低共熔溶劑在植物多糖提取中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉 偉，王曉雨，周玉溪，徐 恒，張 恒，曹 云，侯旭杰，裴龍英,*

（1.塔里木大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆理工學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，新疆阿克蘇 843000）

多糖一般是指由10 個(gè)或者10 個(gè)以上的單糖通過(guò)糖苷鍵連接而成的大分子物質(zhì)[1]，其廣泛存在于人們?nèi)粘Ｊ秤玫墓任?、果蔬、食用菌和中草藥中。食源性多糖由于諸多保健和藥理功能活性，在近幾十年逐漸成為天然產(chǎn)物研究中的熱點(diǎn)，現(xiàn)已被應(yīng)用于食品、飲料、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中[2]。植物資源是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其中食用植物和藥用植物是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾闹参镔Y源。隨著近年來(lái)中醫(yī)藥和保健食品的快速發(fā)展，大量植物源特別是中草藥中活性物質(zhì)及功效研究更加深入，其中以植物多糖研究最為廣泛。現(xiàn)代研究已經(jīng)證實(shí)中草藥中的多糖是其重要的功效物質(zhì)[3]，因此通過(guò)提取植物中的多糖對(duì)其結(jié)構(gòu)及活性進(jìn)行深入研究，對(duì)于中醫(yī)藥的現(xiàn)代化發(fā)展及食藥同源戰(zhàn)略具有重要意義。

傳統(tǒng)植物多糖提取主要采用水提法、酸提法和堿提法等，水提法操作簡(jiǎn)單、成本較低，但提取時(shí)間長(zhǎng)且提取率較低，酸堿提法常用于含有酸性基團(tuán)或酸性多糖提取，可以促進(jìn)多糖溶解、縮短提取時(shí)間，不過(guò)容易破壞多糖的糖苷鍵和空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)前基于傳統(tǒng)溶劑的輔助提取方法包括酶輔助提取、超聲輔助提取、微波輔助提取、亞臨界提取和超臨界提取等，這些輔助方法使得提取效率顯著提升[4]，同時(shí)也伴隨著多糖的降解和更高的提取成本。隨著多糖的研究不斷深入，高效、安全、綠色的多糖提取方式是其低能耗與高應(yīng)用價(jià)值的重要前提，傳統(tǒng)溶劑提取法主要以水、鹽酸、硫酸、硝酸、氫氧化鈉和乙醇等作為溶劑，通常需要較大的溶劑用量，提取過(guò)程容易造成溶劑的浪費(fèi)且具有一定的安全隱患和環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)，低共熔溶劑（low eutectic solvent，DES）因其較低的成本、優(yōu)良的提取效果和可降解性被廣泛研究。

DES 是指由一定量的氫鍵受體（Hydrogenbonded acceptor，BHA）和氫鍵供體（Hydrogen bond donor，BHD）按一定比例混合以后經(jīng)過(guò)加熱形成更低熔點(diǎn)的粘稠、透明液體，合成以后會(huì)形成強(qiáng)大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使多糖的體系溶解度變大并導(dǎo)致DES 具有較高的粘度[5]，因此在提取過(guò)程中往往需要水的介入。2011 年首次在一些強(qiáng)耐寒動(dòng)物（蠕蟲、瓢蟲、青蛙）體內(nèi)發(fā)現(xiàn)該體系并命名為天然低共熔溶劑（Natural low eutectic solvent, NADES），主要是由糖類、氨基酸、有機(jī)酸、酰胺類和膽堿類衍生物組成[6]（圖1），在多糖提取研究中所使用的基本都是這類DES。相較于傳統(tǒng)溶劑，DES 的生產(chǎn)成本低、合成方法簡(jiǎn)單、在提取過(guò)程中可以避免因過(guò)高的溫度和不適的酸堿性對(duì)多糖結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生不利影響；其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無(wú)毒無(wú)害易降解，被認(rèn)為是傳統(tǒng)溶劑和離子溶劑（ionic solvent，IL）的優(yōu)良替代品。DES 作為新型綠色溶劑可多次重復(fù)提取仍保持穩(wěn)定的理化性質(zhì)[7]，NADES 甚至可以直接作為添加劑或配方加入食品中，因此從食源性多糖的提取效率、產(chǎn)物純度和安全性方面衡量都是較為理想的溶劑體系，在提取過(guò)程中加入一定的輔助條件可以顯著提高提取效率，比如超聲波、微波和酶輔助等，其中超聲波輔助需要的溶劑量少且復(fù)現(xiàn)性好，應(yīng)用最為廣泛。不過(guò)目前基于DES 對(duì)多糖的提取工作僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，難以通過(guò)合成大量DES 進(jìn)行工業(yè)化提取生產(chǎn)。

圖1 常見(jiàn)BHA 和BHD 及類型Fig.1 Common BHA and BHD and their types

本文闡述了DES 的組成、合成方法和主要性質(zhì)特點(diǎn)，探討了DES 性質(zhì)的主要影響因素，對(duì)該法在植物多糖及果膠類物質(zhì)的提取研究進(jìn)行了一定的總結(jié)，并分析了目前DES 應(yīng)用的一些挑戰(zhàn)及解決前景，以期為植物多糖的高效提取提供新的思路和理論基礎(chǔ)。

