植物多酚及其提取方法的研究进展

董 科,冷 云,何方婷,徐佳伊,李 杨,裴晓方

(四川大学华西公共卫生学院(华西第四医院),四川成都 610041)

植物多酚(Polyphenols)是一类广泛存在于植物体内的具有多个酚羟基化合物的次生代谢产物,主要分布于植物的根、皮、叶中,对植物的生长代谢起着重要作用。狭义认为植物多酚是单宁或者鞣质,在广义上还包括小分子酚类化合物,如花青素、儿茶素、没食子酸等天然酚类[1]。多酚的类别多种多样,现有研究已发现在植物界中有8000余种多酚类化合物及其衍生物[2],因而,可根据不同的结构将多酚分为不同的类别。植物多酚除了抗氧化[3]作用之外,其本身多样的结构也使其具有其他的生物学活性,如预防老年痴呆[4]、抗炎[5]、抑菌[6]、抗肿瘤[7-8]、调节肠道菌群[9]及心血管疾病[10]等功效,且已被广泛应用于药品及保健品等领域[11]。

近年来,天然产物已成为研究热点,许多学者用不同的提取方法将植物中多酚类物质提取出来并对其含量进行比较,以便寻找到提取植物多酚的最佳工艺条件,使植物得到进一步开发和利用。因此,本文对近几年植物中多酚提取方法进行综述,对比各方法之间多酚的得率,为今后植物中多酚的广泛研究提供理论参考。

1 多酚类化合物的分类

多酚类化合物是一类植物次生代谢产物,其特征是具有芳香族或酚环结构。多酚在茶叶、巧克力、咖啡、葡萄酒、蔬菜及水果中的含量十分丰富,其较强抗氧化能力已被证实[12]。根据多酚在食物中的结构不同,分为类黄酮和非类黄酮两大类。类黄酮是最具有代表性的多酚类物质,主要包括黄酮类、黄烷酮类、黄烷三醇类等;非类黄酮主要包括了酚酸类和芪类,见表1。

表1 多酚类化合物分类Table 1 Classification of polyphenols

2 植物多酚类化合物提取方法研究概况

近年来,随着科学技术的发展,植物中多酚的提取工艺不断被优化,从而使多酚的得率显著提高。这些日益改进的新提取技术正在逐步代替传统的提取技术,在植物多酚提取领域正得到不断应用和发展[13-15]。其中传统的提取方法中最为经典的是溶剂萃取法,新提取方法主要包括超声波提取法、微波提取法、闪式提取法、生物酶降解法和树脂吸附提取法超临界流体萃取法、高压脉冲电场法、联用法等。

2.1 溶剂萃取法

溶剂萃取法是传统提取方式中最为经典且应用最为广泛的一种提取方法。此方法根据“相似相溶”的原理将多酚从植物中分离出来。常用的溶剂主要有水、甲醇、乙醇和乙酸乙酯等。溶剂萃取法原理简单,操作便捷,与其他新型仪器提取相比较,成本较低,因而被广泛使用。但与近年来提取多酚的新技术相比,此方法耗时较长,影响提取物得率的因素较多,难以控制,且提取剂多为有机溶剂,既污染环境,又对研究者身体健康有一定影响,因此,该方法逐步被其他新型提取方法取代。

2.2 超声波提取法

超声波提取法的原理是利用超声波的机械破碎作用和空化效应,加快提取物向溶剂中扩散的速率,从而缩短多酚的提取时间。此方法的优点是操作简便,提取时间较短,提取效率比溶剂提取法高,但同时也存在机器耗能大,溶剂消耗过快的缺点[15]。

阮景军等[18]以黄秋葵果实中多酚的提取率为响应值进行分析试验,得到最佳提取工艺条件为:超声温度51.2 ℃,提取时间18 min,液料比1∶20 (g/mL),此条件下多酚得率为20.43 mg/g。齐娜等[19]采用响应面法对超声辅助提取红肉苹果多酚的工艺条件进行优化,在最优参数条件下红肉苹果多酚得率为2.135 mg/g。D’Alessandro等[20]也采用超声辅助提取野樱莓中多酚,在同一条件下,与未使用超声波辅助提取多酚得率进行比较,发现使用超声波提取多酚的得率明显高于未使用超声波多酚得率的5倍左右。

