杜仲不同部位粗胶的提取方法

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（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.湖南湘励农夫农业有限公司，湖南 祁东 421600；3.湖南省桃江县自然资源局，湖南 桃江 413400）

杜仲Eucommia ulmoidesOliv.为杜仲科杜仲属植物，分布于陕西、甘肃、河南、湖北、四川、云南、贵州、湖南、浙江等省区，现各地均有栽培[1]。杜仲是我国特有的十分重要的战略资源树种,既是重要的优质天然橡胶资源，又是重要的木本油料、名贵中药和国家储备林树种[2-4]。杜仲橡胶以固体胶丝的形式分布于杜仲果皮、树皮和叶片等部位的含胶细胞中[3,5]。含胶细胞的细胞壁主要由纤维素、半纤维素与木质素紧密结合、相互缠绕的粗纤维构成；含胶细胞间存在着果胶质、淀粉和低聚糖及大量植物生长和代谢过程中所需的酶蛋白等；杜仲叶表面的角质层由角质和蜡质两类化合物组成[5]。这些天然有机高分子化合物包围在固体杜仲胶周围，成为杜仲胶提取的屏障。因此，杜仲胶的提取需用物理、化学或生物方法破坏上述植物组织结构，并与杜仲胶分离后，才能实现杜仲胶的提取[5]。目前，杜仲橡胶的提取方法主要有化学碱浸法、机械粉碎法、微生物发酵法和综合法等[6-10]。杜仲橡胶具有“橡-塑”二重性，通过与不同的材料、以不同方式共混，可开发出橡胶热塑性材料、热弹性材料及弹性（高弹性）材料三大类用途不同的材料[2]，其应用前景十分广阔。湖南省杜仲资源丰富，但长期以来，杜仲产品加工技术等问题影响了杜仲产业的健康发展。为给湖南省杜仲橡胶产业发展及资源利用提供理论参考依据，对杜仲树叶、树皮和果壳胶的提取工艺进行了研究，探究了不同部位杜仲胶的最佳提取方法，现将研究结果分析报道如下。

1 材料与方法

1.1 材 料

试材来自湖南省慈利县江垭国有林场。供试的杜仲树皮和树叶均于5月采摘，将所采样品置于电热鼓风恒温干燥箱中于105 ℃杀青后，再于60 ℃烘干至水分不再发生变化；供试的杜仲果实于11月采摘，采后自然晾干。树叶处理：去叶梗，用粉碎机粉碎5 次，每次20 s。树皮处理：去杂质，掰成小块，以粉碎机粉碎8 次，每次20 s。果实处理：将果实剪开，剔除种仁，以粉碎机粉碎果壳；杜仲果壳坚硬，不易粉碎，粉碎的次数为10 次，每次20 s。

1.2 提取方法

1.2.1 机械法

称取粉碎后的杜仲树叶、树皮和果壳，每份20 g，水洗过滤自然风干后称重。重复3 次。

1.2.2 碱浸法

称取粉碎后的杜仲树叶、树皮和果壳各20 g，分别加入浓度梯度为5%、10%、15%、20%和25%的NaOH 溶液200 mL，于90 ℃的恒温水浴锅中加热3 h，取出后水洗过滤，自然风干后称重。重复3 次。

1.2.3 综合法

称取粉碎后的杜仲树叶、树皮和果壳各20 g，置于10%的NaOH 溶液（200 mL）中，经90 ℃恒温水浴浸提3 h，放入索氏提取器中，加入石油醚(60 ～90 ℃)150 mL，于82 ～85 ℃温度条件下抽提3 h；将提取液置于低温冷冻1 h，析出杜仲胶。重复3 次。

经上述方法提取杜仲粗胶后计算其提胶率，计算公式为：

杜仲粗胶提取率=(m1/m)×100%。

式中：m1为所提粗胶的质量，单位为g；m为样品的质量，单位亦为g。

采用OLYMPUS-SZX 体视显微镜观察按以上方法所提杜仲粗胶的外观特征，并拍照记录。

1.3 数据处理与分析

分别采用Excel 2016 和SPSS 15.0 软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 以机械法处理的杜仲不同部位的提胶率

