食用菌的活性成分及其物理提取技術研究

馬傳貴，張志秀，孫思勝，王春燕

（1.北京京誠生物科技有限公司，北京 102600；2.許昌學院食品與藥學院/河南省食品安全生物標識快檢技術重點實驗室，河南許昌 461000；3.中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東濟南 250014）

食用真菌具有較大的子實體，味道鮮美，有很高的食用、藥用和經濟價值。目前可進行人工栽培的食用菌有60 多種，主要包括香菇、黑木耳、平菇、金針菇、雙孢菇、毛木耳、杏鮑菇、真姬菇、茶樹菇、滑菇、銀耳、秀珍菇、草菇、雞腿菇等。2020 年12 月，中國食用菌協會發布《2019年度全國食用菌統計調查結果分析》，結果顯示，2019 年全國食用菌總產量達到3 933.87 萬t，同比增長3.8%，全國食用菌總產值達到3 126.67 億元，同比增長6.4%。食用菌富含很多生物活性化合物，包括多糖（如α-葡聚糖和β-葡聚糖）、蛋白質、肽、多酚、萜類、維生素和膳食纖維等，是一種健康食品[1-3]。破壞細胞壁釋放胞內物質是食用菌有效成分提取的關鍵。傳統的提取方法有機溶劑用量大、提取時間長、成本高、耗時長，且對環境有負面影響，可能導致活性成分的降解或凝聚。為了解決這些問題，一些新型物理提取技術被探索。物理提取技術是指通過物理手段對細胞進行破碎處理，以提高提取率和產品質量。本文綜述了近年來利用高效物理提取技術從食用菌中提取活性成分的相關研究，探索了食用菌有效成分的潛在生物活性，并對其在功能性食品中的應用前景進行展望。

1 食用菌的有效成分及其應用

1.1 有效成分及其生物活性

1.1.1 多糖類

從食用菌菌絲體、子實體和濾液中提取的多糖、糖蛋白等活性成分具有很強的抗腫瘤活性。Chihara[4]在20 世紀60 年代首次評估了食用菌多糖的抗腫瘤活性。此后，真菌多糖的抗腫瘤活性及其作用機制被廣泛研究。眾多研究人員已從食用菌中分離出結構多樣的多糖，證明其具有較強的抗腫瘤活性[5-6]。與傳統抗腫瘤藥物相比，食用菌多糖的抗腫瘤活性表現出以下兩種作用機制：一是增強荷瘤免疫（免疫增強活性）；二是通過抑制各種類型腫瘤細胞的生長和腫瘤在體內的轉移，誘導腫瘤細胞凋亡，表現出直接抗腫瘤活性[7-8]。Lemieszek 等[9]的研究表明，相比于單一激素治療，香菇多糖結合激素治療對于提高激素參數（如促卵泡激素、血清雌二醇、促黃體生成素和催乳素水平）更有效。Ghosh 等[10]利用適應性免疫療法和香菇多糖成功治療了一例復發性卵巢癌的患者。Zhang 等[11]通過臨床試驗展示了香菇多糖的潛在抗HIV 活性。目前食用菌多糖的免疫活性和抗腫瘤活性的研究更加成熟，且食用菌多糖成分的其他生物活性同樣也受到關注。其中Shuai 等[12]研究了雞腿菇三個子實體（CC30、CC60 和CC80）多糖的降血糖活性，發現當口服劑量為1 000 mg/kg 時，食用120 min 后，CC60 多糖可顯著抑制血糖濃度的升高，在同一劑量下注射21 d，也有長期降血糖作用。基于這些結果，CC60 多糖作為一種具有降血糖活性的天然藥物在治療糖尿病方面具有潛在的應用價值。Ding 等[13]研究了巴氏口蘑子實體多糖的抗氧化活性，結果表明多糖不僅可以改善細胞活力，減少活性氧（ROS）的產生并抑制氧化損傷，還可以顯著抑制丙二醛（MDA）的形成并改善超氧化物歧化酶的活性。

