜜源，不僅可供藥用，亦可作黃色染料；其種子富含不飽和脂肪酸，可作油料。欒樹是一種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的多用途觀賞樹種[3-4]。

欒樹作為園林綠化樹種栽培，歷史悠久。人們很早還發(fā)現(xiàn)欒樹有一定的藥用價(jià)值[5]。上世紀(jì)80年代，植物體內(nèi)天然產(chǎn)物的研究廣泛興起，欒樹體內(nèi)分離出多種新化合物，自然引起人們對其的興趣和重視[6-7]。人們已從欒樹中分離出8種黃酮類化合物，其中2種有免疫、抗癌、抗病毒、清除自由基和活血化瘀等生理作用；分離到3種具環(huán)木脂內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的木脂素類化合物，經(jīng)體外試驗(yàn)證實(shí)對人體乳腺癌MCF-7、肺癌A-549和大腸腺癌癥HT-29等8種細(xì)胞株有細(xì)胞毒性，能抑制細(xì)胞微管聚合蛋白酶[8-9]。欒樹中還含14種有機(jī)酸，即沒食子酸類衍生物7種、氰脂類衍生物3種、甘油酯3種和其他不飽和脂肪酸1種。另外從欒樹葉中還分離到甾醇類化合物、香豆素類化合物、三萜皂苷B等成分[10-11]。雖然對欒樹的主要成分以及藥用價(jià)值做了一定的研究，但針對欒樹不同部位有效成分的開發(fā)，以及各類有效成分的高效提取方法有待進(jìn)一步探討；雖然欒樹對部分重金屬的抗性研究取得了一些進(jìn)展，但在重金屬脅迫下欒樹體內(nèi)產(chǎn)物代謝受到的影響及其影響機(jī)理，都還有待于深入研究。

1 成分提取、應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

1.1 多酚類

工業(yè)生產(chǎn)中，多酚類物質(zhì)提取基本工藝路線：花、葉原料→溶劑提取→雜質(zhì)過濾→反相萃取→分離→噴霧干燥→多酚粗品。溶劑萃取法是國內(nèi)使用最為廣泛的天然藥物提取方法之一，該方法利用多酚類物質(zhì)在不同溶劑中的溶解度差異實(shí)現(xiàn)分離，利用水及乙醇等有機(jī)溶劑，采用回流設(shè)備提取，如常用氯仿從水溶液中提取咖啡因、用活性碳脫色、用石油醚除色素或通過低溫靜置去雜質(zhì)，最后選用乙酸乙酯作溶劑萃取，使多酚從水相中分離出來[12-13]。

類比發(fā)現(xiàn)，微波輔助提取時(shí)，其消耗時(shí)間和總?cè)軇┝勘葌鹘y(tǒng)萃取法要少。2種提取方法都顯示，欒樹果實(shí)內(nèi)的總黃酮含量要高于葉及枝[14]。傳統(tǒng)的分離提取方法基本能滿足欒樹花果中黃酮類物質(zhì)的提取，但大量的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)采取微波輔助提取以減少成本。馬柏林等[15]對欒樹葉的70%乙醇提取物研究發(fā)現(xiàn)，其含有的酚類、黃酮類等抗氧化物質(zhì)，可添加到食用油中，增強(qiáng)其抗氧化能力。但目前，在欒樹果實(shí)內(nèi)的總黃酮提取及其抗氧化性方面，值得進(jìn)一步研究，并可期待開發(fā)為精細(xì)化妝品原料。

1.2 油脂、粗蛋白和粗纖維

張學(xué)杰等[16]用毛細(xì)管柱氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS) 分析、測定了欒樹籽油的脂肪酸組成，共鑒定出21種成分。其不飽和脂肪酸相對含量為88%，主要為二十碳烯酸和亞油酸，相對含量分別為44.98%和39.75%，高于花生油 (37.6%) 和菜子油 (14.2%) ，另一種必需脂肪酸亞麻酸含量為 0.24%；多不飽和脂肪酸含量為40.22%。楊小鳳等[17]測得欒樹果油與果仁油的密度分別為0.939 2和0.967 2 g/mL，欒樹種籽中的脂肪含量比大豆、棉籽高，與油菜籽、花生仁、油葵籽、芝麻中的脂肪含量相近。

高向陽等[18-20]采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定了北方欒樹和黃山欒樹果中粗脂肪、粗蛋白、粗纖維的含量，2種欒樹果仁中的粗脂肪含量高達(dá)40%—51%，粗蛋白含量為18.95%—24.3% ，粗纖維含量為22.53%—28.12%。雖然欒樹果的粗蛋白含量比大豆低，但其果仁中的粗蛋白含量與花生仁、油菜籽相近，可作為油料產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)[17-21]。

欒樹籽油的不飽和脂肪酸穩(wěn)定性較好，不易被氧化而產(chǎn)生異味，欒樹果的粗蛋白、粗纖維含量與其他油料作物幾乎相當(dāng)，甚至有些成份還要高，可見，欒樹果及種籽是非常有開發(fā)價(jià)值的高脂肪、高蛋白食品和新型油料資源。大規(guī)模種植的情況下，它可既作為新型食品油料資源進(jìn)行深度開發(fā)和利用，而油餅(粕)也是不可多得的優(yōu)質(zhì)飼料。欒樹籽還可制成干粉絮凝劑、水提液絮凝劑和鹽提液絮凝劑，可廣泛應(yīng)用在污水處理中[22]。

