超聲輔助提取枸杞多糖的研究進展

李冬梅，杭方學，陸海勤，謝彩鋒，李　凱，張麗超（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

超聲輔助提取枸杞多糖的研究進展

李冬梅，杭方學，陸海勤*，謝彩鋒，李凱，張麗超
（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

枸杞多糖作為枸杞最主要的生物活性物質，具有抗氧化、抗腫瘤、護肝、降血糖、調節免疫等生理功能，對于預防和治療一些慢性疾病有很好的療效。超聲提取技術作為一種省時、節能、高效的提取方法，在植物多糖的提取領域也收到了廣泛關注。本文就超聲提取技術在枸杞多糖提取中的應用及研究進展進行闡述，對目前存在的問題也進行了相應的分析。

枸杞多糖，超聲提取，生物活性

枸杞，一種茄屬落葉灌木，主要生長在中國西北部干旱和半干旱地區、歐洲東南部和地中海區域。它的果實枸杞子在中國作為一種傳統的中藥和滋補食品已有2500多年的歷史［1-4］。現代藥理研究證實，枸杞多糖（Lycium bararum polysaccharides，LBP）是枸杞中的主要生物活性成分，具有抗氧化［5］、抗腫瘤［6］、抗衰老［7］、降血壓［8］、降血脂［9］、抗疲勞［10］、調節免疫［11］、增強新陳代謝［12］等特殊的保健功能。對于預防和治療一些慢性疾病，如糖尿病、高血脂、血栓、免疫功能缺陷、癌癥、肝炎以及男性不孕等有很好的功效［13］。

多糖的生物活性主要由其化學結構、分子質量及分子構象來決定［14］。枸杞多糖（LBP）的分子量在10～2300 ku之間，主要由6種單糖組成，分別是葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、核糖［15］。除此之外，LBP還含有半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸和18種氨基酸。LBP的鏈結構是由各種單糖通過糖苷鍵相連接，主要的糖苷鍵有β-1，3-、β-1，4-、β-1，6-、α-1，6-、α-1，4-苷鍵［16-17］。秦小明等［18］對分離純化得到的3種冷水可溶性枸杞多糖和4種熱水可溶性枸杞多糖進行分析，得出LBP為一種高度分支構造的阿拉伯聚糖，并且其糖鏈具有高度分支的梳妝結構。它的骨骼是β-（3，6）-半乳糖，由阿拉伯糖組成的寡糖支鏈少量的非還原末端阿拉伯糖、巖藻糖、鼠李糖、木糖、甘露糖和半乳糖醛酸等結合在骨架上。

1　超聲輔助提取枸杞多糖

1.1超聲輔助提取植物多糖的發展簡介

近年來超聲輔助提取植物多糖（尤其是中草藥多糖）的技術已取得快速發展。有資料記載，最早將超聲波用于植物活性成分的提取是在1952年，W.Specht等對超聲輔助水提法和傳統熱水提取法提取啤酒花活性成分進行了對比，結果表明運用超聲提取的啤酒花活性高，可使啤酒生產過程中的啤酒花使用量減少30%～40%［19］。隨著超聲設備的發展和改進，超聲技術也開始廣泛應用于各種植物多糖的提取中。1998年，于淑娟等［20］采用超聲波協助纖維素酶法提取靈芝多糖，該法與普通方法相比，水解效率高，產品質量好，同時還能大大縮短提取時間，并使反應條件更加溫和。1999年，Z.Hromadkova等［21］對超聲輔助酒精水溶液提取鼠尾草多糖的結果進行分析，實驗證明超聲的應用顯著增強了鼠尾草多糖的提取效率，提高了原料的利用率。至此以后，超聲輔助提取開始快速發展，被用于各種活性多糖的提取中。Li J等［22］對比了傳統方法和超聲輔助提取法提取酸棗多糖的抗氧化生理活性，實驗表明與傳統方法相比，超聲輔助提取法獲得的酸棗多糖的產量提高了27.6%，且具有更強的自由基清除能力和鐵離子還原能力。大量的實驗和研究表明，超聲輔助提取可以有效縮短提取時間，提高提取效率［23］。超聲波提取技術是集物理系、化學和工程學于一體的一門綜合技術，將超聲波應用于提取植物的有效成分，操作簡單快捷，無需加熱，提取率高，速度快，效果好，且結構未被破壞，顯示出明顯的優勢［24］。與傳統方法相比，超聲提取具有省時、節能、雜質少、提取率高等優點［25］。

