农用植物活性成分提取技术研究进展

夏日照 廖晓兰

（湖南农业大学植物保护学院，长沙 410128）

农用植物活性成分提取技术研究进展

夏日照 廖晓兰

（湖南农业大学植物保护学院，长沙 410128）

从农用植物中提取活性成分作为植物源农药有效成分已成为当前农药化学和农药毒理学研究的热点。系统综述了溶剂提取法、水蒸气蒸馏法、升华法等农用植物活性成分常规提取技术和近年兴起的超声波提取法、微波提取法、生物酶法、超临界流体提取法、超高压提取法、亚临界提取法以及包括超声-微波协同萃取等在内的联合提取法、微切助互提取法、快速溶剂提取法、高压脉冲提取法、超滤法提取法等新兴提取技术，并对其特性、应用实例及发展前景和趋势进行了展望，旨在为农用植物活性成分的提取、开发、应用提供参考和依据。

农用植物；活性成分；提取技术；趋势

我国幅员辽阔，农业历史悠久，长期的自然和人工选择形成了丰富的农用植物资源。据不完全统计，我国共有包括食用、工业用、药用和环保植物在内4大类22个类群，1万多种农用植物［1］（又可分为野生植物和栽培植物2大类），其在生活史中产生的次生代谢物，如萜烯类、生物碱、黄酮、甾体和酚酸等［2］成分具有一定的杀菌杀虫活性，已直接或间接地成为植物源农药创制的原材料或先导物。植物源农药具有与环境兼容性好、易于降解、低毒、低残留、高效、高选择性的优点，开发前景十分广阔，在强调环境保护和可持续发展的现代社会，已然逐渐成为国内外新农药研究和开发的热点，而农用植物活性成分的提取是开发植物源农药的关键，因此选择适当的提取方法十分重要。随着科技进步和研究的深入，农用植物活性成分提取技术也在不断更新和完善，除传统的提取技术外，新兴的提取技术不断发展为合理应用植物源农药提供了技术支持。

1 常规提取技术

溶剂提取法、水蒸气蒸馏法、升华法是较为常用的常规提取技术，其中溶剂提取法是实验室最常用的方法，具有操作简单、损失少、易收集等特点，包括索氏抽提法、回流法、连续回流法、浸渍法、渗漉法等。黄晓冬和文艳华等［3，4］用索氏抽提法从毛鱼藤等药用植物中提取出有效成分，并证明其均具有较强的抑菌、杀线虫活性。杨力等［5］用回流法提取出了夏枯草中具有抑菌效果的活性成分。秦海宏等［6］对凤仙花抑制常见食源细菌的活性成分的提取则使用了浸渍法，效果十分显著；同时不同有机溶剂对植物中有效成分萃取效果也不同。水蒸气蒸馏法主要适用具有挥发性，能随水蒸气蒸馏而不被破坏，与水不发生反应，且难溶或不溶于水的成分提取，比如挥发油和某些小分子生物碱及酚类物质等，具有提取率高，操作简便的特点；升华法主要是针对农用植物中的具有升华性质的活性成分，通过加热使其直接气化、冷凝，从而达到分离的效果，但往往产量比较低，还伴有分解现象。

常规提取技术对仪器要求较低，应用广泛，普适性强，但往往经济成本高、耗时长，提取率低，容易造成二次污染，在科学技术飞速发展的今天，已开始被以先进仪器为基础，具有高效、环保、节能等特点的新兴提取技术逐渐取代。

2 新兴提取技术

鉴于农用植物活性成分常规提取技术存在的弊端，新兴的提取技术应运而生（表1）。

表1 农用植物活性成分提取新兴技术一览表

2.1 超声波提取技术

超声波提取技术（ultrasonic wave extraction）是利用超声波来加速大物质分子运动频率、加大溶剂穿透力，从而更好的释放活性成分进入溶剂，这一系列反应的发生是由于超声波具有空化效应、热效应、机械效应和化学效应等特性所导致的［75］。超声波提取技术在我国主要应用于中草药植物的提取工艺中，有常规提取技术不具备的优点：温度低，适用范围广；耗时短，能耗低，保证提取液新鲜。超声波提取适用于萜类、生物碱、黄酮等天然植物成分活性的提取，例如用超声波从北五味子果实及茎叶中提取萜类［7］，从白蒿中提取总黄酮［8］，从百合中提取生物碱［9］等。同时，许多研究也表明超声波提取法在农用植物活性成分提取比常规提取技术提取效率更高，更节约植物资源。

