植物多糖提取方法和提取動力學研究進展*

王靚怡，胡海燕，李 雪，姚博星，趙惠茹

(西安醫學院 藥學院，陜西 西安 710021)

植物多糖是一類由醛糖或酮糖經糖苷鍵連接而成的天然高分子聚合物，是維持正常生命活動的基本物質之一。由于多糖在水和低濃度醇中溶解度大，植物多糖可用不同溶劑、不同方法進行提取。通常植物多糖的提取原理是溶劑由于擴散、滲透作用透入到細胞內，溶解了可溶性物質多糖，造成細胞內濃溶液不斷向外擴散，溶劑又不斷進入組織細胞中，直至內外溶液濃度達到動態平衡時，將此飽和溶液濾出，繼續多次加入新溶劑，就可以把植物中的多糖近于完全溶出或大部分溶出。提取動力學可以反映多糖的濃度隨提取時間的變化規律，通過數學模型擬合，揭示溫度、顆粒大小等因素對提取率的影響。綜述了植物多糖的常用提取方法及提取動力學模型的研究進展。

1 植物多糖提取方法

植物多糖的提取方法主要有傳統水提取法、酸堿提取法、低共熔溶劑提取法、酶解輔助提取法、超聲波輔助提取法和微波輔助法等，不同提取方法對多糖的生物活性有一定的影響。

1.1 傳統水提取法

傳統的水提取法是提取植物多糖最常用的方法，該法操作簡單、環保、成本低，但同時存在水溶性雜質多、提取效率不高、提取液易發霉等缺點。張方艷等[1]通過單因素和正交實驗優化了水提取荸薺多糖的相關參數，提取率達到17.86%。Yun等[2]利用水提法提取小麥胚芽多糖并確定了最佳提取條件，多糖得率為(8.89±0.002)%。在優化植物多糖水提取工藝條件時，正交實驗、均勻設計、響應面法等被應用廣泛[3-5]。

1.2 酸堿提取法

酸堿提取法是以酸性或堿性溶液作為浸提液提取植物多糖。通過控制酸或堿液的濃度使植物細胞壁破裂，釋放內容物從而進行提取。該法適用于含糖醛酸等酸性基團多糖的提取。陳文寧[6]分別選擇質量分數5% Na2CO3溶液和pH=2的檸檬酸提取海帶多糖，并對多糖得率和抗氧化活性進行比較，結果可見pH=2的檸檬酸提取法提取海帶多糖的提取率和抗氧化活性均優于堿提取法。李亞平[7]對玉米須多糖進行酸提取，得出酸提取比水提取更有利于多糖溶出，多糖得率提高了25.92%。李琪等[8]采用pH=2的檸檬酸溶液提取海帶多糖，當液料比為40∶1 mL/g時，提取率最高，達到54.94%。在用酸堿提取時，酸度或堿度不合適可能引起糖苷鍵斷裂，損害多糖結構。因此，用稀酸提取時時間宜短，溫度最好不超過5 ℃；用堿提取時，最好通入N2或加入硼氫化鉀，提取結束后要迅速中和或透析除去堿。

1.3 低共熔溶劑提取法

低共熔溶劑(deeep eutectic solvents，DES)是一種由氫鍵受體和氫鍵供體形成的離子復合物溶液，作為一種新型的綠色溶劑，具有揮發性小、成本低廉、易獲取、綠色環保可降解、無毒害和制備簡單等優點。何瑞陽[9]采用低共熔溶劑法對玉竹中的多糖進行提取，結果表明尿素與氯化膽堿摩爾比為3∶1，提取溫度92 ℃，提取時間41 min，料液比為29∶1(mL/g)時，最優提取率可達(29.03±0.54)%，為熱水浸提法的4.67倍。Liang等[10]首次利用低共熔溶劑提取鐵皮石斛得到2種新型多糖DOP1-DES(鐵皮石斛眵糖1)和DOP2-DES(鐵皮石斛眵糖2)，并考察了提取溫度、DES摩爾比、反應時間和復合酶濃度對多糖提取率的影響。謝苗等[11]選用氯化膽堿-尿素提取靈芝多糖，不僅提高了提取率，抗氧化活性也有顯著提升。劉旭等[12]研究發現，相比于傳統水提醇沉法，采用低共熔溶劑法提取黃精多糖，70 ℃時得率提高了36%，所得多糖的相對分子量變小且半乳糖含量升高。

