高壓均質(zhì)技術(shù)在植物天然活性成分提取中的應(yīng)用

紀(jì)慧杰，朱彩平

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119)

近年來，植物的天然活性成分由于其來源豐富、活性顯著及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。植物天然活性成分的提取即從原材料中獲得多酚類、黃酮類、有機(jī)酸、苷類、糖類、生物堿等活性成分的過程[1]。該過程是活性成分研究的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵，會(huì)直接影響到植物天然成分的活性。植物中天然活性成分的提取方法有傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法、煎煮法、回流法等，也有現(xiàn)代的超聲波輔助法、超臨界流體萃取法、微波輔助法等[2-3]。傳統(tǒng)的提取方法有一定的局限性，如效率低、溶劑用量大、提取時(shí)間長等，另外，提取成分還有可能會(huì)混入較多雜質(zhì)，導(dǎo)致提取成分很難與雜質(zhì)分離[4-5]。因此，傳統(tǒng)提取方法和較新的提取技術(shù)將共同發(fā)展，在互補(bǔ)交叉的過程中誕生更方便快捷的提取技術(shù)。

基于超聲波、超高壓、回流加熱等提取方法的特點(diǎn)，最早應(yīng)用于乳制品的均質(zhì)技術(shù)即高壓均質(zhì)(high pressure homogenization，HPH)技術(shù)進(jìn)入了研究人員的視線。高壓均質(zhì)過程產(chǎn)生的空穴現(xiàn)象能夠釋放能量并產(chǎn)生強(qiáng)烈高頻振動(dòng)，其相當(dāng)于超聲的功能，液體物料高速的循環(huán)流動(dòng)及其撞擊時(shí)產(chǎn)生的效果可與回流加熱產(chǎn)生的效果相媲美[6]。高壓均質(zhì)通過高頻振蕩、高速剪切、空穴、瞬時(shí)高壓和瞬時(shí)低壓等綜合效應(yīng)，將液體中顆粒粉碎至平均直徑<1 μm，極大地增加了溶劑的穿透能力，同時(shí)，高壓均質(zhì)處理能夠破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，減少溶質(zhì)擴(kuò)散的阻力，從而加速可溶物的滲透和擴(kuò)散，提高了目標(biāo)產(chǎn)物的得率[7]。因此，將HPH技術(shù)應(yīng)用于植物天然活性成分的提取中，可大大提高提取效率，且具有提取產(chǎn)物生理活性好、工藝操作簡(jiǎn)單、安全等優(yōu)點(diǎn)[8]。

在植物天然活性成分提取方面，HPH技術(shù)屬于較新的一種提取技術(shù)，本文通過對(duì)HPH技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)介，并綜述了其在提取植物多糖、黃酮、多酚等活性成分中的應(yīng)用，以期為HPH技術(shù)在植物天然活性成分提取的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 高壓均質(zhì)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 高壓均質(zhì)簡(jiǎn)介