以不同方法提取的杜仲不同部位粗胶的提取率见表1。由表1可知，以机械法处理的杜仲不同部位粗胶的提取率存在一定差异，但其差异不显著。以机械法提取杜仲粗胶，其树叶、树皮、果壳的提胶率分别为15.00%、13.35%、24.99%；杜仲不同部位的提胶率由大到小依次为果壳＞树叶＞树皮。

表1 以不同方法提取的杜仲不同部位粗胶的提取率†Table 1 Gum extraction ratio from different parts of E.ulmoides by different methods

2.2 以碱浸法处理的杜仲不同部位的提胶率

以不同浓度的NaOH 溶液处理的杜仲不同部位粗胶的提取率存在一定差异，提取结果见表1。以不同浓度的NaOH 溶液处理的杜仲树叶、树皮、果壳的提胶率呈显著性差异（P＜0.05）。经20%的NaOH 溶液碱浸后，杜仲树叶的提胶率最高，为3.49%；经5%的NaOH 溶液碱浸后，其提胶率最低，为2.56%。经10%的NaOH 溶液碱浸后，杜仲树皮的提胶率最高，为4.56%；经5%的NaOH 溶液碱浸后，其提胶率最低，为3.66%。经25%的NaOH溶液碱浸后，杜仲果壳的提胶率最高，为28.59%；经10%的NaOH 溶液碱浸后，其提胶率最低，为23.98%。杜仲树叶、树皮和果壳的最适碱浸浓度并不相同，原因在于不同部位的结构物质有差异，需用不同浓度的碱溶液处理才能达到最佳提取效果。经5 个浓度的NaOH 溶液碱浸后，杜仲不同部位的提胶率由大到小依次为杜仲果壳＞树皮＞树叶。

经5 个浓度的NaOH 溶液碱浸后，杜仲不同部位提胶率的差异性分析结果如图1所示。经不同浓度的NaOH 溶液碱浸后，杜仲树叶提胶率的差异显著（P＜0.05）；经不同浓度的NaOH 溶液碱浸后，杜仲树皮和果壳的提胶率均存在一定的差异，但均不显著。且经5 个浓度的NaOH 溶液碱浸后杜仲不同部位的提胶率并未随着NaOH溶液浓度的增加而升高。

图1 经不同浓度的NaOH 溶液碱浸后杜仲树叶、树皮、果壳的提胶率Fig.1 Gum content of E.ulmoides leaves, bark and shells after alkali leaching with NaOH solution of different concentrations

2.3 以综合法提取的杜仲不同部位粗胶的提取率

以综合法提取的不同部位杜仲粗胶提取率的差异显著（P＜0.05）。由表1可知，杜仲树叶、树皮、果壳的提胶率分别为0.25%、1.43%、2.02%；杜仲果壳提胶率＞树皮提胶率＞树叶提胶率。

2.4 以3 种方法提取的不同部位杜仲粗胶提取率的比较

以机械法、碱浸法、综合法这3 种方法提取杜仲不同部位粗胶的提取率存在显著差异（P＜0.05），提取结果如图2所示。由图2可知，以此3 种方法提取，杜仲不同部位提胶率的大小顺序为：机械法＞碱浸法＞综合法。果壳的提胶率大于树皮和树叶的提胶率；但是，以机械法提取，树叶的提取率大于树皮的提取率。

图2 以3 种方法提取的杜仲树叶、树皮、果壳粗胶得率的比较Fig.2 Gum content of E.ulmoides leaves, barks and fruit shells treated by three methods

2.5 以3 种方法提取的杜仲不同部位粗胶的外观特征

以机械法提取的杜仲不同部位粗胶的外观特征如图3所示。以机械法所提粗胶杂质较多，体视显微镜下只能观察到少量胶丝。从图3中可以看出，杜仲叶粗胶整体呈黑色，其间可见白色胶丝；树皮粗胶整体呈褐色，可见较多束状白色胶丝；果壳粗胶整体呈褐色，果壳爆裂成龟板状，与块状白色胶丝紧密相贴。

图3 以机械法提取的杜仲树叶、树皮和果壳粗胶的显微外观特征Fig.3 Microscopic appearance of crude gum from Eucommia leaf, bark and fruit shells by mechanical method