1.4 酶解輔助提取法

酶解輔助提取法是利用酶的專一性在一定條件下破壞植物細胞壁，使多糖等有效成分從細胞中溶出。其工藝條件節能、優質、產量高，反應條件溫和，不破壞多糖結構。常用的酶有纖維素酶、果膠酶、半纖維素酶、木瓜蛋白酶。姜寧等[13]分別研究水浴提取和木瓜蛋白酶酶解輔助提取茶樹菇子實體多糖，實驗得出，酶輔助提取法所得平均含糖量比水浴提取法高1.61%。楊電增等[14]利用纖維素酶和果膠酶雙酶法提取馬齒莧多糖，確定最佳工藝條件為：纖維素酶1.5%(g/mL)，果膠酶2.0%(g/mL)，酶解時間100 min，溫度50 ℃，液料比25∶1(mL/g)。在此條件下馬齒莧多糖得率為(19.83±0.41)mg/g，高于單一酶法提取率。Li等[15]在酶解溫度55 ℃,pH=5.0，酶解時間88 min，水料比22∶1 mL/g，纖維素酶用量0.93%(g/mL)的最佳條件下，優化了酶法提取石榴皮多糖，使多糖得率達到了(22.31±0.07)%。

1.5 超聲波輔助提取法

超聲波提取是利用超聲波產生的一系列綜合效應破壞細胞壁，從而達到高效、快速的提取[16]。張立娜[17]通過超聲波輔助法優化地木耳多糖的提取工藝，確定料液比1∶50 g/mL，超聲波功率80 W，溫度343 K為最佳提取條件。邵佩等[18]通過超聲波輔助法從紅豆中提取多糖，最終確定提取條件為料液比m(紅豆)∶V(水)=1∶26 g/mL，溫度51 ℃,時間94 min時，多糖提取率最高為(99.2±0.04)%。Siriluck Surin[19]等分別采用超聲波輔助提取法與熱水提取法提取脫脂紫糯米糠粗多糖，結果表明脫脂米糠與水的比例為1∶20 g/mL，溫度70 ℃，時間20 min為最佳提取條件,在此條件下超聲波輔助提取法多糖得率是熱水提取法的4倍。Chen等[20]通過熱水提取、超聲輔助提取、酶輔助提取和酶-超聲輔助提取這4種方法來提取山楂多糖，最終結果表明酶-超聲輔助提取的提取率最高。

1.6 微波輔助提取法

微波輔助提取法是一項具有很強的穿透性、選擇性和較高的加熱頻率的新型萃取技術，能量穿透溶劑促使細胞破裂，從而將細胞內多糖等有效成分釋放到浸提液中。李樂[21]采用單因素實驗和正交實驗同時考察微波功率、水料比、溫度和時間對無花果多糖提取率的影響，得到其最佳提取條件為微波功率600 W、水料比40(mL/g)、溫度70 ℃、時間40 min，其中微波功率是影響多糖得率的主要因素。宋笛[22]以白鬼筆為原料,去離子水作為溶媒,微波輔助提取白鬼筆多糖工藝并采用響應面法優化其工藝條件為微波溫度65 ℃,時間10 min,功率280 W,料液比1∶30 g/mL,在此條件下提取率為9.03%，白鬼筆多糖具有較強的抗氧化能力和抗糖化能力。

2 植物多糖提取動力學模型

Fick定律是1855年提出的描述物質擴散現象的宏觀規律。即在單位時間內通過垂直于擴散方向單位截面積的擴散物質流量與該截面處的濃度梯度成正比，由Fick第一定律可知濃度梯度越大，擴散通量越大。在第一定律的基礎上推導出的Fick第二定律指出，在非穩態擴散過程中，濃度隨時間的變化率等于該處的擴散通量隨距離變化率的負值。