1 低共熔溶劑概況

DES 是由一定摩爾比的氫鍵受體BHA（如季銨鹽）和BHD（如酰胺、有機(jī)酸、糖類和多元醇等）組合而成的兩組分或多組分混合物，熔點(diǎn)顯著低于單個(gè)組分的熔點(diǎn)[8]。水本身較強(qiáng)的氫鍵效應(yīng)可以作為重要的組成部分[9]，氫鍵相互作用強(qiáng)度會(huì)直接影響DES的理化性質(zhì)和和溶解性。在DES 中加入少量水，除了可以增大溶解度、調(diào)節(jié)pH 和粘度外，還具有縮短制備時(shí)間、降低制備溫度等作用[10]。

加熱法是制備DES 最簡(jiǎn)便的方法之一，將配制的DES 置于密閉容器在一定溫度下加熱，直至形成均一透明的溶液或膠體，經(jīng)干燥后備用[11]；研磨法就是將兩組分或者多組分置于研缽中，在室溫下充分研磨，最終形成澄澈的液體[12]；真空蒸發(fā)法是將所有組分（粘度較大）都溶解在甲醇或者水溶液中，隨后經(jīng)真空減壓蒸發(fā)除去溶劑，直至恒重[13]；冷凍干燥法是將所有組分用超純水稀釋，達(dá)到含水量5wt%左右時(shí)，經(jīng)真空冷凍干燥除去這部分水，獲得透明膠體[14]。微波和超聲波合成法是將所有組分混合物封裝后經(jīng)微波輻照或超聲波處理，然后靜置形成均勻穩(wěn)定的體系，其中冷凍干燥法、蒸發(fā)法和研磨法操作簡(jiǎn)便，超聲波和微波輔助合成法快速高效，因?yàn)槲⒉ㄝ椛鋾?huì)與溶劑體系發(fā)生相互作用并引起偶極旋轉(zhuǎn)，HBD 和HBA 組分發(fā)生碰撞產(chǎn)生介電加熱，迅速升溫顯著縮短了合成時(shí)間；超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)能夠加速HBD 和HBA 組分之間的相互反應(yīng)和溶解[15-16]，具體合成操作如圖2 所示。不過(guò)目前制備DES 最常用的方法還是加熱攪拌，因?yàn)樗子诓僮髑页杀据^低，在合成過(guò)程中更容易調(diào)節(jié)條件，這主要是考慮到一些熱不穩(wěn)定性組分的合成。

圖2 DES 制備方法Fig.2 DES synthesis methods

2 低共熔溶劑的性質(zhì)及其影響因素

2.1 低共熔溶劑的性質(zhì)

DES 與IL 相比具有更特殊的性質(zhì)，主要包括熔點(diǎn)、粘度、pH、毒性和生物降解性，而這些性質(zhì)大部分可以通過(guò)改變?nèi)軇┑慕M分或摩爾比來(lái)調(diào)節(jié)，BHA和BHD 之間的氫鍵相互作用和范德華力是導(dǎo)致熔點(diǎn)降低的主要因素[17]，所有DES 的熔點(diǎn)都顯著低于單一純組分，其中熔點(diǎn)低于50 ℃的DES 因其安全性和低成本被廣泛研究應(yīng)用。有研究發(fā)現(xiàn)BHD 的鏈長(zhǎng)和摩爾比的上升對(duì)熔點(diǎn)影響相對(duì)較大，而且體系中的陰離子含量也會(huì)對(duì)熔點(diǎn)產(chǎn)生顯著影響，這是造成膽堿鹽類-尿素體系較低熔點(diǎn)的主要原因[18]。

DES 純組分普遍具有較高的粘度，這種高粘度特性是廣泛的氫鍵分布造成的[19]，而高粘度則會(huì)阻礙流動(dòng)、影響傳質(zhì)，因此粘度是多糖提取操作中重要的控制因素。使用高純度的DES 直接提取多糖非常困難，而制備低粘度的DES 具有嚴(yán)苛的條件，因此需要加入一定量的水或升高溫度來(lái)降低粘度、增大傳質(zhì)能力，但過(guò)少的氫鍵分布會(huì)造成DES 的穩(wěn)定性變差，加入適量無(wú)機(jī)鹽也可以有效降低DES 的粘度[20]。此外，DES 的酸堿性也是應(yīng)用中非常重要的控制因素，BHA 和BHD 本身的酸堿性和比例就決定了DES 的酸堿性。Abbott 等[21]在氯化膽堿-甘油體系中加入一定量的氯離子后堿性增強(qiáng)，氯化膽堿-尿素體系也具有較強(qiáng)的堿性，而氯化膽堿與馬來(lái)酸、檸檬酸組成的DES 表現(xiàn)為高酸性。Jablonsky 等[22]通過(guò)對(duì)體系pH 行為的研究發(fā)現(xiàn)，升溫時(shí)pH 表現(xiàn)為線性降低，相較于醇基DES，酸基DES 的pH 的下降更為明顯，進(jìn)一步證明了BHD 對(duì)體系的pH 有更大影響。

