萬壽菊資源綜合開發利用研究進展

郭耀東，牛仙，任嘉瑜

（1.商洛學院 健康管理學院，陜西商洛726000；2.商洛學院 生物醫藥與食品工程學院，陜西商洛726000）

萬壽菊（Tagetesspp.），原產于墨西哥，為菊科萬壽菊屬、一年生草本植物[1-3]。我國自20世紀80年代開始引種萬壽菊，目前已在東北、西北、華北、西南等地區廣泛栽培[4-5]。萬壽菊因其花色鮮艷并含有葉黃素、多酚等多種生物活性物質而兼具觀賞價值和藥用價值，近年來已成為陜西省秦巴山區實施精準扶貧和美麗鄉村戰略中主要栽培的一類經濟作物[6-8]。相關地方政府也圍繞萬壽菊的種植、加工制定了專門的產業發展規劃。在生產加工環節對萬壽菊資源進行綜合開發利用，提升產業附加值已成為制約陜西省萬壽菊產業進一步發展的瓶頸問題。基于此，本文按照生物資源活性功能因子基礎研究—提取制備—產品深加工—副產物利用的思路，對國內外近年來在萬壽菊資源開發利用鏈條各環節的最新研究進展進行了系統分析，結合地方經濟發展實際提出了萬壽菊產業進一步發展的關鍵路徑，以期為秦巴山區生物資源的高增值利用以及產業扶貧戰略實施提供一定借鑒和參考。

1 萬壽菊中葉黃素的生理活性

葉黃素是萬壽菊中含有的主要生物活性物質，甘藍、玉米、獼猴桃、菠菜等蔬果中均有此物質[9]。但萬壽菊因其葉黃素含量高、適合大規模種植、成本低等優點，已成為工業化制備葉黃素的主要來源。葉黃素屬于類胡蘿卜素物質的一種，相關研究已經證明其對防止老年黃斑變性等眼部疾病具有明確的作用。1995年美國食品及藥物管理局（FDA）對葉黃素的實用性和安全性進行審核，批準將其作為食品補充劑；我國于2008年將源于萬壽菊的葉黃素列入新資源食品目錄中[10-11]。目前萬壽菊葉黃素作為一種保健食品原料被廣泛應用于保健食品及膳食補充劑的生產制作中。美國CVS、Costco等保健食品銷售終端均有相關產品出現，并受到了消費者的歡迎。近年來，國內外研究者針對萬壽菊中葉黃素類物質的生物活性進行了進一步研究，主要集中在抗氧化、抗腫瘤及抑制心血管疾病等方面。

1.1 抗氧化性

人體內積累過多的氧自由基對細胞和組織具有一定的損傷，是導致人體衰老及許多慢性疾病的重要原因。葉黃素作為一類四萜類物質，含有豐富的共軛雙鍵，具有較強的清除自由基能力，能夠有效阻止氧自由基對細胞的破壞[12-13]。

Kumar等[14]利用化學發光法研究分析了萬壽菊葉黃素對過氧化物、超氧陰離子、羥基自由基和脂質自由基的清除作用，結果表明葉黃素對上述自由基具有較強的清除作用。Ingkasupart等[15]分析了泰國種植的11個萬壽菊品種提取物中葉黃素含量和抗氧化能力，其中抗氧化能力運用清除ABTS自由基、DPPH自由基、鐵離子自由基還原法、氧化自由基吸收能力法（ORAC）、超氧陰離子自由基（SRSA）清除能力等不同指標進行綜合評價。結果表明不同品種的葉黃素含量與抗氧化能力具有較強相關性，Optiva Orange和Rodeo Gold兩個品種可以作為生產制備功能性食品和化妝品中葉黃素的良好來源。任丹丹等[16]則綜合運用基于體外抗氧化和基于小鼠體內乙醇氧化損傷模型的體內抗氧化兩種方法對葉黃素與玉米黃兩類胡蘿卜素類物質的協同抗氧化活性進行了研究，結果表明葉黃素與玉米黃質比例為1∶2時協同抗氧化作用較好。Mohn等[17]研究葉黃素與腦ω-3多不飽和脂肪酸（PUFA）氧化的關系，結果發現線粒體葉黃素與二十二碳四烯酸（DHA）氧化產物呈負相關，該研究提供了亞細胞葉黃素積累的新數據及其與靈長類動物腦中DHA氧化的關系，提示葉黃素可能與大腦中的抗氧化功能有關。

