莲废弃物活性成分的提取及其生物活性的研究进展

潘振辉，文雨欣 ，郑青松，邱舒娴，袁 毅，张 霞3，李 冰3,

（1.广州酒家集团利口福食品有限公司，广东广州 511442；2.华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州 510640；3.广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室，广东广州 510640）

莲（Nelumbo nuciferaGaertn.）是一种睡莲科莲属多年生水生草本植物，我国已有2000多年的种植历史，目前中国几乎所有省份都有广泛种植，莲种植面积最大的地区位于长江中下游，包括湖北、江苏、浙江、安徽、江西和湖南[1]。莲藕（莲的根茎）和莲子（莲的种子）是莲的可食用部位[2]，都是传统的中式美食。

近年来在食品加工业中也出现了许多基于莲的加工食品，例如莲子汁饮料、莲蓉月饼、膨化莲子粉和莲子淀粉等[3]。但这些加工食品的生产过程中会产生大量莲废弃物，如莲蓬、莲衣、莲子壳、莲子心等。这些非可食部分往往被直接丢弃，未得到充分利用[4]，造成了莲资源的浪费，同时对环境也造成不好的影响。莲蓬、莲子心皆富含黄酮、酚酸类物质[5]，莲子心中还含有多糖[6]和生物碱[7]，这些成分具有抗氧化、调脂减肥、抗炎抑菌、抗抑郁和抗癌等活性[8]。基于莲子加工产业中产生的大量废弃莲蓬、莲衣、莲子壳和莲子心，本文综述了莲废弃物中的活性成分及其提取方法和生理活性，为后续的深入研究和相关产品开发利用提供参考依据。

1 莲废弃物中的主要活性成分

莲蓬、莲子心、莲子壳和莲衣的形态结构如图1所示，其中含有的主要活性成分有多酚类物质、生物碱和多糖。多酚（Polyphenol）是一类广泛存在于植物体内的具有多元酚结构的次生代谢物，按糖苷的化学结构对多酚进行分类，多酚类物质主要包括酚酸、类黄酮、多酚酰胺类等，类黄酮又可以进一步分为花青素、黄烷-3-醇、黄酮、黄烷酮、黄酮醇等[9]。生物碱（Alkaloid）是一类含氮的碱性有机化合物，大多数有复杂的环状结构，氮元素多包含在环内[10]。生物碱具有光学活性，是中草药中重要的有效成分之一[10]。多糖（Polysaccharide）是由多个单糖分子脱水缩合而成的，它是自然界中分子结构复杂且庞大的大分子物质，在动植物和微生物中起着重要的作用[11]。莲的不同部位因其植物中的形态、组成以及所起的作用不同，各部位所含的活性成分也有所差异。

图1 莲废弃物的形态结构Fig.1 Morphological structure of lotus wastes

1.1 莲蓬的活性成分

莲蓬（Lotus Seedpod），又称莲房，是莲的成熟花托，外观呈漏斗状或倒圆锥状，表面具细纵纹和皱纹，顶面有多数圆形孔穴，基部有花梗残基[12]。

莲蓬中富含多酚类物质[5]，其多酚类物质主要是花青素。研究表明莲蓬原花青素在莲蓬中的含量高达7.8%[13]，主要是由儿茶素、表儿茶素、没食子儿茶素和表没食子儿茶素所形成的二聚体和三聚体，但也存在单体[14]。此外，采用紫外-可见吸收光谱、傅里叶变换红外光谱、薄层层析和液相色谱等方法可鉴定出莲蓬醇提取物中含有槲皮素[15]。

莲蓬中也存在部分生物碱类化合物，与莲子心完全不同，莲蓬中的生物碱类化合物近似于荷叶中的生物碱类化合物，主要有N-甲醇-荷叶碱、N-乙酰-荷叶碱、N-乙酰-番荔枝碱等[16]。

1.2 莲子心的活性成分

莲子心（Lotus Plumule）是莲成熟种子中间的绿色胚根，即莲子除去子叶的胚。莲子心略呈细棒状，绿色，长1～1.4 cm，直径约2 mm[12]。莲子心资源的开发利用一直是关注的热点，这是由于其活性成分种类较多，包括生物碱、黄酮类化合物、甾醇及其酯、挥发油和多糖。