高壓均質(zhì)技術(shù)，最早由AUGUSTE GAULIN發(fā)明并應(yīng)用于乳制品的均質(zhì)，其目的是為了提高乳制品的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的高壓均質(zhì)技術(shù)可大大減少液體物料的粒徑，保證體系的穩(wěn)定性，但由于均質(zhì)機(jī)的處理壓力較低(50 MPa)，因此，其在食品加工方面的適用范圍有限[9]。1990年后，市場(chǎng)上己有均質(zhì)壓力可達(dá)到150 MPa的小型試驗(yàn)設(shè)備及工業(yè)化設(shè)備，這些設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)殺菌以及制備穩(wěn)定的乳狀液。LANCIOTTI等于1994年首次報(bào)道了HPH對(duì)于食品中致病菌和腐敗微生物的抑制作用[10]。近年來隨著相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，均質(zhì)機(jī)的壓力最大可以達(dá)到400 MPa，當(dāng)均質(zhì)壓力超過200 MPa時(shí)，也被稱為超高壓均質(zhì)(ultra high pressure homogenization, UHPH)[11]。目前HPH技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)中，一方面可以改變?nèi)闈嵋旱牧髯兓蛘叻€(wěn)定性，液體高速通過均質(zhì)閥縫隙產(chǎn)生湍流，液料被沖擊到金屬環(huán)上而產(chǎn)生強(qiáng)大撞擊力以及因壓力突降與突升而產(chǎn)生的空穴爆炸力等綜合力的作用，使液體物料或以液體為載體的固體超微細(xì)化，物料微粒大小達(dá)到納米級(jí)，提高產(chǎn)品品質(zhì)和穩(wěn)定性[9,12]；另一方面，物料高速通過均質(zhì)閥，壓力突降，由于剪切、碰撞等的機(jī)械作用力轉(zhuǎn)化為熱能，整個(gè)HPH過程中物料可升溫2.5 ℃/10 MPa，同時(shí)由于強(qiáng)烈的剪切力、碰撞力、空穴爆炸等綜合作用，可實(shí)現(xiàn)殺菌、鈍酶的作用[13-15]；另外，利用剪切、高速撞擊等綜合效應(yīng)可使植物物料達(dá)到破壁的效果，使細(xì)胞破碎[16-17]。因此，將HPH技術(shù)應(yīng)用于植物天然活性成分的提取中，可使植物物料強(qiáng)烈的粉碎細(xì)化，并促使細(xì)胞破碎，使其活性物質(zhì)最大限度的溶于提取溶劑中。

1.2 高壓均質(zhì)機(jī)的設(shè)備及機(jī)理

高壓均質(zhì)機(jī)主要由柱塞泵、均質(zhì)閥、傳動(dòng)裝置等構(gòu)成，其均質(zhì)過程如圖1所示[18]。料液首先通過柱塞泵，柱塞泵的作用是將液體物料吸入泵體，同時(shí)對(duì)物料加壓，物料再進(jìn)入一級(jí)均質(zhì)閥均質(zhì)，一級(jí)均質(zhì)閥的壓力較大，主要起破碎均質(zhì)作用，再進(jìn)入二級(jí)均質(zhì)閥均質(zhì)，二級(jí)均質(zhì)閥的壓力較低，其壓力大小直接影響到物料經(jīng)過一級(jí)均質(zhì)閥瞬間壓力降的大小，直接關(guān)系到一級(jí)閥的加工效果，因此，二級(jí)均質(zhì)閥的壓力選擇在總壓力的10%～15%，主要起分散作用，其均質(zhì)作用不明顯[19]。

圖1 高壓均質(zhì)系統(tǒng)(GEA的PandaPlus 2 000 均質(zhì)器)的示意圖[18]Fig.1 Schematic of high-pressure homogenization system (PandaPlus 2 000 homogenizer, from GEA)[18]

