亚临界水在生物大分子中的应用进展

杨诗奇，张晨，李超*，崔珏

徐州工程学院食品工程学院（徐州 221018）

中国轻工业的发展在整个国民经济中占有显赫的地位，但是这种以牺牲环境来换取经济发展的做法越来越不被提倡。随着公众环保意识不断被唤醒，越来越倾向于找到并使用更加绿色、高效的新技术来代替传统技术。发现特殊状态下的水（即亚临界水、超临界水）可以作为良好的萃取剂，无毒无污染且可多次利用[1]。作为一种新型溶剂，试图扩大这种特殊状态下的水的应用范围。因此，综述亚临界水的概念、特性及在生物大分子中的应用现状，针对其存在的主要问题进行分析，并对其发展趋势进行展望。

1 亚临界水的概念

在常温常压下水是液态，而在加压状态下，水的沸点会升高，温度足够高时，水的相态不会因压力的改变而发生变化，能恰好使水维持气态的温度称为临界温度。水的临界温度为374 ℃，在高于沸点低于临界温度下，加压使水以液相的形式存在的状态称为亚临界水（SW）。

2 亚临界水的特性

在亚临界的状态下，水分子热运动增加，因此SW的许多性质都会发生改变，主要表现在3个方面：（1）具有酸、碱催化剂的催化功能。温度升高有利于水的电离，可用作酸、碱催化剂。（2）具有类似有机溶剂的特性，压力不变时水的介电常数随温度的升高而降低，如在5 MPa下，水的温度由100 ℃升至200 ℃，其介电常数将由56变为35，介于常温常压下的甲醇和乙腈的介电常数之间，说明SW具有类似有机溶剂的特性。（3）在SW中会加快物质的化学反应速率，缩短反应时间。温度上升，反应速率加快，水的黏度和表面张力随着温度的升高而降低，有利于物质的传递和渗透。

3 在生物大分子中的应用

3.1 在多糖中的应用

3.1.1 功能性多糖

亚临界水萃取技术（SWE）是用亚临界水萃取物质成分的一种新型萃取技术。SWE与其他设备联用可以达到1+1＞2的提取效果，同时还具有提取时间短等特点。Yang等[2]比较热水萃取、超声波提取（UAE）、SWE、超声强化亚临界水萃取技术（USWE）在提取枸杞多糖得到的产量、性质和生物活性中的差别，试验证明USWE是4种方法中提取枸杞多糖最有效的方法，提取率达到14%。Alboofetileh等[3]用不同的提取工艺对提取岩藻多糖进行比较，通过试验比较，得知黏菌酶辅助SWE提取的岩藻多糖的抗病毒活性最高，得率也最高，达到13.15%，而UAE提取率最低，仅3.6%。此外，杜易平等[4]利用微波辅助SWE提取杨黄多糖，在微波的辅助下提取率为19.68%，是加热回流法的2.27倍。李昊阳[5]用挤压膨化的预处理方式辅助SWE提取玉米皮多糖，试验表明，挤压膨化的预处理不会改变玉米皮多糖的结构，还可使其产率得到提升。

3.1.2 纤维素

亚临界水技术在膳食纤维提取、纺织纤维回收以及纤维素降解等发挥积极作用。张百胜等[6]用不同压力、温度、时间下的亚临界水提取麸皮中的膳食纤维，结果表明，在15 MPa下，用230 ℃的亚临界水提取麸皮27 min后，可溶性膳食纤维的得率为45.3%，与理论值46.5%十分接近。张亚芳等[7]用亚临界水水解技术（SWH）处理废旧纺织品以实现纺织纤维重复利用的目的，结果表明，相比于真空条件，在SW中糖苷键更易发生断裂，水解纤维素需要的能量更低。同时，在SW中纤维素的产率得到了提升，这为工业回收纺织纤维提供新思路。赵洋等[8]在亚临界水中加入离子液体催化大豆皮中的纤维素水解成还原糖，结果表明，双-（3-甲基-1咪唑）亚丁基二硫酸氢盐在试验的5种离子中催化纤维素水解的活性最高，在水温175.4 ℃，液固比80∶1（mL/g）的情况下保持4.74 min，葡萄糖得率为50.78%，与理论值51.49%十分接近。张保钢[9]的研究表明，在亚临界水中纤维素氧化效率较好，能得到较高产率的甲酸、乙酸。在210～250 ℃条件下，反应时间1 h，纤维素的转化率最高可达到100%，产物得率基本最高；在亚临界水中加入催化剂，可使纤维素氧化具有一定选择性。