生物碱类物质是莲子心中的主要活性成分之一，经统计，目前已从莲子心中分离纯化得到的生物碱物质有48种[8]，主要包括莲心碱、甲基莲心碱、异莲心碱等。其中研究较多的是甲基莲心碱和异莲心碱。

莲子心所含的多酚资源也十分丰富，这些酚类物质主要是黄酮类化合物，例如金丝桃苷和柚皮素。目前从莲子心中分离提纯所得到的黄酮类化合物多达31种，其中大部分是以木犀草素和槲皮素为母核的化合物。不同品种莲子心中的黄酮类化合物含量也存在一定区别：Liu等[17]使用高效液相色谱-紫外检测法和电喷雾电离三重四极杆质谱仪对4种莲品种的莲子心黄酮进行了分析比较，结果表明4个品种的黄酮成分相似，但黄酮含量却存在显着差异，广昌县的白莲中总黄酮含量最高，为1595.86 mg/100 g。

国内外关于莲子心多糖的研究较少，但已有研究者提取到了分子量均一的莲子心多糖。陈培琳等[18]测定了莲子心多糖的红外光谱，结果显示莲子心多糖主要以呋喃环形式存在，糖苷键类型以α-型糖苷键为主。俞远志[19]利用气相色谱-质谱联用仪测定了莲子心多糖的单糖组成，结果显示莲子心多糖的单糖组成为L-阿拉伯糖、α-D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖。Liao等[6]对莲子心多糖的化学成分进行了表征，结果表明莲子心多糖的中性糖成分包括木糖（10.0%）、葡萄糖（1.6%）、果糖（15.0%）、半乳糖（3.3%）和岩藻糖（3.5%）。

1.3 莲子壳的活性成分

莲子壳（Lotus Seed Epicarp）一般指莲子外皮，是莲子果实的外壳，主要由纤维素组成。莲子壳作为莲子果实的不可食部分，在食品加工中长期被直接丢弃或作肥料使用。目前对莲子壳各类有效成分的研究很不充分，已确定含有的是多酚类物质。余修亮[14]利用高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用法对莲子壳原花青素粗提物的结构进行了鉴定，分析出了16种原花青素，其组成单元与莲蓬原花青素类似，也为儿茶素、表儿茶素、没食子儿茶素、表没食子儿茶素。Ma等[20]通过羟丙基葡聚糖凝胶色谱、超高效液相色谱-飞行时间质谱联用法分离鉴定了莲子壳多酚的化学组成，包括矢车菊素-3-O-葡萄糖苷、原花青素二聚体、原花青素三聚体、根皮甙、槲皮素己糖苷异构体等。蒋蕾[21]通过超高效液相色谱-三重四极杆飞行时间质谱联用技术对莲子壳中主要活性成分进行了分离鉴定，最终鉴定出26种酚类物质，包括6种酚酸、12种类黄酮和8种原花色素。

1.4 莲衣中的活性成分

莲衣（Lotus Seed Coat）是莲子果实的种皮，区别于莲子壳，它薄如纸状，夹在莲子壳与莲子肉之间，包被着莲子肉。随着种子的成熟，莲衣颜色由白色逐渐加深变成棕色，在食品加工中通常作为莲子的副产物而被除去。目前国内外对莲衣有效成分的研究还停留在初步分析的阶段。陈轩等[22]对莲衣的化学成分进行了初步的粗分析，结果表明莲衣中含有酚类化合物、鞣质、皂苷、蒽醌类、黄酮类和生物碱等活性成分。李杨[23]采用超声辅助提取法对莲衣中的多糖和生物碱进行了提取，随后纯化得到了N-甲基衡州乌药碱、前荷叶碱、甲基莲心碱三种生物碱。潘国庆等[24]建立了HPLC测定莲衣没食子酸含量的方法，测定其含量为2.7513 mg/g。张露等[25]测定了莲衣提取液中的总酚含量、总黄酮含量、总三萜含量和总缩合单宁含量，分别用每克干物质中的没食子酸当量（GAE）、槲皮素当量（QuE）、齐墩果酸当量（OAE）和儿茶素当量（CaE）来表示：155.28±9.87 mg GAE/g、5.19±0.23 mg QuE/g、181.07±12.07 mg OAE/g、36.13±1.86 mg CaE/g。