2.3 微波提取法

微波提取法是利用微波使植物细胞产生巨大的热量,使多酚物质从细胞中扩散出来。该方法是近年来兴起的提取技术,有效的减少了多酚在高温下的氧化,使多酚类物质不被破坏,且微波提取多酚的效率高,设备较便宜,对环境无污染,因此被广泛使用。但微波可使局部温度短时间升高,操作时应注意防护。

高磊等[21]通过微波辅助提取核桃中多酚,确定了最佳工艺条件为:乙醇浓度65%,料液比1∶20 (g/mL),微波功率为200 W,微波时间70 min,浸提温度60 ℃,在此条件下,多酚的得率为6.318 mg/g。周芳等[22]通过响应面法对红皮云杉多酚的提取工艺进行优化,得到最佳工艺条件为:微波功率295 W,料液比1∶31 (g/mL),乙醇浓度40%,提取时间46 s。在此条件下,红皮云杉多酚得率为17.51%。同时,Galan等[23]研究也指出,微波辅助提取法与传统的溶剂萃取法相比,能够显著提高多酚的产量和质量。

2.4 闪式提取法

闪式提取法是近年来兴起的一种提取方法,该方法是选择适当的溶剂,将植物置于闪式提取器中,使植物组织快速破碎以达到提取多酚的目的。闪式提取法提取速度是溶剂萃取法的百倍,具有操作简单,提取效率高,多酚结构不易被破坏等优点。

李康等[24]利用闪式提取技术提取红树莓多酚,得到最佳工艺条件为:电压150 V,乙醇体积分数为65%,提取时间为63 s,在此条件下进行3次平行实验验证,树莓中总多酚的得率为51.02 mg/g。巫永华等[25]也得出黄精多酚闪式提取法最佳工艺条件为:乙醇体积分数为50%,电压为150 V,料液比为1∶20 (g/mL),提取时间为35 s,在此条件下,多酚得率达到最高,为0.48%。张宇和苏丹[26]采用响应面法Box-Behnken设计实验,优化闪式提取法提取二氢槲皮素,在最佳工艺条件下二氢槲皮素提取率为0.47%,与热水回流提取(0.17%)、乙醇回流提取(0.20%)、微波提取(0.22%)、超声波提取法(0.47%)相比,闪式提取法能显著提高二氢槲皮素的得率。

2.5 生物酶解提取法

酶解提取法是利用生物酶的专一性,它能够选择性破坏植物细胞壁,使植物细胞中的多酚扩散到溶剂中[27]。该方法与溶剂萃取法相比,具有成本较低、多酚溶解率高,绿色环保等优点,适合工业化生产。

王华斌等[28]运用酶法提取石榴皮中的多酚,得到最佳工艺条件为:初始酶解液pH6.0,酶解温度50 ℃,酶质量浓度为0.25 mg/mL,酶解时间150 min,在此条件下,多酚得率达23.87 mg/g。在同一条件下,比溶剂萃取提取法的提取率高出16.84%。屈文秀等[29]运用中心组合设计及响应面优化马铃薯皮渣最佳提取工艺,当复合酶添加量1.4%,酶解pH6.10,酶解时间90 min,浸提剂乙醇浓度47%时,马铃薯皮渣多酚的提取量比单独溶剂提取多酚含量高,最高达到3.21 mg/g。

2.6 树脂吸附提取法

树脂吸附法是基于树脂对植物提取物的吸附-解吸作用实现多酚类物质的分离。该方法对多酚的提取率较高,纯度较纯,无毒无害,对环境无污染,但树脂市场价格昂贵,成本较高,不适合大规模提取。

唐頊婉等[30]通过大孔树脂吸附法研究八月瓜多酚的最佳工艺条件,最后得到最佳参数条件为:提取温度60 ℃,固液比为1∶20 (g/mL),吸附时间4 h,八月瓜多酚得率为6.13%。同时,符智荣[31]和叶俭慧[32]等也研究了大孔树脂吸附法制备多酚的工艺条件,可见该方法被广泛应用。

2.7 超临界流体萃取法

超临界流体萃取是一种新型的现代萃取分离技术,它是利用超临界流体作为萃取剂,从固体或液体中萃取某种高沸点和热敏性成分,以达到分离和提纯的目的。此方法是一种高效而环保的提取方法,已被广泛运用于实验室研究,但是它在萃取过程中成本较为昂贵,不适用于工业化提取植物多酚。

