姜黄素的提取技术研究进展

黄榕清，许传俊，兰 涛，明艳林

(1.福建农林大学农学院，福建 福州 350002；2.福建省亚热带植物研究所/福建省亚热带植物生理生化重点实验室，福建 厦门 361006；3.厦门华侨亚热带植物引种园/厦门市植物引种检疫与植物源产物重点实验室，福建 厦门 361002)

市场上所销售的“姜黄素”通常为姜黄素(Curcumin，CUR，含量约 77%)、去甲氧基姜黄素(Demethoxycurcumin，DMC，含量约18%)、双去甲氧基姜黄素(Bisdemethoxycurcumin，BDMC，含量约5%)等的混合物。

姜黄素(C12H20O6)以两个苯丙烯酰基为骨架，苯环上连接邻羟基甲氧基，丙烯基则连接一个β-双酮(烯醇式)，是一种极为罕见的二酮多酚类物质(图 1)。姜黄素是姜科和天南星科根茎中的主要成分，熔点为180～l83 ℃，最大吸收峰在425 nm波长附近，难溶于水，易溶于甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯和碱性溶液中，着色力较强；由于姜黄素含有双键、-OH、-OCH3等性质活泼的结构，在强酸、强碱、光照或高温下很不稳定，容易被氧化而变性变色，且易与金属离子形成螯合物[1—3]。

姜黄素具有抗氧化[4]、抗凝[5]、降血脂[6]、抗动脉粥样硬化[7]、抗肝纤维化[8—9]、抗肿瘤[10—12]、抗炎[5,13]、抗病毒[14—15]等药理活性，且毒性低，广泛应用于食品加工与医疗行业。高效的提取方法对于姜黄素的生产与研发都是必要的。传统方法多是一些简单粗糙的提取手段，提取过程中出现溶剂消耗大、耗费时间长、提取效率低、污染环境等问题[12]，不适用于现阶段研发和市场需求。目前常见的提取方法包括有机溶剂提取、酸碱提取、微波辅助提取、超声辅助提取、双水相萃取、酶辅助提取、闪式提取、超临界CO2流体萃取等。本文通过介绍以上提取方法，旨在为姜黄素的开发和利用提供参考。

图1 姜黄色素化学结构式Fig.1 Chemical structure of curcumin

1 化学提取技术

1.1 有机溶剂提取

有机溶剂提取是根据所需要提取物的溶解性，选择甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等有机溶剂渗透到组织细胞内部，将化学物质浸提(固液萃取)出来[16]。有机溶剂提取法是姜黄素提取最常用的手段，操作简单方便，常常作为提取的首要步骤与其他辅助手段相结合，如刘莉等[17]分别用九种常用提取溶剂加热回流提取姜黄素，各溶剂的提取率由大到小分别是：甲醇(0.56%)、乙酸乙酯:乙醇(0.55%)、无水乙醇(0.53%)、乙酸乙酯(0.50%)、70%乙醇(0.45%)、丙酮(0.44%)、80%乙醇(0.43%)、50%乙醇(0.31%)、水(0.15%)。蔡婧婧等[18]用响应面优化有机溶剂结合均浆法提取生姜的姜黄素，按照优化的提取工艺，用90%乙醇提取的姜黄素含量为2.27 mg·g-1，与预测值2.34 mg·g-1基本吻合。曾志丁[19]确定丙酮提取法的最佳提取条件为姜黄粉目数40 目、提取温度30 ℃、料液比1:10、搅拌转数400 r·min-1，提取率达 2.69%。张敏等[20]分别以体积分数为50%的乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯和碱液作为溶剂提取姜黄素，发现碱液提取姜黄素不稳定；乙酸乙酯的提取效果最好，但成本较高；乙醇不仅提取效果好而且经济安全，是理想的姜黄素提取溶剂。一般提取姜黄素采用的具有亲水性的乙醇溶剂，相比有毒的甲醇和丙酮，操作更安全，可重复利用，价格便宜，且提取液不易发霉变质，是良好的绿色溶剂。

