亞臨界水提取植物源生物活性物質的研究進展

白 雪，趙夢娜，岳小湘，于衛(wèi)華，李 瑩，夏秀芳,

（1.東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.天順源清真食品有限公司，黑龍江哈爾濱 150030）

常壓下水有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)，溫度超過100 ℃時水為氣態(tài)，如控制壓力為0.1～22.1 MPa，溫度為100～374 ℃條件下仍能保持液態(tài)的水稱為亞臨界水（圖1A）。亞臨界水當溫度升高至250 ℃時，介電常數為25，其性質更接近有機溶劑（如乙醇介電常數為24，圖1B），即具有較強的溶解多糖、多酚等物質的能力，且其沒有有機溶劑殘留、污染環(huán)境。利用其這個特性，實現生物活性物質的綠色、安全提取。目前，亞臨界水提?。⊿ubcritical Water Extraction，SWE）技術廣泛用于從植物中提取生物活性物質，如桃棕中酚類化合物[1]、水飛薊中黃酮類化合物[2]、桑葉中1-脫氧野尻霉素[3]等提取。

圖1 亞臨界水形成條件及特性Fig.1 Formation conditions and characteristics of subcritical water

植物源活性成分主要包括多糖、多酚等，它們具有許多功能活性，如多糖具有免疫活性[4]、抗氧化活性[5]、免疫調節(jié)和鎮(zhèn)靜活性[6]；多酚類物質具有抗腫瘤活性[7]，能預防心血管疾病、癌癥和神經退行性疾病[8]。這些活性成分在植物體內通過氫鍵與其他成分緊密結合，植物源生物活性物質的提取方法有很多（表1）。如何高效地從復雜的植物體中提取生物活性物質并保持其原有活性是目前研究的熱點內容。本文介紹了亞臨界水提取技術的特點、影響因素，重點綜述了亞臨界水提取植物源生物活性物質的機理和效果，以及與其他技術聯用提取生物活性物質，最后展望了亞臨界水提取技術的發(fā)展前景。

表1 植物源生物活性物質常見提取方法比較Table 1 Comparison of common extraction methods of bioactive substances from plants

1 亞臨界水提取技術

亞臨界水提取技術是利用亞臨界水的極性打破目標物質與蛋白質、果膠等物質之間的緊密結合，使目標物質進入亞臨界水中，從而達到目標物質的提取。

1.1 亞臨界水提取技術的特點

傳統的提取方法如有機溶劑提取法存在提取時間長、易殘留有毒溶劑等問題[11]，而亞臨界水提取以安全、低廉和環(huán)境友好的水作為唯一提取溶劑，并且高溫改變了亞臨界水的性質，使其極性降低、溶解能力增強，可以高效破壞目標物質與其他物質之間的分子間氫鍵，具有環(huán)保、提取率高和提取速度快的特點[12]。亞臨界水可以選擇性地提取黃酮類化合物，并且亞臨界水提取的產率明顯高于甲醇、乙醇或熱水提取[13]。此外，亞臨界水對分子結構有改性作用，可明顯增強物質的生物活性如抗氧化性和抗腫瘤特性[14]。

1.2 亞臨界水提取效果的影響因素

亞臨界水可以打破目標物質與其他物質之間的氫鍵[15]，打破速度愈快，目標物質提取速率愈高。影響亞臨界水提取效果的因素有許多，如溫度、液料比和時間等。其中溫度是亞臨界水提取過程中的重要因素，溫度升高，水的極性越低，擴散系數增強，氫鍵更易斷裂，水更快地滲入到植物基質中，增加亞臨界水與目標物質之間的接觸面積，縮短提取時間，提高提取效率。Kim等[16]發(fā)現溫度從120 ℃升高到160 ℃，亞臨界水從蜜柑果皮中提取得到的橙皮苷和柚皮苷產率分別增加了38.7%和12.9%。在一定范圍內，液料比越大，提取速度越快，這是因為液料比提供了植物材料和亞臨界水之間的濃度梯度，液料比增加，亞臨界水與提取物之間的接觸面積增加，濃度梯度差越大，目標物質溶出的速度越快。刁春仁等[17]發(fā)現液料比從10:1 g/mL增加到15:1 g/mL，亞臨界水提取可溶性膳食纖維的得率增加了10%。時間對亞臨界水的提取效果有雙重影響，在一定范圍內時間與提取效果呈正相關，但提取時間過久會導致得率顯著降低。刁春仁等[17]發(fā)現亞臨界水提取前期膳食纖維的得率隨時間延長而增加，16 min后膳食纖維得率開始下降，這可能是由于提取時間過久，膳食纖維不穩(wěn)定分解所致。