高壓均質(zhì)機(jī)的工作原理如圖2所示[20]，盡管高壓是均質(zhì)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，但主要工作在均質(zhì)閥上。高壓均質(zhì)是利用柱塞泵為動(dòng)力傳遞和輸送液體物料的管道，柱塞泵吸入液體物料后并對(duì)液體物料加壓，在柱塞作用下液體物料以高壓低流速的狀態(tài)進(jìn)入壓力可調(diào)節(jié)的均質(zhì)閥中，液體物料在高壓的作用下迅速通過特定寬度的均質(zhì)閥縫隙，瞬間失壓的液體物料以極高的流速(1 000～1 500 m/s)碰撞在撞擊環(huán)上，產(chǎn)生了剪切、空穴和撞擊等機(jī)械力作用[21]。剪切作用是指當(dāng)物料通過均質(zhì)閥縫隙時(shí)，其流速瞬間增加，物料隨著渦流效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，使得物料顆粒被剪切成細(xì)微的小液滴[9,22]；撞擊效應(yīng)是指被剪切粉碎的物料顆粒，通過均質(zhì)閥后又強(qiáng)烈地撞擊到碰撞環(huán)上，造成物料進(jìn)一步的破碎[22]；空穴效應(yīng)是指在高壓狀態(tài)下，當(dāng)流體離開閥門時(shí)，流體流通面積的增加會(huì)降低其速度，出口處的壓力突然釋放回到大氣壓，這個(gè)過程會(huì)使液料形成大量的汽泡，隨后汽泡破裂引起空穴爆炸會(huì)導(dǎo)致破碎效果，同時(shí)也產(chǎn)生了劇烈的高頻振動(dòng)，從而使物料粉碎細(xì)化[20,23]。另外，當(dāng)物料進(jìn)入高壓均質(zhì)機(jī)后，高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)部首先達(dá)到設(shè)定的壓力，該過程可導(dǎo)致內(nèi)部物料溫度的升高(2.5 ℃/10 MPa)，然后物料高速通過均質(zhì)閥，壓力會(huì)降低，由于剪切、碰撞等的機(jī)械作用力轉(zhuǎn)化為熱能，整個(gè)高壓均質(zhì)過程中物料可升溫16～22 ℃/100 MPa[10,24]?；谶@些效應(yīng)可用于對(duì)植物細(xì)胞的破碎、對(duì)植物物料的粉碎細(xì)化，促進(jìn)植物活性物質(zhì)最大限度的溶于提取溶劑中[25-26]。

圖2 高壓均質(zhì)作用工作原理示意圖[20]Fig.2 Schematic of the working principle of high-pressure homogenization[20]

2 HPH在提取植物天然活性成分中的應(yīng)用

2.1 高壓均質(zhì)提取特點(diǎn)

傳統(tǒng)的提取方法從細(xì)胞內(nèi)滲透出的不僅有提取成分還會(huì)混入較多雜質(zhì)，導(dǎo)致提取成分很難與雜質(zhì)分離，同時(shí)，提取效率低，會(huì)造成資源的浪費(fèi)。近年來現(xiàn)代新型儀器如微波、超聲波、超高壓等技術(shù)得到了快速發(fā)展，新技術(shù)的應(yīng)用提高了植物活性成分的得率，且提取所獲得的物質(zhì)生物活性良好。而高壓均質(zhì)技術(shù)作為一種新型提取方法，其提取效果比其他提取方式更高效。用高壓均質(zhì)提取植物天然活性成分具有下述5個(gè)特點(diǎn)[6-7,17,20]：HPH技術(shù)集超聲波、超高壓、加熱回流等效果于一體，提取效果更高效；HPH是一種非熱加工技術(shù)，工作溫度低，高壓均質(zhì)提取過程是卸壓、加壓交替的過程，高壓容器和外界環(huán)境有著良好的熱交換，在整個(gè)提取過程中基本可以維持在室溫下進(jìn)行，最大程度地保留了植物中生物活性物質(zhì)及各種營養(yǎng)成分的天然結(jié)構(gòu)，避免了因熱效應(yīng)引起的有效成分變性、損失、藥理活性降低等問題，可保持提取的活性成分的原有性質(zhì)；HPH技術(shù)可以使物料顆粒的大小達(dá)到納米級(jí)，極大地破碎植物細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，更有利于活性成分的溶出；HPH可以提取水溶性成分、脂溶性成分及溶于有機(jī)溶劑的成分；HPH設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，可單獨(dú)使用，提取時(shí)間短。

