薇菜多糖和黄酮的提取及其生物活性研究进展

翟丽媛，石曾卉，刘多，赵晨皓，胡彦波，王婷婷

（1.长春大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130000；2.长春师范大学生命科学学院，吉林 长春 130123；3.吉林大学临床医学院，吉林 长春 130000；4.长春净月潭生态园林建设工程有限责任公司，吉林 长春 130000）

薇菜，又名紫萁（Osmunda japonica），属紫箕科紫箕属多年生草本蕨类植物[1]。薇菜在我国分布较为广泛，东北地区、武陵山区和湖北恩施州等地均有分布，其中东北为薇菜的主要产区[2]。薇菜质脆，富含多糖、黄酮和其它营养成分[3]，具有抗氧化、抗病毒、抗肿瘤和抗菌[4]等多种活性。薇菜因其较高的食药用价值和保健价值，是目前国际市场紧缺的高档天然无污染绿色食品[5]。但由于目前对薇菜的理论研究不够全面和深入，导致薇菜相关产品较少。本文对薇菜的主要营养成分多糖和黄酮的提取及其生物活性进行了系统全面地总结，旨在为薇菜的深入研究及其在食品和医药等行业的开发应用提供理论参考。

1 薇菜中主要营养成分

1.1 多糖

薇菜多糖是一种庞大且结构复杂的糖类物质[6]，除了对机体的生长发育和代谢有重要作用外[7]，还具有抗氧化[8]、抗菌[9]和抗肿瘤[10]等功能。膳食纤维作为一种特殊的多糖，在维持人体健康方面有着重要的生理调节作用[11]。研究表明，薇菜中膳食纤维的含量在蕨菜、鱼腥草和菊苣等9种野菜中最高[12]，因此，薇菜具有开发成为高品质膳食纤维产品的潜力。

1.2 黄酮类物质

黄酮类物质作为一种植物次生代谢产物，在薇菜中含量十分丰富。研究表明，同一部位、不同生长期的薇菜中黄酮含量不同，同一生长期、不同部位的黄酮含量也不同，在1.00%～5.00%。夏艳等[13]对同一环境下不同生长期的薇菜各部位的黄酮类化合物进行测定，结果表明，同一部位、不同生长期的薇菜黄酮含量差异明显；同一生长期，不同部位薇菜黄酮类化合物含量也存在明显差异，其中根状茎的黄酮含量最高，叶的黄酮含量最少。此外，薇菜中的黄酮类物质[14]可以减少细胞内活性氧的产生，减少自由基，具有防止氧化的功能。

2 薇菜多糖提取及纯化

2.1 薇菜多糖的提取

多糖的提取是进行后续生物活性研究的重要基础。目前，提取薇菜多糖的方法主要包括热水提取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法和酶辅助提取法等[15]。

2.1.1 热水提取法

热水提取法提取多糖具有操作性强和经济环保等优点，是目前多糖提取最常用的方法。采用热水提取法提取薇菜多糖时，考察的主要因素包括料液比、浸提时间和浸提温度。郭凤领等[16]以薇菜干粉为原料，利用热水提取法提取薇菜多糖，通过单因素试验和正交试验确定最优提取工艺条件为料液比1∶20（g/mL）、浸提时间6 h和浸提温度90℃，薇菜多糖类化合物提取率可达到5.91%。何义发等[17]以薇菜叶为原料，利用热水提取法提取薇菜多糖，通过设计单因素和正交试验确定最佳提取条件为料液比1∶10（g/mL）、浸提时间2.5 h、浸提温度100℃和浸提次数2次，在此条件下，薇菜多糖得率为1.10%。石倩茹等[18]以薇菜为原料，在沸水浴中用1∶50（g/mL）料液比提取3次，每次5 h，得到可溶性薇菜多糖，其多糖得率未进行测定。综上所述，目前热水提取法制备薇菜多糖，多采用较高温度的热水提取，但提取薇菜多糖的料液比和浸提时间存在较大差异。因此，若想确定热水提取法制备薇菜多糖的稳定工艺，仍需进一步试验探究。

2.1.2 微波辅助提取法

微波辅助提取法相比其它方法，具有提取率高和用时短等优点。薇菜多糖的微波辅助提取工艺考察的因素除了料液比、浸提时间和浸提温度，微波功率也是影响多糖得率的主要因素。张钟等[19]以热水提取法为基础，利用微波辅助提取技术从薇菜中提取薇菜多糖，在单因素试验的基础上，利用响应面试验得出薇菜多糖最佳提取条件为料液比1∶32（g/mL）、浸提时间35 s、微波功率539 W，在此条件下，薇菜多糖得率为15.74%。与热水浸提法相比，薇菜多糖的得率有了较明显提高，但由于设备费用较高，将微波辅助提取法用于大规模生产具有一定的局限性。

