微波輔助法提取多糖的研究進(jìn)展

景永帥孫麗叢程文境劉東波李 蘭張丹參吳蘭芳

(1. 河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2. 河北中醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，河北 石家莊 050200)

多糖(Polysaccharides，PS)又稱多聚糖，由10個(gè)及以上的單糖通過(guò)糖苷鍵連接而成的一種聚合糖高分子碳水化合物。多糖在自然界中來(lái)源廣泛，研究發(fā)現(xiàn)，多糖具有多種生物活性，包括抗腫瘤[1]、抗病毒[2]、抗氧化[3]、降血糖[4]、降血脂[5]、免疫調(diào)節(jié)活性[6]等功能。多糖的提取是進(jìn)行多糖后續(xù)研究的基礎(chǔ)，因此有效提取多糖顯得尤為重要。

目前關(guān)于多糖的提取方法主要有熱水回流提取法、酸(堿)溶液提取法、酶輔助提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法等。不同的提取方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn):如熱水回流提取法操作簡(jiǎn)單，可較大程度保留多糖活性，但效率低，耗能高[7]；酶輔助提取法效率高且條件溫和[8]，但酶易失活且多糖結(jié)構(gòu)易改變[9]；超聲波輔助提取法耗時(shí)短[10]，但可能會(huì)使多糖結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[11]。而微波輔助提取法省時(shí)高效，無(wú)污染[12-13]，是一種頗具發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞崛〖夹g(shù)，在多糖[14]、多酚[15]、總黃酮[16]等成分的提取中廣泛應(yīng)用。因此文章擬就微波輔助法原理、方法以及和其他方法聯(lián)合使用提取多糖進(jìn)行綜述，以期為多糖的提取相關(guān)研究及應(yīng)用提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

1 微波輔助提取法

1.1 微波輔助提取多糖的原理

微波輔助提取(Microwave-assisted Extraction，MAE)，是一項(xiàng)從植物等組織中提取化學(xué)成分的新型萃取技術(shù)，其原理是將微波和傳統(tǒng)浸提聯(lián)合使用[17-18]，利用微波的熱效應(yīng)提取多糖等物質(zhì)。高頻電磁波的頻率在300 MHz～300 GHz，具有很強(qiáng)的穿透性、選擇性和較高的加熱效率，能穿透溶劑將能量傳遞到細(xì)胞質(zhì)，在微波熱效應(yīng)及產(chǎn)生的電磁波效應(yīng)下，促使細(xì)胞內(nèi)溫度及壓力升高，加快細(xì)胞內(nèi)外分子運(yùn)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)壓超過(guò)細(xì)胞壁所能承受的能力時(shí)，促使細(xì)胞破裂，從而將細(xì)胞內(nèi)多糖等有效成分成功釋放到浸提液中[19]。

1.2 微波輔助提取多糖的方法及應(yīng)用

微波輔助提取法克服了傳統(tǒng)提取方法的提取時(shí)間長(zhǎng)、提取溫度高、提取產(chǎn)率低以及多糖易降解等缺點(diǎn)，被認(rèn)為是一種高效節(jié)能、環(huán)境友好型的提取方法[20]，具有選擇性強(qiáng)、方便快捷、得率高等優(yōu)點(diǎn)[21]，并且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于從各種植物材料中提取多糖。

扶教龍等[22]通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)對(duì)比傳統(tǒng)水提法及微波輔助提取法提取南瓜多糖的工藝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用微波輔助法提取的提取時(shí)間為2 min，提取率為19.96%，與傳統(tǒng)水提法相比，提取時(shí)間縮短了238 min，提取率提高了5.25%。另外，馬雪梅等[23]分別運(yùn)用微波輔助提取法及水提法提取大棗多糖，相比發(fā)現(xiàn)，在相同料液比的條件下，微波輔助提取法的提取時(shí)間縮短了170 min，提取率增加了1.56倍。綜上，與水提法相比，微波輔助提取法提取多糖用時(shí)短，溫度低，能源消耗僅為原來(lái)的14.3%～20.0%[24]，節(jié)能效果明顯；此外，該法可在相同料液比條件下提取率顯著提高，原料殘?jiān)陀袡C(jī)溶劑的用量減少，大大降低對(duì)環(huán)境的污染?？梢?jiàn)，微波輔助提取法是一種節(jié)能、環(huán)保的提取方法。