2.2 植物天然活性成分的提取

2.2.1 多糖類化合物提取

多糖一般是由10個(gè)以上的單糖以糖苷鍵組成的大分子碳水化合物，天然植物多糖屬于植物體內(nèi)一類極其重要的生物大分子，是維持生命活動(dòng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本物質(zhì)。同時(shí)，植物多糖具有如抗凝血、抗肝損傷、抗腫瘤、抗病毒、降血糖等生理活性[27]。多糖的生物活性與其結(jié)構(gòu)特征有著密切的關(guān)系，多糖的結(jié)構(gòu)特征主要包括單糖組分、糖苷鍵的類型、支鏈、空間構(gòu)型、取代基的種類及數(shù)量等[27]。另外，多糖分子質(zhì)量大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜及聚合度高等特征會(huì)阻礙多糖生物活性的發(fā)揮。HPH由于其高剪切力等作用可以使多糖的部分糖苷鍵斷裂，降低多糖的分子質(zhì)量，從而提高多糖的生物活性，HPH還可以提高多糖的得率。

在HPH處理過程中，多糖的提取率得到了很大的提升，翟天龍[28]通過高壓均質(zhì)與超濾技術(shù)聯(lián)合提取細(xì)莖石斛多糖，與水提醇沉法作對(duì)比，多糖的提取率提高了將近50%。通過對(duì)多糖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)與超濾技術(shù)聯(lián)合提取的石斛多糖第一溶點(diǎn)較水提醇沉法提取的石斛多糖推遲了4 ℃，這可能是由于HPH作用破壞了大分子多糖分子之間的氫鍵作用力引起的，并且多糖黏度的下降也可能與這一原因有關(guān)。龔勁松等[29]比較了HPH、超聲輔助、熱水浸提3種方法提取猴頭菌胞內(nèi)多糖的產(chǎn)品得率，研究發(fā)現(xiàn)HPH法得率最高，提取的多糖最終分子質(zhì)量相對(duì)偏低，這可能是由于機(jī)械剪切力等的作用使多糖部分糖苷鍵斷裂引起的。另外，通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，3種提取方法所提取的多糖一級(jí)結(jié)構(gòu)基本保持一致。ELAIN等[18]研究了高壓均質(zhì)提取螺旋藻多糖的效果，多糖的得率最高為(15.1±0.8)%，是常規(guī)熱水方法的2.5倍，另外，螺旋藻多糖的高效凝膠滲透色譜圖顯示一個(gè)主要的對(duì)稱峰，其平均分子質(zhì)量為1 810 kDa，提取物分子質(zhì)量高且分子質(zhì)量分布曲線為單峰，可以推斷高壓均質(zhì)并沒有引起多糖分子中重要鍵的斷裂，因此，高壓均質(zhì)具有提取效率高、不破壞多糖結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。LIU等[30]通過HPH處理提取沙棘多糖，經(jīng)過分離純化，純化出了沙棘多糖的組分(tricholoma lobayense heim，TLH-3′)，通過自由基清除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TLH-3′具有同VC相當(dāng)?shù)目寡趸钚?。XIE等[31]通過高壓均質(zhì)處理提取紫肉馬鈴薯多糖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HPH改變了紫肉馬鈴薯多糖中單糖的組成，葡萄糖含量由51.9%下降到4.1%，阿拉伯糖含量從17.1%上升到83.5%，可溶性膳食纖維含量從17.9%上升到39.3%。

研究表明，高壓均質(zhì)可減小物質(zhì)的粒度并改變其微觀結(jié)構(gòu)。胡婕倫[32]研究發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)處理后，車前子多糖粒徑減小，整塊的片狀形態(tài)變成了帶孔的碎片，增加了多糖多孔性，但高壓均質(zhì)處理后并沒有改變多糖的基本結(jié)構(gòu)。ZHANG等[33]通過高壓均質(zhì)處理對(duì)柑橘膳食纖維進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)均質(zhì)后的柑橘膳食纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)晶區(qū)結(jié)構(gòu)被破壞的現(xiàn)象，同時(shí)膳食纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散。此外，也有人運(yùn)用高壓均質(zhì)技術(shù)研究了蘆筍多糖、茯苓多糖等其他植物多糖，其提取工藝及產(chǎn)品得率如表1所示。