2 莲废弃物中活性成分的提取及分离纯化方法

2.1 活性成分的提取方法

天然产物的提取分离技术主要分为有效成分的常规提取分离方法和现代提取分离技术。溶剂提取法、水蒸气蒸馏法等常规提取方法由于提取温度高、提取时间长、对材料的干湿程度和植物的粉碎程度要求较高，因此局限性较大，热敏性天然产物容易失活。目前对于多酚类等热稳定性较差的天然产物，通常采用超声技术、微波技术或酶浸渍结合溶剂热法等现代提取方法提取，大大提高了天然产物的提取效率，而且较大地保留活性。

国内大量研究对莲废弃物多酚、生物碱类物质的提取方法进行了创新和优化。表1对本文涉及到的提取方法进行了小结和对比。操作简便、设备易得的溶剂热法和热回流法效率和得率较低，时间成本高；超声辅助、微波辅助和酶辅助法能够极大地提高提取效率和得率，但由于对提取物的要求和影响各不相同，因此需要根据目标化合物的具体情况来选择合适的方法。部分研究者对提取方法进行了创新，其提取物得率高于其它方法：采用亚临界水萃取提取莲蓬多酚，优化其提取工艺条件后莲房多酚得率高出传统热水萃取法得率22.01%[26]；孙俊杰[27]采用表面活性剂-超声协同提取莲子心总生物碱，利用2%的癸基葡糖苷（APG0810）表面活性剂降低提取液表面张力，增强超声提取的效果，工艺优化后莲子心生物碱的平均提取率比单纯的超声辅助提取法得率增加了8.82%。但目前这些新方法的成本较高，难以进行推广和应用。不同产地的莲活性物质的含量具有差异，可能造成活性物质提取率存在差异。

表1 活性物质提取方法Table 1 Extraction methods of bioactive compounds

2.2 活性成分的分离纯化方法

从莲的不同部分提出的活性成分粗提物仍需经过进一步地分离纯化。在活性成分的分离纯化过程中，研究者通常会结合利用多种分离纯化方法，得到较纯的化合物。溶剂萃取分离法常用于多酚类物质的分离纯化中，一般使用于色谱法之前，用于脱脂等初步除杂处理。

多酚在后续的纯化过程中主要采用柱层析法，这是分离纯化化合物应用最为广泛的方法[36]，具有工艺简单、吸附性独特、成本低、使用周期长、污染小等优点，且适用于工业化大量生产。国内已有研究者优化了莲蓬[37]、莲子心[38]和莲子壳[39]多酚类物质的柱层析纯化工艺。不同提取物的最优柱填料或有不同，但通过对柱填料的静态吸附和解吸能力进行考察，AB-8、D101等大孔吸附树脂是莲废弃物多酚类物质分离纯化常用的柱填料，因其吸附和解吸效果较优，纯化后的物质纯度较高。李秋哲[40]通过考察聚酰胺树脂对莲子心黄酮的吸附能力、解吸能力、吸附动力学特征、动态吸附-解吸过程，优化了莲子心黄酮的聚酰胺树脂柱层析纯化工艺，优化后的莲子心黄酮纯度可达56%。

生物碱的纯化方法主要有酸溶碱沉法和大孔树脂吸附法，其中大部分研究者采用大孔树脂吸附法进行纯化，但酸溶碱沉法纯化后得到的莲子心总生物碱含量更高[38]，可达80%。非极性树脂对莲子心中的生物碱吸附性能，总体上优于极性和弱极性类树脂[30]。研究者[41−42]考察了D101、AB-8、HP-2MG和HPD-600四种大孔树脂的吸附-解吸性能，其中纯化效果最理想的是D101大孔树脂，纯化后的莲子心总生物碱纯度可达70.98%，甲基莲心碱纯度可达70.0%。