3.1.3 半纤维素

SW提取半纤维素可以弥补传统提取方法存在的不足之处，并且用SWH降解纤维素可获得具有工业价值的五碳糖。王飞运[10]通过试验证实，用SWE提取大豆皮中的半纤维素可行，在150 ℃，处理60 min条件下，提取得到的半纤维素的得率最高，同时解决碱法提取残留液不易处理的问题。吕惠生等[11]在SW中加入有机酸等（如醋酸、乳酸）水解甜高粱渣中的半纤维素来获得五碳糖。结果表明，在180 ℃的SW中添加质量分数1%的有机酸（乳酸∶醋酸=6∶4），水解40 min，木糖得率最高，可达75.4%，同时副产物的种类也低于不添加有机酸或者只添加一种有机酸的种类。此外，Torres-Mayanga等[12]研究用SWH处理啤酒厂废料中的半纤维素来获得五碳糖，结果表明，阿拉伯糖为主要产品，其次是木糖。随着流速和液料比增加，阿拉伯糖产量增加，水解后半纤维素含量降低约90%。

3.1.4 果胶

不仅可用SW提取果胶，还可通过SW处理果胶来制备低甲氧基果胶，同时SWH处理果胶还可以得到能对碳钢起到缓蚀作用的保护膜。苗壮等[13]用SWE提取猕猴桃皮渣中的果胶，试验得出在液料比11.3∶1（mL/g）和137 ℃条件下，用SWE提取5.2 min，果胶得率可达11.40%，是传统方法的2～4倍；并且随着果胶得率上升，其抗氧化性也随之升高。陈剑兵等[14]将柑橘果胶粗提液置于SW的条件下处理30 min，结果表明，温度越高，果胶的降解程度越高，但是温度过高，反而会影响果胶的得率和品质，综合考虑，用120 ℃的SW制备低甲氧基果胶效果较好。用SW处理的果胶，其单糖成分并未显著变化，但是单糖含量却不同程度降低，由此推断亚临界水可能是通过打断中性糖支链和半乳糖醛酸聚糖主链之间的连接来实现对果胶的改性。与此同时，果胶中的低分子半乳糖醛酸含量的上升，提高果胶的纯度，降低果胶酯化度。需要注意的是，与未处理样品相比，用SWH制备的低甲氧基果胶的重金属含量略微上升。贺圣龙等[15]用SWH处理苹果果胶，对不同分子量的果胶在1 mol/L的HCl溶液中碳钢的缓蚀效果进行分析。试验得出温度较低时果胶分子量越小，缓蚀效果越好，而温度较高时与之相反。

3.2 在蛋白质中的应用

亚临界水不仅可以提取原料中的多肽和蛋白质，而且还可以改性蛋白质。Hu等[16]用USWE提取出的S. platensis蛋白能分离出11种抗糖尿病多肽。结果表明，提取得到的螺旋藻蛋白可以增加糖原含量，提高己糖激酶和丙酮酸激酶活性。卢薇等[17]以高温豆粕为原料，加入β-葡萄糖苷酶后，用SWE提取其中的蛋白质，结果表明，用酶辅助SWE得到的蛋白质含量高于碱溶酸沉法制备的高温豆粕蛋白含量，且该法得到的大豆蛋白抗氧化性也高于天然的大豆蛋白的抗氧化性。涂宗财等[18]以卵清蛋白为研究对象，用SW改性蛋清蛋白，从而拓宽其应用范围。结果表明，用亚临界水处理过的卵清蛋白的颗粒直径显著降低，提高卵清蛋白起泡性，是未用SW处理的3.7倍，并且起泡稳定性也有不同程度提高，最高是未用SW处理的3.3倍，而乳化性也有明显提高，同时乳化性随着时间和温度的增加而逐渐趋于平稳。

3.3 其他

李霄虹等[19]用亚临界水对杉木碱木质素的解聚反应进行研究，结果表明，在325 ℃条件下，杉木碱木质素的残渣率最低，为18.7%。SWH降解杉木碱木质素得到的产物较为复杂，含有多种物质，如酚类、酮类等。

4 结语

亚临界水作为一种绿色环保无污染的技术，无论在萃取物质还是在催化反应等方面都受到国内外学者青睐，亚临界水和多种技术联用更是可以达到比以往更好效果，且所涉及的领域范围逐渐变广。但是由于亚临界水的特殊性质，这就要求被处理的原料及设备是具有一定的耐热性和耐腐蚀性，这就无形中增加了成本；SWE萃取得到的副产物较多，后续分离较为繁琐，也使成本也在间接升高。

未来可寻找新型复合材料或者联用其他技术，降低生产成本，使亚临界水技术可以更好地应用于生物大分子的工业生产中；可通过研究亚临界水中的化学反应的过程，改性生物大分子使其产生新的目标产物，如何减少副产物生成，如何实现产率的可控调节等问题依旧需要进一步探索。