2.1 Fick第一定律

2.2 Fick第二定律

文獻[26-27]以Fick第二定律為基礎分別建立款冬花和西藏綠蘿花多糖的提取動力學模型：,且隨著溫度升高，半衰期不斷變小，提取速率加快。張琴等[28]在提取壺瓶碎米薺多糖時，隨著功率的升高，表觀速率常數、平均擴散系數逐漸增大，半衰期和多糖萃余率逐漸減小，此結論與程偉等[29]對桑黃多糖的提取動力學研究得出的結論一致。趙凱等[30]擬合了香菇多糖的提取動力學模型并求得相關動力學參數，可見在不同質量濃度下，隨著溫度升高，速率常數k逐漸增大。劉敏等[31]推導了玉竹多糖的提取動力學模型，求得相關動力學參數。由實驗得出在373 K、190 min時玉竹多糖的最大得率為10.8%，料液比從1∶50(g/mL)變化到1∶200(g/mL)，其活化能逐漸減小。李蘭蘭等[32]對白鮮皮多糖的提取動力學進行了研究，可見料液比為1∶300和1∶500(g/mL)時的表觀活化能較1∶400高。劉存菊等[33]以Fick第二定律為基礎，采用球形模型討論液料比、提取時間、提取溫度與飛天蜈蚣七中多糖浸出量之間的關系，從而建立提取過程中動力學模型，并由此推算出浸提多糖過程中的速率常數、活化能、相對萃余率、有效擴散系數等動力學參數。劉繼超等[34]根據提取地木耳粗多糖的工藝條件建立相關動力學模型，在相同提取時間下，若料液比在一定范圍內增加，則提取速率增大，同時溫度升高多糖得率也升高。

對提取動力學方程參數的求解還可以驗證動力學模型的可靠性。王占一等[35]建立石榴皮多糖浸提的動力學模型并求算出不同料液比、不同提取溫度條件下速率常數k值，此k值與實際值吻合，進一步證明所建立的石榴皮多糖提取動力學模型與實際測定的真實數值擬合良好。Wang等[36]建立葛仙米多糖提取動力學模型，結果可見在料液比為1∶50(g/mL)、提取溫度為353.15 K、超聲功率為540 W、提取時間為25 min時多糖的提取濃度最大。Zhang等[37]的研究可見,在溫度37 ℃，超聲功率458 W，萃取時間30 min和固液比1∶32時韭菜多糖的收率最高。Wang等[38-39]建立了甘草粗多糖的提取動力學模型,在343.15 K、超聲功率600 W、料液比1∶15(g/mL)條件下提取60 min，最大得率為3.53%。李小菊等[40]擬合了黃花菜多糖的提取動力學模型，結果可見相對萃余率在353 K時最小，而黃花菜多糖提取率在該溫度下最大,所以在黃花菜多糖提取過程中,要綜合考慮影響黃花菜多糖提取率的溫度、濃度等因素，從而得到最優提取工藝條件。

3 結束語

隨著天然產物提取分離新技術的發展，越來越多的多糖提取方法不斷涌現。目前常用的是將幾種方法聯合使用，但實際操作時往往因成本等問題不能大規模使用，而且提取得到的多糖大多為粗制品，雜質多，質量難以控制。因此探尋低成本、高效、易工業化的提取方法是多糖活性研究面臨的問題。

建立植物多糖提取動力學的數學模型是定量研究其溶出規律的基礎，可為提取現代化、電腦模擬提取及提取工藝優化等研究奠定良好的理論基礎。但是不同植物多糖因其獨特的性質，提取動力學模型的建立也需要不斷優化改進，探索并建立適用范圍更廣的動力學模型。因此，科學運用先進科技工具，推進提取過程標準化及促進工業化生產，研究并建立多糖提取動力學數學模型具有非常現實的意義。