超高壓技術及其在提取植物天然活性成分中的應用進展

段振，朱彩平，劉俊義，鄧紅，馮犖犖，鄭虹，吳阿敏，李知熒，杜艷

(陜西師范大學 食品工程與營養科學學院,陜西 西安,710119)

超高壓技術及其在提取植物天然活性成分中的應用進展

段振，朱彩平*，劉俊義，鄧紅，馮犖犖，鄭虹，吳阿敏，李知熒，杜艷

(陜西師范大學 食品工程與營養科學學院,陜西 西安,710119)

超高壓或高靜壓加工技術是一種新興的食品加工技術，是目前食品高新技術領域研究的熱點之一。文中簡單闡述了超高壓技術的部分應用原理，綜述了國內外近年來在超高壓提取植物天然活性成分方面的研究，并且對超高壓技術在提取植物天然活性成分方面的應用進行了初步展望。

超高壓；提取；天然活性成分

超高壓(ultra-high pressure，UHP)或高靜壓(high hydrostatic pressure，HHP)加工技術是指在密閉的超高壓容器內，以水或油為介質在常溫或加熱的條件下加壓到100～1 000 MPa對軟包裝食品進行處理，以達到殺菌、鈍酶、提取和加工食品等目的的一種新興的食品加工技術[1]。現階段超高壓技術主要應用于增加食品安全性(殺菌)，延長冷藏食品貨架期以及提取植物天然活性成分這三方面[2]。但其在減少過敏原、降低鹽度、提高生物利用度和生物有效性、改良食品質構特性和減少食品污染物形成等方面也具有廣闊的應用前景[3]，因此超高壓技術受到國內外研究者的廣泛重視。

1 超高壓技術原理

1.1 超高壓殺菌

超高壓食品加工技術最先應用于食品殺菌，有研究發現在殺菌過程中，超高壓設備以水或者油為媒介進行加壓處理時，極高的靜壓會造成微生物細胞發生機械損傷和細胞質膜功能的變更，最終引起蛋白質變性、細胞生物學機制破壞，從而達到殺菌的目的[2,4]。但同時也有報道稱細胞膜在高壓條件下通透性會發生改變，使得氨基酸攝入受到阻礙，繼而造成菌體死亡，達到殺菌的目的[5]。MEYER[6]等研究發現,在超高壓處理過程中每增加100 MPa壓力,溫度會隨之升高2～3 ℃，所以認為超高壓技術能夠殺死微生物是壓縮熱和高壓共同作用的結果。目前，國內外關于超高壓殺菌的機理還沒有形成公認的、系統的理論，因此還有待進一步深入研究。一般來說，在一定范圍內，加壓時間越長，壓力越高，滅菌效果越好，比如細菌、霉菌、酵母菌在300 MPa以上就可被殺滅，病毒在較低的壓力下也可失去活力；但對于芽孢菌，有的在1 000 MPa的壓力下還可生存[2,7]，因此超高壓技術殺菌范圍仍有限，在食品加工中必要時可以結合其他技術協同殺菌。

1.2 超高壓延長貨架期

部分食品為了延長貨架期需要以冷凍方式儲藏。在傳統的冷凍過程中，冰晶由表面向中心逐漸形成，冷空氣傳導速率緩慢，冰晶大小不均勻，使得組織結構遭到破壞，物料汁液流失嚴重，而在高壓低溫條件下微生物和酶活性會降低，且經過超高壓處理可以使食品很好的保持原有品質[8-9]。這是由于高壓會降低水的冰點，當給予物料適當高壓處理后，降低一定溫度，會使物料中水依然處于液態，然后迅速恢復至常壓，這樣就能夠使水處于過冷態，極細微的冰晶會瞬間均勻分布到物料組織的各個部分，避免了冰晶對物料組織產生破壞，而且在解凍過程中由于細微的冰晶均勻的存在于組織各個部分，使得物料汁液流失量相對減少，基本保持了原有風味，從而保證了食品品質。但是有研究發現超高壓在加壓過程中會產生熱效應，目前沒有相關報道說明這一現象會對食品冷凍和解凍產生怎樣的影響，還有待進一步研究[2]。

1.3 超高壓提取植物天然活性成分

超高壓技術作為提取方法于2004年首次被提出，并進行了適用性研究，發現該技術可以縮短提取時間，提高得率并且提高產品純度[10]。影響提取物得率的因素主要有提取液種類、料液比、溫度、保壓時間和壓力大小。

