万寿菊资源综合开发利用研究进展

郭耀东，牛仙，任嘉瑜

（1.商洛学院 健康管理学院，陕西商洛726000；2.商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000）

万寿菊（Tagetesspp.），原产于墨西哥，为菊科万寿菊属、一年生草本植物[1-3]。我国自20世纪80年代开始引种万寿菊，目前已在东北、西北、华北、西南等地区广泛栽培[4-5]。万寿菊因其花色鲜艳并含有叶黄素、多酚等多种生物活性物质而兼具观赏价值和药用价值，近年来已成为陕西省秦巴山区实施精准扶贫和美丽乡村战略中主要栽培的一类经济作物[6-8]。相关地方政府也围绕万寿菊的种植、加工制定了专门的产业发展规划。在生产加工环节对万寿菊资源进行综合开发利用，提升产业附加值已成为制约陕西省万寿菊产业进一步发展的瓶颈问题。基于此，本文按照生物资源活性功能因子基础研究—提取制备—产品深加工—副产物利用的思路，对国内外近年来在万寿菊资源开发利用链条各环节的最新研究进展进行了系统分析，结合地方经济发展实际提出了万寿菊产业进一步发展的关键路径，以期为秦巴山区生物资源的高增值利用以及产业扶贫战略实施提供一定借鉴和参考。

1 万寿菊中叶黄素的生理活性

叶黄素是万寿菊中含有的主要生物活性物质，甘蓝、玉米、猕猴桃、菠菜等蔬果中均有此物质[9]。但万寿菊因其叶黄素含量高、适合大规模种植、成本低等优点，已成为工业化制备叶黄素的主要来源。叶黄素属于类胡萝卜素物质的一种，相关研究已经证明其对防止老年黄斑变性等眼部疾病具有明确的作用。1995年美国食品及药物管理局（FDA）对叶黄素的实用性和安全性进行审核，批准将其作为食品补充剂；我国于2008年将源于万寿菊的叶黄素列入新资源食品目录中[10-11]。目前万寿菊叶黄素作为一种保健食品原料被广泛应用于保健食品及膳食补充剂的生产制作中。美国CVS、Costco等保健食品销售终端均有相关产品出现，并受到了消费者的欢迎。近年来，国内外研究者针对万寿菊中叶黄素类物质的生物活性进行了进一步研究，主要集中在抗氧化、抗肿瘤及抑制心血管疾病等方面。

1.1 抗氧化性

人体内积累过多的氧自由基对细胞和组织具有一定的损伤，是导致人体衰老及许多慢性疾病的重要原因。叶黄素作为一类四萜类物质，含有丰富的共轭双键，具有较强的清除自由基能力，能够有效阻止氧自由基对细胞的破坏[12-13]。

Kumar等[14]利用化学发光法研究分析了万寿菊叶黄素对过氧化物、超氧阴离子、羟基自由基和脂质自由基的清除作用，结果表明叶黄素对上述自由基具有较强的清除作用。Ingkasupart等[15]分析了泰国种植的11个万寿菊品种提取物中叶黄素含量和抗氧化能力，其中抗氧化能力运用清除ABTS自由基、DPPH自由基、铁离子自由基还原法、氧化自由基吸收能力法（ORAC）、超氧阴离子自由基（SRSA）清除能力等不同指标进行综合评价。结果表明不同品种的叶黄素含量与抗氧化能力具有较强相关性，Optiva Orange和Rodeo Gold两个品种可以作为生产制备功能性食品和化妆品中叶黄素的良好来源。任丹丹等[16]则综合运用基于体外抗氧化和基于小鼠体内乙醇氧化损伤模型的体内抗氧化两种方法对叶黄素与玉米黄两类胡萝卜素类物质的协同抗氧化活性进行了研究，结果表明叶黄素与玉米黄质比例为1∶2时协同抗氧化作用较好。Mohn等[17]研究叶黄素与脑ω-3多不饱和脂肪酸（PUFA）氧化的关系，结果发现线粒体叶黄素与二十二碳四烯酸（DHA）氧化产物呈负相关，该研究提供了亚细胞叶黄素积累的新数据及其与灵长类动物脑中DHA氧化的关系，提示叶黄素可能与大脑中的抗氧化功能有关。