以不同浓度的碱浸后所提杜仲树叶、树皮和果壳粗胶的外观特征如图4所示。经5%的碱液处理的杜仲树叶所提粗胶为絮状胶丝，色微绿，胶中可见叶渣；经10%和15%的碱液处理的树叶所提粗胶为絮状胶丝，色微黄，胶中可见叶渣；经20%和25%的碱液处理的树叶所提粗胶为絮状胶丝，呈淡褐色，胶中可见叶渣。经不同浓度碱液处理后的树皮所提粗胶均呈白黄相间色，白色的是杜仲胶，黄色的为树皮残余杂质。经不同浓度碱液处理后的果壳所提粗胶主体为黄色，间有白色胶丝，呈分散状。以碱浸法所提不同部位杜仲粗胶所含杂质均未随着碱液浓度的增加而减少。

以综合提取法所提杜仲不同部位粗胶的外观显微外观特征如图5所示。由图5可知，与机械法和碱浸法相比，以综合法所提杜仲不同部位粗胶均较细腻，所含杂质更少。杜仲树叶粗胶呈浅黄色，有光泽；树皮和果壳粗胶均呈白色，细腻，均无杂质。

综合分析以3 种方法提取的杜仲粗胶外观特征可知，以综合法所提粗胶的外观品质最好，以机械法所提粗胶的外观效果最差，粗胶中含残渣和杂质较多，而且颜色较深。以碱浸法与综合法提取杜仲粗胶，均使用了化学溶剂，有效破坏了细胞结构，使杜仲胶更容易析出。而以机械法提取，只采用物理方法破坏细胞结构，无法有效发挥破坏细胞壁的作用，大部分杜仲胶仍存留在细胞内，故所提粗胶杂质含量较多。

3 结论与讨论

以机械法处理的不同部位杜仲粗胶的提取率存在一定的差异，但差异不显著；不同部位提胶率的大小顺序为：果壳＞树叶＞树皮。经不同浓度碱浸处理后，杜仲不同部位的提胶率呈显著性差异。杜仲树叶经20% NaOH 溶液碱浸后的提胶率最高；杜仲树皮经10% NaOH 溶液碱浸后的提胶率最高；杜仲果壳经25% NaOH 溶液碱浸后的提胶率最高。在使用碱浸法提取杜仲粗胶时，不同部位最适碱浸浓度并不相同，因此生产过程中在处理不同部位时应具体对待。经碱浸后杜仲不同部位的提胶率，果壳最高，树皮其次，树叶最低。以综合法处理的杜仲不同部位的提胶率呈显著性差异，杜仲树叶、树皮、果壳的提胶率分别为0.24%、1.43%、2.02%。分别以碱浸法和综合法提取杜仲粗胶，果壳的提胶率大于树皮和树叶的提胶率。这一研究结果与何文广等[11]、魏锦锦等[12]、游东宏等[13]和杜红岩等[14]的研究结果相似：不同部位杜仲粗胶含量由高到低的顺序均为果实＞树皮＞树叶。而以机械法提取，树叶的提胶率大于树皮的提胶率。其原因可能在于，树叶粉碎后叶渣与胶丝吸附更为紧密，以清水难以从胶丝中清除掉叶渣，所提粗胶中叶渣等杂质较多，使得粗胶的整体质量增加，最终促使提胶率升高。

图4 经不同浓度碱浸处理所提杜仲树叶、树皮和果壳粗胶的显微外观特征Fig.4 Microscopic appearance of crude gum extracted from Eucommia leaf, bark gum and fruit shells leached by different concentrations of alkali solutions

图5 以综合法所提杜仲树叶、树皮和果壳粗胶的显微外观特征Fig.5 Microscopic appearance of crude gum from Eucommia leaf, bark and fruit shell extracted by comprehensive method