2.1.3 超声波辅助提取法

超声波辅助提取法具有提取时间短、能耗低和效率高等特点。超声波辅助提取薇菜多糖的工艺除了考察料液比、浸提时间和浸提温度外，超声功率也是影响多糖得率的主要因素。林薇等[10]以薇菜干粉为原料，通过响应面法优化超声-微波协同萃取薇菜多糖确定最佳条件为料液比1∶35.23（g/mL）、浸提时间250.21 s和微波功率353.31 W，在此条件下薇菜多糖的最大提取率为0.24%。李雪影等[20]以紫萁干为原料，采用超声波辅助碱解法提取紫萁干可溶性膳食纤维，通过单因素试验确定紫萁干可溶性膳食纤维最佳提取条件为料液比1∶23（g/mL）、超声时间25 min、浸提温度54℃、超声功率380W、NaOH质量浓度0.02g/mL和碱解时间90min，在此条件下，可溶性膳食纤维得率可达38.39%。与热水提取法和微波辅助提取法相比，超声波辅助提取法对薇菜多糖的提取率并没有提高，表明超声波可能对薇菜水溶性多糖具有一定的破坏性。但是超声波辅助提取法所提取的膳食纤维较多，具有较高的应用价值。

2.1.4 酶辅助提取法

酶辅助提取法能够解决传统热水提取法提取温度过高和提取率低的问题，是目前多糖提取较常用的辅助方法。酶辅助提取法提取薇菜多糖考察的主要因素包括加酶量、溶液pH值、酶解时间和酶解温度。杨华等[21]以薇菜干为原料，采用α-淀粉酶工艺和碱液水解工艺提取纤维素，利用响应面法优化提取工艺条件。结果表明，在α-淀粉酶加入量0.7%、溶液pH5.8、酶解时间1.0 h和酶解温度35℃时达到最大酶解率，酶解率为60.68%；在最佳碱解工艺条件为料液比1 ∶10（g/mL）、NaOH 浓度 0.5 mol/L、碱浸泡时间 2.0 h、碱浸泡温度65℃时，不溶性膳食纤维提取率为38.86%。李刚凤等[22]以薇菜干为原料，利用α-淀粉酶提取薇菜中不溶性膳食纤维，通过单因素试验和正交试验确定最佳条件为α-淀粉酶浓度1.0%、料液比1∶20（g/mL）、柠檬酸缓冲溶液pH5.8、酶解时间4.5 h和酶解温度30℃，在此条件下，薇菜不溶性膳食纤维的提取率为74.28%。酶法提取所获得的多糖以不溶性多糖为主，其提取率与前3种提取方法相比具有明显的优势。

薇菜多糖以水溶性多糖为主，在提取方法的选择上应以热水提取法为主，超声波、微波和酶法等技术作为辅助手段。因此为提高薇菜多糖的得率，应结合多种提取方法进行工艺条件的优化。

2.2 薇菜多糖的分离纯化

多糖的纯度在一定程度上决定其生物活性，制备高纯度多糖能够为多糖的结构和活性研究奠定基础，有利于开发具有生物活性的新化合物[23]，因此，对多糖进行分离纯化是十分必要的[24]。目前常用的分离纯化薇菜多糖方法有溶剂法、离子交换层析法和分子筛柱层析法[15]。

张钟等[19]采用溶剂法对薇菜多糖进行脱色纯化，并利用单因素试验得出H2O2浓度25%、脱色时间2 h、脱色温度40℃和H2O2加入量50%为薇菜多糖脱色工艺的最佳条件。李磊等[7]利用离子交换柱层析法和分子筛柱层析法对薇菜多糖进行分离纯化，通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）和高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）鉴定，证明其纯度较高；由于其纯化过程是在逐渐增强离子强度的梯度洗脱下进行，因此推断薇菜多糖主要以酸性糖为主。戴金凤等[25]采用离子交换柱层析法对薇菜多糖进行分离纯化，进一步通过酸水解、糖腈乙酸酯衍生物和气相色谱分析法研究薇菜多糖的单糖组成和摩尔比。结果发现，薇菜多糖由木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成，且它们的摩尔比为Xyl∶Man∶Glu ∶Gal=0.4∶0.33∶0.17∶1。柯琼华等[8]利用Sevage法和SephadexG-200柱层析法对薇菜多糖进行分离纯化，并通过红外光谱和HPLC分析，得到薇菜多糖的单糖组成为木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖醛酸、鼠李糖、岩藻糖和其他3种未知成分。石倩茹等[18]采用SephadexG-200柱层析法分离纯化薇菜可溶性多糖，利用单因素试验和多因素试验确定上样量3 mL、洗脱液浓度0.1 mol/L NaCl和洗脱速度5 mL/min为最佳的分离纯化条件。综上所述，目前针对薇菜多糖的分离纯化研究相对较少，主要集中在脱色素、除蛋白以及简单的层析柱纯化，并未对纯化后的组分进行分子量以及电荷均一性的测定。因此，对薇菜多糖进行精细的分离纯化并深入研究均一组分结构特征显得尤为重要。