多糖在纯化过程中一般使用透析、膜分离法结合色谱法，得到分子量均一的多糖。莲子心多糖的提取一般采用水提醇沉法。俞远志[19]通过沸水提取、乙醇沉淀、中性酶和Sevag法除蛋白，得到莲子心粗多糖，随后以不同洗脱剂通过DEAE-纤维素DE-32柱层析、葡聚糖凝胶G-100柱层析和丙烯基葡聚糖凝胶S-200柱层析，得到两种分子量分别为4.97×104Da和2.96×106Da的均一多糖。

3 莲废弃物的生物活性

莲废弃物中的多酚、生物碱类物质和多糖具有多种生物活性，并且不同种类的物质也可能具有类似的功能，如多酚、生物碱类物质和多糖都具有良好的抗氧化性能；多糖和多酚类物质都能够改善血脂血糖状况，具有抗炎活性。表2小结了已发掘的莲废弃物中活性成分的生物活性。

表2 活性成分的生物活性Table 2 Biological activities of bioactive compounds

3.1 莲废弃物中多酚类物质的生物活性

3.1.1 抗氧化活性 多酚类物质的结构使其具有较好的抗氧化性能，这是由于其酚羟基结构中的邻位酚羟基很容易被氧化成醌类结构，同时对活性氧等自由基具有很强的捕捉能力。本文中所提及的莲蓬多酚、莲子心多酚、莲子壳多酚和莲衣多酚都具有良好的抗氧化活性，主要体现在具有较强的自由基清除能力。

莲蓬原花青素对DPPH·和·OH的清除能力均强于Vitamin C，且总还原能力与Vitamin C基本持平[43]。0.1%的莲蓬原花青素在大豆油中具有较强的抗氧化作用，效果优于同剂量的BHT（一种常用的食品脂溶性抗氧化剂）[44]。莲子壳多酚在HepG2细胞中可以显著促进抗氧化蛋白的表达[45]，在体外试验中则表现出较好的DPPH·、ABTS·+清除能力，可作为食品添加剂和α-淀粉酶抑制剂使用[20]，但随着莲子成熟度增加，莲子壳多酚的抗氧化能力逐渐下降[46]。

3.1.2 改善血脂血糖状况 近年来血脂异常、糖尿病等慢性疾病较为普遍，常见于中老年人，因此调节人体脂质代谢和糖代谢对预防心血管疾病、糖尿病等有着极其重要的作用。Li[47]的一项高脂血症大鼠体内研究中，莲蓬低聚原花青素能够降低大鼠的总血清甘油三酯和总胆固醇，并提高高密度脂蛋白水平；消化试验的结果表明，富含莲蓬低聚原花青素的乳液中游离脂肪酸的释放速率降低，部分归因于其对脂肪酶的抑制作用，莲蓬低聚原花青素通过调节脂肪乳化和消化来部分地调节脂质稳态。Cao[48]发现将莲子壳原花青素和莲蓬原花青素给药小鼠后，可以显着抑制小鼠体重和白色脂肪组织的增重，并降低血瘦素水平，改善血清和肝脏的胆固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平；莲子壳原花青素和莲蓬原花青素均可改善肥胖小鼠的肥胖，胰岛素抵抗和氧化损伤。

3.1.3 抗癌细胞增殖功能 莲废弃物抗癌细胞增殖功能研究多停留在体外水平，抗增殖活性成分主要为生物碱类，但近年来也有研究表明莲蓬和莲子壳多酚类物质具有抗增殖作用，研究对象以人肝癌细胞HepG2较为常见。莲蓬原花青素对人肝癌细胞、人口腔表皮样癌细胞、人肺癌细胞、人胃腺癌细胞、人黑色素瘤细胞等生长具有较好的抑制作用。莲蓬原花青素能抑制人肝癌细胞HepG2的DNA合成能力，使其细胞分裂过程停留在G2期[49]，诱导细胞凋亡。莲蓬原花青素具有较小的细胞毒性，通过施加适量莲蓬原花青素可明显抑制人口腔表皮样癌细胞的生长，使细胞形态发生变化，诱导细胞凋亡并引起细胞坏死[50]。Yan等[51]使用亚临界水从莲子壳中提取多酚，发现亚临界水提取的莲子壳多酚对人肝癌细胞HepG2细胞的抗增殖能力比传统热水提取的高。