Hayyan 等[23]首次提出DES 的毒性問(wèn)題，分別研究了氯化膽堿與尿素、乙二醇、三甘醇和甘氨酸體系對(duì)部分細(xì)菌和小蝦的細(xì)胞毒性，發(fā)現(xiàn)3 種DES對(duì)細(xì)菌并無(wú)毒性，但是對(duì)于小蝦的毒性高于無(wú)機(jī)鹽和HBD 本身，并且毒性在水中有所增強(qiáng)。DES 的細(xì)胞毒性取決于化學(xué)組成、濃度和黏度等因素，研究發(fā)現(xiàn)基于氯化膽堿的DES 的毒性普遍很低，但是基于一些金屬鹽物質(zhì)的DES，對(duì)細(xì)菌和真菌都有很強(qiáng)的毒性[24]。大多數(shù)DES 在體內(nèi)或體外對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒和動(dòng)物表現(xiàn)出無(wú)毒或低毒性，但仍不能認(rèn)為是絕對(duì)的安全體系。此外，DES 的生物降解能力主要取決于組分，BHA 和BHD 本身較強(qiáng)的降解性會(huì)造成DES 的高降解水平，這使得NADES 的生物降解能力普遍高于其他類型的DES。氯化膽堿作為最常用的BHA，在14 d 即可降解93%左右[25]。Zhao 等[26]通過(guò)檢測(cè)20 種不同的以氯化膽堿為BHA 的NADES的生物降解值，28 d 時(shí)氯化膽堿-尿素體系的降解性最好（97.1%），酸基相較于醇基體系的降解性整體較差，加入水的糖基三元溶劑的降解水平可以達(dá)到90%以上。Radosevic 等[27]研究了以氯化膽堿為HBA，甘油、葡萄糖和草酸為BHD 的溶劑毒性和降解能力，結(jié)果得到當(dāng)HBD 為甘油和草酸時(shí)，最高和最低降解水平分別為96%和68%，而且毒性與降解性之間有很好的相關(guān)性。表明通過(guò)對(duì)DES 的合理選擇和設(shè)計(jì)，在得到所需溶劑的良好性質(zhì)以外，還可以控制溶劑更好的毒理學(xué)水平。

2.2 低共熔溶劑性質(zhì)的影響因素

2.2.1 含水量 大多數(shù)低DES 是吸濕性混合物，很難實(shí)現(xiàn)完全干燥，在向DES 中添加水時(shí)，應(yīng)考慮水的雙重作用，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)與HBD 和HBA 相互作用形成更多氫鍵，而含水量過(guò)多會(huì)迅速削弱體系的氫鍵作用[28]。Hammond 等[29]通過(guò)對(duì)氯化膽堿-尿素體系的水合物進(jìn)行了微觀表征，發(fā)現(xiàn)在較低含水量（42wt%）時(shí)，DES 的整體氫鍵作用有所增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定；而含水量較高（83wt%）時(shí)，DES 結(jié)構(gòu)被破壞，取而代之的是水-水和DES-水相互作用，氫鍵作用急劇降低，溶劑變成了多組分的水溶液。Gabriele 等[30]研究了3 種醇基DES 加入水后的理化性質(zhì)，得到少量的水可以降低粘度、增強(qiáng)導(dǎo)電性和極性，采用傅里葉紅外光譜和核磁共振法研究了水對(duì)DES 納米結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果得到DES 的兩個(gè)組分之間存在較強(qiáng)的氫鍵相互作用，加水至50wt%左右，這種相互作用逐漸減弱，隨后的水添加導(dǎo)致這種相互作用將近消失，直到含水量達(dá)到75wt%左右完全消失。

DES 中氫鍵作用的減弱就會(huì)使粘度降低，從而改善提取時(shí)的物質(zhì)流動(dòng)狀況，這會(huì)很大程度上提高溶劑的應(yīng)用價(jià)值，在一定范圍內(nèi)，提取率與含水量成正比[31]。Dai 等[10]研究了氯化膽堿-葡萄糖（摩爾比5:2）體系，其粘度在含水量為5wt%時(shí)下降到純?nèi)軇┑?/3，添加10wt%的水以后，粘度降到原來(lái)的1/10。還有研究發(fā)現(xiàn)，氯化膽堿-尿素體系在30 ℃條件下加入10wt%的水可以使粘度降低80%以上，水含量的增加導(dǎo)致DES 分子可以自由移動(dòng)，流動(dòng)性和擴(kuò)散性都會(huì)增加；同時(shí)發(fā)現(xiàn)水的加入使得尿素-尿素、尿素-氯化膽堿的相互作用力明顯下降[32]，而且當(dāng)尿素基DES 吸收空氣中的水分以后（5.5wt%），其熔點(diǎn)降低了15 ℃以上[33]，說(shuō)明水會(huì)一定程度降低DES 的熔點(diǎn)，所以在DES 合成和應(yīng)用時(shí)要考慮含水量對(duì)熔點(diǎn)的影響。

