紫山藥主要活性成分提取純化技術研究進展

王彥平,湯高奇,謝克英,孫瑞琳,古　洋,錢志偉

(河南農業職業學院食品工程學院，河南鄭州 451450)

?

紫山藥主要活性成分提取純化技術研究進展

王彥平,湯高奇,謝克英,孫瑞琳,古洋,錢志偉*

(河南農業職業學院食品工程學院，河南鄭州 451450)

紫山藥富含天然花青素、多糖、薯蕷皂苷、多酚、尿囊素等生物活性成分,因此具有抗氧化、免疫調節、耐缺氧、抗衰老等保健功能。歸納整理了紫山藥活性成分的研究現狀,對紫山藥花青素、多糖、薯蕷皂苷、尿囊素等的性質、提取、分離純化技術研究進展進行綜述,以期為我國紫山藥的綜合開發利用提供參考。

紫山藥,活性成分,提取,研究進展

紫山藥(Dioscoreaalata)是薯蕷科(Dioscoreae)山藥屬(DioscoreaL.)一年生或多年生蔓生植物,又名參薯、腳板薯等。其塊莖質脆有黏性,富含淀粉、膳食纖維、礦物元素、氨基酸、花青素、黏質多糖、尿囊素和薯蕷皂苷等多種營養和活性成分[1-3],具有抗氧化、免疫調節、降血糖、降血脂等保健功能。《本草綱目》記載其具有補脾胃、益肺腎、消渴,可治慢性泄瀉、虛勞咳嗽、氣虛衰弱等病癥[4],是我國重要的經濟植物及藥食同源的綠色蔬菜佳品。近年來,隨著提取分離技術的應用和發展,對紫山藥活性成分的提取分離純化技術研究逐步深入。如何提高紫山藥活性成分提取率,進一步分離純化,研制出紫山藥深加工產品,已成為國內外學者的研究熱點。本文就目前國內外關于紫山藥活性成分提取技術及保健功能方面的研究現狀進行綜述,旨在為紫山藥的綜合開發利用提供科學依據。

1　紫山藥花青素

1.1性質

1.2提取

1.2.1溶劑提取法溶劑提取法一般遵循相似相溶的原則,采用蒸餾水、有機溶劑作為溶劑。由于紫山藥花青素在酸性條件下較穩定,通常采用酸性溶劑進行提取。從安全角度出發,花青素的提取通常采用鹽酸、蘋果酸、酒石酸、檸檬酸的水和乙醇溶液。劉水英等[5]和倪勤學等[10]研究均表明,以鹽酸-乙醇作為溶劑時紫山藥花青素提取率最高,可能原因是鹽酸-乙醇溶液的極性與紫山藥花青苷的最為接近,且鹽酸為強電解質,電離出的H+可與花青苷結合形成更為穩定的烊鹽而利于紫山藥中花青苷的溶出。王澤鋒等[11]對比蒸餾水、乙醇、檸檬酸、鹽酸作為提取溶劑,結果顯示以0.5%檸檬水溶液作為溶劑時紫山藥花色苷提取率最高,最佳工藝參數:檸檬酸濃度3.0%,提取時間2.5 h,料液比1∶20 g/mL,提取溫度65 ℃,花色苷得率為0.574%。

表1　紫山藥中花青素的提取測定方法及結果

由于紫山藥花青素的主要成分為矢車菊素和芍藥色素,且多為酰化物,穩定性較高,但溶劑提取法提取時間較長,對花青素存在一定的破壞和流失,難以高效利用資源,因此新方法如超聲波、微波、酶法等輔助提取方法得到了應用。

1.2.2超聲波、微波輔助提取法超聲波、微波輔助技術是近年來廣泛用于植物活性成分提取的方法。超聲波輔助提取技術主要利用超聲波振蕩產生的空化作用和次級效應,可在細胞周圍形成微流,在細胞內形成環流,從而提高細胞壁和細胞膜的通透性,使活性成分高效溶出,因此縮短了提取時間、提高了活性成分提取率。微波輔助提取是利用結構不同化合物吸收微波的能力差異,使細胞成分被微波選擇性加熱,導致細胞結構發生變化,從而提高有效成分溶出的程度和速度[12]。