1.1.2 多酚和萜烯

食用菌中的多酚是一類重要的天然抗氧化劑，具有清除自由基和淬滅活性氧的作用，主要包括酚酸類、黃酮類、鞣質和花青素等植物次生代謝產物。Palacios 等[14]發現雙孢菇、香菇、松茸、平菇中酚類物質的含量為1～6mg/g，黃酮類化合物含量為0.9～3.0 mg/g。食用菌中的萜類物質主要為倍半萜、二萜和三萜類，它們大多具有抗炎、抗菌、抗氧化等生物活性。靈芝酸是靈芝中常見的三萜類化合物，是一種重要的活性物質。食用菌中的黃酮類和多酚類物質能直接淬滅單線態氧，防止自由基連鎖反應和脂質過氧化，避免氧化損傷。同時食用菌中的萜類化合物和類黃酮可以與脂質鏈氧化的中間體（脂質自由基或脂質氧自由基）發生反應，終止鏈式反應并抑制脂質氧化。Wang 等[15]從金針菇中分離出幾種倍半萜類化合物，具有抗氧化、抗腫瘤和抗菌活性；同時可以通過在多酚環上將·OH 與Fe2+或Cu2+絡合來避免脂質過氧化，從而抑制氧自由基的產生。Tumay 等[16]證明，在5 mg/mL 濃度下，香菇乙醇提取物對Fe2+的螯合能力達到58%。Gursoy等[17]研究表明，來自7 個不同羊肚菌屬物種的甲醇提取物對過渡金屬離子的螯合能力隨提取物濃度的增加而增加。

1.1.3 蛋白質

食用菌的營養價值主要與它們的蛋白質含量有關。食用菌蛋白被認為比植物蛋白具有更高的營養價值[18]。食用菌氨基酸組成接近或優于大豆蛋白，甚至某些食用菌（香菇）的氨基酸組成類似于雞蛋。食用菌中有多種活性蛋白，其中最常見的是凝集素（12～190 kD）和真菌免疫調節蛋白（FIP）（12～15 kD）。食用菌蛋白會參與各種生理功能，如抗癌、抗病毒、抗菌和免疫調節。此外，在食用菌中還發現了抗病毒蛋白、核糖體失活蛋白、漆酶和其他活性蛋白，它們的分子量和結構都有所不同[19-20]。Sun 等[21]發現杏鮑菇菌絲體的多肽抑制了癌細胞（宮頸癌、乳腺癌和胃癌細胞）的增殖，但促進了巨噬細胞（Ana-1 細胞）、TNF-α 和IL-6 的增殖、TLR2 和TLR4的表達，且通過NO 和H2O2的釋放增加了巨噬細胞的吞噬能力。

1.2 潛在應用

食用菌的活性成分具有獨特的理化特性和功能，例如普遍的附著力、優異的生物相容性和生物降解性，其中發光食用菌被認為可用于熒光納米材料。與無機納米顆粒相比，有機納米材料由于具有分子結構可調節、可生物降解和低毒等特點，在生物成像領域引起了人們的廣泛關注[22]。此外，食用菌中的多糖和蛋白質由于其結構多樣，以及活性分子易于表面修飾，因此可以考慮用于藥物遞送和控釋。因此構建以活性成分材料為基礎的功能性納米平臺，將生物成像、藥物傳遞、腫瘤治療等功能融為一體，將極大地發揮納米材料的優勢。除此之外，食用菌中的多糖類或者蛋白質等生物活性物質，當前已經被應用到保健品和化妝品的開發中，比如桑黃子實體多糖已被商業開發為桑黃保健食品和化妝品[23]。

2 食用菌有效成分的提取方法

2.1 超聲輔助提取

超聲輔助提取（ultrasound extraction，UAE）是通過超聲提取溶解在特定溶劑中的樣品[24]。以往研究發現，超聲頻率大于20 kHz 能促進食用菌的水合作用，使細胞壁孔隙增大，導致細胞壁破裂，因此，傳質速率加大將提高萃取效率[25-26]。相比于傳統提取技術，超聲輔助提取食用菌有效成分表現出諸多優勢，首先，可以克服傳統提取工藝提取時間長、溶劑用量多等方面的限制；其次，萃取溫度較低，萃取產物的生物活性較高；最后，工藝能耗較低，且產物最終的產量較高[27-28]。但是超聲波時間過長可能會導致活性物質結構破裂并降低提取率。目前，超聲輔助提取法已經成為從食用菌中提取活性成分的有效輔助技術。Tian 等[29]采用超聲輔助提取法，得出在超聲功率230 W，提取溫度70 ℃，提取時間62 min，固液比1∶30（mL/g）的優化條件下，雙孢蘑菇多糖的得率最高，可達到6.02%。Le[30]采用超聲輔助提取法，得出在超聲功率340 W，水料比為30∶1（mL/g），超聲處理時間14 min 的優化條件下，香菇多糖得率約為14.39%，且明顯高于水熱提取法的提取率（9.14%）。除此之外，You 等[31]通過響應面法對超聲輔助提取參數進行優化，發現從松茸中提取多糖，當超聲功率365 W，水料比為53.5∶1（mL/g），提取時間160 s 的最優條件下，多糖提取率可高達7.97%。