以不同方法提取杜仲粗胶的提取率呈显著性差异。整体而言，机械法提胶率＞碱浸法提胶率＞综合法提胶率，这可能因为以机械法所提粗胶的杂质较多。

以3 种方法提取杜仲不同部位的粗胶其外观也有明显的差异。以综合法所提粗胶的外观品质最好，胶质细腻、色白，所含杂质较少，树叶粗胶有光泽，树皮及果壳粗胶均细腻；以机械法所提粗胶的外观品质最差，粗胶中含有较多残渣和杂质。其原因可能在于：以碱浸法和综合法提取，所使用的NaOH 和石油醚可在一定程度上除去粗胶中色素类物质及杂质；而以机械法提取，未使用化学药剂，粗胶中的色素、杂质不容易去除掉。以碱浸法所提粗胶中的杂质含量并未随着NaOH溶液浓度的升高而减少，此外，由前文所述可知，经5 种浓度的NaOH 溶液碱浸后杜仲不同部位的提胶率并未随着NaOH 溶液浓度的增加而升高，且经不同浓度的NaOH 溶液处理后，树皮和果壳提胶率的差异性均不显著；高浓度的碱对环境存在一定的污染[15]，多次水洗可能导致杜仲胶水解，聚合度降低，从而影响其物理化学性能；反复冲洗还会导致胶流失量大，降低提取率[16]；张学俊等[17]将杜仲树叶和树皮先后经过NaOH 水溶液蒸煮处理后，在索氏抽提器中以有机溶剂回流抽提，结果表明，当NaOH 溶液的浓度为5%时即可实现完全提取。因此，以碱浸法提取，所用NaOH溶液的浓度不宜太高。以机械法提取，对环境无污染[18]，但是，单一使用机械法所提粗胶的杂质含量较多，有关研究结果表明，强力破碎会造成杜仲胶分子结构和聚合度发生改变，从而影响其物理和化学性能[5]。因此，无论是在单一使用机械法时或者以机械法作为辅助方法提取杜仲粗胶时都应考虑外力强度与大小。综合法是在溶剂浸提前通过NaOH 溶液对原料进行预处理，使角质层成分、纤维素、果胶质、蛋白质等成分被分解或降解，从而保证溶剂能够充分接触并溶解杜仲胶，以实现充分提取[13]，这种提取方法具有提胶成本低、提取效率高、所提粗胶纯度高等优点，但是，提胶率相对较低，可进一步改善其提取工艺条件。为了进一步提高提取率和提取效率，也可以同时使用多种预处理方法。目前，对杜仲组织进行预处理的方法主要有机械法，碱、酸、醇等化学法[7,19]，超声法[6,20]，微波法[21]等多种方法。超声辅助技术与微波辅助技术的优点在于可显著缩短提取时间、提高提取率[6,20-21]。为了避免碱溶液和有机溶剂的使用，可考虑微生物发酵法[22-24]和生物酶解法[25-27]；其提取温度、浓度及pH 值等条件均较温和，在提取过程中不会破坏杜仲胶的分子结构和聚合度，具有环保、经济、安全等优点[22-27]；但所需提取时间相对较长。在生产上，为了高效破坏杜仲的组织结构，提高杜仲胶的提取率和提取效率，可结合使用2种甚至2种以上的提取方法。针对杜仲橡胶以固体胶丝的形式分布于杜仲果皮、树皮和叶片等器官中而不能直接收集的特殊性，中国林业科学研究院经济林研究开发中心采用蒸汽爆破技术[28]预处理和溶剂提取相结合的方法提取杜仲橡胶，取得了显著成效[2]；蒸汽爆破处理未改变杜仲橡胶的物理结构，而杜仲橡胶的分散指数变窄，使其更有利于工业加工[29-30]。在优化杜仲橡胶提取工艺时，这点可作为重要参考。研究中发现，相比于另外两种单一方法（机械法和碱浸法）而言，以综合法所提粗胶的品质最好，而其提胶率较低，而且以综合法提取，仅仅结合采用了化学碱浸处理和溶剂抽提两种方法，因此下一步优化提取工艺时可以考虑结合使用多种提取方法，在提高杜仲胶的提取率和提取效率的同时并兼顾环保、经济、安全等效果。

杜仲胶是我国特有的天然可再生生物橡胶资源，发挥其独有的资源优势，有望提升我国在世界橡胶工业领域的话语权，进而形成国际生物橡胶市场的新格局。

杜仲树皮一直以来都是名贵药材，取皮会影响植物生长，需要注意取皮的大小才能保证杜仲的自我修复[31]。杜仲果实果壳含胶量高，其种子含油，可以提取籽油，将其果壳和种子有效分离后两者都可以充分利用。杜仲树叶虽含胶量不高但总量大，粉碎后其含胶部分会相对集中些，且剩余叶渣可用来制成茶叶或其他功能饲料。因此，今后在杜仲产业的发展中，在集中开发利用杜仲橡胶的同时也可考虑开发其附加产品。