通常認為超高壓處理會對細胞器、細胞壁、細胞膜造成一定破壞，導致細胞滲透性增加，從而使提取溶劑更多地滲透到細胞中，而被提取成分更多地滲透到細胞外，于是天然活性成分的得率得到提高[11]。為了探究超高壓的提取機制，XI[12]等以未經任何提取方法處理的當歸為空白，通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡觀察和比較熱回流處理和超高壓處理后當歸表面組織及細胞結構變化，結果如圖1所示。經過超高壓處理的當歸表層結構遭到破壞(圖1-b)，可以明顯地觀察到組織滲透性增加，并且產生了微裂縫和空心現象。然而，熱回流處理后的當歸表面是完整、緊密的(圖1-c)，與空白組當歸(圖1-a)沒有本質區別。通過透射電子顯微鏡可以觀察到經過熱回流處理后細胞的細胞壁、細胞器依然保持完好(圖1-f)，與空白組(圖1-d)對比沒有本質差別，而超高壓處理后細胞的細胞壁遭到破壞(圖1-e)，可以很明顯的觀察到細胞壁出現破裂，細胞壁厚度降低，細胞器被嚴重破壞。因此，超高壓處理對細胞組織結構的破壞，極可能加速了被提取成分向提取溶劑中轉移，從而導致提取效率的增加。

圖1 掃描電子顯微鏡(a,b,c)和透射電子顯微鏡 (d,e,f)[12](未處理a,d；超高壓處理b,e； 熱回流處理c,f)Fig.1 Scanning electron micrographs (a,b,c) and Transmission electron micrographs (d,e,f)[12] (Untreated samples a,d; HHP samples b,e; Reflux samples c,f)

張海寧[13]等發現，高壓處理對提取溶劑物理性質(黏度、溶解性、極性等)的影響也可能會影響到超高壓的提取效果，并且以超高壓提取藍莓果渣花色苷為例進行研究，發現超高壓處理能夠提高花色苷提取率。這是因為高壓引起了提取溶劑分子間氫鍵的變化，進而導致提取溶劑物理性質發生變化，最終使得花色苷提取率提高，因此超高壓處理對提取溶劑物理性質的改變也可能是造成提取率提高的另一重要原因。

2 超高壓技術在提取植物天然活性成分中的應用

2.1 超高壓提取工藝

超高壓提取植物天然活性成分基本操作程序類似，步驟依次如下：

(1)原料前處理：將植物原料清洗干凈，一定溫度下干燥至恒重，粉碎，過篩，置于干燥器中密封保存，備用。

(2)超高壓提取：

稱取一定質量的干粉原料→加入一定體積提取溶劑→裝入聚乙烯袋→真空密封→放入超高壓密封容器→超高壓處理→離心→取上清液→測定提取成分含量。

2.2 超高壓提取優勢

近幾年的植物天然活性成分提取技術一直在向提高產品得率、降低有機試劑用量和增加提取效率的方向發展[14]。在這樣的前提下，超聲波輔助萃取、超臨界流體萃取和微波輔助提取等方法相繼得到研究和發展，超高壓提取法則更為出色，不僅大大縮短了提取時間、增加了提取效率，還具有可常溫提取、提取物純度高等優勢，展現出巨大的發展潛力。

傳統的物理、化學方法和酶法通過使生物細胞結構變性從而達到從細胞中提取成分的目的，但是傳統的提取方法會使細胞組織結構喪失選擇性，從細胞內滲透出的不僅有被提取成分還會混入較多雜質，導致提取成分很難與雜質分離。ZHANG等研究發現使用超高壓技術進行提取時，在高壓條件下更多的提取溶劑會進入到細胞內，提取成分也會更多地滲透到細胞外，但只有少許雜質會混入提取成分中[3,10]，因此提取物純度得到大大提高。

熱回流提取、索氏提取、熱水浸提等傳統的提取方法在提取過程中通常需要較長的反應時間，而且所得產品得率并不理想，而超高壓提取可以在縮短提取時間的同時提高產品得率[14]。XI[15]等研究發現使用超高壓技術從茶葉中提取茶多酚最優條件是：體積分數50%乙醇提取液、料液比1∶20(g∶mL)、壓力500 MPa、保壓時間1 min，在這樣的提取條件下所得到的茶多酚得率與超聲萃取90 min或者熱回流提取45 min相近，分別為30%、29%和31%。再者，部分植物中的天然活性成分具有熱敏性，使用傳統方法(如微波法)會造成提取成分喪失活性，而超高壓技術被稱為“非熱加工技術”，可以選擇在常溫條件下進行提取，很好地解決了這一問題[3]。

綜上所述，超高壓技術在提取植物天然活性成分方面具有對提取成分破壞小、提取產品純度高、提取效率高等特點。超高壓提取與熱回流法、微波輔助法和超聲輔助法等提取方法比較結果如表1所示。