1.2 抗腫瘤

近年來，國內外研究先后發現萬壽菊中的葉黃素具有抑制結腸癌、肝癌、乳腺癌、胃癌、食管癌等腫瘤細胞的作用[12-13,18]。相關研究表明葉黃素的抗腫瘤作用主要通過其抑制腫瘤細胞增殖及誘導分化、誘導腫瘤細胞凋亡、免疫調節、抗氧化活性等來實現的[18]。裴迎新[19]研究表明葉黃素在一定程度上可抑制食管癌EC9706細胞增殖，誘導EC9706細胞凋亡。陳曉哲[20]對葉黃素抑制人體肝癌HepG2細胞增值效應及相關分子機制進行了研究分析，發現葉黃素可以影響AP-1、p53、caspase-3基因的轉錄表達及凋亡相關蛋白的表達，進而抑制肝癌HepG2細胞的增值。

1.3 抑制心血管疾病

人體內膽固醇、LDL（脂蛋白）的堆積等是造成動脈粥硬化進而產生心血管疾病的重要原因。相關流行病學、體外實驗和動物模型研究表明，萬壽菊葉黃素一定程度上能夠通過防止動脈粥樣硬化發生降低心腦血管疾病發病[12-13]。Liu等[21]研究發現葉黃素可以通過調節腦血管內皮細胞（bEND.3 cells）中Nrf-2和NF-κB的表達抑制Aβ25-35的誘導毒性，改善線粒體膜電位和細胞活性。崔蔚[22]通過小鼠動物試驗研究發現葉黃素可以通過調節脂代謝和改善氧化應激，對高脂喂養引起apoE-/-小鼠的動脈粥樣硬化及肝臟脂肪變性起到改善作用。劉洋等[23]對169名動脈粥樣硬化患者給予不同劑量葉黃素干預，結果表明葉黃素可以在一定程度上減輕頸動脈粥樣硬化斑塊炎性反映，并預防心腦血管疾病發生。

2 萬壽菊葉黃素提取技術

萬壽菊是目前工業化提取制備葉黃素的主要原料之一。現有提取技術除傳統溶劑提取法之外，近年來隨著植物提取技術不斷發展，酶法、超聲波提取、超臨界CO2萃取、微波輔助提取、亞臨界提取技術等也逐步應用于萬壽菊中葉黃素提取制備的研究與實踐應用中。

2.1 有機溶劑提取

有機溶劑提取基于相似相溶原理，利用葉黃素與雜質性質不同（溶解性或者極性）的特性，選擇合適的溶劑，達到對葉黃素提取分離的目的[24]。工藝簡單、可操作性強、成本較低，適合規模化生產。張志強等[25]以乙醇和石油醚混合溶劑為提取溶劑通過單因素試驗研究優化了萬壽菊葉黃素的提取、皂化工藝，該工藝具有價格低廉、沸點低、生產安全性高等特點。王新春等[26]以四氫呋喃和堿性醇溶液為提取皂化溶劑，提取得到葉黃素粗品后，進一步洗滌除雜，得到含量高于90%的葉黃素粉末。近年來，在有機溶劑提取基礎上出現了鹽析萃取法，該方法具有耗材少、產品收率高等特點。馬娜等[27]研究表明利用鹽析萃取法提取得到的萬壽菊葉黃素提取物具有更強的抗氧化活性。

2.2 酶法輔助提取分離

由于萬壽菊葉黃素提取基質中含有較多的纖維素，可以通過酶法處理，加入纖維素酶等軟化破壞提取基質中的細胞壁，促使葉黃素等目標物質更多暴露溶解，提取條件溫和，能夠減少葉黃素的損失[28]。李大婧等[28]將液態纖維素酶處理和溶劑萃取結合，在酶-水-有機溶劑共存的體系中同時提取葉黃素，優化了提取工藝條件，結果表明該方法與單純有機溶劑提取法相比提取率提高了19.14%。劉愛琴等[29]則利用專一性較高的宏基因組文庫脂肪酶，對亞臨界提取后得到的萬壽菊浸膏中的葉黃素進行提取分離，結果表明該方法的提取效率相對其他方法更高。雖然酶法輔助提取分離葉黃素效率較高，但也存在影響工藝條件因素較多、提取條件控制和設備要求高、生產成本較高等缺點，此方面規模化生產制備的報道較少[30]。

