基于超声波技术的红芪多糖提取及分子修饰研究进展

李芳蓉，刘玲玲，陈 鑫，张建军

(甘肃中医药大学 药学教学部，甘肃 定西 743000)

0 引言

红芪(radix hedysari)是甘肃省重要的道地特产传统中药材，系豆科植物多序岩黄耆(原变种)(hedysarum polybotrys Hand.-Mazz.)的干燥根[1]，性微温，味甘，归脾、肺二经，具有固表止汗、升阳益气、排毒利尿消肿、排脓和敛疮生肌等功效[2，3].现代药理研究表明红芪能够强心利尿，抗病毒，提高免疫力，抗自由基[4，5]，同时还具有抑制金黄色葡萄球菌、 结核杆菌及降压作用.相关药理活性研究多集中于免疫调节、抗衰老、对心血管和内皮细胞损伤保护、减轻糖尿病并发症、降血糖、强心利尿、抗炎、抗自由基、抗病毒、抗肿瘤和神经保护作用等药理作用.红芪有滋补作用，自古除药用外，还用于做汤、炖肉、泡酒等，开发利用价值十分可观[6].

目前，恶性肿瘤已成为威胁人类生命的头号恶性疾病.因此，医药学研究者都在寻找天然优质、疗效确切、低毒无副作用的抗肿瘤药物.红芪多糖(Hedysarum polysaccharide，HPS)，低毒且免疫活性强，是红芪主要活性成分，备受医者青睐，红芪在抗肿瘤和提高免疫力方面应用前景广阔.随着老龄化社会的来临，阿尔茨海默症(Alzheimer′s disease AD)的发病率日渐升高，极大危害了老年人身心健康，严重降低其生活质量，使社会与其家庭生活及经济负担沉重.HPS具有良好的保护AD细胞模型存活率下降的作用[7].Aβ1-42诱导的SH-SY5Y受HPS作用后可以使多种蛋白表达量变化明显，这些蛋白质可能是HPS发挥抗AD作用的关键蛋白靶点.这方面的研究在蛋白质水平上可为HPS的神经保护作用机制探讨和中药新药HPS及其衍生物的研发提供科学依据和数据支持[8].HPS在抗肿瘤和阿尔茨海默症治疗中的应用，使得关于其提取与对其分子修饰的研究具有极其重要的意义.

1 中药材有效成分超声波提取及其特点

1.1 超声波在中药材有效成分提取中的应用

超声波的声学频率为2×104Hz～109Hz，频率高、波长短、穿透力强、方向性好.因超声波有许多特殊的物理性能，且无化学残留、安全性高、简便有效[9，10].因此超声波技术在工农业、医疗卫生、生物技术和食品工业等方面发挥着重要的作用.

天然药物有效成分超声波提取是指在容器内加入提取溶媒(或称介质，如水、乙醇或其他有机溶剂等)，将中药材根据需要切成颗粒状或粉碎，放入提取溶媒中；容器的外壁粘接换能器振子或将振子密封于不锈钢盒中投入容器中；当超声波发生器开启时，振子即向提取溶媒中发出超声波，高强度的超声传播伴随着一系列高强度剪切波和压缩，又产生冲击波.冲击波在提取溶媒中产生的强烈机械搅拌作用、超声空化效应、热效应和化学效应等.一方面冲击波下压力陡降形成微型空腔，导致外溢巨大能量，有效地将药材的细胞壁破碎，使中药材有效成分释放出来，呈游离状态并溶入提取溶媒中，提取效率提高[11，12]；另一方面可使提取溶媒的分子运动加快，穿透力增强，使得提取溶媒与药材中的有效成分快速接触，相互混合、溶合.因此，简言之，超声辅助提取是利用超声波产生强烈、高速的搅拌作用和空化效应，容易使中药植物细胞壁破碎，有利于有效成分的溶出和释放，提取效率提高[13].

1.2 超声波提取中药材有效成分的优势与特点

超声提取具有独特优势和特点[14]：①提取充分、效率高：超声波独具的物理特性能促使植物细胞组织变形甚至破壁，使中药材有效成分提取更充分，较传统工艺提取率显著提高达50%～500%；②提取时间短、处理量大：通常超声波强化中药材提取可在24～40 min获得最佳提取率，较传统方法提取时间大大缩短，缩短超过2/3，故药材原材料的处理量很大；③提取温度低、能耗小，对药材有效成分具有保护作用：超声提取中药材的最佳温度为40 ℃～60 ℃，能够节省大量能源，同时对药材有效成分中热稳定差、易氧化或水解的组分具有良好的保护作用；④提取适应性广泛：超声提取中药材成分不受分子量大小及极性的限制，绝大多数种类中药材和各类成分的提取均适用；⑤提取物易于分离和纯化：超声提取中药液杂质少，提取后的有效成分易于分离、纯化；⑥提取成本低、经济效益高：超声提取中药材有效成分工艺运行成本低，综合经济效益显著；⑦常压提取，安全性好，操作简便、设备易于保养维护：超声提取在自然压力下进行，操作安全，操作工艺简单，操作方便易行，超声提取设备的保养、维护都很方便.

