植物多糖的提取方法和工艺

植物多糖的提取方法和工艺
福建水产,2006年8月第3期
JOURNALoF'IJJIANFISHERIES
NO.3
Aug.25.2006
植物多糖的提取方法和工艺
许燕燕
(厦门大学化学工程与生物工程系,福建厦门361005)
摘要:多糖的生物活性倍受关注,其提取方法及工艺已成为目前研究焦点之一.在植物多糖提取的研
究中采用了许多不同的方法,包括溶剂提取法,酸提法,碱提法,酶解法,超滤法,超声波强化法,微波
法.本文对这些方法在不同多糖提取上的运用进行综述,以期为该领域的生产和研究工作者提供参考.
关键词:植物多糖;提取
多糖是存在于自然界的醛糖和(或)酮糖
通过糖苷键连接在一起的聚合物,它是生物体内
除蛋白质和核酸以外的又一类重要的信息分子.
它具有多种生物活性,与生物机能的维持密切相
关,与蛋白质,脂类形成的糖蛋白,脂多糖在细
胞的识别,分泌以及在蛋白质的加工,转移方面
起着不容忽视的作用.近年来,植物,海洋生物
及菌类等来源的多糖已作为有生物活性的天然产
物中的一个重要类型出现,各种多糖所具有的抗
肿瘤,免疫,抗凝血,降血糖和抗病毒活性已相
继被发现.而在菌多糖得到广泛研究的背景下,
越来越多研究人员将目光投向植物多糖.据文
献…报道,已有近100种植物的多糖被分离提取出来.
尽管许多研究已充分证明了大量植物多糖
具有各种活性,但有些多糖的提取方法和工艺尚未成熟,基于效率,成本多方面的考虑,各
种方法的开发,比较,分析,仍是研究工作的
焦点之一.
种类繁多的植物多糖,存在于植物中的部位
不尽相同.而且,一般植物细胞壁比较牢固,在
提取前需进行专门的破细胞操作,包括机械破碎(研磨法,组织捣碎法,超声波法,压榨法,冻
融法),溶胀和自胀,化学处理和生物酶降解.
因此,植物多糖提取的研究中采用了许多不同的方法,包括溶剂提取法,酸提法,碱提法,酶解
法,超滤法,超声波强化法,微波法.本文对这
些方法在不同多糖提取上的运用进行综述,以期为该领域的生产和研究工作提供参考.
1溶剂提取法
溶剂提取法是从植物中提取多糖的常用
方法,溶剂提取法首先要考虑的因素是选择溶剂,一般都应遵循相似相溶的原则,即极性强的有效成分选择极性强的溶剂,极性弱的有效成分选择极性弱的溶剂.多糖是极性大分子化合物, 应选择水,醇等极性强的溶剂.在所有溶剂中,
水是典型的强极性溶剂,对植物组织的穿透力强,提取效率高,在生产上使用安全.它能用于
各种植物多糖,被广泛应用.
用水作溶剂来提取多糖时,可以用热水浸煮
提取,也可以用冷水浸提.水提取的多糖多数是
中性多糖.一般植物多糖提取多数采用热水浸提法,该法所得多糖提取液可直接或离心除去不溶物;或者利用多糖不溶于高浓度乙醇的性质,用
高浓度乙醇沉淀提纯多糖;但由于不同性质或不同相对分子质量的多糖沉淀所需乙醇浓度不同, 它也可以用于样品中不同多糖组分的分级分离; 还可按多糖不同性质在粗分阶段利用混合溶剂提取法对植物中不同的多糖进行分离;其中,以乙
醇沉淀最为普遍.
如邱宏端等在提取枸杞,红枣,甘薯,
淮山及花菇5种原料多糖的优化条件中,加水比例分别为:枸杞,红枣l:10,花菇l:15,甘薯
l:3,淮山l:9;提取温度:80～95c【=;提取时
第3期许燕燕:植物多糖的提取方法和工艺33
间1～3h.5种原料在优化条件下的多糖提取率
相对于植物取样质量分别为:枸杞51.8%,红
枣53.2%,花菇28.2%,甘薯18.8%,淮山
18.3%.