2.2.2 溫度 溫度主要影響DES 的粘度，隨著溫度的升高，DES 的粘度隨著剪切速率的增加而降低，因?yàn)镈ES 在較高溫度下具有較低的分子間作用力和膨脹、剪切效應(yīng)，這對(duì)DES 的整體結(jié)構(gòu)有一定破環(huán)作用，也使DES 的體系粘度趨向收斂于BHD 純組分粘度[34]。Dai 等[10]進(jìn)一步考察了葡萄糖、氯化膽堿和水（摩爾比為2:5:5）在20～60 ℃范圍內(nèi)制備的NADES 的粘度變化，當(dāng)溫度升高到原來(lái)的兩倍時(shí)，粘度降低到原來(lái)的1/3。還有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從30 ℃升高到90 ℃時(shí)，氯化膽堿-木糖（摩爾比為1:1）體系的粘度從100 Pa·s 降低到0.5 Pa·s[35]，而這種粘度變化對(duì)于活性物質(zhì)的提取是更為有利的，表明DES 在較寬的溫度范圍內(nèi)仍能保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性，這一優(yōu)良性質(zhì)使DES 的應(yīng)用價(jià)值及潛能顯著提高。

3 低共熔溶劑在植物多糖提取中的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 在茶多糖提取中的研究

茶多糖是一種酸性糖蛋白，是一類蛋白質(zhì)和多酚結(jié)合的具有生物活性的復(fù)合多糖，具有抗氧化和抗炎等活性。一般可以從茶的葉片、花和果實(shí)中提取得到，一般較為粗老茶葉中的多糖含量相對(duì)較高[36]。目前基于DES 對(duì)茶多糖的提取研究較少，Xia 等[37]將氯化膽堿分別與乙二醇、己二醇和1,4-丁二醇按摩爾比為1:2、1:2、1:4 制得3 種DES 提取安吉白茶中的多糖，經(jīng)超聲輔助提取得到氯化膽堿-1,6-己二醇體系提取率最高（19.18%）且抗氧化活性最好，比水提多糖表現(xiàn)更好的α-葡萄糖苷酶抑制力和降血糖活性，碳水化合物含量更高（72.67%）但分子量更低，這是由超聲波誘導(dǎo)多糖分子氣泡的形成和破裂產(chǎn)生的空化效應(yīng)所致[38]（圖3）。不同的超聲波頻率、時(shí)間對(duì)于多糖的結(jié)構(gòu)與活性的影響也并不相同，超聲波對(duì)多糖的結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用，但超聲波處理一般能夠顯著提高多糖的提取效率。黃秀紅等[39]以氯化膽堿和甜菜堿作為BHA 制備了6 種DES 提取烏龍茶多糖，其中甜菜堿-1,3 丁二醇體系的提取效果更好，與傳統(tǒng)水提法相比，DES 提取的多糖得率、DPPH自由基和羥基自由基清除能力分別提高了20.22%、53.79%和32.65%，這對(duì)提高烏龍茶多糖的提取效率和抗氧化活性具有重要意義。

圖3 超聲波空化效應(yīng)作用原理[38]Fig.3 Principle of action of ultrasonic cavitation effect[38]

3.2 在中草藥多糖提取中的研究

中草藥是我國(guó)體系的重要組成部分，具有悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，中草藥的諸多藥用功能都源于其中的天然活性成分，而多糖就是重要成分之一，因此安全高效的多糖提取方法是其藥理作用研究的必要手段。鐵皮石斛在我國(guó)具有很長(zhǎng)的藥用歷史，具有提高免疫、增強(qiáng)體質(zhì)、改善心血管疾病和降糖降脂等功效，多糖是鐵皮石斛的主要活性成分，《中國(guó)藥典》規(guī)定鐵皮石斛多糖含量不得低于25%，多糖含量越高則石斛的質(zhì)量越好[40]。梁靜[41]使用19 種DES 加入復(fù)合酶（纖維素酶和果膠酶）提取鐵皮石斛多糖發(fā)現(xiàn)，氯化膽堿-丙三醇體系提取率最高（42%），提取效果好于不加酶的純DES 提取和傳統(tǒng)熱水提取法，所得粗多糖的純度高達(dá)96.78%，這主要是由于酶對(duì)細(xì)胞壁的破壞作用促進(jìn)了多糖的溶出，而有機(jī)強(qiáng)酸基DES 的提取效果并不理想，因?yàn)閺?qiáng)酸會(huì)加速多糖的水解[42]。糖類物質(zhì)也是DES 制備常用的BHD，有研究以紫皮石斛粉末中的多糖本身作為BHD，選擇左旋肉堿作為BHA，基于低共熔溶劑系統(tǒng)（Low eutectic solvent system，DESys）結(jié)合化學(xué)機(jī)械法提取（ chemical-mechanical extraction，MCE），在保留多糖理化性質(zhì)的同時(shí)，DESys-MCE 的提取效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)提取方法，且不需要提前合成DES[43]，簡(jiǎn)化了多糖的提取和分離過(guò)程。先前的研究也證明DESys 比傳統(tǒng)DES 提取更有效，而且提取時(shí)間很短，這會(huì)顯著降低提取過(guò)程中的能耗[44]。