2 中药多糖的分子修饰及超声波的分子修饰作用

2.1 中药多糖的分子修饰

国内外相关研究结果均表明，多糖的生物活性决定于多糖的分子量、分子结构、取代基种类、数目及其位置关系[15].中药多糖的分子修饰是运用物理、化学、生物等方法对其主链或侧链的某些特殊结构或功能基团进行修饰，使多糖的某些物理化学性质和空间结构发生改变，以增强其生物活性[16，17].多糖修饰一般可分为接枝修饰和降解修饰两大类，接枝修饰为多糖经修饰后多糖的功能基团和分子量有所增加，而降解修饰正好相反，通过使多糖中原有部分基团脱落来制备较低分子量的多糖.中药多糖经过分子修饰后可获得各种结构类型和各种生物活性的多糖衍生物，为多糖结构与功能关系分析奠定了基础，而结构与功能关系的研究成果直接指导着多糖分子修饰的方向，也为今后多糖类药物设计、研究和开发提供理论依据.糖分子经修饰后其空间结构、分子量及取代基种类、数目和位置等都可能发生改变[18]，而这些因素又会对多糖理化性质及其生物活性产生影响，选择适当的方法对多糖结构进行分子修饰，可改善其理化性质，增强原有生物活性或获得新的生物活性，有助于研究多糖结构和活性之间的关系.

2.2 超声波对多糖的分子修饰作用

超声波对多糖的修饰作用属于物理降解修饰，是高效、绿色的方法，操作简单，条件可控性好.与其他方法相比较，超声波降解修饰法具有节能省时、操作程序简化、反应速率快、有机溶剂使用量减少、降解过程中对多糖分子中的活性基团破坏少，对环境造成的危害显著降低等优点[19].目前的研究认为超声波降解修饰多糖主要机理为机械断键作用与自由基氧化还原反应.机械性断键作用可理解为，超声波是一种弹性机械波，溶剂分子在超声波的作用下产生激烈而快速变化的机械运动，这种快速变化的机械运动提供足够能量并对多糖分子的共价键发生剪切断键，而导致多糖分子发生降解；或者是超声波在溶剂中传播，在声强和负压足够大的作用下，使溶剂分子间平均距离增大到超过极限距离后，其结构的完整性被破坏，形成空穴，空穴爆裂时产生局部性高压和温度剧烈变化，提供自由基产生所需能量，自由基和热效应对低分子量物质较有效，机械效应对高分子物质的效应更为显著，而且机械效应随物质分子量的增加而增加.且空穴释放的冲击波能量使聚合物降解[20].溶剂类型不同，形成的自由基也不相同，所造成的超声波的反应结果也不相同[21，22].

3 超声波提取红芪多糖及对其分子修饰作用的研究

超声波的高速、强烈的空化效应和搅拌作用，使超声辅助提取多糖时中药材植物细胞壁易于破碎和多糖分子的溶出，提取效率较高[13].与传统的提取技术相比具有快速、省时、节能、高效、环保等独特优势，且因其属低温操作，更有利于保护有效成分[23]，故其在中药材有效成份的提取中的使用呈逐渐上升的趋势.

4 超声波提取红芪多糖及对其分子修饰的研究的现状和存在的问题

利用超声波技术提取红芪多糖已有研究，但研究主要集中在：通过超声波的不同功率、温度组合以及一定的料液比组合以提高红芪多糖的提取率、缩短提取时间和节约能源方面，缺少关于超声波提取中超声波的作用机理及其对HPS的分子修饰作用等方面的研究；各研究者使用的仪器不统一，实际工作中，按照文献描述进行操作的结果重现性较差；超声波的功率、频率、温度及提取液的pH值组合与所提取HPS分子量大小的关系研究相对较少；缺少用超声波对鲜红芪和干燥红芪中多糖提取的比较研究；较少进行不同条件下利用超声波提取的所得HPS的药理活性的比较研究.

5 超声波在提取红芪多糖及对其分子修饰中的应用前景与趋势

超声波辅助提取是一种重要的提取方法，具有提取率高、用时较短、温度较低、溶剂消耗较少的优势，且所得多糖多抗氧化能力较强.将超声波技术应用于中药材红芪中HPS的提取尚处于初期发展阶段，对其作用机理和分子修饰作用仅有零星的研究，此方面的应用研究前途光明，前景广阔.与微波辅助及复合酶等多种技术联用可以使用两种或多种技术优势互补，相得益彰，在提高提取效率的同时对其进行选择性的分子修饰，从而提取出用途更加广泛，药理活性更高、治疗效果更加显著的红芪多糖或其复方药剂，从而更加充分的发挥其在恶性肿瘤、阿尔茨海默病等重大疾病治疗中的独特优势.因此，进行超声波提取与多种技术联合和对分子修饰作用的研究和调控，以及所得HPS分子量大小及药理活性的对应关系的研究，将是超声波技术在中药材红芪中红芪多糖的提取中应用的重要研究方向.同时，研究各频段、不同功率组合的超声波与提取效率、分子修饰作用、所得HPS分子量大小及药理活性的对应关系，研制提取特定成分的标准超声波提取仪器等，具有重要的现实意义.

综上所述，红芪是传统中药材，富含多种药理活性成分，具有良好的临床应用前景.其药效成分之一红芪多糖，在抗肿瘤、提高机体免疫力以及治疗阿尔茨海默症等方面具有尤其显著而稳定的疗效，因而红芪多糖的提取日益受到重视.超声波提取具有独特的优势，高效、节能、省时、低温，在红芪多糖的提取中已有应用，但还存在一定的问题，如对提取所得HPS分子量大小与超声波的条件、温度及提取液pH等的关系研究相对较少；较少对比研究用超声波辅助提取鲜红芪与干燥红芪中的多糖；较少对不同条件下利用超声波提取的所得HPS的药理活性的对比研究等.