李宏燕等在紫菜粗多糖提取方式研究中,
热水提取控制条件为:温度为2O～100oC,水与
紫菜的液固质量比(2O～5O),提取时间3O～
240rain.最终得率为2.05%.
周峙苗得到热水浸提羊栖菜多糖的最佳
因素:浸提温度为煮沸(102oC),pH为3.0,
浸提时间为3h,固液比为1:40.
李战对三种紫球藻的提取工艺研究表明,
三种紫球藻的最佳提取工艺各不相同,铜绿紫球藻的最优提取工艺为乙醇浓度50%,乙醇用量
为3倍体积,醇沉时间为1.5h;氯仿与正丁醇
的比例4:1,样液与Sevag试剂的比例1:2,作
用时间为15rain.淡色紫球藻的最优提取工艺为乙醇浓度75%,乙醇用量为2倍体积,醇沉时
间为1h:氯仿与正丁醇的比例3:1,样液与Sevag试剂的比例1:2,作用时间为45min.血色紫球藻的最优提取工艺为乙醇浓度50%,乙醇用量为1倍体积,醇沉时间为0.5h;氯仿与正
丁醇的比例4:1,样液与Sevag试剂的比例2:1, 作用时间为45min.
溶剂提取为常用的传统方法之一,有自身的
优点.如不需特殊设备,成本低等,但此法往往
提取效率低且费时,因此,近年来,伴随着现代
工业工程技术的迅猛发展,一些现代高新技术不断被应用到植物多糖的提取中.
2酸提法
有些多糖适合用稀酸提取,并且能得到更高
的提取率.
如赵宇等对海蒿子多糖的提取方法研究
发现,从硫酸根含量及粗多糖产率看酸提方法好于水提方法.其具体酸提方法如下i取100g海蒿子干粉,加入1000ml0.1molPLHC1溶液提取, 室温搅拌1h后过滤,重复操作三遍,合并滤液, 滤液减压浓缩至总体积的1/5,再加入95%乙醇至乙醇浓度达30%,沉淀,离心除去沉淀中的
褐藻酸.继续向上清液中加入乙醇至乙醇浓度达70%,室温放置过夜使沉淀完全,离心,沉淀干
燥得海蒿子粗多糖c2.多次试验算得平均产率为3.35%.
孟宪元等[9在茜草多糖提取研究中,发现
相对于水提,以稀酸提取茜草多糖,产品纯度较高.具体方法如下:茜草根粗粉1000g,5%HC1
浸泡,离心,取上清液加入EtOH并调节至浓度为70%,静置,2500rpm离心,收集棕色沉淀
物,95%EtOH洗涤3次,以4%HC1溶解,加
1%活性炭脱色,真空抽滤,滤液4~C过夜,弃
去容器底部少许沉淀物,溶液置透析袋内,逆水法透析3日,冷冻干燥,得白色粉末约10g(多
糖A).
但酸提法有其特殊性,只在一些特定的植物
多糖提取中占有优势,目前报道的并不多.而且即使有优势,在操作上还应严格控制酸度,因为酸性条件下可能引起多糖中糖苷键的断裂.
3碱提法
与酸提类似,有些多糖在碱液中有更高的提
取率,尤其是提取含有糖醛酸的多糖及酸性
多糖.采用稀碱提取:多为0.1～1M氢氧化钠, 氢氧化钾,为防止多糖降解,常通以氮气或加入硼氢化钠或硼氢化钾.
如HayashiKatsuhiko-】发明了一种从绿色藻
类中提取酸性多糖的方法,而这种多糖用常规的热水法是无法得到的.具体过程为:将干燥的绿藻粉末制成悬浮液,热水浸泡提取或将含水绿藻直接用热水提取后离心分离,取黏稠的固状物, 加入碱水,在pH值大于等于1O的条件下再行搅拌提取,碱水提取液在搅拌的同时加入酸水调节pH值至3～4,静置沉降后离心得酸性多糖. 同样,碱提优势也是因多糖类的不同而异.
与酸提类似,碱提中碱的浓度也应得到有效控制,因为有些多糖在碱性较强时会水解n¨.另外,稀酸,稀碱提取液应迅速中和或迅速透析,
浓缩与醇析而获得多糖沉淀.