2.3 薇菜多糖生物活性研究进展

天然多糖具有重要的生物活性，能够调节免疫系统、诱导肿瘤细胞凋亡[26]和预防心血管疾病的发生[27-28]，在功能食品和临床药物上得到了广泛的开发和应用。研究表明，薇菜多糖具有抗氧化、抑菌消炎和抗肿瘤等生物活性。

2.3.1 抗氧化活性

多项研究发现，薇菜多糖可以有效清除ABTS+·、O2-·和·OH等多种自由基，具有较好的体外抗氧化活性。柯琼华等[8]通过单因素试验，考察纯化后薇菜多糖浓度对ABTS+·清除能力的影响。结果表明，随着薇菜多糖质量浓度的增加，清除ABTS+·的速率加快，清除ABTS+·的IC50（半数抑制浓度）为0.27 mg/mL。何义发等[17]测定薇菜多糖的抗氧化能力，结果表明薇菜多糖能有效抑制和清除O2-·和·OH，对于自氧化反应虽然不能阻断，但是起到了延缓作用。其中薇菜多糖对O2-·的抑制率随多糖浓度增加而增大，其EC50（半数有效浓度）值为0.77 mg/mL；当薇菜多糖浓度在0.2 mg/mL～0.6 mg/mL时，对·OH的抑制率逐渐升高，当多糖浓度为0.6 mg/mL时，其抑制率达到最大为64.59%。关于薇菜多糖的抗氧化性研究，目前以体外清除自由基的试验为主，其机制研究尚未有相关报道。

2.3.2 抑菌消炎活性

多糖抗炎功能是通过调节炎性因子表达量和抑制炎症关键酶的活性而产生[29]。目前，薇菜多糖已被证实具有抑菌性，但消炎作用还尚未证明。

Liu等[9]为了延长番茄的保存时间，研究了薇菜多糖对番茄采后贮藏的9种常见腐败菌和病原菌的抑制作用。结果表明，薇菜多糖对多种供试菌株具有广谱抗菌和抗真菌活性，测出对蜡样芽孢杆菌的最低抑制浓度为0.15 g/L。为了研究薇菜多糖抑菌活性的应用价值，该研究小组[30]将不同浓度薇菜多糖加入成膜材料羧甲基纤维素钠中制备成浸提液用于番茄保鲜研究，经过试验验证，该浸提液可以有效抑制番茄腐烂。张秀玲等[31]将羧甲基纤维素、薇菜多糖和茶多酚组合制备成一种复合涂膜，用来保鲜油豆角，结果表明，该复合涂膜明显抑制油豆角腐烂的发生。根据以上试验结果可知，薇菜多糖具有良好的抑菌效果，具有用于果蔬保鲜贮藏的潜力。

2.3.3 抗肿瘤活性

薇菜多糖作为一种新型生物活性多糖，具有一定的体外肿瘤抑制活性。林薇等[10]通过细胞毒性试验检测薇菜多糖的抗癌能力。结果表明，随着薇菜多糖浓度的升高，癌细胞的存活率逐渐下降，IC50为0.474 mg/mL。当薇菜多糖浓度为10 mg/mL时，对癌细胞的抑制率达到了72.65%。由此可知，薇菜多糖具有较强的抑制癌细胞活性的功能。

