植物多酚及其提取方法的研究進展

董 科,冷 云,何方婷,徐佳伊,李 楊,裴曉方

(四川大學華西公共衛生學院(華西第四醫院),四川成都 610041)

植物多酚(Polyphenols)是一類廣泛存在于植物體內的具有多個酚羥基化合物的次生代謝產物,主要分布于植物的根、皮、葉中,對植物的生長代謝起著重要作用。狹義認為植物多酚是單寧或者鞣質,在廣義上還包括小分子酚類化合物,如花青素、兒茶素、沒食子酸等天然酚類[1]。多酚的類別多種多樣,現有研究已發現在植物界中有8000余種多酚類化合物及其衍生物[2],因而,可根據不同的結構將多酚分為不同的類別。植物多酚除了抗氧化[3]作用之外,其本身多樣的結構也使其具有其他的生物學活性,如預防老年癡呆[4]、抗炎[5]、抑菌[6]、抗腫瘤[7-8]、調節腸道菌群[9]及心血管疾病[10]等功效,且已被廣泛應用于藥品及保健品等領域[11]。

近年來,天然產物已成為研究熱點,許多學者用不同的提取方法將植物中多酚類物質提取出來并對其含量進行比較,以便尋找到提取植物多酚的最佳工藝條件,使植物得到進一步開發和利用。因此,本文對近幾年植物中多酚提取方法進行綜述,對比各方法之間多酚的得率,為今后植物中多酚的廣泛研究提供理論參考。

1 多酚類化合物的分類

多酚類化合物是一類植物次生代謝產物,其特征是具有芳香族或酚環結構。多酚在茶葉、巧克力、咖啡、葡萄酒、蔬菜及水果中的含量十分豐富,其較強抗氧化能力已被證實[12]。根據多酚在食物中的結構不同,分為類黃酮和非類黃酮兩大類。類黃酮是最具有代表性的多酚類物質,主要包括黃酮類、黃烷酮類、黃烷三醇類等;非類黃酮主要包括了酚酸類和芪類,見表1。

表1 多酚類化合物分類Table 1 Classification of polyphenols

2 植物多酚類化合物提取方法研究概況

近年來,隨著科學技術的發展,植物中多酚的提取工藝不斷被優化,從而使多酚的得率顯著提高。這些日益改進的新提取技術正在逐步代替傳統的提取技術,在植物多酚提取領域正得到不斷應用和發展[13-15]。其中傳統的提取方法中最為經典的是溶劑萃取法,新提取方法主要包括超聲波提取法、微波提取法、閃式提取法、生物酶降解法和樹脂吸附提取法超臨界流體萃取法、高壓脈沖電場法、聯用法等。

2.1 溶劑萃取法

溶劑萃取法是傳統提取方式中最為經典且應用最為廣泛的一種提取方法。此方法根據“相似相溶”的原理將多酚從植物中分離出來。常用的溶劑主要有水、甲醇、乙醇和乙酸乙酯等。溶劑萃取法原理簡單,操作便捷,與其他新型儀器提取相比較,成本較低,因而被廣泛使用。但與近年來提取多酚的新技術相比,此方法耗時較長,影響提取物得率的因素較多,難以控制,且提取劑多為有機溶劑,既污染環境,又對研究者身體健康有一定影響,因此,該方法逐步被其他新型提取方法取代。

2.2 超聲波提取法

超聲波提取法的原理是利用超聲波的機械破碎作用和空化效應,加快提取物向溶劑中擴散的速率,從而縮短多酚的提取時間。此方法的優點是操作簡便,提取時間較短,提取效率比溶劑提取法高,但同時也存在機器耗能大,溶劑消耗過快的缺點[15]。

阮景軍等[18]以黃秋葵果實中多酚的提取率為響應值進行分析試驗,得到最佳提取工藝條件為:超聲溫度51.2 ℃,提取時間18 min,液料比1∶20 (g/mL),此條件下多酚得率為20.43 mg/g。齊娜等[19]采用響應面法對超聲輔助提取紅肉蘋果多酚的工藝條件進行優化,在最優參數條件下紅肉蘋果多酚得率為2.135 mg/g。D’Alessandro等[20]也采用超聲輔助提取野櫻莓中多酚,在同一條件下,與未使用超聲波輔助提取多酚得率進行比較,發現使用超聲波提取多酚的得率明顯高于未使用超聲波多酚得率的5倍左右。