2.3 超聲波、微波、超臨界CO2等新型提取分離技術

超聲波輔助提取法是利用超聲波產生的特殊作用，快速破壞細胞，加快提取速度，從而達到高效提取葉黃素的目的[24]。李大婧等[31]通過單因素試驗和正交試驗優化了超聲波輔助石油醚提取葉黃素的工藝條件，葉黃素提取率達到97%以上。葉兆偉等[32]分析對比了水浴加熱法、超聲波法和微波法三種方法提取葉黃素的提取率，結果表明超聲波法提取葉黃素的提取效率最高，優于其他兩種方法。

微波輔助提取技術的原理是利用微波產生的能量使細胞內部迅速升溫膨脹促使細胞壁破裂，幫助目標物質有效流出[33]。Fu等[34]研究利用微波-酶協同水相萃取法提取萬壽菊中葉黃素和總酚類等生物活性物質，并與其他方法進行了比較，該方法具有高效、快速等優點。

超臨界CO2提取法基于CO2在超臨界狀態下具有較高的溶解能力，能夠有效對目標物質進行分離，同時CO2在超臨界狀態下溫度較低、化學性質穩定，提取條件溫和[35]。趙永平等[36]通過單因素和正交試驗，研究優化了超臨界CO2提取萬壽菊中葉黃素的工藝條件：萃取壓力29 Mpa，萃取溫度45℃，萃取時間2.1 h，流速17 mL·min-1。Pal等[37]也采用超臨界CO2萃取方法從非洲萬壽菊中提取得到了葉黃素提取物，并對其清除DPPH自由基的能力進行了分析。

但目前，由于運行成本、設備價值以及規模化應用的難度等原因，大多數利用超聲波、微波和超臨界CO2等方法開展的萬壽菊葉黃素提取分離研究基本處于實驗室研究階段，實際應用于工業化規模化生產制備葉黃素的研究報道相對較少。

2.4 亞臨界提取分離技術

亞臨界提取分離技術使用處于亞臨界狀態的萃取劑，利用相似相溶的原理，提取分離目標物質。該方法具有溶劑擴散快、溶解能力強、提取效率高等特點，并能在低溫下進行提取并實現萃取溶劑與浸出物的分離，減少葉黃素等生物活性物質的損失[38]。與超臨界CO2提取法相比，亞臨界提取分離技術成本較低、更容易實現規模化生產，目前已經在葉黃素的生產實際中得到了應用。高應權等[39]運用亞臨界丁烷流體提取并結合分子蒸餾技術制備得到了葉黃素單體，與傳統正己烷溶劑萃取法相比具有葉黃素得率高、葉黃素含量高、溶劑殘留低等優點。本研發團隊前期通過校企合作攻關，優化并建立了亞臨界提取萬壽菊葉黃素的最優生產工藝，并將其應用于生產線中，取得了較好的經濟效益。

3 萬壽菊葉黃素產品深加工技術

雖然萬壽菊葉黃素具有較高的生理活性，由于葉黃素屬于脂溶性物質，并且其分子結構中存在大量共軛雙鍵，在光、熱、氧條件下容易被氧化分解，穩定性和水溶性較差[40]。為了解決上述問題，同時提升葉黃素產品加工經濟附加值，近年來國內外研究者紛紛開展了以葉黃素為原料，開展制備葉黃素微膠囊、葉黃素軟膠囊的研究開發。

微膠囊技術利用明膠、阿拉伯膠等物質（壁材），對葉黃素等脂溶性活性物質包封形成微小粒子（微膠囊），以達到提升被包封物質穩定性和生物活性的目的[40]。徐建中等[41]選用阿拉伯膠為壁材，通過單因素試驗和正交試驗優化得到了噴霧干燥法制備葉黃素微膠囊的最優配方和工藝，結果表明葉黃素微膠囊產品穩定性得到顯著提高，水溶性良好。王垚等[42]以明膠為壁材，采用單凝聚法制備了葉黃素腸溶微膠囊，并通過響應面試驗優化了葉黃素腸溶微膠囊的制備工藝，結果表明制備得到的葉黃素微膠囊具有較好的腸溶特性。

汪老師陪聊了半個多小時，最后她告訴我一個小秘密，說她在上學時，第一次住上鋪也跟我一樣害怕，爬上床后坐在上面動都不敢動，我比她勇敢多了，上去之后還敢在床的兩頭來回放東西，這時我才發現，在她的指導下，居然把她給我鋪好的床，又按自己的習慣鋪了一遍。大概是有了汪老師和藹可親的鼓勵，讓我心里有了依靠，抑或是我因為擁有了汪老師的小秘密，心里有點小歡喜，等汪老師離開時，我已經不再恐懼上鋪。