2 亞臨界水提取生物活性物質的機理

根據亞臨界水的形成過程，亞臨界水提取與有機溶劑提取原理相似，即相似相溶原理，利用了亞臨界水的極性來提取目標物質。如圖2（I）所示：高壓泵提供的壓力和烘箱提供的溫度使提取器內的液態(tài)水成為亞臨界水作為提取劑，實現對目標物質的提取。具體的提取機理如圖2（II）所示：植物組織內的蛋白質、果膠、多糖、多酚和其他一些物質通過氫鍵緊密結合，在高溫高壓條件下，植物組織的細胞壁破裂，亞臨界水逐漸進入植物組織內，目標物質與其他物質之間的氫鍵被亞臨界水破壞甚至斷裂[18]，擴散速率隨著溫度增加不斷提高，目標物質很快溶解出來，分布在亞臨界水中，最后被洗脫出來。

圖2 亞臨界水的提取原理Fig.2 Extraction mechanism of subcritical water

亞臨界水提取不同生物活性物質的原理基本相同。提取不同活性物質時，亞臨界水破壞目標物質與其他物質之間相連的不同位置的分子間氫鍵。以常見的多糖、多酚和花青素的提取為例。如圖2（III）所示，提取多糖（以提取纖維素為例）時，亞臨界水打破的是纖維素與果膠、木質素、蛋白質和多酚[19]之間連接的分子間氫鍵；提取多酚（以提取兒茶素為例）時，亞臨界水打破的是兒茶素與生物堿、蛋白質、糖和有機酸[20]之間的分子間氫鍵；提取花青素時，亞臨界水破壞花青素與甲氧基、單糖、脂質、芳香酸、蛋白質[21]之間的分子間氫鍵。

利用亞臨界水提取其他活性物質時，如提取膳食纖維，亞臨界水會破壞膳食纖維與纖維素、果膠[22]等物質之間的分子間氫鍵，不斷促進膳食纖維溶出；提取精油時，亞臨界水與植物基質間不斷進行分子擴散，亞臨界水使植物基質中的脂溶性成分與纖維素、半纖維素[23]等物質相連的分子間氫鍵斷裂，這些成分隨后轉移到亞臨界水中，最后洗脫得到精油；提取植物蛋白時，亞臨界水會破壞植物蛋白與脂質[24]等物質間緊密連接的分子間氫鍵，植物蛋白溶出分布在亞臨界水中，隨后被洗脫出來。

3 亞臨界水提取生物活性物質的效果

目前，亞臨界水提取技術已廣泛用于提取植物中的生物活性物質如多糖、多酚等物質，不僅可以縮短提取時間、提高目標物質的得率，還能增加其生物活性，如抗氧化[12]和抗腫瘤[14]等特性。但目前研究較多的是亞臨界水提取生物活性物質的得率和抗氧化性。

3.1 亞臨界水提取多糖類物質的效果

3.1.1 多糖的得率 與熱水提取法相比，亞臨界水提取技術可明顯提高生物活性物質的得率。陳夢[25]用HWE法和SWE法提取慈姑多糖，結果發(fā)現SWE法得率明顯高于HWE法（見表2）。鄧辰辰等[26]比較了SWE法和HWE法提取靈芝多糖的得率，結果發(fā)現前者比后者高0.48%。徐曼旭等[27]在最佳亞臨界水提取條件下得到的薏米多糖提取率為3.66%，明顯高于水浸提法（1.64%）和超聲輔助提取法（2.06%）。

表2 亞臨界水提取與熱水提取多糖得率的比較Table 2 Comparison of the yield of polysaccharides extracted by subcritical water and hot water

目前除了與其他方法進行對比之外，優(yōu)化亞臨界水提取工藝也受到了愈來愈多人的關注。趙斌等[28]用單因素實驗和響應面法優(yōu)化得到最佳的亞臨界水提取條件：pH=6，液料比20:1 mL/g，溫度150 ℃，時間10 min，結果發(fā)現SWE法得率比HWE法高3.97%。顧艷耿等[29]通過響應面法優(yōu)化得到粗茶多糖的最佳提取條件：液料比30:1 mL/g、溫度150 ℃、提取時間12 min，在該條件下粗茶多糖得率約為傳統熱水浸提得率的2倍。

果膠是一類雜多糖，具有膠凝、增稠、穩(wěn)定的性質[30]。一般是在加熱條件下用酸提取果膠[31]，但這種方法耗時且提取率低。Mu?oz-Almagro等[32]發(fā)現SWE法與檸檬酸提取法相比，可可豆殼中的果膠得率提高了2.6%。