2.2 微波輔助萃取

微波輔助萃取（microwave-assisted extraction，MAE）是一種快速有效的萃取技術，可以促進目標組分的萃取。與傳統的加熱萃取技術相比，該技術具有萃取時間短、溶劑用量少、能耗低等諸多優勢[32]，但是提取過程中加熱不均等問題也影響提取效果。在通過微波輔助萃取食用菌有效成分的過程中，微波功率、溶劑/固體比和提取時間是影響微波提取效果的重要因素，其中，溶劑的選擇是微波輔助萃取的關鍵，這取決于活性化合物的溶解度和溶劑的微波吸收特性[33]。Maeng 等[34]通過微波輔助萃取法從云芝中提取總酚，發現乙醇濃度40%、微波功率125 W 和提取時間3.8 min 為最佳提取條件，此條件下多酚提取率為43.2%。但是，Oezyuerek 等[35]通過微波輔助萃取法從3 個野生食用菌中提取酚類化合物，發現最佳的微波提取條件為提取溫度80 ℃、提取時間5 min、乙醇80%，此條件下多酚提取率為80%。此外，Christopher等[36]將微波輔助萃取技術用于從雙孢蘑菇中分離真菌代謝物麥角固醇，并比較了微波輔助萃取技術和傳統溶劑提取法的差異，結果發現相比于傳統萃取技術，微波輔助萃取技術在提取麥角固醇的時候更加簡便、快速和經濟[37]。

2.3 超臨界流體萃取

超臨界流體萃取（supercritical fluid extraction，SFE）是一種使用超臨界流體從固態甚至液態材料中提取活性成分的現代技術[38]。傳統的溶劑提取是基于擴散過程的，溶劑必須擴散到食用菌組織中，而活性成分必須溶解在溶劑中。但是超臨界流體的擴散較快，因此提取時間更短，另外，在流體和食用菌材料之間沒有表面張力，并且超臨界流體的黏度低于液體，因此對于相同的萃取過程，有機溶劑萃取需要幾個小時，而超臨界流體萃取僅需10～60 min[39]。從實際情況來看，相比于傳統技術，超臨界流體萃取具有多種優勢，如能耗較低、可在低溫下運行、所得產品品質好，且在溶劑相中沒有溶質殘留等。但是，SFE 僅能提取低極性或中等極性的活性成分，且生產成本較高，導致其應用范圍受到一定的限制[40-41]。Mazzutti 等[42]使用超臨界流體萃取技術從巴西姬松茸中提取抗菌化合物。結果表明，在乙醇10%、50 ℃、30 MPa的優化條件下，巴西諾卡氏菌（A.brasiliensi）提取率達到4.2%。結果與Li 等[43]報道的從靈芝孢子中提取的結果相似，且與Kitzberger 等[44]報道的使用20 MPa、40 ℃，含15%乙醇水溶液作為助溶劑的優化條件下，從香菇中提取的結果相似。除此之外，Diego 等[45]通過超臨界流體萃取結合紫外線照射從香菇中提取了富含維生素D 的化合物，獲得了包含高達18%（w/w）麥角固醇和其他麥角固醇衍生物，并且可通過紫外線照射將其部分轉化為維生素D2。

