分子印跡技術在分離天然活性成分中的應用研究進展

管勤昊, 閆林林, 湯麗華, 徐 曼, 張亮亮, 黃立新

(1.中國林業科學研究院 林產化學工業研究所;江蘇省生物質能源與材料重點實驗室;國家林業和草原局林產化學工程重點實驗室;林木生物質低碳高效利用國家工程研究中心;江蘇省林業資源高效加工利用協同創新中心,江蘇 南京 210042; 2.華僑大學 先進碳轉化技術研究院,福建 廈門 361021)

天然活性物質是一種廣泛存在于動植物及海洋生物體內的生物因子,根據結構及功能差異,主要可分為多酚類、黃酮類和生物堿類等[1],大多數天然活性物質擁有調節血糖血脂、抑制腫瘤生長、抗氧化等多種生理功效,在食品、醫療領域具有較高價值[2-4]。目前,針對天然活性物質的分離方法主要包括溶劑提取法、沉淀法和結晶法等傳統分離方法,以及近年來新發展的大孔吸附樹脂法、超臨界流體萃取法、高速逆流色譜法、分子印跡法等新興分離方法[5-8]。分子印跡技術(MIT),也稱作分子模板技術,通常被描述為根據目標“分子模板”定制具有特殊結構“分子識別器”的方法,其可以針對目標分子進行專一定制從而實現特異性識別、分離和純化目標分子[9-10]。目前,分子印跡技術已廣泛應用于化學分析[11-12]、遞送體系[13-14]、食品安全[15-16]、生物技術[17]等領域。由于分子印跡技術具有特異性識別特性,與天然活性物質的分離目的不謀而合,將其應用于天然活性物質的分離具有極高可行性。近年來,分子印跡技術應用于天然活性物質的研究受到了越來越多科研工作者的青睞并取得了顯著成效。因此,本文對分子印跡技術進行了概述,同時對其在天然活性物質分離方向的應用進行了論述與展望,旨在為今后相關研究提供參考。

1 分子印跡技術概論

1.1 基本原理

分子印跡技術是一種合成具有模板分子特異性識別位點聚合物的技術[18],其本質是以給定目標分子為模板,針對其設計分子印跡聚合物(MIPs),從而實現特異性識別與純化的過程[9]。具體作用過程如圖1所示。首先,根據模板分子特性選擇與之互補的功能單體并使二者通過共價、非共價或金屬配位等方式結合,形成模板-單體復合物;而后將功能單體與交聯劑進行聚合,以產生固定形態,最后將模板-單體復合物中模板分子進行洗脫,從而得到分子印跡聚合物。該聚合物內存在可以與模板分子發生多點位相互作用的空穴,在空間結構等方面與模板分子相匹配,從而實現對模板分子的特異性識別[19-21]。根據模板分子與功能單體之間相互作用類型,可將制備分子印跡聚合物方法分為共價作用、非共價作用、半共價作用和金屬配位作用等[22-23]。

1.2 分子印跡技術作用方式分類

1.2.1共價作用 共價作用法是由Wulff等創立發展起來的,主要印跡分子包括席夫堿、縮酮、硼酸酯等[24-26]。該方法中,模板分子和功能單體以共價鍵形式連接并進一步交聯聚合生成聚合物,隨后在特定化學條件下打開共價鍵脫去模板分子生成分子印跡聚合物[27]。該方法生成的模板-單體復合物十分穩定,具有分布均勻且強度較大的結合位點,但可供共價作用使用的可逆共價反應僅僅局限于少數化學反應,使得該方法具有較大局限性。

1.2.2非共價作用 非共價作用法與共價作用法主要區別在于模板分子與功能單體結合過程中作用力的不同。非共價作用是指模板分子與功能單體之間主要通過氫鍵、靜電相互作用、范德華力等非共價作用自組裝形成模板-單體復合物,而后通過交聯、洗脫得到分子印跡聚合物[28-29]。相較于共價作用,該方法模板分子易洗脫,但特異性識別能力相對較弱[30-31]。

1.2.3半共價作用 半共價作用法實質上是將共價作用與非共價作用相互結合而成的方法。模板分子與多種功能單體同時通過共價作用與非共價作用連接形成模板-單體復合物,經交聯、洗脫得到分子印跡聚合物。該方法較共價作用與非共價作用更加簡單便捷,但需選擇多種針對模板分子的功能單體,較為繁瑣[21,32]。