2.2 微波提取技术

微波又称超高频率电磁波，是一种波长在1-1 000 mm（相对频率为300-300 000 MHz）的电磁波，微波提取技术主要是基于微波具有的热特性，可以使物体本身被加热，从而促进活性成分的溶出；目前研究集中在微波功率、辐射时间、药材粉碎度、提取溶剂及固液比等对提取效率的影响。黄酮类、生物碱类、醌类及香豆素等活性成分的提取也逐步开始采取微波提取法。邓佳等［20］以决明子为提取材料，采用微波提取法，以蒽醌含量为指标，研究提取溶剂浓度、料液比等因素对蒽醌提取效果影响，确定了微波提取决明子中蒽醌最佳提取工艺，在此条件下的提取率高达65%。刘红梅等［21］以欧前胡素为试验指标，优化微波萃取白芷有效成分的提取工艺，并证明微波萃取白芷活性成分是可行的。

2.3 生物酶法提取技术

植物活性成分多存在细胞壁内，生物酶法（enzymatic extraction）是根据植物细胞壁的构成，利用酶反应所具有高度专一性的特点，通过酶（主要是纤维素酶）反应温和的溶解植物组织（细胞壁），加速活性成分的释放，反应效率高，操作简便，目前主要应用在黄酮类、生物碱、多糖以及酚类等活性成分提取。生物酶法提取葛根的总黄酮的提取率相对常规提取技术提高了13%［27］。复合酶法提取茶多酚的提取率比常规提取技术高10%左右［30］；纤维素酶酶解法提取虎杖中白藜芦醇提取率接近常规提取技术的6倍［31］；

除直接利用酶解反应释放植物组织细胞内的活性成分外，有些植物粗提物本身并没有抑菌活性，但经酶解反应后可得到有效的抗菌杀菌物质；如从十字花科植物种子种分离得到的物质本身不具抗真菌活性，但经过酶解反应之后的产物却能抑制立枯丝核菌等真菌，且效果明显［77］。这也是生物酶法在植物活性成分提取方面的应用。生物酶法提取也存在一定的局限性，对实验条件（如温度、pH值及作用时间等）要求较高，而且目前可用于提取的酶种类有限，这使该项技术的应用及发展受到了一定程度的限制。

2.4 超临界流体提取技术

超临界流体提取（supercritical fluid extraction）是利用超临界流体的独特溶解能力和物质在其中的溶解度对压力、温度变化敏感的特性，通过升温、降压来实现体系中溶解物质的分离，具备精馏、提取作用。CO2是最为常见的提取剂，既能保证活性成分的生物活性、高产、又能实现提取分离同步进行，传递性好、渗透性强，特别适用于提取不稳定的活性成分，如挥发油、不饱和酸和苷类等。有研究利用超临界流体法萃取茶多酚和丹皮酚［38，39］，优化超临界法萃取甘草、银杏中的黄酮等［34，35］都表现出极佳的效果。由于水不溶于CO2，植物活性成分中具有较强极性的化合物蛋白质往往难以提取，有研究发现全氟聚醚碳酸铵（perfluoropolyethers，PFPE）能使二者形成微乳液，经过改善后的超临界萃取技术能扩展至水溶液的体系，进一步扩大完善该技术的适用对象，应用前景十分可观。

2.5 超高压提取技术

超高压提取技术（ultra high pressure extract）也称超高冷等静压提取，是指在常温下，用100-1 000 MPa的流体静压力作用于提取溶剂和植物源材料的混合液上，并在预定压力下保持一段时间，使植物细胞内外压力达到平衡后迅速卸压，从而使活性成分能够穿透细胞的各种膜而转移到细胞外的提取液中，具有快速、高效、耗能小、环保等优点，广泛应用于陶瓷、金属、石墨、食品卫生等行业［78］，近几年开始在农用植物活性成分提取方面兴起，宁志刚［44］，陈瑞战等［45］，吴华［46］分别利用超高压提取技术提取了乌头原碱、西洋参皂苷、鱼腥草多糖等；同时对于受热易分解的化学成分诸如丹参素等利用超高压提取技术能避免传统热回流提取法过程中受热分解的不足，大大提高提取效果和提取率。

超高压提取技术虽然在农用植物活性成分提取方面具有时间短、能耗低以及不含蛋白质等大分子杂质等优势，但也不可避免存在操作压力过高、溶剂-原料比过高等不足。我国超高压提取技术研究起步晚，时间短，与发达国家有较大差距。因此，进一步加快超高压提取技术研究和应用，促进其由实验室研究向大规模工业生产的转变是今后工作的重点。