表1 超高壓法與其他方法比較Table 1 Comparison of ultra-high pressure method and other methods

2.3 植物中天然活性成分提取

2.3.1 多糖類化合物提取

多糖是一類重要的具備生物活性的天然產物，由多個相同或者不相同的單糖通過糖苷鍵連接而成，常以結合的形式存在于植物、動物、真菌等體內，如核蛋白、蛋白多糖、脂多糖等。多糖具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抗凝血、降血糖、免疫調節等多種功效，對維持生命活動有著很重要的作用，具有廣闊的應用前景[16]。

馬佩佩[17]等采用正交試驗法優化了超高壓提取庫爾勒香梨多糖最佳工藝條件并與微波法、超臨界萃取法相比較，結果發現，超高壓提取耗時最短，多糖得率最高，是提取多糖的最佳方法。

劉春娟[18]采用均勻設計的方法研究得到超高壓提取黃芪多糖的最佳工藝，并與熱水回流和超聲波輔助提取2種方法相比較，3種方法均采用水為提取溶劑，相比較而言，超高壓提取節能、省時且得率高，優于另外2種方法。

CHEN[19]等利用超高壓技術從蛹蟲草中提取多糖，采用響應面法優化得到最佳提取工藝條件。通過鐵離子還原力法和自由基清除法(超氧自由基、羥基自由基和DPPH 自由基)評價超高壓提取后多糖的抗氧化活性，發現采取超高壓技術提取的多糖具有顯著的抗氧化活性，可以作為一種新型抗氧化劑。

除上述報道外，還有敬思群等人也運用超高壓技術從植物中提取了多糖類化合物，相關參數如表2所示。超高壓技術在提取多糖類化合物方面得到了較廣泛的應用，展現出其節能高效的特點，說明超高壓技術是提取植物多糖的一種有效方法。

表2 超高壓提取多糖類化合物Table 2 Ultra-high pressure on extraction of polysaccharides

大量實驗研究已經證明，超高壓會使大分子物質變性，因此超高壓不適于應用在提取分子質量較大的多糖物質，否則會影響提取物的生物活性[24]。LO[25]等在超高壓提取香菇中多糖的研究中發現，分子質量高的多糖的二級結構中富含氫鍵，而超高壓能破壞其中的氫鍵，雖然超高壓處理提高多糖分子結構的靈活性和可溶性，但一定程度上也影響了多糖的活性。劉春娟[18]在常溫高壓提取黃芪多糖的研究中也指明大分子中含有較多的非共價鍵，超高壓在提取中會間接破壞多糖的活性。因此使用超高壓技術進行提取時，大分子活性物質穩定性是面臨的關鍵問題。盡管如此，超高壓技術對提取物質的影響依然要小于其他提取方式[24]。

2.3.2 多酚類化合物提取

多酚是4種主要次級代謝產物之一，存在于植物性食材中，例如水果，蔬菜，谷類食物，豆類，堅果等，且種類繁多，多以復雜的混合物形式存在，在水果中已發現的多酚就有1 400多種，并且不斷有新的物質被發現，如蘋果中的根皮苷，葡萄中的甘藜蘆醇，柿子中的單寧等。多酚具有抗腫瘤、抗氧化、抗動脈硬化以及防止冠心病、高血壓、糖尿病等生物活性，已成為現階段研究的熱點[3]。

XI[26]等研究有機溶劑法和超高壓法2種方法從茶葉中提取兒茶酚。結果發現超高壓提取15 min與有機溶劑提取2 h的得率相近，表明與有機試劑常壓提取方法相比，超高壓提取相對高效，具有高得率、低能耗等優點。

SEO[27]等研究采用熱回流提取法和超高壓技術從韓國黑莓中提取多酚。2種提取方法相比較，超高壓提取效率顯著提高，節能省時且多酚提取得率從13.9%提高到17.3%。并且經過HPLC分析，與熱回流提取法相比，超高壓提取可以得到更高濃度的咖啡酸、兒茶酸、阿魏酸，這3種組分含量從10.1、3.1、2.6 mg/L分別提高到12.3、10.1、6.9 mg/L。由此可見，超高壓提取法不僅可以減少提取時間，還可以提高提取成分含量，明顯優于熱回流提取法。