2.3 微波提取法

微波提取法是利用微波使植物細胞產生巨大的熱量,使多酚物質從細胞中擴散出來。該方法是近年來興起的提取技術,有效的減少了多酚在高溫下的氧化,使多酚類物質不被破壞,且微波提取多酚的效率高,設備較便宜,對環境無污染,因此被廣泛使用。但微波可使局部溫度短時間升高,操作時應注意防護。

高磊等[21]通過微波輔助提取核桃中多酚,確定了最佳工藝條件為:乙醇濃度65%,料液比1∶20 (g/mL),微波功率為200 W,微波時間70 min,浸提溫度60 ℃,在此條件下,多酚的得率為6.318 mg/g。周芳等[22]通過響應面法對紅皮云杉多酚的提取工藝進行優化,得到最佳工藝條件為:微波功率295 W,料液比1∶31 (g/mL),乙醇濃度40%,提取時間46 s。在此條件下,紅皮云杉多酚得率為17.51%。同時,Galan等[23]研究也指出,微波輔助提取法與傳統的溶劑萃取法相比,能夠顯著提高多酚的產量和質量。

2.4 閃式提取法

閃式提取法是近年來興起的一種提取方法,該方法是選擇適當的溶劑,將植物置于閃式提取器中,使植物組織快速破碎以達到提取多酚的目的。閃式提取法提取速度是溶劑萃取法的百倍,具有操作簡單,提取效率高,多酚結構不易被破壞等優點。

李康等[24]利用閃式提取技術提取紅樹莓多酚,得到最佳工藝條件為:電壓150 V,乙醇體積分數為65%,提取時間為63 s,在此條件下進行3次平行實驗驗證,樹莓中總多酚的得率為51.02 mg/g。巫永華等[25]也得出黃精多酚閃式提取法最佳工藝條件為:乙醇體積分數為50%,電壓為150 V,料液比為1∶20 (g/mL),提取時間為35 s,在此條件下,多酚得率達到最高,為0.48%。張宇和蘇丹[26]采用響應面法Box-Behnken設計實驗,優化閃式提取法提取二氫槲皮素,在最佳工藝條件下二氫槲皮素提取率為0.47%,與熱水回流提取(0.17%)、乙醇回流提取(0.20%)、微波提取(0.22%)、超聲波提取法(0.47%)相比,閃式提取法能顯著提高二氫槲皮素的得率。

2.5 生物酶解提取法

酶解提取法是利用生物酶的專一性,它能夠選擇性破壞植物細胞壁,使植物細胞中的多酚擴散到溶劑中[27]。該方法與溶劑萃取法相比,具有成本較低、多酚溶解率高,綠色環保等優點,適合工業化生產。

王華斌等[28]運用酶法提取石榴皮中的多酚,得到最佳工藝條件為:初始酶解液pH6.0,酶解溫度50 ℃,酶質量濃度為0.25 mg/mL,酶解時間150 min,在此條件下,多酚得率達23.87 mg/g。在同一條件下,比溶劑萃取提取法的提取率高出16.84%。屈文秀等[29]運用中心組合設計及響應面優化馬鈴薯皮渣最佳提取工藝,當復合酶添加量1.4%,酶解pH6.10,酶解時間90 min,浸提劑乙醇濃度47%時,馬鈴薯皮渣多酚的提取量比單獨溶劑提取多酚含量高,最高達到3.21 mg/g。

2.6 樹脂吸附提取法

樹脂吸附法是基于樹脂對植物提取物的吸附-解吸作用實現多酚類物質的分離。該方法對多酚的提取率較高,純度較純,無毒無害,對環境無污染,但樹脂市場價格昂貴,成本較高,不適合大規模提取。

唐頊婉等[30]通過大孔樹脂吸附法研究八月瓜多酚的最佳工藝條件,最后得到最佳參數條件為:提取溫度60 ℃,固液比為1∶20 (g/mL),吸附時間4 h,八月瓜多酚得率為6.13%。同時,符智榮[31]和葉儉慧[32]等也研究了大孔樹脂吸附法制備多酚的工藝條件,可見該方法被廣泛應用。

2.7 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取是一種新型的現代萃取分離技術,它是利用超臨界流體作為萃取劑,從固體或液體中萃取某種高沸點和熱敏性成分,以達到分離和提純的目的。此方法是一種高效而環保的提取方法,已被廣泛運用于實驗室研究,但是它在萃取過程中成本較為昂貴,不適用于工業化提取植物多酚。

