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【热点文章推荐】花色苷提取及其纯化工艺研究进展

发布时间: 2021-12-24 14:17:25   试剂信息网

花色苷提取及其纯化工艺研究进展




黄金a,刘志国*a,穆立蔷b,付玉杰a

(东北林业大学 a. 化学化工与资源利用学院,森林植物生态学教育部重点实验室,b. 林学院,黑龙江 哈尔滨  150040)



摘要
花色苷是广泛存在于天然果蔬中的黄酮类有机化合物,它具备良好的抗氧化、抗炎、抗肿瘤等功效,已广泛应用于食品、保健品、化妆品、医药、化工等领域;花色苷提取、纯化工艺是花色苷及其衍生品广泛应用的核心环节。花色苷提取法中传统溶剂提取法由于效能较低已很少单独使用,新兴方法中超声和微波法较常见;花色苷纯化常用大孔树脂法,色谱法通常用于制备纯度在90%以上的花色苷。综述了花色苷提取和纯化方法的原理、工艺参数、优缺点以及在实际生产实践中的应用,为我国花色苷产业近一步开发利用提供更多依据。

前言


1.1  花色苷概述

花色苷是一类广泛存在于植物花、果实、茎、叶细胞液泡中的黄酮类天然有机色素。花青素作为花色苷核心苷元部分,碳骨架结构为C6-C3-C6花青素常与糖类分子通过糖苷键结合成花色苷自然界中绝大多数花青素都以糖苷形式存在。花色苷易溶于水、甲醇、乙醇等极性溶剂,不溶于乙醚、四氯化碳、环己烷等非极性溶剂[1]。目前花色苷已广泛运用于食品医药、染料、化妆品、保健品等领域[2, 3]根据前人研究结果,天然产物花色苷具有抗氧化作用[1, 4, 5]炎作用[6, 7]、抗癌作用[8-10]。下图为花色苷结构式,1为常见的6种花青素结构组成

1.2  天然产物中花色苷类成分提取概况

花色苷广泛来源于桑葚、葡萄、紫薯、紫米等深紫色果蔬。花色苷提取包含溶剂法、超声法、微波法、高压脉冲电场法、负压空化法、低共熔溶剂法、酶解法、超临界CO2法等;除溶剂法外均为新兴方法,溶剂法由于提取效能不理想已基本不单独使用。为达到花色苷提取最大收益,新兴法常采用花色苷提取量作为响应值,利用响应面法优化花色苷提取工艺[1]。花色苷纯化包括大孔树脂法、凝胶层析法、色谱法、膜纯化法、高速逆流色谱法、固相萃取法、离子交换树脂层析法等。制备不同纯度的花色苷应制定差异化的提取及纯化工艺。提取及纯化工艺要求符合技术成熟稳定、仪器成本及性价比合适、可多次重复等标准。
花色苷在众多领域中展现出独特的实用价值,如何近一步降低花色苷提取原料成本、提升提取和纯化效能将成为未来科研热点。我国是世界上最大的水果种植和生产国,不仅水果产量高,品种也十分丰富[11];但每年有千万吨果渣被直接丢弃,造成了资源严重浪费和环境污染。果渣是水果经压榨提取果汁或油分后的固体废弃物,含有纤维素、花色苷等物质,可作为来源稳定广泛、廉价易得的花色苷提取原料,目前果渣已被用来制备农业饲料[11]、提取花色苷[12-14]等。果渣资源多级高效利用不仅降低生产成本,更符合节能环保的理念。