1.3 色素

目前食品工業(yè)中用微膠囊包裹天然色素，這不僅可以防止受光和熱的直接影響，同時(shí)也能掩蓋其不良風(fēng)味，并兼作緩釋劑，是針對天然色素不穩(wěn)定性的一項(xiàng)可行方法。天然色素一般采用溶劑提取法[23]，對單相溶解性較好的多采用有機(jī)溶劑浸提，例如水溶性或醇溶性的花色苷類和黃酮類、脂溶性色素的提取。工業(yè)生產(chǎn)上，一般采用熱水提取，乙酸乙酯轉(zhuǎn)溶，再經(jīng)過濾、減壓濃縮、真空干燥，然后用柱層析法進(jìn)行分離，甚至根據(jù)需要利用高速逆流色譜法分離提純。

欒樹蒴果成熟時(shí)呈玫瑰色或紅色，頗具觀賞性，是良好的天然色素資源[24]。楊桂松[25]對欒樹蒴果皮提取紅色素的條件進(jìn)行過優(yōu)化。天然色素比合成色素對人體安全性高，但國內(nèi)對天然色素的開發(fā)和利用還比較落后，尤其是利用欒樹開發(fā)天然色素少有報(bào)道，所以對欒樹天然色素還需進(jìn)一步研究，其天然色素的開發(fā)具有十分廣闊的市場前景[26-27]。

1.4 黃酮類物質(zhì)

國內(nèi)對于欒樹中黃酮類化合物的研究，大多集中在欒樹葉和種子[28]。超聲波破壞植物細(xì)胞和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，采用超聲波法提取黃酮類物質(zhì)，有助于黃酮類化合物的釋放與溶出，而恒溫超聲波設(shè)備的運(yùn)用，更有利于提取物從原料的脫離。相較于黃酮類化合物的傳統(tǒng)提取工藝，超聲波法提取不僅縮短了提取時(shí)間，更提高了有效成分的提出率和原料的利用率。

雷海民等[29]從欒樹葉、種子中分離、鑒定出16種欒樹黃酮類化合物。翟梅枝等[30]以總黃酮含量為指標(biāo)，優(yōu)化了欒樹花中黃酮類化合物的提取工藝，得到的欒樹花黃酮類提取物對4種供試病原菌(茄早疫病原菌等)均有抑制作用，且抑菌試驗(yàn)表明，在合適的提取條件下得到的提取物，對上述4種供試病原菌的抑菌率都在60%以上，甚至有9個(gè)提取物對棉花立枯病原菌的抑制率均為100%，對番茄早疫病原菌的抑制率都在75%以上。唐純翼等[9]對不同時(shí)段分別采集的欒樹果實(shí)進(jìn)行總黃酮的提取及測定，結(jié)果顯示，欒樹果實(shí)中總黃酮含量隨果實(shí)趨向成熟期顯著遞增。雖然欒樹中黃酮類物質(zhì)的提取研究和藥物應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展，但對影響欒樹中黃酮類物質(zhì)產(chǎn)量的因素探究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2 環(huán)境修復(fù)的研究現(xiàn)狀

隨著有色金屬礦產(chǎn)的大規(guī)模開采，越來越多的重金屬隨尾礦砂進(jìn)入礦區(qū)周邊土壤，造成大面積的面源污染，更由此引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染事件。礦區(qū)廢棄地中重金屬污染問題是礦業(yè)開發(fā)遺留的主要問題，這些地區(qū)通常植被稀疏，水污染嚴(yán)重，農(nóng)作物更難生存。利用植物代謝中需要適量的Cu2+， Zn2+， Mn2+， Fe2+， Ni2+和Co2+等必需微量元素，選育抗性品種，是礦區(qū)土地修復(fù)的理想之路。但是大多數(shù)植物對重金屬耐性有限，尤其是根系不發(fā)達(dá)的植物，對極低濃度的某些重金屬離子極其敏感[31-35]。

目前，我國對植物富集重金屬Cd的研究較多[36-37]。2004年魏樹和等[38,42]在對鉛鋅礦坑口的雜草富集特性的研究中，首次發(fā)現(xiàn)龍葵為Cd超富集植物，并認(rèn)為可以利用草本植物修復(fù)重金屬污染。

劉亮[43]以欒樹為研究對象，對礦區(qū)廢棄地的重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)欒樹幼苗具有較強(qiáng)的重金屬耐受能力[44-45]，欒樹幼苗不同部位吸收和積累重金屬能力的順序?yàn)楦?葉>莖，并隨著時(shí)間的推移，葉有大于根部的趨勢。與對照相比，金屬螯合計(jì)EDTA促進(jìn)了欒樹葉、莖和根對5種重金屬離子(Cu2+，Zn2+，Pb2+，Mn2+，Cd2+)的吸收。一般來說，低濃度的EDTA添加量(0—1 mmol/kg)促進(jìn)根和莖對上述重金屬元素的吸收、葉對Pb2+和Zn2+的吸收，高濃度的EDTA添加量(2—8 mmol/kg)促進(jìn)葉對Cu2+，Mn2+和Cd2+的吸收。