2.6 亚临界水提取技术

亚临界水（subcritical water）又称超加热水、热液态水，是指在一定的压力下，将水加热到100℃以上（临界温度374℃以下）的高温，水体仍然保持液体状态，此状态下的水不仅可以降低固液相界面的液膜强度，还能改善动力学特征，降低表面张力及黏度，增加有机活性物质在水中的溶解度；亚临界状态下，随着温度的升高，水的极性大大降低，其性质类似于有机溶剂，可将溶质按极性由高到低提取出来。亚临界水提取技术（subcritical water extraction）作为一种新技术是通过控制亚临界水的温度和压力，进行选择性提取；同时也可使水的极性在较大范围内变化，实现活性成分从水溶性成分到脂溶性成分的连续提取，因有提取时间短、效率高、能耗低、产品质量高等优点而倍受关注。

亚临界提取技术在压力足够大至保持水处于液体状态，可以通过调节温度进行高选择性提取，无论是对于常规提取技术还是新技术（超临界流体萃取等），它都是一种很有前景，强有力的提取变革方法，具有广阔的发展前景，国外应用主要将亚临界水作为高效液相色谱流动剂及萃取剂及环境分析等方面，国内研究还处于探索阶段，仅限于农用植物黄酮［48］、酚类［49］、精油［50］等活性成分的实验室提取，尚未进行深入、全面的研究。

2.7 动态逆流提取技术

动态逆流提取（dynamic countercurrent extraction）是指植物源材料与溶剂在浸出容器中沿相反方向运动，连续而充分地进行接触提取的一种方法。活性成分提取实质是植物源材料中的溶质由固相传递到液相的传质过程。从扩散理论解释，由于提取溶剂和固态植物源材料组织内活性成分存在浓度差，其大小决定了传质的动力以及浸出速度，该技术通过经常更新固液两相界面层，始终保持植物源材料和溶剂之间的最大浓度差，促进二者同时连续相向逆流运动，达到最大限度转移植物源材料中活性成分的目的。目前常见的动态逆流提取设备主要有半逆流提取设备（罐组式动态逆流提取设备）和连续逆流提取设备（螺旋式连续逆流提取设备、U型槽式逆流提取设备以及平转式连续提取设备等），该技术主要应用在农用植物生物碱［51］、黄酮类［52］、酚酸类［53］等活性成分的提取和应用。

2.8 联合提取技术

常规提取技术或新兴提取技术都有具有自身的优势，但也存在由于提取对象和提取要求的差异，必须通过结合其他适合的方法扬长避短，才能达到最理想的提取结果。联合提取技术是使用2种或以上的方法联合提取活性成分的技术，包括微波辅助提取、超声-微波协同提取、超声强化超临界流体提取技术等，现综述如下。

2.8.1 微波辅助提取技术 微波辅助提取技术（microwave-assisted extraction）由Ganzler在20世纪80年代最早提出，是利用不同组分吸收微波的能力不同，使某些区域或组分被选择性加热，萃取物质从体系分离进入萃取剂中，是微波和传统溶剂提取结合之后形成的新技术，克服了单一的微波提取和溶剂提取的自身不足，具有选择性好、快速、高效及环保的优点。在应用方面，微波辅助提取技术用于农用植物黄酮、挥发油、色素、多糖、茶多酚及生物碱等的提取，孟娜等［54］采用微波辅助提取技术对绞股蓝、马钱子［55］和瓜蒌皮［56］中的多糖、黄酮和生物碱进行提取，并进行了抗氧化活性测定，结果显示微波辅助对这些农用植物活性成分的提取有显著效果。

2.8.2 超声-微波协同萃取技术 微波有限的穿透深度和不显著的传质功能、超声波热效应的不显著和空化泡范围的局限，使超声-微波协同萃取技术（ultrasonic and microwave-assisted extraction）开始兴起，两者的结合能使提取过程中更好地破壁、释放组分，从而提高提取效率。国内外在超声-微波协同萃取取植物活性成分方面取得了一定的成果：牛蒡中类胡萝卜素的提取［57］，Sharma 等［58］对香兰素的提取等都利用了超声-微波协同萃取技术。

2.8.3 超声强化超临界流体萃取技术 超声强化超临界流体提取技术（ultrasonic enhanced supercritical fluid extraction）是在超临界提取时附加超声波，既可降低萃取温度、压力，减少流体流量、缩短萃取时间，又能改善操作条件，降低能耗。其机理是超声传播至颗粒内部，引起质点快速振动，从而减小超临界流体扩散阻力，同时使溶质活化，加速其溶解。目前该技术应用已较为成熟，超声强化超临界流体技术提取除虫菊酯和肉桂中桂皮醛成分，不仅高效而且避免了活性成分因降解而流失。而国外的研究学者采用超声强化超临界流体萃取技术提取辣椒素、杏仁油及姜酚等都得到很好的结果［59-61］。