1.2 抗肿瘤

近年来，国内外研究先后发现万寿菊中的叶黄素具有抑制结肠癌、肝癌、乳腺癌、胃癌、食管癌等肿瘤细胞的作用[12-13,18]。相关研究表明叶黄素的抗肿瘤作用主要通过其抑制肿瘤细胞增殖及诱导分化、诱导肿瘤细胞凋亡、免疫调节、抗氧化活性等来实现的[18]。裴迎新[19]研究表明叶黄素在一定程度上可抑制食管癌EC9706细胞增殖，诱导EC9706细胞凋亡。陈晓哲[20]对叶黄素抑制人体肝癌HepG2细胞增值效应及相关分子机制进行了研究分析，发现叶黄素可以影响AP-1、p53、caspase-3基因的转录表达及凋亡相关蛋白的表达，进而抑制肝癌HepG2细胞的增值。

1.3 抑制心血管疾病

人体内胆固醇、LDL（脂蛋白）的堆积等是造成动脉粥硬化进而产生心血管疾病的重要原因。相关流行病学、体外实验和动物模型研究表明，万寿菊叶黄素一定程度上能够通过防止动脉粥样硬化发生降低心脑血管疾病发病[12-13]。Liu等[21]研究发现叶黄素可以通过调节脑血管内皮细胞（bEND.3 cells）中Nrf-2和NF-κB的表达抑制Aβ25-35的诱导毒性，改善线粒体膜电位和细胞活性。崔蔚[22]通过小鼠动物试验研究发现叶黄素可以通过调节脂代谢和改善氧化应激，对高脂喂养引起apoE-/-小鼠的动脉粥样硬化及肝脏脂肪变性起到改善作用。刘洋等[23]对169名动脉粥样硬化患者给予不同剂量叶黄素干预，结果表明叶黄素可以在一定程度上减轻颈动脉粥样硬化斑块炎性反映，并预防心脑血管疾病发生。

2 万寿菊叶黄素提取技术

万寿菊是目前工业化提取制备叶黄素的主要原料之一。现有提取技术除传统溶剂提取法之外，近年来随着植物提取技术不断发展，酶法、超声波提取、超临界CO2萃取、微波辅助提取、亚临界提取技术等也逐步应用于万寿菊中叶黄素提取制备的研究与实践应用中。

2.1 有机溶剂提取

有机溶剂提取基于相似相溶原理，利用叶黄素与杂质性质不同（溶解性或者极性）的特性，选择合适的溶剂，达到对叶黄素提取分离的目的[24]。工艺简单、可操作性强、成本较低，适合规模化生产。张志强等[25]以乙醇和石油醚混合溶剂为提取溶剂通过单因素试验研究优化了万寿菊叶黄素的提取、皂化工艺，该工艺具有价格低廉、沸点低、生产安全性高等特点。王新春等[26]以四氢呋喃和碱性醇溶液为提取皂化溶剂，提取得到叶黄素粗品后，进一步洗涤除杂，得到含量高于90%的叶黄素粉末。近年来，在有机溶剂提取基础上出现了盐析萃取法，该方法具有耗材少、产品收率高等特点。马娜等[27]研究表明利用盐析萃取法提取得到的万寿菊叶黄素提取物具有更强的抗氧化活性。

2.2 酶法辅助提取分离

由于万寿菊叶黄素提取基质中含有较多的纤维素，可以通过酶法处理，加入纤维素酶等软化破坏提取基质中的细胞壁，促使叶黄素等目标物质更多暴露溶解，提取条件温和，能够减少叶黄素的损失[28]。李大婧等[28]将液态纤维素酶处理和溶剂萃取结合，在酶-水-有机溶剂共存的体系中同时提取叶黄素，优化了提取工艺条件，结果表明该方法与单纯有机溶剂提取法相比提取率提高了19.14%。刘爱琴等[29]则利用专一性较高的宏基因组文库脂肪酶，对亚临界提取后得到的万寿菊浸膏中的叶黄素进行提取分离，结果表明该方法的提取效率相对其他方法更高。虽然酶法辅助提取分离叶黄素效率较高，但也存在影响工艺条件因素较多、提取条件控制和设备要求高、生产成本较高等缺点，此方面规模化生产制备的报道较少[30]。