盧麗麗等[46-47]通過重金屬對欒樹幼苗生長影響的研究，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu2+，Pb2+，Zn2+溶液對欒樹幼苗生長不僅沒有明顯傷害現(xiàn)象，反而促進(jìn)其生長，增加生物量積累，但高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu2+(>240×10-6)，Pb2+(>200×10-6)，Zn2+(>760×10-6) 溶液致使欒樹根系不發(fā)達(dá)，幼苗生長緩慢，甚至死亡，影響到其生態(tài)效益的良好發(fā)揮。研究發(fā)現(xiàn)[43]，欒樹對Cu2+的富集系數(shù)達(dá)到0.23—0.31，對Mn2+的富集系數(shù)僅0.02，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也只在0.56—1.11范圍內(nèi)。無生物修復(fù)的廢棄礦山土壤中重金屬鋅、錳、鎘十分豐富，平均含量分別為640.32，7 990.21，13.15 mg/kg。欒樹造林2.5 a后，重金屬含量會(huì)不同程度地下降，跌幅最大的是錳(1 103.35 mg/kg)，減少了86.19%，其次是鎘和鋅，總量分別減少了75.67%和70.39%。Mn在穗型欒樹中積累豐富，為2 490.72 mg/kg，占積累重金屬總量的56.1%。穗型欒樹對不同重金屬富集能力不一，依次是錳>鋅>銅>鎳>鉛>鈷，不同部位重金屬積累能力依次為葉>細(xì)根>樹枝>粗根>根>枝頂。穗型欒樹對鋅、錳、鎳、鈷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)超過1，對錳的富集系數(shù)大于1。

利用植物修復(fù)技術(shù)，不僅可以極大地從土壤中吸收重金屬，解除污染，還能改善土質(zhì)，降低土壤pH值[39,48-49]。但目前植物修復(fù)技術(shù)大多局限于草本，尤其是禾草類，欒樹除了可實(shí)現(xiàn)廢棄礦區(qū)的“退礦還林”外，在修復(fù)其他立地土壤重金屬污染方面還潛在著重要作用。

3 欒樹相關(guān)研究的展望

對欒樹的研究應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的工作:

(1) 選育重金屬抗性品種。欒樹在我國分布廣，栽培歷史悠久。應(yīng)根據(jù)欒樹的生態(tài)習(xí)性和我國重金屬污染地區(qū)的地理特點(diǎn)，加強(qiáng)重金屬抗性植株的選育研究工作，如可以通過遺傳改良技術(shù)培育重金屬超級(jí)累型喬木，為進(jìn)一步提高其在土壤重金屬污染生態(tài)修復(fù)中的作用打下工作基礎(chǔ)。擴(kuò)大欒樹作為景觀樹種的園林應(yīng)用市場，開發(fā)欒樹集環(huán)境美化、污染治理于一體的功能，促進(jìn)礦區(qū)污染綜合治理由微生物到草本再到喬木林的生態(tài)體系的形成，并搭建經(jīng)濟(jì)林業(yè)帶產(chǎn)業(yè)區(qū)。

(2) 加強(qiáng)欒樹有效成分的提取，拓展其應(yīng)用范圍。針對欒樹的生物學(xué)特性，從欒樹中提取有效藥用成分，尤其是具有醫(yī)藥價(jià)值的天然產(chǎn)物的綜合提取。如針對欒樹花、果和葉中黃酮類化合物對病原菌的選擇性抑制作用，以及多酚類物質(zhì)對腫瘤細(xì)胞的抑制作用，開發(fā)高效藥物；欒樹花期長、花量大以及花粉質(zhì)量好，可進(jìn)行花中天然色素、黃酮和多酚類物質(zhì)的提取，以及養(yǎng)蜂采蜜；欒樹果實(shí)油脂含量較高，粗蛋白、粗纖維含量突出，可深化油料的提取加工技術(shù)；欒樹枝葉中多酚、黃酮、天然色素、多糖等有效成分含量豐富，可進(jìn)行精細(xì)化妝品原材料開發(fā)，繼而形成產(chǎn)業(yè)化的加工鏈。

(3)深入探究欒樹的代謝產(chǎn)物，尤其是次級(jí)代謝產(chǎn)物受重金屬脅迫的代謝變化機(jī)理。由于次生代謝成分的合成與降解受溫度、光照等多種因素影響，針對欒樹對鉛、鎘、錳、銅的積累作用，加強(qiáng)對欒樹在重金屬污染地區(qū)的次級(jí)代謝產(chǎn)物的研究，探究重金屬污染地區(qū)欒樹中代謝產(chǎn)物如黃酮類物質(zhì)、色素等因重金屬脅迫作用在種類和含量上發(fā)生的變化，以及影響變化的機(jī)理。