阮思蓮等[13]利用超聲波輔助提取紫山藥花青素,得到的最佳工藝參數:料液比1∶6 g/mL、提取溫度30 ℃、提取時間30 min、超聲波功率300 W,花青素得率4.57 mg/100 g(鮮重)。裴志勝等[14]采用超聲-微波協同萃取紫參薯花青素,得到最佳條件為,恒溫模式時,超聲功率50 W、料液比1∶48 g/mL、萃取時間283 s、微波控制溫度46 ℃,紫山藥花青素提取率達79.38%,較時間模式下高10.63%,總花青素得率為4.37 mg/g(干重)。

1.2.3生物酶法提取生物酶法提取是利用生物酶反應高度專一性等特點,選擇相應的酶,將植物細胞壁的組成成分水解或降解,從而破壞細胞壁結構,使活性成分充分溶出,達到提高提取率的目的。

霍艷榮等[15]研究表明,纖維素酶對紫山藥花色苷的提取效果較顯著,最佳提取條件:纖維素酶用量2.0%,提取時間60 min,提取溫度50 ℃,料液比1∶15 g/mL。肖杰等[16]對比了酶法和乙醇提取法、纖維素酶和果膠酶對紫山藥提取效果的影響,結果顯示,酶法提取效果優于乙醇提取法,纖維素酶提取效果優于果膠酶,纖維素酶法提取條件:酶添加量為2 mg/g紫山藥粉,料液比1∶30 g/mL,溫度70 ℃,時間20 min。

1.3分離純化

紫山藥花青素提取液中含有淀粉、蛋白質、無機鹽等雜質,為提高紫山藥花青素的色價和純度,需對提取液進行純化。目前采用的方法主要為大孔吸附樹脂法。

用陽離子交換樹脂靜態吸附取出紫山藥花青素提取液雜質,以鹽酸-乙醇為洗脫液來交換洗脫,再濃縮干燥至粘稠狀,然后真空干燥,得到紫黑色粉末,得率最高可達90%以上。傅婧[17]綜合比較了AB-8、D101、X-5、LSA-10、XDA-6、XDA-7六種大孔吸附樹脂對紫山藥花青素的吸附及解吸特性,確定XDA-7樹脂的純化效果最佳,色價為51.2。曾哲靈[18]等采用AB-8大孔吸附樹脂純化后的紫山藥色素為紫黑色粉末,穩定性好,不易吸潮,其色價為51.2。

2　紫山藥多糖

2.1性質

多糖是山藥的主要活性成分之一。紫山藥多糖具有抗氧化[19]、耐缺氧[20]、增強免疫力[21]等作用。杭悅宇等[21]采用氣相色譜法測定紫山藥多糖中的單糖以半乳糖為主,而山藥多糖以甘露糖為主。徐國鈞等[20]采用氣相色譜法確定了紫山藥多糖的組成,主要含有甘露糖、葡萄糖和半乳糖,其比例為1.00∶4.47∶5.95。

2.2提取

2.2.1溶劑提取法熱水浸提法是提取多糖的傳統方法,提取前要對紫山藥進行脫脂處理,通常采用乙醚溶液回流脫脂。劉杭達等[22]研究顯示紫山藥多糖熱水浸提法最佳工藝:料液比1∶15 mg/mL、提取溫度55 ℃、提取時間2 h,紫山藥粗多糖得率高達2.58%(干重)。裴會鵬等[23]采用提取溫度100 ℃、浸提時間4 h、料液比1∶20 mg/mL,測得紫山藥粗多糖含量達19.17%(干重)。

2.2.2超聲波、微波輔助提取法由于超聲波、微波輔助提取法具有快速、安全、高效、活性成分得率高等優點,近年來在紫山藥多糖提取方面得到廣泛應用。陳少青等[24]研究表明,超聲輔助提取法的最佳工藝參數:料液比1∶35 g/mL、超聲功率1000 W、超聲波處理時問10 min,粗多糖平均得率為8.35%(干重),超聲波輔助提取法粗多糖得率高于傳統水提法。王澤鋒等[25]采用微波輔助提取紫山藥多糖,最佳工藝參數:提取溫度90 ℃、提取時間30 min,料液比1∶30(g∶mL)、微波功率為900 W,紫山藥多糖的含量為2.852%。