黃精是百合科黃精屬草本植物的干燥根莖，其味甘性平，具有健脾潤(rùn)肺和補(bǔ)腎益氣等功效，包括黃精在內(nèi)的多種百合科黃精屬植物都屬于傳統(tǒng)藥食同源性中藥材。唐蘭芳[45]篩選了氯化膽堿-1,4-丁二醇體系作為黃精多糖提取溶劑，提取率約為水提法的4 倍，并且DES 提取多糖的ABTS+、DPPH 自由基清除能力、Fe3+還原能力、氧自由基吸收能力和抗糖基化能力均顯著高于水提黃精多糖，氯化膽堿-尿素型DES 提取得到的黃精多糖也得到相同的性質(zhì)且與質(zhì)量濃度呈量效關(guān)系[46]，該型DES 在重復(fù)提取第3 次時(shí)提取率最高，較新鮮溶劑提高了83.9%，而且黃精多糖含量隨重復(fù)次數(shù)增加呈先增加后趨于穩(wěn)定，重復(fù)提取4～5 次后多糖含量基本穩(wěn)定，進(jìn)一步結(jié)合超聲酶解（纖維素和果膠酶）法提取柴胡多糖的研究也有類似發(fā)現(xiàn)[47]，這是由于重復(fù)提取后DES 的物理狀態(tài)改變，比新鮮DES 的流動(dòng)性更強(qiáng)，對(duì)多糖分子的充分溶出與傳質(zhì)是更有利。

研究表明多糖的抗氧化和生物活性一般與提取條件、分子量大小和單糖組成有關(guān)[48]。劉旭等[49]進(jìn)一步研究了不同溫度條件下氯化膽堿-尿素型DES提取得到的黃精多糖的相對(duì)分子量和單糖組成等基本性質(zhì)和體外抗氧化活性之間的關(guān)系，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)水提醇沉法，70 ℃時(shí)多糖得率最高為18%，提高了36%，相對(duì)分子量變小且半乳糖含量升高；提取的多糖相對(duì)分子量更小，且主要成分為葡萄糖，DES 在70 ℃條件下提取的黃精多糖體外抗氧化能力明顯高于傳統(tǒng)水提醇沉法（4.3 倍）和DES 在100 ℃條件下（7.4 倍）提取的黃精多糖，這可能與70 ℃條件下DES-多糖體系中較強(qiáng)的氫鍵效應(yīng)和更低的分子量水平有關(guān)。尿素基DES 提取得到玉竹（百合科黃精屬）多糖的提取率達(dá)到29.03%，是熱水浸提法的4.67 倍[50]，對(duì)糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycation end products，AGEs）相對(duì)抑制率達(dá)到87.63%，AGEs的體內(nèi)積累是引發(fā)糖尿病和其他慢性疾病的重要因素[51]，從而揭示了該多糖在新型降糖保健食品的開發(fā)方面的應(yīng)用潛力。酚酸和多糖是百合屬植物中的主要活性物質(zhì)，因其抗氧化活性和潛在的保健功效受到關(guān)注，Chen 等[52]采用氯化膽堿-乙二醇型DES 提取了卷丹百合（百合科）中多糖和酚酸類物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)高效提取兩種活性物質(zhì)且提取時(shí)間顯著變短，這種快速有效的提取方法有利于中草藥主要成分的測(cè)定和質(zhì)量評(píng)價(jià)，而乙二醇基DES 對(duì)于千斤撥多糖的提取效果較差，1,3 丁二醇基體系的提取效果更好，這主要是其內(nèi)部空間位阻更小且醇基分支少，極性分布更適合于千斤拔多糖的溶解[53]。

