基于超聲波技術(shù)的紅芪多糖提取及分子修飾研究進(jìn)展

李芳蓉，劉玲玲，陳 鑫，張建軍

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)教學(xué)部，甘肅 定西 743000)

0 引言

紅芪(radix hedysari)是甘肅省重要的道地特產(chǎn)傳統(tǒng)中藥材，系豆科植物多序巖黃耆(原變種)(hedysarum polybotrys Hand.-Mazz.)的干燥根[1]，性微溫，味甘，歸脾、肺二經(jīng)，具有固表止汗、升陽益氣、排毒利尿消腫、排膿和斂瘡生肌等功效[2，3].現(xiàn)代藥理研究表明紅芪能夠強(qiáng)心利尿，抗病毒，提高免疫力，抗自由基[4，5]，同時(shí)還具有抑制金黃色葡萄球菌、 結(jié)核桿菌及降壓作用.相關(guān)藥理活性研究多集中于免疫調(diào)節(jié)、抗衰老、對心血管和內(nèi)皮細(xì)胞損傷保護(hù)、減輕糖尿病并發(fā)癥、降血糖、強(qiáng)心利尿、抗炎、抗自由基、抗病毒、抗腫瘤和神經(jīng)保護(hù)作用等藥理作用.紅芪有滋補(bǔ)作用，自古除藥用外，還用于做湯、燉肉、泡酒等，開發(fā)利用價(jià)值十分可觀[6].

目前，惡性腫瘤已成為威脅人類生命的頭號惡性疾病.因此，醫(yī)藥學(xué)研究者都在尋找天然優(yōu)質(zhì)、療效確切、低毒無副作用的抗腫瘤藥物.紅芪多糖(Hedysarum polysaccharide，HPS)，低毒且免疫活性強(qiáng)，是紅芪主要活性成分，備受醫(yī)者青睞，紅芪在抗腫瘤和提高免疫力方面應(yīng)用前景廣闊.隨著老齡化社會(huì)的來臨，阿爾茨海默癥(Alzheimer′s disease AD)的發(fā)病率日漸升高，極大危害了老年人身心健康，嚴(yán)重降低其生活質(zhì)量，使社會(huì)與其家庭生活及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)沉重.HPS具有良好的保護(hù)AD細(xì)胞模型存活率下降的作用[7].Aβ1-42誘導(dǎo)的SH-SY5Y受HPS作用后可以使多種蛋白表達(dá)量變化明顯，這些蛋白質(zhì)可能是HPS發(fā)揮抗AD作用的關(guān)鍵蛋白靶點(diǎn).這方面的研究在蛋白質(zhì)水平上可為HPS的神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制探討和中藥新藥HPS及其衍生物的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持[8].HPS在抗腫瘤和阿爾茨海默癥治療中的應(yīng)用，使得關(guān)于其提取與對其分子修飾的研究具有極其重要的意義.

1 中藥材有效成分超聲波提取及其特點(diǎn)

1.1 超聲波在中藥材有效成分提取中的應(yīng)用

超聲波的聲學(xué)頻率為2×104Hz～109Hz，頻率高、波長短、穿透力強(qiáng)、方向性好.因超聲波有許多特殊的物理性能，且無化學(xué)殘留、安全性高、簡便有效[9，10].因此超聲波技術(shù)在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生物技術(shù)和食品工業(yè)等方面發(fā)揮著重要的作用.

天然藥物有效成分超聲波提取是指在容器內(nèi)加入提取溶媒(或稱介質(zhì)，如水、乙醇或其他有機(jī)溶劑等)，將中藥材根據(jù)需要切成顆粒狀或粉碎，放入提取溶媒中；容器的外壁粘接換能器振子或?qū)⒄褡用芊庥诓讳P鋼盒中投入容器中；當(dāng)超聲波發(fā)生器開啟時(shí)，振子即向提取溶媒中發(fā)出超聲波，高強(qiáng)度的超聲傳播伴隨著一系列高強(qiáng)度剪切波和壓縮，又產(chǎn)生沖擊波.沖擊波在提取溶媒中產(chǎn)生的強(qiáng)烈機(jī)械攪拌作用、超聲空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等.一方面沖擊波下壓力陡降形成微型空腔，導(dǎo)致外溢巨大能量，有效地將藥材的細(xì)胞壁破碎，使中藥材有效成分釋放出來，呈游離狀態(tài)并溶入提取溶媒中，提取效率提高[11，12]；另一方面可使提取溶媒的分子運(yùn)動(dòng)加快，穿透力增強(qiáng)，使得提取溶媒與藥材中的有效成分快速接觸，相互混合、溶合.因此，簡言之，超聲輔助提取是利用超聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈、高速的攪拌作用和空化效應(yīng)，容易使中藥植物細(xì)胞壁破碎，有利于有效成分的溶出和釋放，提取效率提高[13].