1.2超聲輔助提取植物多糖的作用機理

大多數的植物多糖都存在于植物細胞內，因此植物多糖提取過程主要包含兩個物理現象：細胞膜的通透性增大，多糖從細胞膜中滲出；細胞膜破裂后多糖從細胞中流出。如圖1，超聲對這兩個現象都有顯著的影響。首先，超聲作為一種彈性機械波，在溶劑中傳播時可以加強溶劑分子的運動，從而加速溶質在溶劑中的傳質速度；同時，超聲空化產生的湍動效應還可以減小兩相間邊界層的厚度，從而加速植物細胞中多糖在溶劑中的溶解和擴散。分子振動產生的能量被溶劑吸收轉變為自身的熱能，可以使體系的溫度升高，進一步加快溶質在溶劑中的擴散和傳遞速度。超聲空化產生的微射流和沖擊波可以加速細胞壁的破裂，同時提高細胞膜的通透性和穿透力，加速多糖從植物細胞中的滲出速度。而現有的機械破碎細胞法很難對植物細胞進行有效的破碎，化學破碎法容易造成被提取物結構性質等的變化而使提取物失去活性，因而難以取得理想的效果［26］。除此之外，對于從干燥的原料中提取植物多糖，超聲還可以加速植物細胞的吸水膨脹過程和水合過程，進而加速細胞的破裂和可溶性多糖的溶出。同時，實驗表明，低頻率超聲波具有更好的組織破碎能力［27］。

圖1　胞內多糖提取過程的示意圖Fig.1　Diagram of the process of intracellular polysaccharides extraction

2　超聲輔助提取枸杞多糖

國內目前提取枸杞多糖的方法一般有水提法、發酵法、微波法、超聲輔助法、堿液提取法、超臨界CO2萃取法和酶提取法等［28］。其中，超聲提取法具有很大的優越性。超聲在液體介質中可以產生特有的空化作用［29］，能破壞植物細胞的細胞膜，使細胞內的生物活性物質更容易被提取出來，加上超聲波傳播過程中產生的機械振動、微射流、微聲流等多極效應，能夠更充分地提取植物中的有效成分［30-31］。

2.1超聲輔助水提法提取枸杞多糖

超聲輔助水提法是最常用也是最節約成本的提取方法之一。與常規水提法相比，具有耗能少，提取率高，操作時間短，提取溫度低，有效成分破壞少及提取結果穩定等優點，在提取枸杞多糖中具有很大的推廣意義［32-33］。超聲輔助水提法提取枸杞多糖主要是利用超聲作用過程中產生的空化作用。超聲空化引起了湍動效應、微擾效應、界面效應、聚能效應。其中湍動效應可以使物料與水的邊界層厚度減薄，增大傳質速率；微擾效應可以強化微孔擴散，增加植物細胞細胞膜和細胞壁的通透性，從而加快多糖的滲出速度；界面效應增大了傳質表面積；從而在整體上強化了枸杞多糖提取過程的傳質速率和效率［34］。

孫漢文等［35］應用超聲波輔助水提取枸杞多糖的工藝，用正交設計和單因素實驗方法考察了提取溫度、時間、料液比對提取率的影響。實驗表明超聲水提法提取的初始溫度以室溫為宜，而無超聲輔助水提法提取工藝的提取溫度在90～100℃［36-38］。因此，超聲輔助水提可大大地降低了提取時的溫度，從而降低了提取時對能量的消耗，同時避免了由于溫度過高而使枸杞多糖中的生物活性物質喪失活性或活性降低。此實驗采取四次提取的方法，每次提取超聲作用時間為20 min，料液比為1∶3。整個實驗過程中，所用的提取時間為80 min，料液比為1∶12。通過與無超聲條件下的提取工藝進行對比［37-38］，可發現，超聲輔助水提能夠縮短提取時間，減少提取過程中溶劑的使用量，降低提取溫度，但是對超聲輔助提取獲得的枸杞多糖的穩定性和生物活性，還缺少相關的數據說明，目前缺少相關的證據來說明超聲輔助水提法獲得的枸杞多糖生物活性和穩定性更好。嚴成等［39］分別用浸泡水提取法、超聲輔助水提取法、微波輔助水法提取枸杞多糖，結果表明超聲輔助提取法不僅縮短了提取時間，降低了提取中的料液比，同時提高了提取效率。