1.2 酸碱提取

酸碱提取是指根据所需提取成分的水溶解性与酸碱度有关的性质，在溶液中加入适量酸或碱，促使该成分溶解或析出。由于姜黄素的酚羟基易溶于碱溶液，可用NaOH和HCl溶液调节乙醇溶剂pH，以提高姜黄素的提取率。宋长生等[21]采用正交试验优化姜黄素碱溶液法提取工艺条件，在投料10 g、浸取温度20 ℃、浸取时间28 h、NaOH溶液质量分数1.0%的最佳条件下，姜黄素提取率为3.13%，总姜黄素纯度达95.44%。该方法得到的粗姜黄素容易干燥，但溶液pH难以一次调控，一旦pH值过大姜黄素容易分解，所得产品性质不稳定。

1.3 双水相萃取

双水相萃取是利用物质在互不相溶的两液相间分配系数的差异来进行萃取。双水相萃取技术是一种新型的、环保的提取纯化技术，此法多应用于蛋白质、核酸的提取纯化[22—24]。目前，该方法用于姜黄素提取的报道并不多，但由于其条件温和可用于提取色素。此法要求根据提取物性质选择双水相体系(ATPS)，双水相系统有高聚物/高聚物、高聚物/无机盐(硫酸钾、硫酸钠等)、低分子有机物/无机盐、表面活性剂四种。出于溶剂来源及成本的考虑，一般植物提取多采用低分子有机物/无机盐双水相体系。

苏文斌等[25]以亲水性离子液体溴化N-丁基吡啶([BPy]Br)和磷酸氢二钾形成的ATPS结合微波辅助萃取姜黄中姜黄素类化合物，姜黄素提取率达4.99%，比传统热回流方法的提取率(0.042%)高100多倍。王佳静等[26]取脱脂姜黄20 g，用乙醇提取液和60%硫酸铵溶液按1:1进行混合获得双水相，取超声提取液50 mL与硫酸铵盐溶液按1:1混合，取醇相进行浓缩烘干得到姜黄素粗品，液相检测其含量为11%。Ghasemzadeh等[27]则选择由碳水化合物(山梨醇、果糖)和四丁基溴化膦(IL)组成的ATPS提取姜黄素。双水相萃取的提取液较稳定，但双水相体系易发生乳化，提取效率偏低，需借助微波、超声等辅助，不适用于样品最初的粗提取。

1.4 酶辅助提取

酶辅助提取是指在溶剂中加入适量的酶分解植物组织，促使组织中的有效成分快速溶解，提高提取效率。常用的酶有分解植物细胞壁的纤维素酶、果胶酶等，尹立冲[28]利用酶协同超声波法提取姜黄素，酶用量21 mg·g-1酶解42 min后，姜黄素得率达4.890%。宁娜等[29]采用微波辅助酶法提取姜黄中姜黄素，姜黄素收率为21.96 mg·g-1。相比机械物理细胞破碎，此法操作更简单，提取效率高，但酶的适宜环境难以准确调控，操作不当易失活，影响提取效率。

2 物理提取技术

2.1 微波辅助提取

微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，具有较好的穿透力，液体吸收微波会发热。微波辅助提取是通过加热溶剂，将有效成分从样品基体中分离出来以加快萃取的方法。该方法在于通过体系发热从而加快有效成分溶解速度，Hadi等[30]用微波辅助提取法确定了提取姜黄素最佳工艺条件为微波功率700 W、萃取粒度0.30～0.60 mm、提取时间3 min、溶剂体积10 mL、样品2 g、提取温度60 ℃。刘彩琴等[31]利用微波提取姜黄素的最佳工艺参数：料液比1:43.81，溶剂为71.21%乙醇，微波功率540 W，提取时间 30 s。微波条件稳定，而传统热辅助提取则无法准确把控温度，受热不均且温度过高易使姜黄素变质失活，降低提取率。

2.2 超声辅助提取

超声辅助提取是利用超声波破坏植物细胞壁，便于溶剂渗入细胞，加速有效成分溶解到溶剂中，进而提高有效成分提取率和提取速率[20]。超声辅助提取姜黄素主要受到超声次数、超声功率、超声时间、溶剂种类及用量等因素的影响。郭辰旭[32]超声提取姜黄素的提取率为(1.22±0.02)%；同时采用连续流动超声辅助法提取姜黄素，提取率提高为(1.232±0.031)%。Xu等[33]采用超声波提取技术，结合硫酸铵/乙醇水溶液提取姜黄根茎中的姜黄素，提取率可达46.91 mg·g-1。