1.2 超聲波提取中藥材有效成分的優(yōu)勢與特點(diǎn)

超聲提取具有獨(dú)特優(yōu)勢和特點(diǎn)[14]：①提取充分、效率高：超聲波獨(dú)具的物理特性能促使植物細(xì)胞組織變形甚至破壁，使中藥材有效成分提取更充分，較傳統(tǒng)工藝提取率顯著提高達(dá)50%～500%；②提取時(shí)間短、處理量大：通常超聲波強(qiáng)化中藥材提取可在24～40 min獲得最佳提取率，較傳統(tǒng)方法提取時(shí)間大大縮短，縮短超過2/3，故藥材原材料的處理量很大；③提取溫度低、能耗小，對藥材有效成分具有保護(hù)作用：超聲提取中藥材的最佳溫度為40 ℃～60 ℃，能夠節(jié)省大量能源，同時(shí)對藥材有效成分中熱穩(wěn)定差、易氧化或水解的組分具有良好的保護(hù)作用；④提取適應(yīng)性廣泛：超聲提取中藥材成分不受分子量大小及極性的限制，絕大多數(shù)種類中藥材和各類成分的提取均適用；⑤提取物易于分離和純化：超聲提取中藥液雜質(zhì)少，提取后的有效成分易于分離、純化；⑥提取成本低、經(jīng)濟(jì)效益高：超聲提取中藥材有效成分工藝運(yùn)行成本低，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著；⑦常壓提取，安全性好，操作簡便、設(shè)備易于保養(yǎng)維護(hù)：超聲提取在自然壓力下進(jìn)行，操作安全，操作工藝簡單，操作方便易行，超聲提取設(shè)備的保養(yǎng)、維護(hù)都很方便.

2 中藥多糖的分子修飾及超聲波的分子修飾作用

2.1 中藥多糖的分子修飾

國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果均表明，多糖的生物活性決定于多糖的分子量、分子結(jié)構(gòu)、取代基種類、數(shù)目及其位置關(guān)系[15].中藥多糖的分子修飾是運(yùn)用物理、化學(xué)、生物等方法對其主鏈或側(cè)鏈的某些特殊結(jié)構(gòu)或功能基團(tuán)進(jìn)行修飾，使多糖的某些物理化學(xué)性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，以增強(qiáng)其生物活性[16，17].多糖修飾一般可分為接枝修飾和降解修飾兩大類，接枝修飾為多糖經(jīng)修飾后多糖的功能基團(tuán)和分子量有所增加，而降解修飾正好相反，通過使多糖中原有部分基團(tuán)脫落來制備較低分子量的多糖.中藥多糖經(jīng)過分子修飾后可獲得各種結(jié)構(gòu)類型和各種生物活性的多糖衍生物，為多糖結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系分析奠定了基礎(chǔ)，而結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究成果直接指導(dǎo)著多糖分子修飾的方向，也為今后多糖類藥物設(shè)計(jì)、研究和開發(fā)提供理論依據(jù).糖分子經(jīng)修飾后其空間結(jié)構(gòu)、分子量及取代基種類、數(shù)目和位置等都可能發(fā)生改變[18]，而這些因素又會(huì)對多糖理化性質(zhì)及其生物活性產(chǎn)生影響，選擇適當(dāng)?shù)姆椒▽Χ嗵墙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分子修飾，可改善其理化性質(zhì)，增強(qiáng)原有生物活性或獲得新的生物活性，有助于研究多糖結(jié)構(gòu)和活性之間的關(guān)系.

2.2 超聲波對多糖的分子修飾作用

超聲波對多糖的修飾作用屬于物理降解修飾，是高效、綠色的方法，操作簡單，條件可控性好.與其他方法相比較，超聲波降解修飾法具有節(jié)能省時(shí)、操作程序簡化、反應(yīng)速率快、有機(jī)溶劑使用量減少、降解過程中對多糖分子中的活性基團(tuán)破壞少，對環(huán)境造成的危害顯著降低等優(yōu)點(diǎn)[19].目前的研究認(rèn)為超聲波降解修飾多糖主要機(jī)理為機(jī)械斷鍵作用與自由基氧化還原反應(yīng).機(jī)械性斷鍵作用可理解為，超聲波是一種彈性機(jī)械波，溶劑分子在超聲波的作用下產(chǎn)生激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這種快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供足夠能量并對多糖分子的共價(jià)鍵發(fā)生剪切斷鍵，而導(dǎo)致多糖分子發(fā)生降解；或者是超聲波在溶劑中傳播，在聲強(qiáng)和負(fù)壓足夠大的作用下，使溶劑分子間平均距離增大到超過極限距離后，其結(jié)構(gòu)的完整性被破壞，形成空穴，空穴爆裂時(shí)產(chǎn)生局部性高壓和溫度劇烈變化，提供自由基產(chǎn)生所需能量，自由基和熱效應(yīng)對低分子量物質(zhì)較有效，機(jī)械效應(yīng)對高分子物質(zhì)的效應(yīng)更為顯著，而且機(jī)械效應(yīng)隨物質(zhì)分子量的增加而增加.且空穴釋放的沖擊波能量使聚合物降解[20].溶劑類型不同，形成的自由基也不相同，所造成的超聲波的反應(yīng)結(jié)果也不相同[21，22].