2.2.3生物酶法提取汪財生[27]等研究顯示纖維素酶法提取最佳工藝參數為:加酶量0.50%、提取溫度40 ℃、pH5,粗多糖平均得率為8.51%(干重),較熱水浸提法提高了1.51倍。

2.3分離純化

通過以上方法提取的紫山藥粗多糖中常含有大量蛋白質、礦物質、色素及不溶于醇的小分子化合物等雜質,其中去除蛋白質是分離純化多糖的重要步驟,目前一般采用Sevage法[22-23]除蛋白,即體積比為4∶1的氯仿、戊醇或丁醇的混合液,加入粗品中振搖,粗多糖中的蛋白質發生變性而不溶,離心,到無蛋白層出現為止。為使分離后的紫山藥多糖在化學組成表現均一性,得到的多糖還需進一步純化,常采用乙醇沉淀法和有機溶劑純化法。劉杭達等[22]除采用Sevage法除蛋白、80%乙醇沉淀、用水溶解純化外,還采用了用活性炭除去花青素的方法。王澤鋒等[28]采用響應面法優化紫山藥粗多糖乙醇沉淀工藝,最優參數為:乙醇體積分數75%、醇沉時間18 h、醇沉溫度0.5 ℃、相對密度1.23。該條件下粗多糖得率驗證值為2.49%。

3　紫山藥薯蕷皂苷

3.1性質

薯蕷皂苷含有各種荷爾蒙基本物質,常吃山藥可促進內分泌荷爾蒙合成,益于皮膚保濕,促進細胞新陳代謝,還具有脫敏、抗炎、降脂、抗腫瘤、保肝、抗病毒等作用[27]。

3.2提取、分離純化

徐皓等[29]和史會齊等[30]采用甲醇回流浸提工藝可實現對紫山藥薯蕷皂苷的提取,具體方法為:將紫山藥粉置于圓底燒瓶,加90%甲醇于80 ℃回流10 h,濾液減壓濃縮至10 mL。在加入5%鹽酸-甲醇回流5 h,冷卻,pH調制8,然后氯仿萃取3次,合并萃取液,濃縮,即獲得紫山藥薯蕷皂苷。周新勇等[31]采用甲醇浸提取得紫山藥薯蕷皂苷粗提液,具體方法為:取紫山藥用70%(v/v)甲醇浸泡過夜,然后于80 ℃回流1 h,期間每隔10 min振搖一次,得提取液于3000 r/min離心2 min,取上清液于13000 r/min離心13 min,經0.45 μm微孔濾膜過濾,即得薯蕷皂苷液。紫山藥薯蕷皂苷的分離純化技術有待進一步研究。

4　紫山藥尿囊素

4.1性質

尿囊素常作為山藥品質評價的重要指標,具有促進傷口愈合、加速細胞生長、消炎抑菌、麻醉鎮痛、軟化角質和抗刺激物等作用[32]。目前,尿囊素常作為外用制劑用于皮膚科臨床。

4.2提取

紫山藥中尿囊素含量較低、提取技術復雜,其研究報道相對較少。紫山藥尿囊素的提取方法主要采用有機溶劑提取法和超聲波輔助提取法。易駿等[33]采用超聲波輔助提取法可實現對紫山藥尿囊素的提取,具體方法:紫山藥粉加入70%甲醇,稱重,搖勻,超聲提取40 min,靜置稱重,補甲醇,過濾,得紫山藥尿囊素粗提液。黃瑞平[34]采用超聲波輔助水提法,具體方法:紫山藥粉加入水中,定容,于40 ℃下,超聲提取90 min,12000 r/min離心10 min,上清液于0.45 μm微孔濾膜過濾,得紫山藥尿囊素粗提液。紫山藥尿囊素的分離純化技術亦需深入探究。

5　紫山藥其他活性成分

袁菊如等[35]采用水提-醇沉法提取紫山藥糖蛋白,最佳提取條件:料液比1∶20 g/mL、提取溫度60 ℃、提取時間3 h。粗提物經DEAE-52和Sephadex G-75柱層析純化后得1個糖蛋白分子,該糖蛋白經SDS-PAGE電泳分析,分子量為1.35×104u。于東等[36]對紫山藥酚酸類化合物進行提取,采用HPLC-PDA-MS鑒定紫山藥中可溶態和不可溶態酚酸類均主要為芥子酸和阿魏酸,且芥子酸含量均高于阿魏酸。