3.1.2 多糖的抗氧化性 與傳統提取方法相比，亞臨界水提取的多糖對DPPH·（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl）和·OH的清除能力以及FRAP鐵離子（Ferric ion reducing antioxidant power）的還原能力明顯提高。陳夢[25]利用SWE法得到的慈姑多糖（Sagittariasagittifolia polysaccharides，SSP）對DPPH·的清除率是HWE-SSP對DPPH·清除率的1.29倍。楊文雅等[33]用SWE法得到的蛹蟲草多糖對DPPH·的清除率比HWE法高0.79%。Essien等[34]發(fā)現與乙醇提取法相比，亞臨界水提取的番石榴葉多糖對DPPH·的清除能力和FRAP鐵離子的還原能力分別約提高2倍和1.2倍。

3.2 亞臨界水提取多酚類物質的效果

3.2.1 亞臨界水提取多酚類物質的得率 植物多酚類物質含有多個酚羥基，具有很強的抗氧化和清除自由基能力，從天然植物中尋找抗氧化劑是目前的研究熱點，因此有許多學者尋求高效提取多酚類物質的方法。目前發(fā)現亞臨界水提取技術較熱水提取、有機溶劑提取、索氏抽提法明顯提高植物多酚的得率（見表3）。顏征[35]發(fā)現SWE法提取的蓮房多酚較HWE法得率高22%。Rodrigues等[36]發(fā)現與SOX法相比，150 ℃時SWE法得到的木瓜種子殘渣中總酚得率提高了2倍以上。閆林林等[37]研究表明，優(yōu)化后的SWE法提取的石榴葉總酚得率較HWE法和有機溶劑提取分別提高46.3%和14.6%。戚聿研[38]發(fā)現與有機溶劑和熱水提取法相比，亞臨界水提取芝麻粕酚類化合物的含量分別增加了約6.9倍和7.3倍。Lachos-Perez等[39]利用亞臨界水從脫脂橙皮中提取黃烷酮的得率較索氏抽提法和超聲輔助提取法分別提高了7.72%和7.48%。

表3 亞臨界水提取與其他提取方法總酚得率的比較Table 3 Comparison of total phenol yield between subcritical water extraction and other extraction methods

3.2.2 亞臨界水提取多酚類物質的抗氧化性 與其他提取方法相比，亞臨界水提取的多酚物質表現出更高的抗氧化性。戚聿研[38]發(fā)現與熱水提取和80%乙醇提取相比，亞臨界水提取得到的芝麻粕多酚的DPPH·清除能力分別提高了25倍和13倍以上，這是因為亞臨界水提取出來的酚類化合物含量更高。Rodrigues等[40]發(fā)現亞臨界水提取的驅蟲莧多酚類物質與索氏抽提法相比，其FRAP鐵離子還原能力提高了11.6%。劉軒墀[41]研究表明，亞臨界水提取的板栗殼多酚的DPPH·和ABTS·+清除能力以及FRAP鐵離子還原能力較有機溶劑提取物分別提高了2倍、3倍和8倍以上。Guthrie等[42]發(fā)現與乙醇提取法相比，亞臨界水提取得到的獼猴桃皮多酚的DPPH·和ABTS+·清除能力分別提高了14.2%和21.0%。

3.3 亞臨界水提取其他生物活性物質的效果

亞臨界水提取技術除了可以提高多酚、多糖類物質的得率，還能提高膳食纖維、精油和植物蛋白等生物活性物質的得率。

3.3.1 膳食纖維 膳食纖維被稱為“第七營養(yǎng)素”，對人體健康有很多益處如輔助降血脂[43]、促進腸道功能[44]。利用亞臨界水提取技術較傳統方法可明顯提高膳食纖維的得率。刁春仁等[17]發(fā)現與HWE法相比，SWE法提取藕渣中的可溶性膳食纖維得率提高了16.8%。孟祥河等[45]研究表明，亞臨界水提取膳食纖維的得率與熱水提取、超聲輔助提取和微波輔助提取法相比，分別提高了9.23%、2.22%和2.69%。

3.3.2 精油 精油是一種具有強烈揮發(fā)性化合物的復雜混合物，是許多植物的次生代謝產物，亦稱為揮發(fā)油[46]，是一種可以替代化學抗菌劑的天然抗菌劑[47]。Samadi等[23]利用亞臨界水提取得到的麥芽糖葉精油的得率和生物活性高于水蒸餾法；而且提取效率較傳統方法提高了2.5倍，時間縮短了8.4倍。Mottahedin等[48]研究表明，利用亞臨界水從姜黃根中提取得到的精油得率比加氫蒸餾法高0.54%。