3.1.4 其它活性 此外，多酚类物质还具有抗辐射、抗菌、抗炎、抗糖化和改善记忆障碍作用。对全身辐照的白化病小鼠施予200 mg/kg剂量的莲蓬原花青素，可降低辐照小鼠的脾脏、皮肤和骨髓染色体损伤，维持其脾指数接近正常，起到预防放射病的作用，莲蓬原花青素具有较强的全身放射防护活性，可以用作放射防护剂[52]。莲蓬b型低聚原花青素能够通过干扰产肠毒素大肠杆菌的细胞膜结构和功能实现其抑菌作用，其在高浓度时能够抑制产肠毒素大肠杆菌菌株的生长[53]。莲子心中的黄酮类化合物能够抑制炎症介质和促炎细胞因子的产生，起到抗炎作用[54]。莲蓬低聚原花青素在牛血清白蛋白-葡萄糖模拟体系中具有显著的抗糖化活性，能够清除反应中的活性羰基化合物，在蛋白糖基化过程中有效地保护牛血清白蛋白的二级结构[55]。在乳糖-赖氨酸模型中莲蓬低聚原花青素在较高浓度、较低温度下也能够有效地抑制晚期糖基化终产物的形成[56]。莲房原花青素能够改善老年SD大鼠记忆障碍，降低老年记忆障碍大鼠脑组织中氧化应激以及氮化应激损害，改善胆碱能系统功能[57]，从而改善其学习记忆能力。但莲蓬原花青素对衰老引起的记忆损伤的修复作用是有限的，并不能使其回到正常水平[58]。

3.2 莲废弃物中生物碱类物质的生物活性

3.2.1 抗增殖作用 莲子心总生物碱对人胃癌细胞、乳腺癌细胞、结肠癌细胞和肝癌细胞具有较好的抗增殖作用，这些细胞的半数抑制浓度值分别为0.055、0.093、0.108、0.131 mg/mL[59]。甲基莲心碱可以使人骨肉瘤细胞的细胞周期停滞在G1，有效抑制癌细胞生长，但对非肿瘤性人成骨细胞却没有此作用，这意味着甲基莲心碱或可用于预防和治疗癌症[60]。Poornima[61]对甲基莲心碱在人肺腺癌细胞（A549）中的作用进行了评估和表征，认为甲基莲心碱可以作为一种新型的凋亡诱导剂在肺癌细胞中发挥作用。

3.2.2 神经保护作用 小鼠的强迫游泳试验证明，莲心碱、甲基莲心碱和异莲心碱都具有抗抑郁样作用[62−63]，其抗抑郁样作用与血清素能机制密切相关。小胶质细胞的活化与多种神经退行性疾病有关。在脂多糖激活的小胶质细胞中，莲心碱、甲基莲心碱和异莲心碱可以抑制其中一氧化氮和细胞因子的释放，阻断了活性氧的产生，从而抑制脂多糖诱导的小胶质细胞活化[64]。Chen[65]研究表明莲子心总生物碱通过调节脑源性神经营养因子介导的内质网应激和自噬而减弱脂多糖诱导的抑郁样行为。莲子心生物碱在伴随小胶质细胞活化的神经退行性疾病的治疗中具有发展潜力。

3.2.3 松弛平滑肌作用 平滑肌细胞遍布机体各处器官，如胃、肠、血管、呼吸道外壁等。平滑肌的异常收缩与高血压、哮喘和胃肠失调等多种疾病相关。熊一力等[66]以自发性高血压大鼠为模型，研究了莲心碱对血管平滑肌细胞增殖的作用及对生长因子及相关癌基因表达的影响；结果表明莲心碱在降低大鼠血压的同时，能逆转血管平滑肌细胞增殖时血小板衍生生长因子B亚单位（PDGF-B）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）抗原及原癌基因c-sis和c-myc的mRNA表达增强。莲子心总生物碱和甲基莲心碱能通过抑制血小板衍生生长因子（PDGF-Rβ）介导的信号传导使血管平滑肌细胞增殖和迁移，从而减弱新内膜的形成[67]。莲子心生物碱对心血管疾病有一定的预防作用。