3 超聲波提取紅芪多糖及對其分子修飾作用的研究

超聲波的高速、強(qiáng)烈的空化效應(yīng)和攪拌作用，使超聲輔助提取多糖時(shí)中藥材植物細(xì)胞壁易于破碎和多糖分子的溶出，提取效率較高[13].與傳統(tǒng)的提取技術(shù)相比具有快速、省時(shí)、節(jié)能、高效、環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢，且因其屬低溫操作，更有利于保護(hù)有效成分[23]，故其在中藥材有效成份的提取中的使用呈逐漸上升的趨勢.

4 超聲波提取紅芪多糖及對其分子修飾的研究的現(xiàn)狀和存在的問題

利用超聲波技術(shù)提取紅芪多糖已有研究，但研究主要集中在：通過超聲波的不同功率、溫度組合以及一定的料液比組合以提高紅芪多糖的提取率、縮短提取時(shí)間和節(jié)約能源方面，缺少關(guān)于超聲波提取中超聲波的作用機(jī)理及其對HPS的分子修飾作用等方面的研究；各研究者使用的儀器不統(tǒng)一，實(shí)際工作中，按照文獻(xiàn)描述進(jìn)行操作的結(jié)果重現(xiàn)性較差；超聲波的功率、頻率、溫度及提取液的pH值組合與所提取HPS分子量大小的關(guān)系研究相對較少；缺少用超聲波對鮮紅芪和干燥紅芪中多糖提取的比較研究；較少進(jìn)行不同條件下利用超聲波提取的所得HPS的藥理活性的比較研究.

5 超聲波在提取紅芪多糖及對其分子修飾中的應(yīng)用前景與趨勢

超聲波輔助提取是一種重要的提取方法，具有提取率高、用時(shí)較短、溫度較低、溶劑消耗較少的優(yōu)勢，且所得多糖多抗氧化能力較強(qiáng).將超聲波技術(shù)應(yīng)用于中藥材紅芪中HPS的提取尚處于初期發(fā)展階段，對其作用機(jī)理和分子修飾作用僅有零星的研究，此方面的應(yīng)用研究前途光明，前景廣闊.與微波輔助及復(fù)合酶等多種技術(shù)聯(lián)用可以使用兩種或多種技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，相得益彰，在提高提取效率的同時(shí)對其進(jìn)行選擇性的分子修飾，從而提取出用途更加廣泛，藥理活性更高、治療效果更加顯著的紅芪多糖或其復(fù)方藥劑，從而更加充分的發(fā)揮其在惡性腫瘤、阿爾茨海默病等重大疾病治療中的獨(dú)特優(yōu)勢.因此，進(jìn)行超聲波提取與多種技術(shù)聯(lián)合和對分子修飾作用的研究和調(diào)控，以及所得HPS分子量大小及藥理活性的對應(yīng)關(guān)系的研究，將是超聲波技術(shù)在中藥材紅芪中紅芪多糖的提取中應(yīng)用的重要研究方向.同時(shí)，研究各頻段、不同功率組合的超聲波與提取效率、分子修飾作用、所得HPS分子量大小及藥理活性的對應(yīng)關(guān)系，研制提取特定成分的標(biāo)準(zhǔn)超聲波提取儀器等，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

綜上所述，紅芪是傳統(tǒng)中藥材，富含多種藥理活性成分，具有良好的臨床應(yīng)用前景.其藥效成分之一紅芪多糖，在抗腫瘤、提高機(jī)體免疫力以及治療阿爾茨海默癥等方面具有尤其顯著而穩(wěn)定的療效，因而紅芪多糖的提取日益受到重視.超聲波提取具有獨(dú)特的優(yōu)勢，高效、節(jié)能、省時(shí)、低溫，在紅芪多糖的提取中已有應(yīng)用，但還存在一定的問題，如對提取所得HPS分子量大小與超聲波的條件、溫度及提取液pH等的關(guān)系研究相對較少；較少對比研究用超聲波輔助提取鮮紅芪與干燥紅芪中的多糖；較少對不同條件下利用超聲波提取的所得HPS的藥理活性的對比研究等.