3 薇菜黄酮类物质

3.1 薇菜黄酮类物质的提取

薇菜黄酮类化合物的提取方法包括传统方法和新兴方法。传统方法以有机溶剂萃取法[32]为主，新兴的方法包括超声波辅助提取法[33]、微波辅助提取法和闪式提取法等。

3.1.1 有机溶剂萃取法

有机溶剂萃取法根据“相似相溶”原理对目标化合物进行提取，虽然存在提取时间长、提取温度高和溶剂用量大等缺点，但因其设备简单和操作简便，目前仍作为黄酮类化合物提取的主要方法。田国政等[34]以薇菜叶为原料采用有机溶剂萃取法提取薇菜黄酮，其最佳条件为料液比1∶25（g/mL）、乙醇体积分数60%、浸提时间1.5 h和浸提温度70℃，得率可达1.29%。李凤霞等[35]以薇菜为原料，通过单因素试验和正交试验确定薇菜黄酮的最佳提取条件为料液比1∶20（g/mL）、乙醇体积分数70%、浸提次数2次、浸提时间1.5 h和浸提温度65℃，在此条件下提取薇菜黄酮含量为15.99%。张莉等[36]以新鲜薇菜为原料，考察不同溶剂对薇菜黄酮类化合物得率的影响，确定最佳提取溶剂为丙酮。其最佳提取条件为料液比1∶120（g/mL）、丙酮浓度50%和水浴温度70℃，此时黄酮得率为7.76%。但由于丙酮易挥发且有毒，对人体健康造成伤害并对环境造成污染，而乙醇的成本低、易操作、更安全，且乙醇和丙酮溶剂对提取率的影响相差不大，因此采用同样的正交试验确定乙醇作为溶剂提取的最佳条件为料液比1∶120（g/mL）、乙醇浓度50%和水浴温度90℃，在此条件下得率最高为7.69%。综上所述，目前有机溶剂萃取法提取薇菜黄酮类化合物的最佳溶剂为乙醇，但根据乙醇的浓度、浸提温度和浸提次数的不同，薇菜黄酮的最终得率也会有一定差异。

3.1.2 超声波辅助提取法

超声波辅助提取法会在溶剂中产生局部高温和高压，从而提高溶剂的透过率和有效成分的提取率[37]。与传统有机溶剂提取法相比，超声波辅助提取法具有温度低、时间短的优势。符群等[38]以干制薇菜为原料，经过超微粉碎后，采用减压超声波辅助醇提法提取薇菜黄酮，通过响应面法确定最佳条件为料液比1∶60（g/mL）、乙醇体积分数 49.97%、超声温度 70.19℃、超声功率300 W和提取压力0.08 MPa～0.10 MPa，此条件下，薇菜黄酮的提取率为（11.90±0.20）%。田宜柏[39]以薇菜为原料，利用超声波萃取法提取薇菜粗黄酮，采用聚酰胺柱层析法分离纯化粗黄酮，通过单因素试验确定最佳条件为上样量3 mL（浓度为0.75 mg/mL）、洗脱流速200 mL/h和乙醇浓度70%，此时薇菜黄酮类化合物的洗脱率为14.45%。与有机溶剂萃取法相比，超声波辅助提取法对薇菜黄酮的提取率有较低程度提高，但由于成本较昂贵导致其无法用于大批量提取薇菜黄酮。

3.1.3 微波辅助提取法

微波辅助提取法可使薇菜细胞在高温高压下通过微波迅速破裂，细胞中的有效成分溶解在溶剂中，提高目标成分的提取率[40]。与溶剂提取法和超声波辅助提取法相比，微波辅助提取法可明显缩短提取时间，有利于薇菜中黄酮类化合物的提取。杨辑等[41]以薇菜为原料、乙醇为溶剂，采用微波辅助方法提取薇菜异黄酮，通过单因素试验确定微波辅助提取薇菜异黄酮的最佳工艺条件为乙醇体积分数80%、浸提时间5 min、浸提温度50℃和微波功率400 W，在此条件下，薇菜异黄酮的提取率为0.38%。与有机溶剂萃取法及超声波辅助提取法相比，微波辅助提取法的得率明显下降，推测微波处理对薇菜黄酮具有一定破坏性。

3.1.4 闪式提取法

闪式提取法是利用闪式提取器，依据组织破碎提取原理，将物料快速破碎至适当粒度，同时通过高速搅拌和超强振动等功能来达到提取目的，具有短时、高效、简便和范围广的提取优点[42-43]，目前已广泛应用于中药有效成分的提取。徐宁[44]以紫萁贯众药材为原料，将紫萁酮和芦丁转移率作为评价指标，结合单因素试验与正交试验优化紫萁贯众的闪式提取工艺。结果表明，料液比1∶25（g/mL）、乙醇浓度75%和浸提时间1 min为闪式提取法提取紫萁酮和芦丁的最佳工艺条件，在此条件下，紫萁酮的提取率为60.32%，芦丁的提取率为68.10%。与前3种薇菜黄酮提取方法相比，闪式提取法的得率具有较大程度提高，但由于该方法较为新颖，技术参数还有待完善，因此目前应用范围较局限。