6　展望

紫山藥含有多種有益人體健康的和活性成分,是一種具有開發前景的綠色蔬菜和保健食品原料,但目前對紫山藥保健功能的研究還不夠深入,對其深加工的研究更是滯后。縱觀關于紫山藥活性成分提取純化技術研究進展,不難得出存在的主要問題:目前對于紫山藥功能成分的提取純化技術集中于花青素和多糖的研究,對其他功能成分研究較少;缺乏高效提取純化紫山藥功能成分的技術,難以形成產業化規模化效益;高效技術的缺乏限制了紫山藥功能成分對人體的保健作用的研究與評價。因此,如何開發高效、安全提取純化紫山藥活性成分的技術,并深入研究和評價其對人體的功效,開發紫山藥功能性食品,將對帶動紫山藥產業的發展起到積極的推動作用。

[1]于東,林躍偉,陳桂星,等. 紫山藥營養成分分析研究[J]. 營養學報,2010,32(2):190-192.

[2]宋曙輝,劉龐源,王文琪,等. 不同產地紫山藥營養和功能成分分析[J]. 營養學報,2012,34(1):92-96.

[3]周新勇,宋曙輝,王文琪,等. 紫參薯及其同屬植物鐵桿山藥中營養成分分析[J]. 安徽農業科學,2010,38(35):20005-20007.

[4]黨婭,劉水英,李新生,等. 響應面法優化紫山藥花青苷提取工藝[J]. 天然產物研究與開發,2015,27:404-410,431.

[5]劉水英,李新生,黨婭,等. 響應面法優化紫山藥花青苷提取工藝及其抗氧化性[J]. 食品科學,2014,35(22):84-91.

[6]肖杰,劉曼露,劉丹芳,等. 紫山藥花青素的提純及其抗氧化性測定[J]. 食品工業,2015,36(3):121-125.

[7]Chiemi M,Takahiro H,Sayuri A,et al. New acylated anthocyanins from purple yam and their antioxidant activity[J]. Bioscience,Biotechnology,and Biochemistry,2015,(4):1-9.

[8]于東,葉興乾,方忠祥,等. 采用HPLC-DAD-ESIMS技術鑒定紫山藥中的花色苷成分[J]. 中國食品學報,2010,10(3):213-218.

[9]占達東,陳娃姑,黃宏健. 參薯色素的穩定性研究[J]. 海南大學學報：自然科學版,2005,23(3):233-237.

[10]倪勤學,高前欣,霍艷榮,等. 紫山藥色素的提取工藝及抗氧化性能研究[J]. 天然產物研究與開發,2012,24:229-233.

[11]王澤鋒,石玲,蘇一蘭,等. 響應面法優化紫薯蕷中花色苷的提取工藝研究[J]. 食品工業科技,2014,35(16):231-236,242.

[12]孫晨. 微波輔助提取食品有效成分研究進展[J]. 糧食與油脂,2011,(7):5-7.

[13]阮思蓮,賀永朝,葉翌東,等. 超聲波輔助提取紫山藥花青素的工藝優化[J]. 莆田學院學報,2015,22(2):48-52.

[14]裴志勝,張海德,袁臘梅,等. 超聲-微波協同萃取紫參薯花青素工藝[J]. 食品科學,2012,33(2):78-83.

[15]霍艷榮,高前欣,王振宇. 紫山藥花色苷生物酶法提取工藝優化研究[J]. 安徽農業科學,2015,43(8):253-254,261.

[16]肖杰,劉曼露,劉丹芳,等. 紫山藥花青素的提純及其抗氧化性測定[J]. 食品工業,2015,36(3):121-125.

[17]傅婧. 紫山藥皮中色素的提取純化和穩定性研究及結構鑒定[D]. 南昌:南昌大學,2011.

[18]曾哲靈,傅婧,彭超. 紫山藥色素提取工藝研究[J]. 食品工業科技,2011,32(3):229-231,236.

[19]裴會鵬,黃俊,吳凱旋,等. 參薯多糖檢測及其體外抗氧化能力研究[J]. 河南農業科學,2011,40(11):113-116.