1.2.4金屬配位作用 金屬配位作用具有高度立體選擇性,并且在配位鍵結合與斷裂過程中較為溫和。當前已用于分子印跡技術的金屬離子主要有Zn2+、Cu2+、Ni+等[33-34]。通過金屬離子配位進行分子印跡是一種不同于傳統分子印跡的方式,其主要區別在于該方法除需要模板分子、功能單體、交聯劑外,還需要向體系中加入金屬離子作為連接模板分子與功能單體的橋梁。而金屬配位作用作為一種相對較強且可以穩定存在于水或醇溶液中的作用力,可以成為取代其他非共價相互作用的途徑之一。目前,金屬配位分子印跡聚合物在極性溶劑與質子溶劑中均表現出良好的印跡效率,且以Cu2+與Fe3+為代表的金屬離子在進行配位分子印跡的同時還可以形成催化中心,進一步拓展了分子印跡聚合物的用途。該方法常用于分離多肽、蛋白及天然活性成分,在生物、中藥學等領域具有廣泛前景。

1.3 常用原料

分子印跡過程中,原料包括模板分子、功能單體、交聯劑、引發劑和溶劑等。按研究目的選擇模板分子,而后根據模板分子結構特點尋找可能與其相結合的功能單體,如4-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸和丙烯酰胺等;交聯劑與引發劑的選擇需要兼顧功能性和溶解性,常見交聯劑有乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯和戊二醛等,常見引發劑有偶氮二異丁腈、過硫酸銨和過硫酸鉀等。偶氮二異丁腈由于反應穩定且副反應較少,是分子印跡技術中最常用的自由基引發劑[35]。此外,分子印跡過程中需要根據印跡種類選擇不同溶劑,要求既能夠溶解模板分子、功能單體、交聯劑、引發劑等一系列物質,又能夠為分子印跡聚合物提供多孔結構,常用質子溶劑有甲醇、乙醇和甲酸等,常用非極性溶劑有四氫呋喃、氯仿和二氯甲烷等。

1.4 分子印跡技術聚合方法

根據模板分子、功能單體不同,分子印跡聚合物有多種制備方法可以選擇。一般分為三維分子印跡和二維分子印跡(表面印跡)。根據所選用分子印跡類型及過程狀態,三維分子印跡又可以分為本體聚合、分散聚合、沉淀聚合、懸浮聚合和原位聚合;根據聚合反應發生位置,二維分子印跡可以分為自下而上及自上而下的2種制備方法[21,36-37]。隨著分子印跡技術不斷與生物、化學、物理等學科交叉發展,其聚合方式也不斷創新,離子液體、溫度敏感型及pH值敏感型分子印跡聚合物的制備已經成為當今分子印跡技術方向的研究熱點[38-41]。

2 分子印跡技術在天然活性物質分離研究領域的應用

2.1 分離黃酮類成分

黃酮類化合物是指2個苯環通過3個碳原子相互連接的一系列化合物,如槲皮素、蘆丁和桑色素等,其基本碳架為C6—C3—C6結構,廣泛存在于蔬菜、水果及各種藥用植物中。多項研究表明,黃酮類化合物具有抗氧化、抗腫瘤和消炎等生理作用,因其卓越的醫療價值一直是中醫藥及天然產物化學領域研究的熱點[42-46]。

朱安宏等[47]以Fe3O4磁性納米顆粒為載體、槲皮素為模板分子、丙烯酰胺(AM)為功能單體、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)為交聯劑,按槲皮素與AM物質的量比1∶6制備出分子印跡聚合物,其具有較好的磁學性能同時能夠快速高效分離槲皮素。該試驗中采用了表面分子印跡的方式。該類表面分子印跡聚合物具有易分離、無需二次處理、可根據需要調節聚合物粒徑大小等特點。目前,發展較為成熟的表面分子印跡技術是利用金屬離子與組氨酸之間的配位作用力對含有組氨酸片段的多肽與蛋白質進行分離,其本質是將大分子物質的某一部分作為分子印跡結合位點,從而實現對大分子的整體分離,該思路亦可應用于大分子天然活性物質的分離純化,大多數黃酮中含有苯環、多羥基苯等結構,利用苯酚、苯二酚、苯三酚等小分子作為模板分子,進而印記含有其結構的大分子黃酮,是分子印跡技術應用于黃酮類化合物分離的可行性探索。