4酶提法
酶技术是近年来广泛应用到有效成份提取中
福建水产总第110期
的一项生物技术,在多糖的提取过程中,使用酶可降低提取条件,在比较温和的条件中分解植物组织,加速多糖的释放或提取.此外,使用酶还
可分解提取液中淀粉,果胶,蛋白质等非目的产物,常用的酶有蛋白酶,纤维素酶,果胶酶
等.
如孟江¨研究不同酶对大枣渣多搪提取效
果的影响,根据多糖得率,多糖含量及蛋白质含量进行综合评分得到最适合酶为复合酶2(先胰蛋白酶提取,后木瓜蛋白酶提取),接下来依次
是木瓜蛋白酶,复合酶1(木瓜蛋白酶+胰蛋白酶),胰蛋白酶,胃蛋白酶(pH=7),胃蛋白酶
(pH=2).复合酶2作用条件温和,多糖得率及
含量较高,且蛋白含量较低,实为一种理想的酶提取剂.通过进一步正交实验考察得出最佳工艺:先用胰蛋白酶3%,40倍体积在pH=7,
65℃温浸1.5h后,再加木瓜蛋白酶2.5%,在
pH=7,50℃水温浸lh,过滤残渣加4O倍体积水.迅速升温至8O℃,温浸1.5h.
又如周峙苗L6得到酶解法提取羊栖菜多糖
的最佳实验参数为:加纤维素酶量为8%(
藻粉),加果胶酶量为4%(酶/藻粉),pH3.0,
酶解时间为3h,酶解温度为5O℃
酶提法的优势越来越受到研究人员的关注,
因此有众多关于各种酶在多种植物多糖提取中的应用的报道.此外,新酶的开发利用也有着广阔
的前景.
5超滤法
超滤是一种膜分离技术,所采用的超滤膜能
够从水和其他液体中分离出很小的胶体和大分子.由于超滤膜具有不对称微孔结构,且采用磨
擦流道和湍流促进结构,减少膜污染,使得在分
离过程中大分子溶质和微粒(如胶体,淀粉等)
随溶液切向流经膜表面,而小分子物质和溶剂则在压力驱动下穿过致密层上的微孔而进入膜另一侧,因而超滤膜可以长期连续使用并保持较恒定的产量和分离效果.将超滤膜用于多糖这种生物活性物质的分离,具有不损害活性,分离效率
高,能耗低,设备简单,可连续生产,无污染等
优点.
陈正行[1采用截留分子量为1万道尔顿的
内压式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维超滤膜,
提取米糠这种谷物加工的副产物中的植物脂多糖(1ipopolysaccharide,LPS),有效地使蛋白和多糖
杂质含量分别下降85.5%和89.6%.
茶多糖提取L】'中,与沉淀法和醇沉法相比,
超滤所得的茶叶粗多糖略低,但是多糖含量高,
杂质少,便于茶多糖的进一步分离纯化.
而对于金针菇多糖的提取u引,超滤浓缩与
传统的加热浓缩相比具有如下优点:浓缩条件温
和,多糖损失小,速度快,节约能源,浓缩的同
时可除去小分子杂质和色素.
6超声提取
超声提取法L2是应用超声波强化提取植物
多糖的方法,是一种物理破碎过程.超声波是频率在20KHz以上的声波,对媒质主要产生独特的机械振动作用和空化作用.当超声波振动时能产生并传递强大的能量,引起媒质以大的速度加速进入振动状态.使媒质结构发生变化,促使有效成分进入溶剂中,同时,超声波在液体中还会产生空化作用(即在有相当大破坏应力的作用下,液体内形成空化泡的现象).空化泡在瞬间
涨大并破裂,破裂时吸收的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来,形成高温和高压的环境,同时伴随有强大的冲击波和微声波,从而破坏细胞壁结构,使其在瞬间破裂,植物细胞内的有效成份得以释放,直接进入溶剂并充分混合,从而提高提取率.此外,超声波还产生许多
次级效应如热效应,乳化,扩散,击碎,化学效
应,生物效应,凝聚效应等也能加速植物有效成份在溶剂中的扩散释放,有利于提取.与常规提取法相比,超声波提取可缩短提取时间,提高提取率,所以超声提取在植物多糖的提取中得到广泛应用.