冯务群等[33]用超临界CO2萃取,超声提取,微波提取及甲醇浸提4种不同方法提取石榴皮中没食子酸的含量,并用HPLC法测定其含量,结果发现,4种方法提取所得没食子酸含量分别为0.498%、0.311%、0.271%和0.396%,可见超临界CO2萃取法提取石榴皮多酚中没食子酸是一种高效的方法。尹志芳等[34]通过临界CO2流体萃取研究黑茶中茶多酚及咖啡碱的最佳工艺条件,该方法分离效果高,纯度高,绿色安全,但成本较高。

2.8 高压脉冲电场法

高压脉冲电场法是近年来兴起的一项高效节能的非热处理提取技术。在植物多酚提取过程中,它能够有效破碎植物细胞壁,促进多酚等其他生物活性成分浸出,具有耗时短、耗能低、温升小及目标产物不易变性等优点,在植物提取方面的应用研究已收到国内外学者的广泛关注[35]。

殷涌光等[36]研究了高压脉冲电场法提取干松针总黄酮,运用正交实验得出最优工艺条件:电场强度20 kV/cm,脉冲数8个,料液比1∶50。在此条件下,节省20%的溶剂用量,总黄酮提取率达到9.515%。因此在工业生产中,可以采用此方案。唐守勇等[37]通过高压脉冲电场提取竹叶中黄酮和茶多酚,在最优化工艺条件下,黄酮提取率达到2.49%,茶多酚提取率可达1.26%。此方法与传统溶剂超声提取茶多酚[38]、微波辅助提取[39]竹叶黄酮进行比较，发现采用脉冲电场法提取竹叶茶多酚的提取率是超声浸提的两倍,竹叶黄酮的提取率基本一致。

2.9 联用法

为提高天然产物的提取率,常采用多种提取方法联用的方式进行提取。徐树来等[40]采用酶解-超声组合方法提取蒲公英中绿原酸,通过Box-Behnken试验设计得出最优方案,最终绿原酸得率达到2.14%,与李立顺[41]单独使用超声波提取蒲公英中的绿原酸相比增加了1.89%,再与倪悦[42]采用酶法提取蒲公英中绿原酸相比增加了1.61%。王文渊等[43]采用高压脉冲电场协同酶法技术从竹叶中综合提取竹叶黄酮、茶多酚和竹叶多糖三种活性成分,通过正交实验确定其最优工艺条件,在此条件下,黄酮提取率达到2.49%,茶多酚提取率可达1.26%,竹叶多糖提取率为3.47%。通过对比,可发现酶法耦合高压脉冲电场法比传统热水浸提法单独提取竹叶多糖提取率提高了39.8%,比乙醇超声浸提茶多酚提取率高出近两倍,与微波辅助提取竹叶黄酮的提取率基本接近。因此,实验室常采用两张提取方法联用提高得率及缩短时间。

3 多酚不同提取方法的对比

从植物多酚的提取时间、多酚得率、多酚受破坏程度和成本这四个方面对不同的提取方法进行比较,见表2。可知,多酚不同的提取方法之间各有优缺点:溶剂萃取法、生物酶降解法、树脂吸附法和高压脉冲电场法提取时间较长,多酚得率虽高,但较高的成本不适用于大批量工业化生产;超声波提取法、微波提取法、闪式提取法和超临界提取法耗时较短,多酚得率也高,但超声提取多酚受破坏程度较其他方法大,超临界提取法提取成本较高,因而在一定程度上限制了这两种方法的应用。但微波提取法和闪式提取法由于自身的优势使得成为近年来短时间大量提取多酚较常用的方法。

4 结论与展望

近年来,天然产物中多酚类物质所具有的生物学活性越来越受到国内外研究者的广泛关注,且植物多酚存在于日常食物中,与人们生活息息相关,因而成为研究热点。在现有的研究中,人们已经从茶叶、葡萄、石榴、菜籽等原料中提取出多酚类物质,广泛应用于医疗、食品等领域。

从植物多酚现有的提取技术来看,传统的溶剂萃取法提取技术由于高耗能、低产率等不足已经被微波、闪式提取和超临界流体萃取等新技术所代替。这一类新提取技术在目前具有高提取率、高纯度和低耗能等优点,是植物多酚类物质提取优先考虑的方法。虽然随着科学技术的不断发展,多酚的提取方法不断更新,提取率也不断提高,但是由于实验条件和成本的限制,并不能大规模实施,因此进一步开发低成本、高提取率、高纯度、绿色安全的多酚提取技术将成为科研工作者未来亟待研究的重要方向。