正文部分

1  前言

2  花色苷提取工艺

花色苷广泛存在于众多果蔬植物组织的液泡中,花色苷取代基以及pH值差异使植物不同组织器官呈现出多种色彩[15]。目前花色苷提取主要包括以下几种方法。

2.1  溶剂提取法

溶剂提取法是选取目标物质溶解度大、非目标物质溶解度小的溶剂,在适宜条件下辅以搅拌、回流、震荡等措施尽可能促使生物组织中目标成分溶出的一种提取方法;中药水煎是溶剂法最广泛应用的案例。影响溶剂法提取效率的因素有:物料粉碎程度、提取时间、提取温度、溶剂种类等[16]。由于花色苷为热敏性有机物,故提取温度多选在40~50 ℃之间;为提升花色苷稳定性,提取助剂可加入柠檬酸酸化[17]。考虑食品健康与安全因素一般采用酸性乙醇水溶液作为提取溶剂。表2汇总了溶剂提取法提取花色苷的工艺条件。

2.2  超声提取法

超声提取法是利用频率为20 KHz50 MHz之间的电磁波所产生的正负压强快速交变现象来提升目标物质提取量的一种提取方法。超声波能量大、频率高,介质吸收后产生的热效应显著;超声还具备一定化学效应,可促使目标物质分解或聚合。目前超声技术较为成熟,已在多领域中广泛应用,可与微波法联合使用近一步提高提取效能。表3汇总了超声提取法提取花色苷的工艺条件。

2.3  微波提取法

微波提取法是利用一定强度频率在300 MHz300 GHz间(波长在1 mm1 m范围)的电磁波所产生的高能电磁辐射促使目标物质与基体有效分离的一种提取方法。微波法提取花色苷通常使用极性溶剂,如不同比例的酸性乙醇水溶液。超声微波共同辅助提取法可发挥协同作用近一步提升提取效能,其中超声穿透有助于植物细胞破裂,减少溶剂使用量[16]。表4汇总了微波提取法提取花色苷的工艺条件。

2.4  其他提取方法

2.4.1  高压脉冲电场提取法

高压脉冲电场提取法(PEF)是利用脉冲电场产生细胞电穿孔作用来提升目标物质提取量的一种天然产物提取方法。

2.4.2  负压空化提取法

负压空化提取法是利用空化、空蚀和机械震荡加速动植物细胞裂解,从而促使细胞内物质不断向外溶出、释放和扩散的一种天然产物提取法。

2.4.3  低共熔溶剂提取法

低共熔溶剂提取法(DES)是利用一定组成比例的低共熔溶剂混合物,在适宜条件下提取天然产物的一种方法。深晶低共熔溶剂是指由氢键受体(如季铵盐等)和氢键供体(如醇类、羧酸等)按一定化学计量比组合而成,其混合物凝固点低于各组分熔点的有机混合物[29]。深晶低共熔溶剂中含有少量水作为溶剂,但含水量超过50%以上会降低其提取效能[30]。低共熔溶剂法可与负压空化提取法联合使用提取花色苷[28]

2.4.4  酶解提取法

酶解提取法是利用选择特异性生物酶在适宜条件下分解生物细胞壁等组织,从而提升目标物质提取量的一种天然产物提取法。在花色苷提取操作中,酶解法较少单独使用,往往作为超声、微波等提取法的辅助前处理环节。吴国美等[31]通过实验发现单独使用果胶酶和纤维素酶均利于提升蓝靛果出汁率及活性物质提取量,两种酶复合使用的结果好于各自单独使用。

2.4.5  超临界CO2提取法

超临界CO2提取法是利用介于液态和气态的CO2在一定条件下作为提取溶剂提取天然产物的一种方法。高于临界温度和压力的流体称为超临界流体,具有较强的流动性、传递性和溶解能力。提取过程可适当添加夹带剂提高花色苷溶解度[32]。超临界提取法由于提取温度不高(一般在40 ℃左右),适宜提取不耐高温的天然活性产物,如花色苷、叶绿素等。表5汇总了其他方法提取花色苷的工艺条件,表6总结了部分花色苷提取法优缺点。