微波輔助提取法在提高多糖活性方面也具有重要意義。Zhu等[25]運(yùn)用MTT法檢測(cè)茯苓多糖對(duì)小鼠S180腫瘤細(xì)胞的抑制作用，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)其抑制活性與多糖濃度呈正比。與其他方法相比，微波輔助提取法提取的多糖物質(zhì)含量較高，并且具有適宜的黏度，有利于多糖的流動(dòng)及其對(duì)腫瘤細(xì)胞的附著，因此由微波輔助提取法提取的茯苓多糖物質(zhì)則具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性。翁梁等[26]通過(guò)比較不同提取方法提取蛹草多糖清除羥基自由基的能力后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多糖濃度為1.0 mg/mL時(shí)，微波提取多糖的抗氧化性可達(dá)97.11%，比沸水提取法高1.88%。由此可見(jiàn)，微波輔助提取法可以增強(qiáng)多糖抗腫瘤、抗氧化等活性。

運(yùn)用微波輔助提取法提取多糖時(shí)，多糖得率與微波功率、提取時(shí)間呈正比，但功率過(guò)大，提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致多糖降解。Chen等[27]運(yùn)用微波輔助提取技術(shù)提取辣木多糖(MLPs)時(shí)，經(jīng)單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，將提取時(shí)間由10 min增加到70 min后，MLPs得率達(dá)到了2.21%，但當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)70 min后，MLPs得率開(kāi)始下降。可見(jiàn)在多糖提取過(guò)程中要控制好時(shí)間，在耗時(shí)少的情況下達(dá)到高提取率。另外，在增大微波功率后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功率>600 W時(shí)，多糖得率下降。這是由于微波功率增大，瞬間升溫，物質(zhì)中的糖苷鍵斷裂、糖基結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其生物活性減弱，提取率降低[28]。汪興平等[29]在適宜條件下運(yùn)用微波輔助提取法提取茶多糖并對(duì)其進(jìn)行紫外和紅外分析后發(fā)現(xiàn)，微波對(duì)茶多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)無(wú)影響，此方法對(duì)多糖的降解作用是微乎其微的。

綜上所述，微波輔助提取法是一項(xiàng)很有發(fā)展?jié)摿Φ妮腿〖夹g(shù)，該技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、選擇性高、加熱效率高等傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法超越的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“綠色分析化學(xué)”技術(shù)[30]，但實(shí)際操作時(shí)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求很高，如若微波泄漏，將會(huì)對(duì)試驗(yàn)者造成極大的傷害，所以目前難以應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)中。

1.3 微波輔助提取法的聯(lián)合運(yùn)用

隨著進(jìn)一步的研究與發(fā)展，多糖的提取技術(shù)不斷成熟，微波輔助提取法由單獨(dú)應(yīng)用發(fā)展為多種技術(shù)聯(lián)合使用，例如有微波—超聲波輔助提取法、微波輔助酶法提取、微波—超聲協(xié)同酶法、微波輔助酸堿液提取法等。這種聯(lián)合提取技術(shù)改善了單獨(dú)使用多糖提取技術(shù)的缺點(diǎn)，提高了多糖提取效率，降低了提取成本，將成為未來(lái)多糖提取工藝的發(fā)展趨勢(shì)[31]。

1.3.1 微波—超聲波輔助提取多糖 超聲提取法是一種常用的多糖提取方法，超聲波能夠顯著縮短多糖的提取時(shí)間，降低提取溫度，但也存在產(chǎn)熱效應(yīng)不強(qiáng)，很難達(dá)到足夠提取溫度的問(wèn)題。而微波輔助提取可以利用微波的能量，提高加熱效率，彌補(bǔ)超聲產(chǎn)熱不足[32]這一缺點(diǎn)。超聲微波輔助提取技術(shù)充分利用了微波和超聲空化的高能效應(yīng)，已被有效地應(yīng)用于從蘑菇和草本植物等不同材料中提取多糖[33-36]。Liu[37]分別用超聲、微波和微波—超聲協(xié)同提取法對(duì)油松多糖進(jìn)行提取，結(jié)果表明，3種方式的多糖提取率分別為23.16%(微波—超聲協(xié)同)>22.33%(微波)>19.54%(超聲)。陳孝云等[38]在佛手多糖提取試驗(yàn)中，用包括微波輔助超聲提取在內(nèi)的多種提取方法進(jìn)行提取，試驗(yàn)結(jié)果顯示，微波輔助超聲提取多糖的提取率為(4.15±0.14)%，微波輔助提取率為(3.12±0.15)%，超聲輔助提取得率為(3.78±0.15)%。由此可知，微波輔助超聲法提取多糖得率高于微波法或超聲法的單獨(dú)應(yīng)用。