2.2超聲輔助酶法提取枸杞多糖

超聲輔助酶法提取枸杞多糖更大程度地降低了提取所需的時間和提取溫度，并且提取物的產量也有了很大程度的提高。在纖維素酶或木瓜蛋白酶提取的基礎上添加超聲作用，可以更大程度地破壞植物組織的細胞壁，加速細胞的破裂，從而加速胞內多糖的溶出。這是由于在反應體系中，酶與植物組織細胞分別處于兩相中，酶對細胞壁產生分解作用時必須要通過邊界層，當添加超聲后，超聲空化產生的湍動效應可以減小邊界層的厚度［40］，加快酶與細胞壁的反應速度；同時，超聲產生的機械振動，增大了破碎的植物組織在溶劑中的分散性和懸浮性，進而增大了酶與植物組織細胞的接觸面積，從而提高了酶對植物組織細胞壁的降解速度。

Liu Y等［41］用超聲輔助纖維素酶提取枸杞中的水溶性多糖，并通過響應面的方法對提取工藝進行優化，結果表明，用超聲輔助纖維素酶提取水溶性枸杞多糖是一種省時、高效的提取技術，可以大幅度提高提取物的產量。與水提法相比，超聲輔助纖維素酶提取時間短，僅需20 min，而水提法需要180 min；提取溫度低，超聲輔助酶法的提取溫度為56℃，而水提溫度為80℃；提取率高，超聲輔助酶法提取率為6.32%，而水提法提取率為3.88%，提高了62.89%；與雙酶法（木瓜蛋白酶-纖維素酶）［37］相比，超聲輔助單酶法同樣大幅度地縮短了提取時間，從91 min縮短到20 min；提取溫度也從60℃降低到了56℃，在保證提取率（雙酶法：6.81%；超聲輔助單酶法：6.32%）的同時還降低了提取成本。

2.3超聲輔助亞臨界水法提取枸杞多糖

亞臨界水又稱為高壓熱水或過熱液態水，指在一定壓力下，將水加熱到100℃以上、臨界溫度374℃以下的高溫，水體仍然保持在液體狀態。亞臨界狀態下，隨著溫度的升高，氫鍵減弱甚至斷裂，因而水的極性由強極性漸變為弱極性，從而促進有機溶質分子的溶解［42］。此外，亞臨界水還可以降低固液兩相界面層的液膜強度，從而改善溶質的傳質動力學，可以降低表面張力和粘度，增加有機活性物質在水中的溶解速度［43］。由于超聲作用過程中產生的空化泡在破裂的瞬間，會產生局部瞬時的高溫高壓的環境，從而在超聲作用下，水分子會分解，產生H·和·OH［44-45］。因此在亞臨界水的基礎上添加超聲，可以加快水中氫鍵的斷裂，加速亞臨界水極性的轉變。同時，還可以加速植物多糖的溶解和擴散速度，提高提取效率。

Chao Z等［46］用超聲輔助亞臨界水法提取枸杞多糖，并在單因素的基礎上采用Box-Behnken響應面設計對提取條件進行優化，同時以提取率和抗氧化效果為指標對通過超聲輔助亞臨界水法、亞臨界水法和熱水法提取的枸杞多糖進行了比較。結果表明，超聲輔助亞臨界水法提取枸杞多糖的最佳工藝條件為提取溫度100℃，提取時間53 min，料液比為1∶26，超聲功率為160 W，此條件下的枸杞多糖提取率為5.957%。在相同提取條件（提取溫度為110℃，提取時間為60 min，料液比為1∶25，提取壓力為5 MPa）情況下，超聲輔助亞臨界水法提取率為4.444%，與無超聲輔助的亞臨界水提取法（3.99%）相比，枸杞多糖的提取率提高了11.38%；與熱水提取法（提取溫度為100℃，提取時間為120 min，提取率為3.44%）相比，枸杞多糖的提取率提高了29.19%，同時將提取所花費的時間縮短了一倍。通過超聲產生的熱效應、機械效應、空化效應，不僅加速了細胞的破裂，增大了溶劑的擴散速度和溶解能力，同時也加速了固液兩相間物質的傳遞速度，使細胞內的枸杞多糖更容易溶出。從而加快了提取速度，提高了提取效率。而由于提取溫度都較高，因此實驗中通過不同方法獲得的提取物的抗氧化活性并沒有表現出很大的差異性。