2.4 超高壓輔助萃取

超高壓輔助提取（ultrahigh pressure-assisted extraction，UPE）是近年來發展迅速的一項從食用菌中提取活性成分的新穎技術。萃取溶劑在超高壓下迅速滲透到植物維管束和腺細胞中，引起細胞體積的變化并促進化學平衡的移動[46-47]。壓力釋放通常在幾秒鐘內完成，組織細胞的壓力從幾百MPa 迅速降低到大氣壓條件下。在相反的壓力方向上，細胞壁和細胞膜受到強烈沖擊，導致變形，在高滲透壓下，細胞中溶解有溶劑的活性成分迅速轉移到細胞外以實現提取[48]。由此可以看出，超高壓輔助提取通過破裂細胞壁、細胞膜和細胞器以減少處理時間和溶劑用量，進一步提高提取率。近年來，超高壓輔助提取技術被廣泛用于提取食用菌中的活性成分，該技術已經相對成熟，表現出萃取時間短、溶劑消耗少、操作溫度低、萃取產率高、可萃取不耐熱化合物、雜質少等眾多優勢，但是也存在投資成本高（設備投入及提取過程），在提取過程中需要進行額外的過濾或離心以去除固體殘留物等不足。Chen 等[49]研究了用超高壓輔助提取法提取香菇多糖，發現相比于未經處理的樣品，超高壓處理后，細胞結構發生了明顯變化，較大的顆粒被破碎，可以進一步破壞細胞結構并降低傳質阻力，從而提高提取效率。Chen 等[50]報道了超高壓輔助提取處理可能導致蛹蟲草組織被破壞，從而增強了溶劑向食用菌材料中的轉移以及可溶性活性成分向溶劑中的轉移。陳忠杰等[51]通過超高壓輔助提取蟲草多糖，在壓力300 MPa、固液比為1∶40、70 ℃、提取2 min 的優化條件下，發現多糖的最大提取率為9.33%。Bing 等[52]指出，在壓力400 MPa、溫度50 ℃、固液比1∶40、提取時間6 min 的條件下提取靈芝多糖，多糖提取率為2.762%，比水提取高37.1%。

2.5 脈沖電場提取

脈沖電場（pulsed electric field，PEF）提取是一種用于提取細胞內活性成分的非熱提取技術，其原理是將目標物質放在連續處理室的兩極之間，在電場的作用下，使用短脈沖高壓來促進極性物質高速運動向電極方向移動。由于植物組織細胞的細胞膜被電穿孔而出現不可逆轉的破壞，導致生物活性物質溶解[53]。脈沖電場用作強化預處理，已顯示出巨大的潛力，可以取代傳統的提取技術，提高食用菌生物活性成分的提取率。在脈沖電場輔助萃取過程中，電場強度是決定性因素，脈沖寬度、處理時間、脈沖數和能量密度會間接影響萃取效果[54]。脈沖電場提取技術可連續運行，處理時間短，適用于不耐熱化合物的提取，是其在實際應用中的主要優勢，但是成本較高，限制了其應用范圍。脈沖電場提取技術被廣泛用于從食用菌中提取活性化合物，其中，Yin 等[55]采用脈沖電場提取技術從樺褐孔菌中提取多糖，在場強30 kV/cm、脈沖數6、料液比1∶25（mg/mL）、pH 10 的優化條件下，多糖的提取率達到了49.8%，是熱堿提取的1.67 倍。與傳統萃取方法相比，脈沖電場萃取時間短（12 μs），萃取效率高且萃取物中的雜質較少。Zhang 等[56]研究發現，在脈沖數為8、電場強度為40 kV/cm、pH 為7 的條件下，相比傳統提取技術，脈沖電場提取技術顯著提高了藏靈菇胞外多糖（EPS）的提取率（84.3%）。

3 總結

本文系統地綜述了從食用菌中提取具有潛在抗腫瘤和抗氧化活性的生物活性物質的各種物理技術（UAE、MAE、SFE、UPE 和PEF 等），這些技術可以極大地提高食用菌有效成分的提取率，且能減少能源和溶劑的消耗。但是，由于某些提取過程和技術較為復雜，可能會對某些有效成分的生物活性產生負面影響。因此，目前需要重視且亟需解決的問題是創建一個數據庫，針對不同食用菌有效成分對應的技術及最佳提取參數。除此之外，大量研究證明，食用真菌的大多數生物活性化合物具有預防和治療疾病的潛力，這主要是由于它們的抗氧化活性、免疫活性和抗腫瘤活性，盡管食用菌有效成分的生物活性及其機理已有大量報道，但是仍然有必要對這些有效成分的結構功能及其生物活性之間的構效關系進行深入分析。此外，某些生物活性物質的應用仍處于實驗室研發階段，在擴大試驗規模以及產業化方面仍然需要做出努力。