高壓均質(zhì)提取多糖類化合物的研究表明，均質(zhì)時(shí)間、壓強(qiáng)、料液比和均質(zhì)次數(shù)等參數(shù)的優(yōu)化，以及與其他方法的協(xié)同作用都對(duì)提取植物多糖的得率有顯著的影響，并且高壓均質(zhì)可以極大地提高細(xì)胞的破碎率，增加多糖產(chǎn)品的得率，因此，高壓均質(zhì)提取技術(shù)是提取植物多糖的一種有效方法。

2.2.2 黃酮類化合物提取

黃酮類化合物是一類具有2-苯基色原酮結(jié)構(gòu)的植物次級(jí)代謝產(chǎn)物，廣泛存在于植物界。該類化合物以C6—C3—C6結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，黃酮類化合物因結(jié)構(gòu)不同，表現(xiàn)出來的生物活性差別很大，在自然界中最常見的是黃酮和黃酮醇，其他包括雙黃酮、雙氫黃(醇)、異黃酮、橙酮、黃烷醇、查爾酮及新黃酮類等[39-40]。試驗(yàn)表明，黃酮類化合物具有抗癌、抗氧化、消炎、抗病毒、鎮(zhèn)痛等作用[41]。常見的提取黃酮類化合物的方法有溶劑法、超聲提取法、超臨界流體萃取法、酶解法、HPH等，其中HPH處理可極大地提高黃酮的提取率。

表1 高壓均質(zhì)提取多糖類化合物Table 1 HPH on extraction of polysaccharides

朱穎[41]通過高壓均質(zhì)技術(shù)從黃芩中提取了黃芩苷和黃芩素，研究發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)處理后的顆粒比提取前減少了近6倍，從而增大了顆粒與溶劑接觸的表面積，減小傳質(zhì)阻力，極大地促進(jìn)了有效成分的溶出。劉增根等[42]利用高壓均質(zhì)提取柴達(dá)木枸杞葉黃酮，并與微波法、超聲法和回流法進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)技術(shù)提取黃酮的提取率最高，高壓均質(zhì)各因素對(duì)提取黃酮的影響主次順序?yàn)樘崛毫?乙醇體積分?jǐn)?shù)>料液比>提取時(shí)間，高壓均質(zhì)提取方法操作簡(jiǎn)便，提取的黃酮生物活性高。鐘漢左等[6]利用高壓均質(zhì)提取山楂葉黃酮并與超聲和回流提取作對(duì)比，試驗(yàn)通過正交設(shè)計(jì)確定了高壓均質(zhì)提取山楂葉黃酮最優(yōu)的工藝參數(shù)為：均質(zhì)壓力60 MPa，乙醇濃度70%，料液比1∶30，均質(zhì)時(shí)間30 min，最終得率為8.39%，比超聲提取提高了14.46%，比回流提取提高了8.12%，另外研究發(fā)現(xiàn)，3種提取方式的HPLC指紋圖譜主要峰的出峰時(shí)間相同，高壓均質(zhì)提取的物質(zhì)未發(fā)生變化，但峰的整體高度不同，高壓均質(zhì)提取的圖譜峰值最高，提取率最高，同時(shí)高壓均質(zhì)提取具有提取時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)安全等特點(diǎn)。謝亞[8]采用高壓均質(zhì)提取技術(shù)提取中藥決明子中的黃酮，提取率為1.233%。與超聲和回流提取方法進(jìn)行比較，3種提取方法的HPLC指紋圖譜中峰形相似，但高壓均質(zhì)提取的黃酮峰值最高。結(jié)果表明，高壓均質(zhì)提取決明子黃酮，其提取率最高且用時(shí)最短，高壓均質(zhì)提取的黃酮物質(zhì)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。ZHU等[26]研究了堿和高壓均質(zhì)對(duì)馬鈴薯皮中黃酮類化合物提取的影響，經(jīng)0.1 mol/L NaOH溶液處理18 h，總黃酮得率從2.61 mg/g提高至3.63 mg/g，高壓均質(zhì)處理將其增加到3.11 mg/g。此外，結(jié)合堿和高壓均質(zhì)處理，可以在0.1 mol/L NaOH處理12 h后，將總黃酮含量升高到3.95 mg/g，高壓均質(zhì)可以顯著減小馬鈴薯皮的顆粒尺寸，從而產(chǎn)生較小的纖維素碎片和較小的球體，促進(jìn)了黃酮類物質(zhì)的釋放，高壓均質(zhì)在破碎植物細(xì)胞方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，細(xì)胞內(nèi)容物能夠得到最大程度的釋放。