2.3 超声波、微波、超临界CO2等新型提取分离技术

超声波辅助提取法是利用超声波产生的特殊作用，快速破坏细胞，加快提取速度，从而达到高效提取叶黄素的目的[24]。李大婧等[31]通过单因素试验和正交试验优化了超声波辅助石油醚提取叶黄素的工艺条件，叶黄素提取率达到97%以上。叶兆伟等[32]分析对比了水浴加热法、超声波法和微波法三种方法提取叶黄素的提取率，结果表明超声波法提取叶黄素的提取效率最高，优于其他两种方法。

微波辅助提取技术的原理是利用微波产生的能量使细胞内部迅速升温膨胀促使细胞壁破裂，帮助目标物质有效流出[33]。Fu等[34]研究利用微波-酶协同水相萃取法提取万寿菊中叶黄素和总酚类等生物活性物质，并与其他方法进行了比较，该方法具有高效、快速等优点。

超临界CO2提取法基于CO2在超临界状态下具有较高的溶解能力，能够有效对目标物质进行分离，同时CO2在超临界状态下温度较低、化学性质稳定，提取条件温和[35]。赵永平等[36]通过单因素和正交试验，研究优化了超临界CO2提取万寿菊中叶黄素的工艺条件：萃取压力29 Mpa，萃取温度45℃，萃取时间2.1 h，流速17 mL·min-1。Pal等[37]也采用超临界CO2萃取方法从非洲万寿菊中提取得到了叶黄素提取物，并对其清除DPPH自由基的能力进行了分析。

但目前，由于运行成本、设备价值以及规模化应用的难度等原因，大多数利用超声波、微波和超临界CO2等方法开展的万寿菊叶黄素提取分离研究基本处于实验室研究阶段，实际应用于工业化规模化生产制备叶黄素的研究报道相对较少。

2.4 亚临界提取分离技术

亚临界提取分离技术使用处于亚临界状态的萃取剂，利用相似相溶的原理，提取分离目标物质。该方法具有溶剂扩散快、溶解能力强、提取效率高等特点，并能在低温下进行提取并实现萃取溶剂与浸出物的分离，减少叶黄素等生物活性物质的损失[38]。与超临界CO2提取法相比，亚临界提取分离技术成本较低、更容易实现规模化生产，目前已经在叶黄素的生产实际中得到了应用。高应权等[39]运用亚临界丁烷流体提取并结合分子蒸馏技术制备得到了叶黄素单体，与传统正己烷溶剂萃取法相比具有叶黄素得率高、叶黄素含量高、溶剂残留低等优点。本研发团队前期通过校企合作攻关，优化并建立了亚临界提取万寿菊叶黄素的最优生产工艺，并将其应用于生产线中，取得了较好的经济效益。

3 万寿菊叶黄素产品深加工技术

虽然万寿菊叶黄素具有较高的生理活性，由于叶黄素属于脂溶性物质，并且其分子结构中存在大量共轭双键，在光、热、氧条件下容易被氧化分解，稳定性和水溶性较差[40]。为了解决上述问题，同时提升叶黄素产品加工经济附加值，近年来国内外研究者纷纷开展了以叶黄素为原料，开展制备叶黄素微胶囊、叶黄素软胶囊的研究开发。

微胶囊技术利用明胶、阿拉伯胶等物质（壁材），对叶黄素等脂溶性活性物质包封形成微小粒子（微胶囊），以达到提升被包封物质稳定性和生物活性的目的[40]。徐建中等[41]选用阿拉伯胶为壁材，通过单因素试验和正交试验优化得到了喷雾干燥法制备叶黄素微胶囊的最优配方和工艺，结果表明叶黄素微胶囊产品稳定性得到显著提高，水溶性良好。王垚等[42]以明胶为壁材，采用单凝聚法制备了叶黄素肠溶微胶囊，并通过响应面试验优化了叶黄素肠溶微胶囊的制备工艺，结果表明制备得到的叶黄素微胶囊具有较好的肠溶特性。

汪老师陪聊了半个多小时，最后她告诉我一个小秘密，说她在上学时，第一次住上铺也跟我一样害怕，爬上床后坐在上面动都不敢动，我比她勇敢多了，上去之后还敢在床的两头来回放东西，这时我才发现，在她的指导下，居然把她给我铺好的床，又按自己的习惯铺了一遍。大概是有了汪老师和蔼可亲的鼓励，让我心里有了依靠，抑或是我因为拥有了汪老师的小秘密，心里有点小欢喜，等汪老师离开时，我已经不再恐惧上铺。