综上所述，薇菜黄酮的提取方法随着科技的进步在不断发展，但传统方法因操作简单、得率较高，仍在广泛应用。因此，创新提取方法和优化提取条件有利于提高薇菜黄酮得率。

3.2 薇菜黄酮类物质生物活性研究进展

黄酮类化合物具有抗自由基、抗菌、抗病毒、抗癌、抗氧化和抗衰老等良好的生理功能，且来源广泛、安全性高[45]。研究表明，薇菜黄酮类物质同样具有免疫调节、抗氧化和抑菌消炎等生物活性。

3.2.1 抗氧化活性

在具有高化学反应性的生命活动中，人体会持续产生不同类型的活性氧。过量的活性氧，容易引起脂质过氧化和某些酶的氧化，以及大量蛋白质的氧化和降解，导致一系列疾病，因此抗氧化功能的研究备受关注[46]。符群等[38]以减压超声法和常压超声法作为辅助条件，采用有机溶剂萃取法提取薇菜黄酮并对其进行体外抗氧化试验。结果表明，两种方法提取出的薇菜黄酮均具有较高的抗氧化活性，其对DPPH自由基的 IC50分别为 0.117 mg/mL和 0.119 mg/mL；对 ABTS+·的IC50分别为0.072 mg/mL和0.076 mg/mL；总还原能力均高于VC。李凤霞等[35]将薇菜黄酮的提取液按照梯度分别加入猪油中，置于60℃左右的恒温培养箱中。结果表明，薇菜黄酮类化合物对猪油具有一定的抗氧化作用，并且随着添加量的增加，其抗氧化活性逐渐增加。当薇菜黄酮类化合物的添加量达到0.5%时，抗氧化效果与0.02%的抗氧化剂二丁基羟基甲苯（butylated hydroxytoluene，BHT）相似。由以上结果可知，薇菜黄酮具有良好的抗氧化活性，但其具体反应机理有待于进一步研究。

3.2.2 抑菌消炎活性

薇菜黄酮已通过试验证实具有抑菌性和消炎作用，可用于治疗脓肿溃疡、炎症等病症，具有极高的药用价值。杨辑等[41]通过正交试验确定微波辅助提取薇菜异黄酮的最佳条件后，对薇菜异黄酮进行抑菌活性研究，包括薇菜异黄酮对供试菌的生长抑制作用和最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）值测定。结果表明，薇菜异黄酮对细菌、霉菌和啤酒酵母都有很强的抑制效果，其抗菌谱较宽；薇菜异黄酮对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC为6.25%，对根霉的MIC为12.5%，对枯草芽孢杆菌和啤酒酵母的MIC为25%。李凯等[47]利用紫萁贯众醇提取物分离出的单体成分为对羟基苄叉丙酮（4-hydroxybenzylideneacetone，HBAc）和 3，4-二羟基苄叉丙酮（3，4-dihydroxybenzylideneacetone，DHBAc），通过建立小鼠全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）模型，研究保护作用和机制。结果表明，HBAc和DHBAc能显著改善SIRS小鼠呼吸频率、体温、外周血白细胞数、血糖和炎症因子分泌等异常变化。

3.2.3 免疫调节活性

近年来研究发现，薇菜黄酮类物质能够提高免疫细胞和免疫器官的功能。因此，对机体内外免疫均具有一定的调节作用。郎爽等[48]将紫萁贯众中分离出的化合物分别与18种流感病毒神经氨酸酶（neuraminidase，NA）进行分子对接，通过神经氨酸酶抑制剂试验验证各种化合物对NA活性的抑制作用。结果表明，紫萁贯众中的异银杏双黄酮能够很好抑制流感病毒神经氨酸酶。根据上述试验结果可知，薇菜黄酮具有良好的免疫调节活性，但相关研究较少，有待于深入探索。

4 展望

目前健康养生备受人们关注，薇菜中富含多种营养物质，以“山菜之王”和“山珍”闻名中外，其营养保健功能顺应了时代发展的要求。我国近些年对薇菜多种营养成分的功能性研究还不够深入，没有充分地开发和利用薇菜的营养价值。因此，以薇菜为原料，深入研究其营养成分的结构组成和生物活性将为薇菜以及各类山野菜功能性食品的开发提供理论基础，有利于推动东北地区野生资源的精深加工产业发展。