3.3.3 植物蛋白 植物蛋白是人類膳食蛋白質的重要來源[23]，常規(guī)的植物蛋白提取方法耗時且提取率低，利用亞臨界水提取植物蛋白可提高其提取率。Fan等[49]發(fā)現，與傳統的超聲波+凍融法相比，超聲+亞臨界水提取螺旋藻多肽的得率提高了28.2%。

4 亞臨界水與其他技術聯用提取生物活性物質

在提取蛋白、多糖等生物活性物質時，單獨使用亞臨界水提取技術尚且不能滿足更高提取效果的要求，需要與其他技術手段如微波、超聲和強脈沖光聯用，各自發(fā)揮優(yōu)勢，協同提取活性物質。

4.1 微波

微波提取是將微波加熱與溶劑萃取相結合的提取技術，它利用電磁場的作用使植物材料中的目標成分與基質有效分離。微波與亞臨界水提取技術結合提取物質時，植物基質中的偶極分子在高頻微波能的作用下不斷旋轉導致氫鍵斷裂[50]，從而加速亞臨界水對植物基質的滲透，促進目標物質的提取。Flórez等[51]利用微波輔助亞臨界水提取綠茶中的黃烷醇，研究發(fā)現黃烷醇的提取率比傳統的熱水提取法高8.31%。杜易平等[52]發(fā)現與傳統的加熱回流提取法相比，微波輔助亞臨界水提取法得到的楊黃多糖得率提高了11.04%。

4.2 超聲

超聲提取利用超聲波的機械效應和空化效應增大對細胞壁的破壞[53]，能夠加快亞臨界水提取生物活性成分的速率。Yang等[54]比較了熱水提取、超聲提取、亞臨界水提取以及超聲強化亞臨界水提取枸杞多糖的得率，結果發(fā)現超聲強化亞臨界水提取法分別比其他方法高6.49%、4.53%和3.45%。趙超[55]發(fā)現超聲強化亞臨界水提取法的得率分別比亞臨界水提取法、超聲提取法和熱水提取法高0.58%、1.39%和1.75%。Ma等[56]研究發(fā)現，與亞臨界水提取法和水蒸氣蒸餾萃取法相比，超聲輔助亞臨界水提取的山奈花有效成分得率分別提高1.63%和10.1%。

4.3 強脈沖光

強脈沖光是一種高強度光源經過聚焦和濾光后形成的一種寬譜光[57]。強脈沖光處理可以破壞植物細胞基質，亞臨界水能夠促進目標物質從植物基質內釋放出來，兩者結合可提高目標物質的含量。Kim等[58]發(fā)現，與單獨使用亞臨界水提取法相比，強脈沖光和亞臨界水結合提取得到的槲皮素得率增加14.0%。Hwang等[59]利用強脈沖光和亞臨界水提取技術從柑橘果皮中提取橙皮苷和柚皮苷，研究發(fā)現強脈沖光處理使橙皮苷和柚皮苷的提取量分別提高了22.1%和33.6%。

5 結論與展望

亞臨界水的無毒、無溶劑殘留且高效環(huán)保的特性，除用于生物活性物質的提取外，在環(huán)境污染物的監(jiān)測和食品營養(yǎng)成分的分析等領域也廣泛使用。該技術屬于綠色高效的新型技術手段，能夠實現對生物資源的綜合利用，具有廣闊的應用前景。為了更好地利用亞臨界水提取技術，未來可深入研究以下幾個方面：

a.亞臨界水已廣泛用于提取生物活性物質，并提高其得率；但在提取過程中溫度過高會使某些熱敏化合物降解產生一些副產物，如何控制溫度提高目標物質的純度還需進一步研究；b.亞臨界水提取技術能提高生物活性物質的抗氧化和抗腫瘤等特性，但目前關于活性物質的抗氧化性研究較多，對其分子結構和其他活性的影響研究較少，還需深入研究；c.亞臨界水提取技術提高生物活性物質的得率和抗氧化性的機制尚不清楚，可進行深入研究；d.亞臨界水提取生物活性物質目前還處于實驗室的小規(guī)模提取和后續(xù)研究中，大規(guī)模提取設備的開發(fā)還處于起步階段，如何將其擴大到工業(yè)化提取規(guī)模、縮小提取成本還需進一步研究。