软胶囊剂目前是一类保健食品领域使用较多的新剂型，外型美观、生物利用度高、稳定性较好，能够有效防止目标物对光、热敏感成分的分解[43]。尹俊涛等[44]选择药用大豆油为分散介质，添加蜂蜡和大豆磷脂作为助悬剂和润湿剂，通过正交试验优化得到叶黄素软胶囊的最优制备配方，结果表明制备得到的叶黄素软胶囊内容物均匀，具有较好的稳定性。高应权等[39]以叶黄素单体、维生素A、维生素E等为原料，通过复配研发制备了具有缓解视疲劳功能的叶黄素软胶囊。目前，包括汤臣倍健在内的国内外多家保健食品生产企业均已以叶黄素为原料，研发生产了相关具有保护视力作用的保健食品并投入市场。

此外，也有部分食品生产企业以万寿菊叶黄素为原料，添加其他功能原料，研发制备了形状、口味、包装各异的万寿菊叶黄素压片糖果系列产品，并作为快消品进入市场，受到年轻消费人群的青睐。

4 万寿菊加工副产物利用技术

目前万寿菊资源开发利用主要以提取制备叶黄素及其产品进一步加工为主。万寿菊在生产提取叶黄素（脂溶性成分）后大约产生22%的副产物，含有大量的多酚、黄酮类水溶性生物活性物质及其他生物活性物质[45]。直接废弃一方面将产生严重的环境污染，另一方面也造成资源浪费，增加了资源开发利用的总体成本。基于上述原因，国内研究者和产业界从各自角度开展了万寿菊加工副产物利用的技术开发和实践。目前万寿菊加工副产物利用研究和实践主要集中在残渣中水溶性生物活性物质提取、分离、制备以及研发制成饲料添加剂两个方面。

陆洪[46]以万寿菊残渣为原料提取、分离筛选得到8种黄酮类和有机酸类化合物，并对其抗癌活性进行了进一步的筛选。李禹辰等[7]以万寿菊提取叶黄素后的残渣为原料，通过响应面试验优化得到了亚临界提取万寿菊残渣总多酚和总黄酮的工艺参数，并对其抗氧化活性进行了研究。本研发团队前期也利用超声波辅助提取法对万寿菊残渣中多酚和黄酮类水溶性生物活性物质的提取工艺进行了研究，并发现万寿菊残渣中多酚和黄酮类物质含量较高，具有较高的提取利用价值。

李乔仙等[45]对云南万寿菊花渣的常规营养成分进行了分析，结果表明万寿菊渣营养价值较高，适合作为反刍动物的饲料原料。肖丽萍等[47]以万寿菊渣作为原料之一制备的微生态制剂猪饲料能够有效提高瘦肉率。吴华芹[48]通过添加万寿菊渣制备的肉小鸡饲料营养较为全面，能够显著提高小鸡生长速度。

5 结论与展望

随着产业扶贫战略的进一步实施，陕西省各地万寿菊等特色药用植物的种植规模和产量还将进一步增大。但目前陕西省万寿菊综合利用技术研究和应用尚处于初级阶段，主要表现在叶黄素等功能物质的基础研究缺失；现有加工企业规模较小，技术设备先进程度不够，产品以简单万寿菊叶黄素提取物为主，深加工产品较少，产品类型单一，利润率不高；产业链条不完整、资源利用率较低，整个产业附加值不高。亟需突破万寿菊加工技术瓶颈，打通万寿菊种植和开发利用环节，实现产业发展和扶贫攻坚目标。

1）密切跟踪万寿菊叶黄素等生物活性物质的最新基础研究进展，通过校企合作适当开展针对万寿菊叶黄素加工终端产品相关生物活性以及多酚、黄酮等水溶性成份生物活性等方面的基础研究，为相关产品开发提供科学依据。

2）围绕万寿菊叶黄素产品开发，重点开展适合于规模化生产的亚临界等新型提取技术研发与应用，降低生产成本，提高产品质量；加强微胶囊和软胶囊等高附加值终端保健食品研发，实现产品形态的升级换代，提高产品利润率。

3）针对万寿菊残渣等副产物开展综合利用技术研发，制备高附加值的多酚、黄酮等健康食品原料以及饲料添加剂等，提高资源利用效率，降低资源整体开发利用成本，丰富加工产品类型。