近年來(lái)的深入研究表明多糖類物質(zhì)是腸道微生物的有效調(diào)節(jié)因子，在保護(hù)宿主腸道微生態(tài)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，多糖可以通過(guò)增加腸道中的有益菌和減少有害菌來(lái)調(diào)節(jié)腸道菌群組成，改善菌群結(jié)構(gòu)，參與腸道菌群的各種相互作用[54]。馮康琳[55]采用氯化膽堿-乙二醇型DES 提取得到了荷葉多糖，多糖在體外糞便發(fā)酵過(guò)程中被腸道微生物降解和利用，顯著增加了擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、巨單胞菌屬和柯林斯氏菌屬等有益菌的相對(duì)豐度，并顯著降低了變形菌門和梭桿菌門等有害菌的相對(duì)豐度，同時(shí)荷葉多糖能夠顯著促進(jìn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，表明該型荷葉多糖可以有效調(diào)節(jié)腸道菌群，可作為促進(jìn)腸道健康的潛在益生元，還有研究分別采用水提法、中溫堿提法、DES 提取法和高壓均質(zhì)輔助雙酶法提取荷葉多糖發(fā)現(xiàn)，氯化膽堿-丙二醇體系提取率最高且與水提法相近，尿素基DES 的提取率顯著低于其他方法，但是，水提法和尿素基DES 提取的多糖具有更好的益生元活性[56]。此外，經(jīng)DES 復(fù)合酶（纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶）輔助提取得到枸杞子多糖對(duì)DPPH 自由基和羥基自由基有一定的清除能力，抑菌活性表明該多糖可以抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的生長(zhǎng)，特別是對(duì)大腸桿菌的抑制效果最好，表現(xiàn)為高敏感度[57]，這為枸杞子在保健、藥品領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

除此之外，研究發(fā)現(xiàn)，采用氯化膽堿-尿素體系提取結(jié)合分級(jí)醇沉法得到淮山多糖的提取率是水提法的5.11 倍，該法對(duì)多糖的抗氧化活性有一定弱化作用，但是對(duì)抑制α-淀粉酶和抗糖基化能力有一定增強(qiáng)作用[58]，相同的DES 提取紅棗多糖也能夠顯著提高提取率（2.46 倍）[59]，不過(guò)對(duì)恰瑪古多糖的提取率比水提法雖有所上升，但是提取效果不如堿提法和超聲輔助提取法，可能是BHD 摩爾比太低導(dǎo)致體系氫鍵效應(yīng)相對(duì)較低所致，尿素基DES 提取的恰瑪古多糖主要在鐵離子螯合力和α-淀粉酶抑制方面有更好的作用效果[60]。孫悅等[61]研究發(fā)現(xiàn)，尿素和甘油基DES 對(duì)甘草多糖的提取效果較差，異丙醇基DES 的提取效果更好，這可能是異丙醇分子更小的空間位阻所致。值得一提的是，在他們關(guān)于鷹嘴豆活性物質(zhì)提取研究中發(fā)現(xiàn)，氯化膽堿-檸檬酸體系既可以高效提取其中的多糖，也可以提取黃酮類物質(zhì)，多糖和黃酮提取率分別為8.31%和2.49%[62]。還有研究發(fā)現(xiàn)氯化膽堿-乙二醇型DES 可以同時(shí)提取得到五味子中的多糖和精油[63]，這表明相同的DES 改變提取條件就可以高效提取不同樣本中的多糖或者相同樣本中不同的目標(biāo)物質(zhì)。不過(guò)，關(guān)于DES 對(duì)于不同天然產(chǎn)物都具有良好溶解性和提取選擇性的內(nèi)在機(jī)理并不明確。

盡管DES 在多糖提取方面具有良好的應(yīng)用前景，但其不易揮發(fā)性也給多糖與溶劑的回收帶來(lái)困難，新興的可切換DES 可能具有解決這一難題的潛力，可切換DES 就是可以通過(guò)改變外界條件（溫度、pH 和CO2等）實(shí)現(xiàn)親疏水性的轉(zhuǎn)變，控制提取過(guò)程為均相，提取結(jié)束以后為兩相（水相和富含DES 組分），從而實(shí)現(xiàn)多糖的提取分離和溶劑的回收利用[64-65]，其中關(guān)于溫度切換型DES（temperatureswitchable DES，TS-DES）的研究相對(duì)較多，Tang等[66]從12 中TS-DES 中篩選得到丁卡因-月桂酸體系為提取枸杞多糖的最佳體系，最大提取率為465 mg/g，重復(fù)提取5 次以后提取率保持在430 mg/g以上，而且重復(fù)提取后DES 回收率達(dá)到80.5%。具體的茶和中草藥多糖提取的DES 組成及工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 DES 在茶和中草藥多糖提取中的應(yīng)用及工藝Table 1 Application and technology of DES in the extraction of polysaccharides from tea and Chinese herbs

3.3 在果膠提取中的應(yīng)用

果膠是一種廣泛存在于水果和蔬菜中的多糖，其組成有同質(zhì)多糖和雜多糖兩種類型，是植物細(xì)胞壁的重要組成部分，常作為酸性飲料的凝膠劑、增稠劑或穩(wěn)定劑，除此之外，果膠可以調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和多樣性、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化并抑制飲食誘導(dǎo)的肥胖[67]。果膠的理化性質(zhì)和健康功能主要取決于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，其中水果皮層是植物果膠的重要來(lái)源之一。Chen 等[68]篩選出甜菜堿-檸檬酸和氯化膽堿-蘋果酸體系，用于提取芒果皮果膠，果膠提取率分別為27.62%和30.01%，顯著高于鹽酸提取法（13.17%），高強(qiáng)度超聲功率提高了低酯果膠的得率，但降低了提取果膠的分子量和粒徑，這是由于超聲空化作用能夠打破果膠多糖的糖苷鍵，從而產(chǎn)生更多低分子量的果膠[69]。而鹽酸提取的果膠比兩種DES提取的果膠或商業(yè)果膠具有更高的粘度特性，這有助于研究者掌握提取條件與所提果膠理化性質(zhì)之間潛在聯(lián)系，從而根據(jù)不同的應(yīng)用要求選擇合適的提取方法。