以上三種方法是超聲輔助提取枸杞多糖最常用的，這三種方法相比各有優劣。超聲輔助酶法與超聲輔助水提法相比，提取溫度更低，提取時間更短，提取效率更高，同時由于酶的專一性，在破壞細胞壁的同時不會對提取物造成破壞，因此能夠更好地保護提取物的結構及生理活性；但是在提取過程中加入纖維素酶或木瓜蛋白酶，提高了提取成本，也增加了多糖分離和純化的難度；超聲輔助亞臨界水法在超聲輔助水提法的基礎上又進一步提高了提取物的提取效率；同時，還可以通過調節溫度有選擇地提取從強極性到弱極性的不同多糖組分；雖然其提取效率沒有超聲輔助酶法的提取效率高，但是其提取設備簡單，后期的分離純化簡單，提取成本低，因此也是一種非常有前途的提取技術。

3　結論與討論

超聲輔助提取法提取植物多糖可以顯著地提高提取效率，減少溶劑的使用量，降低提取所需的時間，減短提取周期，降低提取溫度，在植物多糖提取中表現出了極大的優勢。因此近年來受到國內外學者的廣泛關注。但是，超聲提取技術在植物多糖提取中的應用仍存在一些問題。首先，目前對超聲提取技術的研究還相對較簡單，大多數只是研究超聲作用條件對提取率的影響，對超聲作用機理及其對植物多糖的穩定性和生物活性的影響并未做深入的研究；對超聲提取是否會對枸杞多糖的結構產生影響以及這種影響是否會改變多糖的性質等都未進行研究和探討；Z.Hromádková等［47］在利用超聲提取纈草水溶性多糖時發現超聲可能會導致提取的多糖發生降解，使其溶解在乙醇溶液中，但對產生此現象的原因并未給出準確的結論。對于枸杞多糖的結構與功能之間的關系，以及枸杞多糖的穩定性等，都還缺乏相應的研究；同時，超聲提取技術本身也存在很多問題，超聲作為一種高效、節能的提取方式，其應用主要集中在小型實驗室階段，工業規模的生產應用還很有限，一方面是由于超聲設備本身的缺點制約了其在工業生產中的應用，例如：超聲設備小，作用范圍窄，設備穩定性不好，能耗高，噪音大等。另一方面是由于目前超聲技術在植物多糖提取中應用機理的研究還不是很深入，無法為工業生產提供更多更可靠的理論支撐。因此，要使超聲技術真正的成熟、完善，并在植物多糖的提取中進行推廣、普及，還需要在現有技術的基礎上，開發一種低成本、高效率，且適用于工業大規模生產的超聲提取方法。

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A view of extraction of Lycium bararum polysaccharides assisted by ultrasound and its bioactivities

LI Dong-mei，HANG Fang-xue，LU Hai-qin*，XIE Cai-feng，LI Kai，ZHANG Li-chao
（Institute of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

The polysaccharides isolated from L.barbarum have been identified as the major active ingredients responsible for its biological activities.L.barbarum polysaccharides have various bioactivities，such as antioxidant，antitumor，hepatoprotection，antidiabetics and so on.It was useful for the prevention and therapy for some chronic diseases.Ultrasound-assisted extraction techniques for plant polysaccharides have received extensive concern for its characteristics of time-saving，energy-efficient and high extraction ratio.This paper focused on the application and development of ultrasound-assisted extraction techniques in extracting L.barbarum polysaccharides and the bioactivities of L.barbarum polysaccharides.Meanwhile，the problems existing were analysed.

L.barbarum polysaccharides；ultrasound-assisted extraction；bioactivity

TS201.1

A

1002-0306（2015）20-0392-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.071

2014－12－16

李冬梅（1988），女，碩士研究生，研究方向：超聲與矩形電場協同提取植物多糖及其耦合機理研究，E-mail：hongy1988@163.com。

陸海勤（1973），女，博士，副教授，研究方向：超聲化學的應用，E-mail：haiqinlu@gxu.edu.cn。

國家自然基金資助項目（11464002）。