有研究[48-49]以蘆丁為模板分子、通過等摩爾變換法確定4-乙烯基吡啶(4-VP)與4-乙烯基苯硼酸為雙功能單體、以二乙烯基苯與二硫蘇糖醇為雙交聯劑、以2,2-二甲氧基-2-脫氧苯偶姻與2-羥基-4(2-羥乙基)-2-甲基苯丙酮為雙引發劑,經光照反應12 h制備得到正電荷膠束型分子印跡聚合物,將其與帶負電的檸檬酸三鈉修飾的Fe3O4(Fe3O4@CA)載體通過靜電相互作用結合,制備得到磁性膠束多功能單體分子印跡聚合物。該磁性膠束多功能單體分子印跡聚合物可以從蘆丁結構類似物槲皮素、柚皮苷、矢車菊素-3-O-葡萄糖苷中特異性吸附蘆丁分子,識別特異性因子高達3.55,可以有效地從復雜體系中分離蘆丁。黃酮類化合物分子中的C6—C3—C6結構使得黃酮類化合物在結構上往往存在一定相似性,當待分離體系中同時含有多種黃酮類化合物時,由兩種及以上的功能單體對模板分子進行印跡的多功能單體法可以更好地對模板分子進行特異性印記及吸附,從而提高針對結構類似物的選擇性。由于天然產物常具有相似結構,多功能單體法在分離天然活性物質方向有著較為廣泛的應用。邢占芬等[50]在水-甲醇-Cu2+條件下,以AM為功能單體,以配位作用為驅動力制備桑色素-Cu2+配位分子印跡聚合物,該聚合物具有特異性識別率高、結合力強、識別速度快等特點,解決了以氫鍵為驅動力的分子印跡聚合物在極性環境中識別能力嚴重下降的問題,對桑色素最大吸附量可達82 μmol/g,遠大于非配位吸附方式,是一種高效分離桑色素的聚合物。

黃酮類化合物作為一種具有較高醫療價值的天然活性物質,其單一組分的提取一直是研究者們所追求的目標。2017～2022年分子印跡技術分離黃酮類成分的應用見表1。目前,黃酮類化合物主要通過有機溶劑萃取、堿提酸沉、微波輔助萃取等方法提取得到總黃酮,如何對總黃酮中不同組分進行分離一直是科研工作者研究的重點。現行方法下,即使對同一種黃酮進行分離,常需要針對不同植物類型、溶劑體系、黃酮種類等因素進行調整,重復率低,耗時耗力。分子印跡技術作為一種針對目標化合物特異性分離的技術,對其原料類型及分離體系要求不高,從而可以解決上述大部分問題。分子印跡化合物是一種便捷高效且可重復利用的新型材料,受到了許多科研工作者的青睞。

表1 2017～2022年分子印跡技術分離黃酮類物質的應用1)

2.2 分離多酚類成分

多酚類化合物是植物中一種含有多個酚羥基化合物的統稱,其在植物中含量豐富且種類繁多,具有抗氧化、抗病毒、抗腫瘤等功效,是多種藥物的前體物質,常見多酚類成分有表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)、白藜蘆醇和沒食子酸等[58-62]。

Yu等[63]以殼聚糖為功能單體,制備EGCG印跡殼聚糖微球用于選擇與分離EGCG,結果表明:EGCG與殼聚糖上氨基之間的氫鍵是吸附與識別過程中主要驅動力,于313 K下該微球對EGCG最大吸附量為135.50 mg/g,印跡因子為4.22,重復使用5次后其吸附容量為初始吸附量的93.33%,具有良好的吸附性能與可重復性。利用分子印跡方法在茶多酚原液中對EGCG進行提取,與傳統方法相比,可以顯著提高EGCG的提取效率與純度,可以高效便捷地將其與茶多酚原液中其他物質分離。何慧清等[64-65]以白藜蘆醇為模板分子、α-甲基丙烯酸(MAA)為功能單體、EGDMA為交聯劑,按照物質的量比1∶4∶25采用甲醇沉淀聚合法制得分子印跡聚合物,并以此為固相萃取柱填料制備了白藜蘆醇分子印跡聚合物固相萃取柱,該萃取柱對花生中白藜蘆醇具有顯著的分離效果,白藜蘆醇經分離、純化后純度可達92.5%。固相萃取是一種將分離與濃縮兩步合并的一種高效、便捷的分離手段,其本質是依靠樣品在固定相與流動相之間分配系數的不同實現對不同物質的分離純化。傳統固相萃取柱具有吸附率與回收率較低、固相萃取柱多為一次性使用、操作繁瑣等缺點,而分子印跡的特異性識別為固相萃取柱提供了一種新的發展思路。該試驗制備得到的分子印跡柱,可以有效地從花生根、莖部位提取白藜蘆醇。