 花色苷纯化工艺

天然花色苷粗提物纯度较低,夹带矿物质、纤维素、糖类、蛋白质等杂质,易吸潮且理化性质不稳定,花色苷纯化环节十分必要。目前花色苷纯化常用以下几种方法。

3.1  大孔树脂吸附纯化法

大孔树脂吸附纯化法MAR)是利用不同化合物通过大孔吸附树脂吸附解吸的时间差异,从而分离纯化某一或多个目标化合物的方法。大孔吸附树脂具备优良的纯化性能,已在医药、食品、环保等领域中广泛应用[40]

3.2  凝胶层析纯化法

凝胶层析法(又称作排阻层析法、分子筛法)是利用不同化合物通过凝胶层析柱的效率差异,从而分离纯化目标化合物的一种方法。

3.3  色谱纯化法

色谱纯化法是利用各类化合物理化性质差异及与色谱柱填充物的亲和力差异,根据物质通过色谱柱时间先后顺序区分化合物的一种分离纯化手段,高效液相色谱常与质谱联合使用。

3.4  膜纯化法

膜纯化法是利用天然或人工制备的选择透过性膜,在膜两侧施加推动力(如压力差、浓度差等)对溶剂和溶质进行浓缩、提纯,从而实现分离纯化的一种方法。膜纯化法目前已广泛应用于海水淡化、医药卫生等领域;膜纯化技术还可与其他技术联合使用。Chandrasekhar[48]利用聚乙二醇和MgSO4构建二相水体系从Jamun果实中萃取花色苷,随后利用膜纯化技术纯化,花色苷浓度可达到2890.3 mg/L

3.5  其他纯化法

3.5.1  高速逆流色谱纯化法

高速逆流色谱法(HSCCC)是一种基于两种互不相溶的液体作为固定相和流动相,通过螺管高速公转和自转达到连续高效分离纯化混合物的方法。

3.5.2  固相萃取纯化法

固相萃取法(SPE)是一种使用合适的固体吸附剂选择性吸附并洗脱目标物或杂质的纯化方法,通过固相萃取可有效去除糖类、有机酸、果胶、蛋白质等杂质,尽可能保留目标化合物。

3.5.3  离子交换树脂层析纯化法

离子交换层析法是利用带电的树脂或纤维素作为基质(带有正电荷称为阴离子树脂,带有负电荷称为阳离子树脂),根据不同物质与基质亲和力差异被先后洗脱,从而分离纯化目标物质的方法。

 总结与展望



总结与展望

花色苷提取和纯化需根据所需产品的纯度差异,建立不同级别的提取纯化工艺。花色苷提取需考虑生产效能、成本、可连续操作性、实用性、引入杂质少等要求,花色苷是极性热敏大分子有机物,不适用于在较高温度下提取,传统溶剂法由于效能不理想已基本不再单独使用,新兴法中超声、微波法已逐步应用于工业。高压脉冲电场法和超临界CO2法由于设备造价高昂、前期投入大等因素限制了其广泛应用;低共熔溶剂法由于提取助剂与目标物分离困难、提取助剂难回收重复利用等因素,暂处于科研探索阶段。花色苷纯化需考虑效能、生产成本、是否易操作等因素。纯化通常采用性价比高的树脂材料,或与膜分离、凝胶法等联合使用,如需制备高纯度花色苷则必须使用色谱技术,高速逆流色谱法需花费大量时间探索并筛选出成熟可连续操作的纯化方法。

结合目前花色苷提取工艺现状及产业发展格局,现提出以下建议:(1)通过实验筛选出更多来源稳定、廉价易得、具备花色苷提取价值的原料,如紫薯、果渣等。(2)在不引入或少引入杂质条件下,增加样品前处理过程有利于目标物质溶出,提高提取效能,如风干冻干粉碎、酶试剂水解、提前浸泡软化等。(3)积极改良优化现有的提取工艺,降低运营成本,如采用响应面优化法优化提取工艺,针对不同纯度花色苷产品制定差异化的提取纯化工艺流程;采用廉价果渣提取可降低原料成本。

引用本文黄金,刘志国,穆立蔷,等花色苷提取及其纯化工艺研究进展[J].化学试剂, 2021, 43(12): 1683-1690.

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