马铭研等[34]建立以离子液体为提取剂，结合超声辅助提取，利用高效液相色谱法测定温郁金姜黄素含量的方法，在最佳提取条件下提取姜黄素含量达68.53 μg·g-1。离子液体由有机阳离子和无机或有机阴离子组成，是绿色化学新兴研究领域之一。有些离子液体是纤维素的优良溶剂，植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素组成，传统溶剂只能依靠浓度差来完成提取，离子液体可以通过溶解纤维素来溶解部分植物细胞壁达到提取的目的，从而增大提取率和缩短提取时间。超声提取操作简单，条件可控且稳定，不破坏提取物的结构和活性，有助于加快提高效率，可作为一种“绿色技术”广泛应用。

2.3 闪式提取

闪式提取又称组织破碎提取，是在室温下利用高速破碎、研磨、搅拌和超分子渗透技术，在数分钟内使药材有效成分溶解，达到快速提取的效果。冯素香等[35]对比研究回流提取法与闪式提取法提取姜黄中姜黄素的效果，结果表明闪式提取法效率更高。闪式提取法是材料粉碎与溶解同时进行，大大缩短时间，避免长时间提取造成有效成分分解消耗，提取率高且耗能低，是良好的绿色提取技术。不过该方法提取量受限，只适用于实验室，不能大规模生产，且不适合粘性过大的药材，易造成破碎后难以过滤[36]。

2.4 超临界CO2流体萃取

超临界CO2流体萃取是在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取分离出来。由于超临界流体的粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体，相比传统溶剂提取粘度小、扩散度大、溶解性更强，可加快有效成分的提取。罗海等[37]采用超临界CO2流体萃取法提取姜黄中有效成分姜黄素，夹带剂用量和萃取压力是最重要的影响因素，在最佳萃取条件下，姜黄素含量为14.317 mg·g-1。Martinez-Correa等[38]采用40 MPa条件下60 ℃的超临界二氧化碳(SCCO2)、常压条件下25 ℃的乙醇(或60 ℃的水)作为提取溶剂，分别比较一步法和两步法提取姜黄中姜黄素的产率。一步法是同时用 SCCO2和乙醇(或水)混合溶剂进行提取；两步法则是先用SCCO2连续萃取，再用乙醇或水萃取，对应于一步法和两步法的产率分别为3.3%和3.9%(每100g姜黄中姜黄素含量)。此法压力温度等条件易于控制，适合于热敏性物质和易氧化物质的分离，获得的提取物纯度较高，但是投入成本较高，不适用于工厂化生产。

3 其他提取方法

除了以上方法，姜黄素提取还有水杨酸钠法、超高压提取技术、亚临界萃取、超声强化微乳提取、加速溶剂萃取等提取方法，都有较好的效果。

水杨酸钠法一般用水杨酸钠溶液浸提姜黄素粗粉，提取液用水稀释后产生沉淀，取沉淀干燥后乙醇溶解、过滤、回收干燥得总姜黄素产品。刘新桥等[39]比较水杨酸钠法、酸碱法、活性炭等方法对姜黄素提取率的影响，以水杨酸钠法所得总姜黄素纯度最高，可达 93.2%，但转移率低于 10%。水杨酸钠提取法获得的姜黄素具有较高的产品纯度，且操作简单，对设备要求低，重复利用度高，可以用于小规模生产。在提取过程中若采用自然沉降法，提取液中还有大量总姜黄素没有沉淀，使转移率过低；若采用离心法则会有大量杂质随总姜黄素沉淀，最终产品纯度不高，因此不适用于工厂化生产[21]。