嚴隴兵[28]等在單因素試驗的基礎上，通過二次回歸正交旋轉組合試驗設計研究超高壓提取石榴皮多酚，與焦士榮[29]的超聲波輔助提取工藝和孫蘭萍[30]的熱回流提取工藝相比較，結果在提取多酚得率方面，超高壓提取(26.21%)優于超聲波輔助提取(25.07%)和熱回流提取(21.94%)，同時在提取多酚純度方面，超高壓提取(36.76%)優于超聲波輔助提取(34.9%)和熱回流提取(34.30%)，表明超高壓提取具有所用時間短、提取得率高及提取物純度高的優點。

HU[31]等通過正交試驗設計優化了超高壓技術從金銀花花蕾中提取綠原酸的最佳工藝，同時與熱回流提取、索氏提取及超聲輔助提取相比較，超高壓技術具有產品得率高、提取時間短的優點，可作為提取綠原酸的新方法。

除此之外，還有蔡茜彤等使用超高壓技術提取多酚類化合物，相關參數見表3。綜合超高壓提取多酚類化合物研究結果來看，提取工藝參數優化、協同調整是影響提取結果的關鍵；由于多酚類化合物在高溫條件下不穩定，而超高壓技術可在常溫條件下提取，因此為提取多酚類化合物提供了新途徑。

表3 超高壓提取多酚類化合物Table 3 Ultra-high pressure on extraction of polyphenols

2.3.3 黃酮類化合物提取

黃酮類化合物也稱黃堿素，多以糖苷形式存在，作為二級代謝產物廣泛分布于各種植物中，截止目前為止已發現的黃酮類化合物高達8 000多種。黃酮具有多種生理活性，人體攝入后可產生抗氧化、抗腫瘤、抗骨質疏松、保護心血管系統、調節機體免疫及炎癥反應等功效，因此發展非常迅速[36]。

敬思群[37]等通過響應面法對超高壓提取金雞菊總黃酮工藝進行研究，同時采用熱回流提取法與超高壓提取進行比較，發現超高壓提取得率較高且用時短。同時對2種方法提取的黃酮進行紫外可見光譜分析和紅外可見光譜分析，2種樣品的光譜圖均重疊，表明兩者為同一物質，這表明超高壓不會破壞金雞菊黃酮的結構。

孫協軍[38]等采用超高壓提取山楂黃酮，同時與索氏提取、超聲提取法相比較，超高壓技術有明顯的優勢，有利于得率的提高，且避免了提取過程中產生熱效應。為了更好地解釋超高壓技術有利于黃酮的提取，作者利用場發射掃描電鏡觀察提取前山楂黃酮干燥粉末以及經索氏提取和超高壓提取后烘干的殘渣粉末，結果顯示超高壓提取后殘渣顆粒表面孔隙比索氏提取后更多、更大，組織結構破壞更加嚴重，且比表面積增加，這些變化正是超高壓提取山楂黃酮具有較高得率的主要原因。

董海麗[39]等選用L9(34)正交實驗優化超高壓提取枇杷葉總黃酮，得到最佳工藝，試驗在常溫條件下進行，避免了因熱效應導致的有效成分結構發生變化以及生理活性的降低。研究同時發現，隨著超高壓提取枇杷總黃酮濃度的增加，DPPH自由基的清除率也隨之增加，呈現良好的線性關系(R=0.994 6)，說明超高壓提取的總黃酮具有較高的抗氧化能力。

袁亞光[38]、安卓[39]等也研究了使用超高壓技術提取牡丹花黃酮、苦苣黃酮等其他植物黃酮類化合物，并優化了提取工藝，相關參數如表4所示。從相關研究結果來看，超高壓技術可以增加黃酮類化合物得率，而經過超高壓提取后的黃酮類化合物的抗氧化能力更強，且黃酮結構不會發生改變，說明超高壓技術十分適合用來提取黃酮類化合物。

2.3.4 皂苷類化合物提取

皂苷類化合物作為二級代謝產物廣泛分布于植物中，是植物防御系統的屏障，以對抗病原體和食草動物。皂苷類化合物按皂苷配基的結構可以分為三萜皂苷和甾體皂苷兩大類，例如人參皂苷、柴胡皂苷等屬三萜皂苷，麥冬皂苷、薯蕷皂苷等為甾體皂苷。越來越多的研究證明皂苷類化合物具有抗腫瘤、抗糖尿病、抗炎、免疫促進、心血管及神經保護等藥理活性，具有較高的研究價值[44]。

表4 超高壓提取黃酮類化合物Table 4 Ultra-high pressure on extraction of flavonoids

CHEN[45]等使用超高壓技術從人參中提取人參皂苷，確定了其最佳工藝條件，并與微波輔助提取、超聲輔助提取、索氏提取、熱回流提取相比較，結果表明超高壓提取在產品得率、提取時間和能耗方面優于其他方法。同時研究還發現在同樣的皂苷濃度條件下，熱回流提取法(58%)和超高壓提取法(55%)展現出相近的清除自由基能力，優于其他幾種方法(40%～53%)。雖然超高壓提取后皂苷自由基清除能力不是最高，但是由于其高效的提取效果使得超高壓提取后皂苷含量最高，因此依然具備較好的自由基清除能力。