DES 提取體系合成組分雖然具有廣泛的選擇性，但是只有極少部分經(jīng)合成以后具有優(yōu)良的提取效果，部分體系的提取效果也差于傳統(tǒng)提取法，不同體系提取產(chǎn)物的理化性質(zhì)也有一定的差異，因此在DES 的設(shè)計(jì)與合成時(shí)需要考慮組分本身與實(shí)驗(yàn)條件對(duì)果膠提取過(guò)程的影響。El-gharbawy 等[70]研究了超聲輔助DES 在提取柚子皮中的果膠得率和酯化度（DE，degree of esterification）的影響，結(jié)果表明，氯化膽堿-丙二酸和氯化膽堿-葡萄糖-水為最佳提取體系，兩種DES 的果膠得率均為94%左右，DE 均值為52%，與糖基DES 相比，酸基DES 提取的果膠結(jié)構(gòu)形貌更光滑，丙二酸體系提取的果膠在產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)方面比葡萄糖基DES 更穩(wěn)定，另有一些研究使用氯化膽堿-丙二酸體系高效提取了生育酚和花色苷類物質(zhì)[71-72]，表明該體系不僅可以高效提取果膠，也是其他各類活性物質(zhì)提取的良好溶劑。Liew 等[73]采用檬酸法和乳酸-葡萄糖-水型DES 分別提取柚子皮果膠發(fā)現(xiàn)，DES 提取的果膠得率最高為23.04%，而檸檬酸提取的得率達(dá)到了39.72%，檸檬酸提取的提取效果顯著優(yōu)于DES 提取法，這是由于乳酸相對(duì)較弱的酸性和過(guò)量的水稀釋削弱了體系氫鍵相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，高溫（≥80 ℃）相關(guān)酸性介質(zhì)（pH 接近2）有利于打破果膠所在細(xì)胞壁所需的水解條件，從而促進(jìn)果膠的溶出與傳質(zhì)[74]，因此在提取植物果膠時(shí)，DES的設(shè)計(jì)應(yīng)該選取酸性較強(qiáng)的有機(jī)酸且考慮提取溫度對(duì)體系pH 的影響。

有研究比較了幾種酸（有機(jī)和無(wú)機(jī)）在90 ℃下提取90 min 的甜瓜果皮果膠提取率，得到果膠在羧酸中的提取是更有利的，其中檸檬酸最適合甜瓜果皮果膠的提取[75]。Benvenutti 等[72]利用檸檬酸-葡萄糖-水體系提取了嘉寶果果皮中的果膠，發(fā)現(xiàn)該型DES 合成時(shí)間較短（50 min），具有較低的pH（1.01）和粘度（298 K 時(shí)為0.159 Pa·s），最高提取率為27.3%，比傳統(tǒng)檸檬酸提取（9.7%）高出3 倍，進(jìn)一步結(jié)合亞臨界水提取法提取，在水中加入DES 作為提取改性劑，可以在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的提取效果，這主要是在高壓條件下DES 粘度的降低，促進(jìn)體系傳質(zhì)導(dǎo)致的，提取率比傳統(tǒng)水提法高1.5～1.8 倍，所得果膠的抗氧化能力和乳化穩(wěn)定性都更強(qiáng)[76]，說(shuō)明具有低pH 的檸檬酸型DES 是提取果膠的良好溶劑，這也揭示了氯化膽堿-羧酸型DES 在果膠提取方面的潛力。

一般DES 的組分和摩爾比不僅會(huì)影響果膠提取率，而且改變果膠的一些理化性質(zhì)和生物活性。Shafie 等[77]以不同摩爾比的氯化膽堿-檸檬酸體系提取了木胡瓜中的果膠，最大得率為14.44%，達(dá)到最高得率長(zhǎng)達(dá)2.5 h，這是由于DES 溶液進(jìn)入木胡瓜皮粉末中，逐步破壞細(xì)胞壁且溶解果膠，再?gòu)募?xì)胞壁擴(kuò)散出來(lái)需要一定時(shí)間，體系的溫度、pH 和粘度都會(huì)影響這一過(guò)程，提取得到的木胡瓜多糖是一種高純度的酸性雜多糖，表現(xiàn)出良好的持水性（3.70 g/g），持油性（2.40 g/g）和起泡性（133.33%），可作為一種新的天然藥理聚合物或潛在的功能性食品成分，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不同摩爾比的DES 提取得到了不同分子支鏈結(jié)構(gòu)的木胡瓜果膠，不同的多糖結(jié)構(gòu)由于位阻效應(yīng)影響了其溶解性、理化性質(zhì)和功能特性，特別是增加DES 中一水合檸檬酸的摩爾比時(shí)，多糖的酸性和總酚含量有所增加，而這與多糖的抗氧化活性密切相關(guān)[78]。具體的果膠提取的DES 組成及工藝參數(shù)如表2 所示。