2.8.4 超声-酶解辅助提取技术 超声-酶解辅助提取技术（ultrasound-assisted enzymatic extraction）是酶解提取与超声波提取技术相结合提取植物活性成分的新兴技术；该技术针对性强，提取率高，提取质量好，杂质少；有学者通过此技术优化龙眼果肉多糖的提取，设定250 W的超声波功率、55℃的酶解温度，结果表明比传统提取方法更实用［62］。但由于技术条件限制和自身成本较高、操作复杂的缺陷，使其在农用植物活性成分提取方面应用较少。

农用植物活性成分单一提取技术各有优势，但难以满足日益扩大植物抑菌资源筛选的需求，联合提取技术扬长避短，根据不同提取对象和材料适当调整组合，力求达到最佳提取效果，是今后农用植物活性提取技术发展的主要方向；同时，以微切助互提取、快速溶剂提取、高压脉冲提取以及超滤法提取为代表的高效、环保新兴提取技术逐步从食品、医疗行业向农用植物活性成分开发利用转变，为农用植物活性成分提取技术的发展奠定了新的基础。

3 结语

农用植物活性成分提取技术近几年发展迅速，一方面，通过对常规提取技术设备和条件的改良，努力降低提取成本、提高提取率、减少对环境的二次污染；另一方面，随着社会发展需要和科学技术进步，以超临界流体萃取为代表的新型提取技术先后涌现，与常规提取技术相比，无论在提取率和纯度，还是自动化程度方面都有很大的进步，但由于新兴提取技术操作要求高、仪器设备要求复杂，相关研究还很不完善，大多仅停留在实验室阶段。目前，农用植物活性成分提取技术还有以下几个方面的工作尚需进一步展开。

3.1 扩大活性成分来源，进一步挖掘农用植物的生防价值

农用植物生物多样性丰富，世界上大约50 000种可利用的农用植物种，人类各个时期利用的才6%，人工驯化成作物的只有2.4%，大面积栽培的仅占0.3%［1］。加强抑菌植物资源的筛选调查，建立高效、快速、环保的活性成分提取技术方法体系，从农用植物中提取活性成分，并以其作为先导结构进行生物合成，探寻新的活性先导物或新的作用靶标，通过类推合成设计进行植物源农药的开发势在必行。

3.2 加强提取技术工业化生产研究，实现活性成分的规模化生产

近年来，以超声波提取、超临界流体萃取等为代表的新兴技术逐步兴起，活性成分提取率有了极大的提高，但由于提取成本设备复杂，操作要求高，目前大多停留在实验室应用阶段，工业化产业提取生产使用的较为普遍的还是能源消耗大，提取效率不高的常规提取技术，其使用的不合理灵活导致了资源的巨大浪费；新兴的提取技术提取率高、提取速度快、环保节能，符合可持续发展的要求，因此必须加快新兴技术向实际生产力的转变，强化有关工程问题的研究，使这些新兴的提取技术向着有利于工业化大规模生产的方向发展，提高提取效率，节约提取成本。

3.3 注重不同提取技术间联用，促进活性成分提取效率最大化

单一的提取方法或多或少存在不足，即使是目前运用得较好的一些新技术，也存在不尽人意的地方，已不能满足农用植物活性成分提取高效、环保、廉价的要求。因此，根据植物源材料和目标产物的特性，合理灵活的使用联合提取技术，寻求最佳的工艺条件，最大程度的保留活性成分，提高活性成分的提取率、纯度和质量是未来有所突破的一个方向。此外，活性成分提取技术在不同行业发展是不均衡的，但其原理是相同的，在食品和医药行业，活性成分提取方法较为成熟，这为农用植物活性成分的提取提供了借鉴和参考，加快新兴提取技术由医药、食品等行业向农用植物活性成分提取方向转变，是今后工作的重点和热点。

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（责任编辑 狄艳红）

Research Progress of Agricultural Crop Active Component Extraction

Xia Rizhao Liao Xiaolan
（College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha 410128）

The development of new pesticide by analogy synthetic and rational design of biolo-gical is a research focus of pesticide toxicology and pesticide chemistry. Conventional extraction such as Solvent extraction and Tissue crushing were summaried in this review. In addition， Ultrasonic wave extraction， Microwave extraction， Enzymatic method， Superitical fluid extraction， Ultrahigh-press extraction， Subcritical water extraction， Ultrasonic and Combined extraction such as Microwave assisted extraction， Mechanochemical assisted extraction. Accelerated solvent extraction， High-voltage pulsed electric field extraction， Ultrafiltration extraction also were referred. At the same time， author prospected the characteristics， application examples and trends of botanical active component， provide reference and basis for the extraction， development and application for agricultural crop active component.

agricultural crop plant；activity components；extraction method；trend

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.04.007

2014-07-23

夏日照，男，硕士研究生，植物病害生物防治；E-mail：908302479@qq.com

廖晓兰，女，教授，博士生导师，研究方向：生防资源的挖掘与利用；E-mail：liaoxl88@126.com