3.2.4 其它活性 莲子心生物碱具有较好的自由基清除能力，可以抑制组织过氧化，还具有抗病毒、护肝等作用。莲心碱、甲基莲心碱和异莲心碱可直接清除DPPH·、·OH和·ONOO−[64]。莲子皮总生物碱也具有较好的抗氧化活性，当浓度达到12.11 μg/mL时，其对DPPH·的清除能力要优于抗坏血酸[23]。从莲子心中分离得到的一系列双苄基异喹啉类生物碱化合物对艾滋病病毒有一定的抑制作用，这为未来开发抗艾滋病药物提供一个新的方向[68]。莲子心中的生物碱通过调节小鼠的氧化应激和炎症水平，还可以预防四氯化碳诱导的肝损伤，其治疗效果可与水飞蓟素（一种常用于治疗肝脏疾病的药物）相媲美[69]。

3.3 莲废弃物中多糖的生物活性

3.3.1 抗炎活性 Liao等基于莲子心多糖的抗炎活性展开了大量研究[69−72]。莲子心多糖通过调节促炎/抗炎细胞因子基因的表达来保护脾脏和肝脏免受自发性炎症，添加适当浓度的莲子心多糖显著增加了非肥胖型糖尿病小鼠脾细胞分泌抗/促炎性细胞因子的比率，并且莲子心多糖纯化后所得的两个组分对脂多糖诱导的RAW 264.7巨噬细胞炎症都具有预防作用。

3.3.2 其它活性 莲子心多糖也表现出了一定的抗氧化活性，并能改善血糖血脂情况。Zhang等[33]测定了莲子心多糖对DPPH·、·O2−、·OH的清除活性和还原力，结果表明莲子心多糖具有良好的抗氧化活性，是一种天然抗氧化剂。Liao等[73]将莲子心多糖施予非肥胖糖尿病雌性小鼠15周，测定小鼠胰岛素、脂质水平、胰岛细胞数量及胰岛素分泌能力等指标，结果表明，莲子心多糖通过相对增加血清高密度脂蛋白胆固醇，降低低密度脂蛋白胆固醇和总胆固醇水平，改善了糖尿病小鼠的血脂状况。

4 结语

莲在我国分布广泛，种植历史悠久，但在食品加工业中莲废弃物却一直得不到有效利用。莲废弃物的主要活性成分为多酚、生物碱和多糖类化合物，这些活性物质的常见提取方法有溶剂热法、超声辅助提取法、微波辅助提取法和酶辅助提取法，未来需要更加关注新提取技术的运用以增大活性物质的提取效率，保证提取物的活性。

国内外关于莲废弃物的生物活性的研究方面取得了一些进展，其中多酚类成分具有抗氧化、抑菌、改善血糖血脂状况等生物活性；生物碱类成分具有抗增殖、抗抑郁和护肝等作用；多糖类成分主要在抗炎方面有较好的效果。但是，莲废弃物活性成分仍有较大的研究空间和开发潜力：中医古籍里有大量莲废弃物的功能性描述，但现有科学研究只能证明其部分功效的影响机制，莲废弃物活性成分的其它生物活性有待开发；莲废弃物中活性成分在抗癌细胞增殖方面已有一定研究，但研究都基于体外的细胞培养，缺少体内试验支持，实际应用存在困难，莲废弃物活性成分在人体内的功效发挥、临床实际应用仍待进一步的研究；由于多酚类物质的不稳定性，实际生产中不同成熟状态莲废弃物的多酚结构存在明显区别，导致活性物质提取的重复性不佳，未来还需要探索出稳定的方法，保证莲废弃物多酚类物质在工业化生产中的一致性。