微波輔助超聲所得多糖活性高可能是由于微波、超聲波二者聯(lián)合作用，細(xì)胞內(nèi)部能量升高，分子內(nèi)外運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，多糖的結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì)發(fā)生變化，致使多糖的氫鍵遭到破壞，改變了多糖分子的分支、形態(tài)等結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致活性改變[39,41]。

1.3.2 微波輔助酶法提取多糖 傳統(tǒng)的多糖提取方式由于自身的缺點(diǎn)，可能導(dǎo)致多糖降解、藥理活性降低。而酶法提取多糖，具有條件溫和、對(duì)多糖有效結(jié)構(gòu)破壞性小、可避免多糖生理活性的改變等優(yōu)點(diǎn)，還可提高多糖的提取率。近年來(lái)，微波輔助酶法已被公認(rèn)為從植物中提取生物活性組分的潛在而有力的技術(shù)[42-44]。

程振玉[45]用包括微波輔助酶法在內(nèi)的多種方法提取北五味子多糖，結(jié)果表明，微波輔助酶法提取多糖的提取率最高為(7.38±0.21)%，優(yōu)于單獨(dú)酶法(6.87±0.29)%和超聲波輔助法(6.44±0.33)%，且與熱水回流法和單獨(dú)酶法相比，微波輔助酶法的優(yōu)點(diǎn)在于降低了提取溫度、節(jié)省了時(shí)間和溶劑的用量。柯樂(lè)芹等[46]在對(duì)杏鮑菇深加工殘?jiān)M(jìn)行多糖提取工藝優(yōu)化過(guò)程中，得到了如下結(jié)果：在最優(yōu)條件下微波輔助酶法提取多糖的得率為(12.11±1.02)%，比傳統(tǒng)水提法高出41.21%，且提取時(shí)間也縮短了105 min。由此可見(jiàn)微波輔助酶法與傳統(tǒng)水提法相比，在提高多糖得率的同時(shí)縮短了提取時(shí)間，減少的耗能，更加節(jié)能環(huán)保。

微波輔助酶法提高多糖得率的機(jī)制可能是微波在加速細(xì)胞壁破裂的同時(shí)酶能夠較快地溶解細(xì)胞壁，加速細(xì)胞中多糖的釋放，使多糖分子在短時(shí)間內(nèi)大量釋放；多糖濃度相同時(shí)抗氧化活性增強(qiáng)，可能是微波使多糖分子產(chǎn)生降解，進(jìn)而暴露了更多的活性基團(tuán)，使其更容易捕獲自由基[47]。

1.3.3 微波—超聲協(xié)同酶法 在使用微波、超聲、酶解法單獨(dú)提取多糖時(shí)，都存在一定的弊端，三者共同作用時(shí)，會(huì)加速細(xì)胞壁的破裂，使多糖更快地溶于溶劑之中。為了更好地避免多糖提取中存在的問(wèn)題，微波—超聲協(xié)同酶法提取多糖成為眾多植物多糖研究者的研究對(duì)象。

陳衛(wèi)云[51]在微波—超聲協(xié)同酶解提取荔枝果肉多糖試驗(yàn)中，多糖得率分別為：超聲提取法4.37%，微波輔助提取法17.10%，酶解提取法18.91%，而微波超聲協(xié)同酶法的提取率明顯增加，為23.31%。阿吾提·艾買(mǎi)爾[52]用多種提取方法提取野薔薇根多糖，試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲微波協(xié)同酶解提取野薔薇根多糖的得率為10.48 g/mg，超聲波提取、微波輔助提取、酶解提取和傳統(tǒng)水提取的得率分別為5.13，4.85，4.51，3.67 g/mg，且在最優(yōu)工藝下微波—超聲協(xié)同酶解法與比傳統(tǒng)水提法相比提取時(shí)間縮短105 min、提取溫度降低18.91 ℃、液料比下降58.13%。由此可知，微波—超聲—酶三者協(xié)同作用時(shí)在很大程度上提高的多糖的提取率、縮短了提取時(shí)間、降低了提取溫度和液料比，達(dá)到了節(jié)省能源、時(shí)間和物料成本和提高產(chǎn)率的目的。

Yin等[53]在研究不同提取方法(包括微波超聲輔助酶解法)對(duì)香菇多糖的活性的影響時(shí)，通過(guò)對(duì)多糖分子進(jìn)行紅外和掃描電鏡的研究，發(fā)現(xiàn)不同方法得到的譜圖都有典型的多糖吸收峰，說(shuō)明提取方法不會(huì)對(duì)多糖的糖苷鍵和環(huán)狀結(jié)構(gòu)造成顯著影響，但不同提取方法得到的多糖的微觀結(jié)構(gòu)有明顯差異，微波超聲輔助酶解法會(huì)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，使多糖表明更加光滑，支架減少。