李军生等u副发现,超声处理可使南瓜多糖
的提取时间缩短,在一定范围内随着超声波的使用功率的增大,提取所得的南瓜总糖,还原糖和多糖的产量也随之提高,温度与超声波可以协同作用,共同提高南瓜多糖的提取率.
而对于大枣渣多糖,孟江¨研究发现,超
第3期许燕燕:植物多糖的提取方法和工艺35
声60rain多糖得率及含量均最高,因此超声提取多糖的优化工艺为大枣渣加4O倍体积水,超声60rain,70%的乙醇沉淀.
以超声波有效强化提取植物多糖的还有:王
谦等n用超声波提取海带多糖,王航宇等用
超声波提取甘草多糖,赵兵等¨副用超声波提取海藻多糖.
7微波提取
微波是频率介于300MHz和300GHz之间的
电磁波,微波提取的原理是微射线辐射于溶剂并透过细胞壁到达细胞内部,由于溶剂及细胞液吸收微波能,细胞内部温度升高,压力增大,当压
力超过细胞壁的承受能力时,细胞壁破裂,位于
细胞内部的有效成份从细胞中释放出来,传递转移到溶剂周围被溶剂溶解.此法提取时间短,提
取率高,是强化固液提取过程颇具发展潜力的一项新型辅助提取技术.
王白军等¨首次运用微波技术从白芥子中
提取出多糖,反应速度大大加快,收率提高.半
枝莲,金樱子¨,知母运用微波技术提取
多糖的高效性也相继被证实.
刘青梅等¨在微波浸提与热水浸提比较的
基础上,进行了紫菜多糖微波提取工艺正交优化试验和微波不同提取方式对紫菜多糖提取率的影响研究.结果表明:微波提取优于热水提取,微
波冻融提取效果最佳,提取率最高达7.45%,
而热水提取率为2.05%.影响微波浸提的主要
因素为浸提时间,其次是微波功率和液固质量
比.优选方案为微波功率200W,提取时间
8rain,水与紫菜液固质量比40:1.真空冷冻干
燥紫菜多糖质量明显优于减压热风干燥和常压热
风干燥.
江和源等以微波辅助提取技术,分别考
查了提取溶剂,微波功率,提取时间,固液相比
等因素对提取茶叶多糖效果的影响,并与热水浸
提法进行比较.结果表明在微波辅助下,水和
20%乙醇提取多糖的效果好,微波功率越高越有
利于多糖提取,总提取时间以60min以上为宜,
液固相比达到15:1即可.该技术与传统热水浸
提法相比较,提取率高,节省时间,明显提高了
提取效率.
值得注意的是微波和超声波辅助提取可以提
高有效成分的提取得率,缩短提取时间,但有时
会造成提取物的组分更加复杂,分离困难j.
植物多糖的提取方法和技术在不断革新,对
于同一种方法和技术又不断在不同的植物多糖中
研究,考察.本文仅为研究和生产工作者提供参
考.在选取方法时,研究和生产人员应当关注目
标多糖的性质,特点,综合比较,进行实验,才
能选取最佳方法和工艺.
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ExtractionMethodsandTechniquesofPolysaccharides
xuYah-yah
(DepartmentofChemicalandBiochemicalEngineering,XiamenUniversity,Xiamen36100 5,China)
Abstra~:rnlepolysaccharidehasmanykindsofbioactivltleswhicharewatchedbyalotofrese archers,anditsextractionmeth-
edsandtechniqueshavebecomeone0fthefocusesofthepresentresearches.Inthestudyofpol ysaccharidesextractionfor
plants,alargeamountofme~odshavebeenused,suchassolventextraction,acidextraction,al kaliextraction,enzymeextrac-
tion,ultl"afiltrationextraction,ultrasonicextraction,andmicrowaveassistedextraction(M AE).spapersulnRlea-izestheex- tractionmethodsandtechniquesofthepolysacchridesmentionedabove,inthehopeofprovid ingtheresearchworkinthisfield
withsomereferrences.
Keywords:plantpolysacchride;extraction。