超高压提取技术的基本原理是在常温条件下，先将药材粉碎，再与提取介质(提取介质根据药材的性质而选择)混合放入密闭容器中，对原料液施加100～1000 MPa的流体静压力，保压一定时间后迅速卸除压力，进而完成整个提取过程。李晓鹏[40]用70%乙醇提取时，比较四种提取方法的总姜黄素得率，由高到低依次为超高压(2.874%)＞超声(2.421%)＞回流(2.039%)＞冷浸(1.585%)。从时间效率来看，超高压3 min的提取率比冷浸12 h的提取率高1.289%，比回流2 h的提取率高0.835%，比超声1 h的提取率高0.453%。超高压提取通过压力差，减少溶剂消耗，且提取液稳定，适合热敏性和挥发性成分提取，但与超声相比条件单一，还需要其他条件调控。毕晓丹等[41]采用家用高压锅模拟家庭煮沸法提取姜黄素，高压辅助法的提取率最高达0.403%，而传统煮沸法的姜黄素提取率为0.200%。可见高压辅助提取不仅可作为实验研究与工厂生产，还可推广至家用提取，但工厂化应用的设备价格昂贵且操作安全性要求极高。

亚临界萃取是根据有机物相似相溶的原理，利用亚临界流体作为溶媒，在密闭、无氧、低压的压力容器内萃取物料脂溶性成分，再通过减压蒸发将萃取剂与目的产物分离的萃取技术。Kwon等[42]采用亚临界溶剂萃取法从姜黄中提取3种姜黄色素，姜黄素的最大得率为13.58%(姜黄素4.94%、去甲氧基姜黄素4.73%、双去甲基姜黄素3.91%)。亚临界萃取比超临界CO2流体萃取方法产能大、节能、运行成本低，可进行工业化大规模生产。

岳春华等[43]以微乳为桥梁，把提取工艺和分离工艺耦合到一起，总姜黄素提取量为20.12 mg·g-1，提取粗品中微乳提取液和油层分离液可以不去除辅料直接制成药品。

加速溶剂萃取或加压液体萃取是在较高的温度(50～200 ℃)和压力(1000～3000 psi)下用有机溶剂萃取固体或半固体基质中有效成分的新型提取技术。Yadav等[45]以加速溶剂萃取法提取姜黄素类化合物，并对乙醇、乙酸乙酯、丙酮作为萃取溶剂的性能进行了比较，类姜黄素收率分别为3.8%、2.8%和2.9%。此法大大缩短时间，过程自动化，操作简单，提取效率高。各提取技术优缺点对比如表1。

表1 姜黄素各提取技术优缺点比较Table 1 Comparison of the extraction techniques of curcumin

4 展望

基于姜黄素特性、工艺条件、成分的代谢机制等研究提取方法，已发展出超声辅助提取法、超临界流体萃取法、闪式提取法等新型提取技术，与传统提取方法相比，这些新技术在提取姜黄素中大大缩短时间，耗材耗能小，提取效率明显提高，但仍存在以下问题。

首先姜黄素提取研究多是工艺参数优化、不同工艺之间的比较，而对不同工艺间的结合创新还是较少。

其次，随着提取工艺过程越来越繁杂，标准越来越高，这些技术的推广普及仍有一定困难，且提取设备资金投入增加，不适于小型公司前期生产投入。

再者，姜黄素提取技术工艺优化及相应提取设备以实验研究为主，工业生产技术缺乏，实验研究成果较难落地，造成实验技术与工厂化生产出现断层。

此外，作者在从姜黄中提取姜黄素的实验中，发现姜黄中含有大量与姜黄素物理化学特性极为相似姜黄油，其很难从姜黄素粗品中去除，导致后续分离纯化较为困难。

为此，今后对于姜黄素提取技术的研究首先应在工业生产方面结合多种提取技术设计相应设备，简化提取技术；其次，根据实验研究和工厂化生产应用对提取技术进行分门别类，将实验研究与工业化生产进行对接，使实验模拟数据及工艺更好的落地应用；建议在提取过程中尝试去除姜黄油，减轻分离纯化的难度，提高姜黄素的纯度，甚至获得姜黄素结晶。姜黄是一类药食同源的植物，姜黄素作为其主要活性成分，在医疗和食品加工行业广泛应用，需求量大，因此高效的提取技术将更有利于姜黄研究和产业链的开发。