ZHANG[46]等運用不同方法提取西洋參皂苷。比較索氏提取法、熱回流提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取、超臨界CO2萃取、超高壓提取6種方法，超高壓提取所需時間最少、效率最高，因而采用超高壓技術進行西洋參皂苷提取具有更大優勢。

超高壓提取法除了對人參皂苷和西洋參皂苷進行過研究外，王居偉、靳學遠等還研究了大豆皂苷、桔梗皂苷等其他皂苷類化合物，相關參數如表5所示。經過大量的試驗對比，超高壓技術不僅在提取時間和提取得率上具有明顯優勢，在提取產品的清除自由基能力方面也要優于熱回流提取、超聲提取法、微波提取法等方法。超高壓技術的出現為皂苷類化合物的提取提供了新的思路。

表5 超高壓提取皂苷類化合物Table 5 Ultra-high pressure on extraction of saponins

2.3.5 其他天然活性成分提取

超高壓技術除了應用到多糖、多酚、黃酮及皂苷等天然活性成分的提取之外，還有文獻報道關于提取其他天然活性成分的研究。

GUO[51]等比較了微波、熱水浸提和超高壓3種提取方法從臍橙皮中提取果膠的產品得率，結果表明，超高壓提取效果明顯優于前兩種方法，說明超高壓技術可作為提取臍橙皮中果膠的最佳方法。

BRIONES-LABARCA[52]等運用有機試劑提取法、超高壓提取法和超聲波輔助提取法從智利木瓜種子中提取蘿卜硫素(sulforaphane)。結果表明，使用超高壓技術可以在相對較短時間內得到更高含量的蘿卜硫素，是目前提取蘿卜硫素的一種最佳方法。

寧志剛[53]等研究了在常溫條件下使用超高壓技術從烏頭中提取烏頭原堿，確定最佳提取工藝條件，結果發現超高壓提取較煎煮法提取烏頭原堿含量大大提高，提取時間僅是熱回流法的2%，且避免了烏頭中其它有效成分因熱效應而發生結構變化。因此，使用超高壓處理是目前提取烏頭原堿較為合適的一種技術。

3 展望

超高壓技術在天然活性成分提取方面與其它方法相比較，高效率、高純度是其主要優點，尤其是提取過程可以在室溫條件下進行，避免了熱效應對天然活性成分的破壞，得到眾多研究者的青睞。隨著國內外對超高壓技術的研究及合作交流機會的增多，超高壓提取將會在以下幾方面得到發展：(1)超高壓提取天然活性成分的原理逐漸清晰，為超高壓技術的應用提供理論依據；(2)超高壓設備趨于完善，比如安裝溫度實時監控設備，以便更加精確地控制溫度；提升各部件材質，從而增加超高壓設備的密封性、穩定性及安全性，使得提取工藝參數得到進一步優化；(3)影響提取得率的因素得到進一步發掘，超高壓技術對提取成分結構、生物活性等影響，對超高壓提取后所提取產物的分離純化和定性定量分析相關研究逐步增多；(4)超高壓技術協同其他因素提取天然活性成分研究會越來越多，比如，超高壓技術與均質作用結合、酶法輔助超高壓提取等。隨著國內外研究的不斷深入，超高壓技術在食品工業中的應用將會更加深入和廣泛。

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Reviewontheultra-highpressuretechnologyanditsapplicationprogressinextractingplantactiveingredients

DUAN Zhen,ZHU Cai-ping*,LIU Jun-yi,DENG Hong,FENG Luo-luo,ZHENG Hong,WU A-min,LI Zhi-ying,DU Yan

(College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China)

Ultra-high pressure (UHP) or high hydrostatic pressure (HHP) treatment is an emerging food technology,which is a hotspot research area among food high technology field.This paper briefly explains part of the application principles of ultra-high pressure,and summaries the preliminary research and applications of using UHP to extract natural active ingredients from plants in recent years at home and abroad.

ultra-high pressure technology; extraction; natural active ingredients

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014637

碩士研究生(朱彩平副教授為通訊作者，E-mail：zcaiping@snnu.edu.com)。

國家自然科學基金項目(31301598)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(GK201402042)；大學生創新創業訓練計劃項目(cx17153)

2017-04-26，改回日期：2017-05-23