軟膠囊劑目前是一類保健食品領域使用較多的新劑型，外型美觀、生物利用度高、穩定性較好，能夠有效防止目標物對光、熱敏感成分的分解[43]。尹俊濤等[44]選擇藥用大豆油為分散介質，添加蜂蠟和大豆磷脂作為助懸劑和潤濕劑，通過正交試驗優化得到葉黃素軟膠囊的最優制備配方，結果表明制備得到的葉黃素軟膠囊內容物均勻，具有較好的穩定性。高應權等[39]以葉黃素單體、維生素A、維生素E等為原料，通過復配研發制備了具有緩解視疲勞功能的葉黃素軟膠囊。目前，包括湯臣倍健在內的國內外多家保健食品生產企業均已以葉黃素為原料，研發生產了相關具有保護視力作用的保健食品并投入市場。

此外，也有部分食品生產企業以萬壽菊葉黃素為原料，添加其他功能原料，研發制備了形狀、口味、包裝各異的萬壽菊葉黃素壓片糖果系列產品，并作為快消品進入市場，受到年輕消費人群的青睞。

4 萬壽菊加工副產物利用技術

目前萬壽菊資源開發利用主要以提取制備葉黃素及其產品進一步加工為主。萬壽菊在生產提取葉黃素（脂溶性成分）后大約產生22%的副產物，含有大量的多酚、黃酮類水溶性生物活性物質及其他生物活性物質[45]。直接廢棄一方面將產生嚴重的環境污染，另一方面也造成資源浪費，增加了資源開發利用的總體成本。基于上述原因，國內研究者和產業界從各自角度開展了萬壽菊加工副產物利用的技術開發和實踐。目前萬壽菊加工副產物利用研究和實踐主要集中在殘渣中水溶性生物活性物質提取、分離、制備以及研發制成飼料添加劑兩個方面。

陸洪[46]以萬壽菊殘渣為原料提取、分離篩選得到8種黃酮類和有機酸類化合物，并對其抗癌活性進行了進一步的篩選。李禹辰等[7]以萬壽菊提取葉黃素后的殘渣為原料，通過響應面試驗優化得到了亞臨界提取萬壽菊殘渣總多酚和總黃酮的工藝參數，并對其抗氧化活性進行了研究。本研發團隊前期也利用超聲波輔助提取法對萬壽菊殘渣中多酚和黃酮類水溶性生物活性物質的提取工藝進行了研究，并發現萬壽菊殘渣中多酚和黃酮類物質含量較高，具有較高的提取利用價值。

李喬仙等[45]對云南萬壽菊花渣的常規營養成分進行了分析，結果表明萬壽菊渣營養價值較高，適合作為反芻動物的飼料原料。肖麗萍等[47]以萬壽菊渣作為原料之一制備的微生態制劑豬飼料能夠有效提高瘦肉率。吳華芹[48]通過添加萬壽菊渣制備的肉小雞飼料營養較為全面，能夠顯著提高小雞生長速度。

5 結論與展望

隨著產業扶貧戰略的進一步實施，陜西省各地萬壽菊等特色藥用植物的種植規模和產量還將進一步增大。但目前陜西省萬壽菊綜合利用技術研究和應用尚處于初級階段，主要表現在葉黃素等功能物質的基礎研究缺失；現有加工企業規模較小，技術設備先進程度不夠，產品以簡單萬壽菊葉黃素提取物為主，深加工產品較少，產品類型單一，利潤率不高；產業鏈條不完整、資源利用率較低，整個產業附加值不高。亟需突破萬壽菊加工技術瓶頸，打通萬壽菊種植和開發利用環節，實現產業發展和扶貧攻堅目標。

1）密切跟蹤萬壽菊葉黃素等生物活性物質的最新基礎研究進展，通過校企合作適當開展針對萬壽菊葉黃素加工終端產品相關生物活性以及多酚、黃酮等水溶性成份生物活性等方面的基礎研究，為相關產品開發提供科學依據。

2）圍繞萬壽菊葉黃素產品開發，重點開展適合于規模化生產的亞臨界等新型提取技術研發與應用，降低生產成本，提高產品質量；加強微膠囊和軟膠囊等高附加值終端保健食品研發，實現產品形態的升級換代，提高產品利潤率。

3）針對萬壽菊殘渣等副產物開展綜合利用技術研發，制備高附加值的多酚、黃酮等健康食品原料以及飼料添加劑等，提高資源利用效率，降低資源整體開發利用成本，豐富加工產品類型。