馮務群等[33]用超臨界CO2萃取,超聲提取,微波提取及甲醇浸提4種不同方法提取石榴皮中沒食子酸的含量,并用HPLC法測定其含量,結果發現,4種方法提取所得沒食子酸含量分別為0.498%、0.311%、0.271%和0.396%,可見超臨界CO2萃取法提取石榴皮多酚中沒食子酸是一種高效的方法。尹志芳等[34]通過臨界CO2流體萃取研究黑茶中茶多酚及咖啡堿的最佳工藝條件,該方法分離效果高,純度高,綠色安全,但成本較高。

2.8 高壓脈沖電場法

高壓脈沖電場法是近年來興起的一項高效節能的非熱處理提取技術。在植物多酚提取過程中,它能夠有效破碎植物細胞壁,促進多酚等其他生物活性成分浸出,具有耗時短、耗能低、溫升小及目標產物不易變性等優點,在植物提取方面的應用研究已收到國內外學者的廣泛關注[35]。

殷涌光等[36]研究了高壓脈沖電場法提取干松針總黃酮,運用正交實驗得出最優工藝條件:電場強度20 kV/cm,脈沖數8個,料液比1∶50。在此條件下,節省20%的溶劑用量,總黃酮提取率達到9.515%。因此在工業生產中,可以采用此方案。唐守勇等[37]通過高壓脈沖電場提取竹葉中黃酮和茶多酚,在最優化工藝條件下,黃酮提取率達到2.49%,茶多酚提取率可達1.26%。此方法與傳統溶劑超聲提取茶多酚[38]、微波輔助提取[39]竹葉黃酮進行比較，發現采用脈沖電場法提取竹葉茶多酚的提取率是超聲浸提的兩倍,竹葉黃酮的提取率基本一致。

2.9 聯用法

為提高天然產物的提取率,常采用多種提取方法聯用的方式進行提取。徐樹來等[40]采用酶解-超聲組合方法提取蒲公英中綠原酸,通過Box-Behnken試驗設計得出最優方案,最終綠原酸得率達到2.14%,與李立順[41]單獨使用超聲波提取蒲公英中的綠原酸相比增加了1.89%,再與倪悅[42]采用酶法提取蒲公英中綠原酸相比增加了1.61%。王文淵等[43]采用高壓脈沖電場協同酶法技術從竹葉中綜合提取竹葉黃酮、茶多酚和竹葉多糖三種活性成分,通過正交實驗確定其最優工藝條件,在此條件下,黃酮提取率達到2.49%,茶多酚提取率可達1.26%,竹葉多糖提取率為3.47%。通過對比,可發現酶法耦合高壓脈沖電場法比傳統熱水浸提法單獨提取竹葉多糖提取率提高了39.8%,比乙醇超聲浸提茶多酚提取率高出近兩倍,與微波輔助提取竹葉黃酮的提取率基本接近。因此,實驗室常采用兩張提取方法聯用提高得率及縮短時間。

3 多酚不同提取方法的對比

從植物多酚的提取時間、多酚得率、多酚受破壞程度和成本這四個方面對不同的提取方法進行比較,見表2。可知,多酚不同的提取方法之間各有優缺點:溶劑萃取法、生物酶降解法、樹脂吸附法和高壓脈沖電場法提取時間較長,多酚得率雖高,但較高的成本不適用于大批量工業化生產;超聲波提取法、微波提取法、閃式提取法和超臨界提取法耗時較短,多酚得率也高,但超聲提取多酚受破壞程度較其他方法大,超臨界提取法提取成本較高,因而在一定程度上限制了這兩種方法的應用。但微波提取法和閃式提取法由于自身的優勢使得成為近年來短時間大量提取多酚較常用的方法。

4 結論與展望

近年來,天然產物中多酚類物質所具有的生物學活性越來越受到國內外研究者的廣泛關注,且植物多酚存在于日常食物中,與人們生活息息相關,因而成為研究熱點。在現有的研究中,人們已經從茶葉、葡萄、石榴、菜籽等原料中提取出多酚類物質,廣泛應用于醫療、食品等領域。

從植物多酚現有的提取技術來看,傳統的溶劑萃取法提取技術由于高耗能、低產率等不足已經被微波、閃式提取和超臨界流體萃取等新技術所代替。這一類新提取技術在目前具有高提取率、高純度和低耗能等優點,是植物多酚類物質提取優先考慮的方法。雖然隨著科學技術的不斷發展,多酚的提取方法不斷更新,提取率也不斷提高,但是由于實驗條件和成本的限制,并不能大規模實施,因此進一步開發低成本、高提取率、高純度、綠色安全的多酚提取技術將成為科研工作者未來亟待研究的重要方向。