王斌[65]以Fe3O4為載體、沒食子酸為模板分子、 4-VP為功能單體、EGDMA為交聯劑,制備了磁性硅基Fe3O4@SiO2@MIPs,對沒食子酸吸附量為15.77 mg/g,重復使用6次后仍具有89.25%的初始吸附量,實現了沒食子酸的快速富集分離。該方法制備的Fe3O4@SiO2分子印跡聚合物具有良好的親水性,相較于傳統非親水性分子印跡聚合物可以更加高效地從水溶液中分離沒食子酸。

多酚作為一種重要抗氧化劑,多存在于植物中,通過分子印跡技術可以高效、便捷地將多酚從植物成分提取液中與其他組分分離,從而實現多酚類化合物的高效提取與純化,2017～2022年分子印跡技術用于多酚類物質分離實例統計見表2。

表2 2017～2022年分子印跡技術分離多酚類物質實例1)

當前,分子印跡技術分離多酚類成分主要存在問題是某些多酚類化合物結構較為相似,例如表沒食子兒茶素與表兒茶素結構上只相差一個羥基。如何準確地將結構類似的多酚準確印記,從而提升分子印跡技術對多酚化合物的專一性是限制其工業化的主要瓶頸。目前,解決此問題的主要方法有多模板分子印跡及對提取液進行前處理等。

2.3 分離生物堿類成分

生物堿是一類廣泛存在于動植物體內的含氮堿性有機化合物,其具有消炎、抗病毒和抗腫瘤等功效,是近年來醫藥領域研究的熱點之一,目前可以通過分離得到的生物堿約7 000余種[75-76]。生物堿作為模板分子易通過靜電相互作用或氫鍵作用與酸性功能單體鏈接,近年來分子印跡技術越來越多地應用于生物堿的分離與純化(表3)。

表3 2017～2022年分子印跡技術分離生物堿類物質實例

Jiao等[85]制備出可用于廢水中選擇性提取茶堿的分子印跡聚合物,以MAA為功能單體、EGDMA為交聯劑,制得的聚合物在220 ℃下有良好的穩定性,在pH值7.0時與茶堿有最強靜電相互作用,最大吸附量為14.55 mg/g,其具有較強的選擇性與可重復使用性。Lv等[86]將3-氨丙基三乙氧基硅烷與丙烯酰胺合成的雜化單體用于分子印跡聚合物的合成,并將其用于萃取分離綠茶中的茶堿,分子印跡聚合物回收率為93.7%,對茶堿具有較高的選擇性與識別能力。袁新華等[87]以苦參堿為模板分子、苯酚為功能單體,制得酚羥基修飾樹脂型分子印跡聚合物,該分子印跡聚合物可以高效識別苦參堿,對苦參堿選擇系數為15.67。

2.4 分離有機酸類成分

有機酸是從植物中分離得到的一類含有羧基的酸性化合物,除游離態外自然界中有機酸常以酯或鹽的形式存在,具有抑菌、抗炎等功效。常見有機酸有阿魏酸、綠原酸等[88-89]。王嬌[90]以阿魏酸為模板分子、MAA為功能單體、EGDMA為交聯劑,3者物質的量比為1∶40∶40,預聚合20 min后紫外光照射1.5 h,以紫外光引發聚合方式制備阿魏酸分子印跡復合膜,所制的分子印跡復合膜對阿魏酸具有較好滲透選擇性與特異性識別性能,最大吸附量為12.12 mg/g。韋美華等[91]以聚偏氟乙烯作為支撐膜,制備出含有無機納米粒子阿魏酸分子印跡復合膜,無機納米粒子的加入有利于復合膜空穴結構的維持,該改良方法使分子印跡復合膜承壓能力增強且仍然具有較高的分離效率,承壓能力大于0.4 MPa,分離因子約3.1。彭勝等[92]以綠原酸為模板分子,間苯二酚和三聚氰胺為雙功能單體,甲醛為交聯劑,磁性介孔二氧化硅為載體,合成親水性分子印跡樹脂,可以快速吸附綠原酸并應用于HPLC檢測,其具有較強的吸附容量(50.87 mg/g)、較快的吸附速率(吸附平衡時間70 min)和較好的特異性吸附性能。程開茂等[93]探索了新型冰凝膠聚合物的制備方法,以MAA為功能單體,甲叉雙丙烯酰胺為交聯劑,于-18 ℃下反應24 h制備了分子印跡聚合物,其對綠原酸最大吸附量為73.8 mg/g。