研究發(fā)現(xiàn)，高壓均質(zhì)技術(shù)不僅可以提高黃酮類化合物的提取得率，而且經(jīng)高壓均質(zhì)處理后黃酮類化合物具有更強(qiáng)的生物活性，并且經(jīng)HLPC指紋圖譜、掃描電鏡等分析后，發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)得到的黃酮提取物結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，因此，高壓均質(zhì)提取法是提取黃酮類化合物的一種良好選擇。

2.2.3 多酚類化合物提取

植物多酚種類繁多，大多數(shù)植物酚類化合物都來源于一種常見的中間體-苯丙氨酸，或一種類似的前體-莽草酸。多酚主要包括類酚酸、木酚素、姜黃素、單寧和芪類化合物。植物多酚具有抗氧化、抗衰老、抗炎、防輻射等多種生物活性，因此近年來對(duì)植物多酚的研究極為迅速[43]。植物多酚常用的提取方法有超聲波提取法，微波提取法，閃式提取法等，HPH法提取可提高多酚的提取率，增加多酚的生物活性。

a-0 mol/L NaOH處理；b-0.1 mol/L NaOH處理； c-0.4 mol/L NaOH處理；d-HPH處理； e-0.1 mol/L NaOH+HPH處理； f-0.4 mol/L NaOH+ HPH處理[27]圖3 馬鈴薯皮的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrographs of potato peels

由于多酚類化合物在高溫下不穩(wěn)定，高壓均質(zhì)提取過程沒有高溫加熱，從而在一定程度上減少了高溫對(duì)多酚結(jié)構(gòu)的破壞；同時(shí)，高壓均質(zhì)所用儀器簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高，操作簡(jiǎn)便，因此，高壓均質(zhì)為提取多酚類化合物提供了新思路。

2.2.4 其他生物活性物質(zhì)

高壓均質(zhì)技術(shù)除了應(yīng)用到多糖、黃酮、多酚等活性成分的提取之外，潘鶴林等[47]還研究了黃姜皂素等其他生物活性物質(zhì)，如表2所示，高壓均質(zhì)提取比超聲提取、回流提取和微波提取等方式效率高，且高壓均質(zhì)提取操作簡(jiǎn)便，提高了活性成分的生物活性，因此，可以作為提取植物天然活性成分的良好選擇。

表2 高壓均質(zhì)提取其他生物活性物質(zhì)Table 2 HPH on extraction of other biologically active substances

3 結(jié)論

HPH作為一種新型的植物天然活性成分提取技術(shù)，具有提取效率高、提取產(chǎn)物活性強(qiáng)、工藝操作簡(jiǎn)單、安全等優(yōu)點(diǎn)，均質(zhì)壓力，均質(zhì)次數(shù)是對(duì)植物天然活性成分提取率和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素。在HPH處理后，各種植物天然活性成分的穩(wěn)定性能得到最大程度的保留。為提高HPH技術(shù)在提取天然活性成分方面的應(yīng)用，還需開發(fā)新型的設(shè)備材料，以提高均質(zhì)閥的抗壓、耐腐蝕等性能。隨著科技的進(jìn)步和儀器設(shè)備的發(fā)展，高壓均質(zhì)技術(shù)將會(huì)在提取天然活性成分方面的應(yīng)用更加廣泛。