[20]徐國鈞,徐珞珊. 常用中藥材品種整理和質量研究[M]. 福州:福建科學技術出版社,1997,449-472.

[21]杭悅宇,秦慧貞,丁志遵. 山藥新藥源的調查和質量研究[J]. 植物資源與環境,1992,1(2):10-15.

[22]劉杭達,馬千蘇,王傑,等. 紫山藥粗多糖提取工藝的優化及其抗氧化性的研究[J]. 食品工業科技,2015,36(23):208-213.

[23]裴會鵬,黃俊,吳凱旋,等. 參薯多糖檢測及其體外抗氧化能力研究[J]. 河南農業科學,2011,40(11):113-116.

[24]陳少青,蔣旭剛,汪財生,等. 紫山藥多糖超聲波輔助提取工藝優化及抗氧化性能研究[J]. 江蘇農業科學,2009,(5):231-234.

[25]王澤鋒,石玲,蘇一蘭,等. 微波輔助提取紫薯蕷中多糖工藝的研究[J]. 食品工業科技,2014,35(4):256-260.

[26]汪財生,孫安吉,王忠華,等. 紫山藥多糖酶法提取工藝優化研究[J]. 食品工業科技,2010,31(2):266-268.

[27]王澤鋒,石玲,蘇一蘭,等. 響應面法優化紫薯蕷粗多糖乙醇沉淀工藝[J]. 食品工業科技,2014,35(12):240-243,248.

[28]徐麗娜,衛永麗,彭金詠,等. 天然產物薯蕷皂苷的研究進展[J]. 中國中藥雜志,2015,40(1):36-41.

[29]徐皓. HPLC法測定紫參薯中薯蕷皂苷元的含量[J]. 食品科技,2013,38(6):307-309.

[30]史會齊,李明靜,宋愛新,等. 反相高效液相色譜法測定山藥及其同屬植物參薯中薯蕷皂苷元的含量[J]. 藥物分析雜志,2004,24(5):465-467.

[31]周新勇,宋曙輝,羅暉,等. 反相高效液相色譜法測定紫山藥中薯蕷皂苷的含量[J]. 食品工業科技,2011,32(7):420-422.

[32]孔曉朵,白新鵬. 山藥的活性成分及生理功能研究進展[J]. 安徽農業科學,2009,37(13):5979-5981,5984.

[33]易駿,黃玉仙,王濤. 不同種質資源山藥同屬藥材尿囊素含量比較分析[J]. 天津中醫藥大學學報,2013,32(3):151-153.

[34]黃瑞平. 福建參薯類山藥資源尿囊素含量的測定比較[J]. 熱帶農業科學,2012,32(6):58-60,75.

[35]袁菊如,徐國良,蔣維,等. 紫山藥糖蛋白提取工藝研究[J]. 食品工業,2014,35(7):87-89.

[36]于東,方忠祥,楊海花,等. 紫山藥酚酸類化合物鑒定及含量測定[J]. 中國農業科學,2010,43(12):2527-2532.

Progress in extraction and purification of main active constituents in purple yam

WANG Yan-ping,TANG Gao-qi,XIE Ke-ying,SUN Rui-lin,GU Yang,QIAN Zhi-wei*

(Department of Food Engineering,Henan vocational college of agriculture,Henan Zhengzhou 451450,China)

Purple yam is rich in natural anthocyanins,polysaccharide,diosgenin,polyphenols and allantoin,so it has functions of antioxidation,immunoregulation,anti-anoxia and anti-aging. By consulting literatures,the paper synthetically gives the research status of active ingredient in purple yam and the review on the extraction,separation and purification of purple yam,aiming at enhancing research level of purple yam.

purple yam;active constituent;extraction;reasearch progress

2016-01-14

王彥平(1983-),女,碩士,講師,研究方向:食品功能與營養因子,E-mail:14389487@qq.com。

錢志偉(1969-),男,碩士,教授,研究方向:食品營養與檢測,E-mail:1460331538@qq.com。

鄭州市普通科技攻關項目(153PKJGG424);2015年度河南省高等學校優秀教學團隊建設;2014年度河南省高等學校“專業綜合改革試點”項目。

TS202.3

A

1002-0306(2016)17-0356-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.062