有機酸作為一類酸性天然活性物質,其游離態組分的分離一直是天然產物化學中研究的重點。常用的有機酸提取技術包括浸提法、索氏提取法、水蒸氣蒸餾法等傳統提取方法,以及超聲波提取法、超臨界流體萃取法、酶工程法等新型方法。傳統方法能耗高、耗時長,新型方法成本高、操作復雜,而分子印跡技術因具有對溶液體系要求不高、特異性強、簡便、快速等優點已經越來越多地應用于有機酸類天然活性物質的分離與純化。

2.5 分離甾體類成分

甾體是一類廣泛存在于動植物體內、以環戊烷全氫菲為骨架的天然活性物質,如膽固醇、膽汁酸和腎上腺皮質激素等,常被應用于生物、醫藥領域[94]。

甾體化合物之間理化性質十分接近,通過萃取、色譜和沉降等方式很難得到單一甾體純凈物,借助于分子印跡技術特異性識別的特點可以針對性地提取某一種甾體,為其進一步應用奠定了基礎。

2.6 分離其他種類天然活性物質

除上述天然活性物質外,分子印跡技術在分離萜類、多糖、香豆素、核酸、多肽、苷類等物質方面亦有廣泛應用。蘇立強等[98]以介孔材料(MCM-41型)為載體,利用表面印跡技術制備青蒿素MIPs,其對青蒿素具有良好的選擇性,最大吸附量為102.25 mg/g,35 min內可快速達到吸附平衡。王可興等[99]以MAA為功能單體、EDGMA為交聯劑,制備紫杉醇MIPs,當MAA與紫杉醇物質的量比4∶1,聚合溫度為60 ℃ 時,制得的聚合物對紫杉醇最大吸附量為3.66 mg/g。黃微薇等[100]針對多糖大分子結構復雜多樣的特點,以3-氨基苯硼酸、 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為雙功能單體,以Fe3O4@SiO2@GLYMO為基體,對淀粉進行分子印跡,制備得到環氧功能化雙功能磁性分子印跡聚合物,其對淀粉有較強的吸附性與特異性識別能力,飽和吸附量達到13.88 mg/g,印跡因子達到3.04,且具有可重復使用特點。宋立新等[101-102]通過懸浮聚合法及原子轉移自由基聚合法合成7-乙酰氧基-4-甲基香豆素MIPs,在模板分子與功能單體物質的量比為1∶80,引發劑量為單體質量1.5%,溫度60 ℃條件下可制得具有香豆素高選擇性的分子印跡聚合物。

總的來說,天然產物成分相對復雜,傳統分離方式仍存在較多弊端,而分子印跡技術因其高效、便捷、特異性強和靈敏度高等諸多優點受到越來越多的科研工作者的青睞,已經成為天然產物化學中純化、鑒別和分析的一項重要手段[103]。

3 結論與展望

天然活性物質是一種復雜的混合物體系,如何有效分離各類天然活性物質是制約天然產物化學發展的重要因素。目前,常用的分離手段過程繁瑣且不易操作。分子印跡技術作為一種近年來飛速發展的選擇性分離及分子識別技術,可以作為天然活性物質分離與純化的新方式。但作為一種新型分離手段,其目前仍然存在一些問題,具體如下:1) 目前所制備分子印跡聚合物主要采用非極性材料,以識別疏水性分子居多,且其制備大多需要在有機相中進行,限制了其在水相體系中的應用,給水溶性天然活性物質的分離帶來了障礙,如何將分子印跡技術拓展至親水性天然活性物質,以及水相體系下分子印跡聚合物的制備尚待研究;2) 目前分子印跡聚合物與目標分子結合速率無法滿足天然活性物質分離工業化需求,制約了其在工業化方面應用,且絕大多數分子印跡過程僅限于實驗室研究,探究快速高效的工業化天然活性物質分子印跡技術是未來的研究需求之一;3) 目前大多數功能單體只針對小分子物質,難以構建針對生物大分子(如核酸、蛋白質和酶等)的特異性分子印跡聚合物,構建空間可容納天然大分子且具有穩定結構的分子印跡聚合物是將分子印跡技術應用于分離天然活性生物大分子物質的先決條件。總的來說,分子印跡技術作為一種能夠特異性識別與分離特定分子的技術,其在天然產物化學領域將有廣闊的應用前景,可成為推動分離天然活性物質發展的強勁動力。