陳衛(wèi)云[51]在試驗(yàn)中還進(jìn)行了微波—超聲協(xié)同酶解與傳統(tǒng)水提法在體外抗氧化活性和體外免疫活性的比較，結(jié)果表明采用超聲微波酶法提取荔枝多糖的抗氧化性較傳統(tǒng)水提法均明顯增強(qiáng)。在比較體外免疫活性試驗(yàn)中，以脾淋巴細(xì)胞的增殖和NK細(xì)胞的活性為指標(biāo)，結(jié)果表明微波—超聲協(xié)同酶解提取法對(duì)淋巴細(xì)胞的增殖和NK細(xì)胞的活性促進(jìn)作用明顯高于傳統(tǒng)水提法。由此可知，微波超聲協(xié)同酶解所得多糖可增強(qiáng)體外抗氧化活性和體外免疫力。

1.3.4 微波輔助酸、堿溶液提取多糖 酸、堿溶液浸提法可針對(duì)植物多糖帶電特性，有效提高其在水溶液中的溶解度，在最大限度提高多糖提取率的同時(shí)，也能夠保持其活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不被破壞。酸堿浸提和微波輔助提取法聯(lián)合使用，可以去除非極性分子雜質(zhì)和帶電物質(zhì)，提高提取效率[54]。張慧玲等[55]用酸浸提法提取海帶多糖時(shí)，通過(guò)前期對(duì)單因素試驗(yàn)的考察和正交試驗(yàn)，得到的粗多糖的提取率分別為8.094%，9.160%。黃麗媛等[56]在研究堿提法提取仙草多糖的試驗(yàn)中，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化工藝，得到了最優(yōu)的仙草多糖提取率為8.10%。蔣文明等[57]用堿液聯(lián)合微波技術(shù)進(jìn)行了仙草多糖的提取，得到仙草粗多糖提取率為43.84%。對(duì)比幾位學(xué)者的試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果可以得出，在試驗(yàn)前要根據(jù)活性物質(zhì)選擇合適的提取液。

金顯春[58]在玉米芯中木聚糖研究試驗(yàn)中，得出微波輔助堿液法提取玉米芯木聚糖的得率為86.7%，比傳統(tǒng)水提法提高了15.4%。而且微波輔助堿法很大程度上縮短了時(shí)間，降低了液料比。唐強(qiáng)[59]在利用微波輔助堿法(0.75% NaOH/14 min/80 ℃)提取多糖時(shí)發(fā)現(xiàn)與堿提法相比(7.5% NaOH/16 h/15 ℃)，具有短時(shí)高效的特點(diǎn)。由上可知，微波輔助酸、堿法可提高多糖提取率，縮短提取時(shí)間，是一種節(jié)能環(huán)保的提取方法。

相較而言，微波聯(lián)合輔助提取法與傳統(tǒng)水提法或單獨(dú)使用微波提取技術(shù)相比，具有提取率高、提取時(shí)間短、體外抗氧化能力強(qiáng)、對(duì)癌細(xì)胞和α-葡萄糖苷酶的抑制率提高等特點(diǎn)[10]。關(guān)于多糖的提取過(guò)程，針對(duì)不同的多糖、不同的藥用部位，可以選擇不同的提取方式。微波與其他提取方式聯(lián)合使用，在避免單一技術(shù)缺陷的同時(shí)，大大提高了多糖的提取效率，為多糖研究與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，指明了方向。

2 結(jié)論與展望

多糖的提取方法有很多，如傳統(tǒng)的水提醇沉法、微波、超聲波、酶提取法等，這些方法在多糖提取領(lǐng)域有著重要的作用。微波輔助提取法與其他傳統(tǒng)方法一樣，具有優(yōu)缺點(diǎn)。但將該技術(shù)與其他方法聯(lián)用，便能夠彌補(bǔ)其單獨(dú)使用時(shí)的不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短，增加提取率?？傊?，微波輔助提取技術(shù)在多糖提取及活性研究等方面有重大的意義。

不論是微波輔助提取法還是與其他方式的聯(lián)用都比傳統(tǒng)的多糖提取方式更具優(yōu)勢(shì)。但是目前的微波輔助提取技術(shù)仍存在提取率不夠高、有效成分浪費(fèi)或被機(jī)械、化學(xué)破壞等多種問(wèn)題，因此今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該是如何更大程度地提高多糖提取率，減少提取過(guò)程中有效成分損失等。