4 低共熔溶劑提取植物多糖的局限性

在大多數(shù)研究中，DES 提取法的提取率均顯著高于傳統(tǒng)方法，這主要是由于已經(jīng)開發(fā)了一系列成熟DES 體系并優(yōu)化了提取條件參數(shù)。在制備的DES體系中，只有少數(shù)具有較高的提取效率，而多數(shù)DES提取效果差的主要原因就是高粘度，目前，降低DES黏度的方法主要有兩種，一是通過(guò)加入水、調(diào)節(jié)溫度，雖然溫度和含水量增加對(duì)粘度的改善作用顯著，但是對(duì)氫鍵作用的削弱也非常明顯，調(diào)節(jié)合適的含水量及溫度來(lái)降低粘度需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；二是開發(fā)低黏度體系，對(duì)DES 的組分要求很高，需要考慮離子尺寸及空腔大小進(jìn)行設(shè)計(jì)[79]，開發(fā)難度大，但仍是新型DES 潛力較大的研究方向。

當(dāng)前基于DES 提取多糖的提取效果研究很多，但針對(duì)于特異性提取研究很少，提取樣本中的物質(zhì)較多，無(wú)法明確是對(duì)多糖的特異性提取，比如前文中提到，氯化膽堿-尿素型DES 對(duì)黃精、玉竹和淮山等的多糖都有很好的提取效果，而氯化膽堿-丙二酸體系不僅可以提取多糖和果膠，也可以提取得到生育酚和花色苷類物質(zhì)，即相同的DES 在不同的條件下可以提取得到不同樣本中的多糖或其他活性物質(zhì)，因此采用DES 提取得到的多糖性質(zhì)與提取條件關(guān)系密切，不同提取條件對(duì)于目標(biāo)多糖的影響并不明確，通過(guò)DES 對(duì)多糖的選擇性提取還需要做大量研究。而且，DES 的不易揮發(fā)性使其難以通過(guò)直接蒸發(fā)回收再利用，溶劑反向萃取、大孔樹脂吸附和膜透析等方法雖然可以有效回收，但這使得提取后續(xù)操作更加復(fù)雜，提取成本也更高[80-81]。加大可切換溶劑的開發(fā)可能是解決這一難題的主要研究方向與突破口。

DES 是具有可再生、廉價(jià)和綠色的可“設(shè)計(jì)”溶劑，這歸因于它們良好的降解性、環(huán)境友好性和低毒或無(wú)毒性。前文中提到一些研究表明常用DES 在細(xì)胞、真菌和動(dòng)物（小蝦）學(xué)水平都表現(xiàn)為無(wú)毒或低毒，但也有研究發(fā)現(xiàn)，氯化膽堿-尿素型DES 對(duì)水螅的毒性強(qiáng)于單個(gè)組分[82]。因此DES 的安全性還需要進(jìn)一步的毒理學(xué)研究和更多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，從而避免多糖提取過(guò)程中DES 的殘留可能對(duì)多糖品質(zhì)和人體健康產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)論與展望

近年來(lái)，DES 在植物多糖提取領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。DES 具有環(huán)保、高效和易降解等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高植物多糖的提取率和純度，而且其良好的生物相容性和相對(duì)溫和的提取條件可以顯著提高多糖的溶解度和穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)提取法相比，DES 提取的植物多糖具有更好的生物活性和功能特性。DES 也更加符合綠色提取的要求，其理化性質(zhì)（極性、熔點(diǎn)、溶解度、密度、電導(dǎo)率和粘度等）具有較高的可調(diào)性，可以通過(guò)改變組分及摩爾比實(shí)現(xiàn)，具有更好的設(shè)計(jì)性的靈活性，未來(lái)可以利用分子模擬技術(shù)設(shè)計(jì)得到具有優(yōu)良理化性質(zhì)和選擇性的DES 應(yīng)用于多糖的提取。此外，DES 可以重復(fù)提取多次仍保持良好的提取效果，所以溶劑的回收再利用是非常必要的，可切換型DES 的研究開發(fā)或是有效途徑之一。值得一提的是，雖然DES 普遍認(rèn)為是安全的，但毒性評(píng)估顯示，它們比其單個(gè)組分具有更高毒性的案例也存在，因此，對(duì)于DES 的毒性和生物降解性的評(píng)估，特別是DES 對(duì)生物體的影響，需要做更全面細(xì)胞學(xué)和動(dòng)物學(xué)研究，以確定通過(guò)DES 提取的植物多糖是否可以直接用于食品和醫(yī)藥領(lǐng)域，繼續(xù)加大DES 在多糖提取中的內(nèi)在機(jī)理研究，探索其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的可能性，為植物多糖高效提取利用提供新的思路和理論依據(jù)。