火麻资源综合加工及产品开发研究进展

高 哲 张志军 李会珍 李晓君

(中北大学化学工程与技术学院，太原 030051)

火麻(CannabissativaL.)又名大麻、汉麻、寒麻等，一年生草本植物，原产锡金、印度和中亚细亚[1]，我国各地也有栽培。火麻茎皮纤维坚固且长，可用来造纸、织麻布、制绳索等；火麻籽含油量30%，除可食用外也可做油漆、涂料等；火麻仁可入药，性平，味甘，具有润肠通便功效[1]。随着生物化工技术的不断发展，已从火麻资源中提取分离出多种生物活性成分，这些物质因其良好的抗氧化和保健作用而对高血压、糖尿病、便秘等有预防作用。近年来开发出诸多火麻类产品，如火麻油、火麻蛋白粉、火麻饮料和火麻龟苓膏等[1]，这些绿色保健食品逐渐受到人们的青睐。随之火麻在全球范围内大规模种植，而相对于国外，中国火麻资源更为丰富，可为火麻产品的科学研究与开发应用提供大量原材料[1]。

1 火麻叶

火麻叶片为绿色，有单叶和复叶之分，且多为掌状复叶，其叶序为对生和互生。迄今为止，科研工作者们已经从火麻叶中分离出包括大麻酚类、萜类、生物碱、有机酸、多糖等在内的累计达528种化合物[2]。

1.1 大麻二酚及其提取工艺

火麻叶中包含许多大麻素类化合物，但主要是大麻二酚(Cannabidiol, CBD)及其羧基化合物。大麻二酚结构式如图1所示，其是非成瘾性成分，具有治疗阿尔茨海默病、多发性硬化症癫痫、口服黏膜炎、糖尿病、阻断乳腺癌转移、抗痉挛和抗失眠等一系列生理活性功能[3-7]。现阶段，科学家们对大麻二酚抑菌、抗炎、抗癌等活性进行了深入研究，并将其应用于临床实验。

近年来，大麻二酚的提取制备工艺得到广泛重视。吴俊峰等[1]以火麻叶为原料，采用酶辅助溶剂、超临界及亚临界三种萃取方法制备富含CBD的浸膏。经复合植物水解酶和酸性蛋白酶的复合物酶解，正己烷提取，活性炭脱色，所得浸膏中大麻二酚含量为56.11 mg/g；当超临界和亚临界中夹带剂(乙醇)体积分数分别为35%和40%时，所得浸膏CBD纯度分别为56.36 mg/g和25.02 mg/g[8]。Thomas等[9]优化了超临界CO2萃取火麻纤维产品加工废弃物中CBD的工艺，在350 bar和50 ℃条件下，CBD含量为833 μg/g。此外，高宝昌等[10]用甲醇超声法提取，测得火麻叶中大麻二酚含量约为0.2%。本课题组以正己烷作为提取溶剂，经热回流法80 ℃下提取3 h浸膏得率为5.24%，浸膏中大麻二酚含量为46.16 mg/g，此方法成本低且更适于工业化生产。

图1 CBD结构

1.2 挥发油及其他成分

蒋勇等[11]采用气相色谱-质谱(GC-MS)法分析火麻叶挥发性成分，鉴定出的44种物质占挥发油总组分的86.04%。主要组分如表1所示，含量较多的是石竹烯氧化物(14.36%)、石竹烯(8.08%)和α-石竹烯(7.05%)等。田爱莹等[2]优化了从火麻叶中提取黄酮、多酚和多糖的工艺条件：65%乙醇、提取时间133 min、提取温度60 ℃、料液比1∶30(g/mL)工艺条件下，黄酮和多酚的得率分别为2.15%和1.97%；火麻叶多糖的提取选用料液比1∶22(g/mL)、提取时间98 min、提取温度97 ℃、提取次数3次作为最佳工艺条件，多糖得率为3.38%。

1.3 产品开发

火麻叶提取浓缩后所得浸膏具有水不溶性、气味刺鼻、不稳定等特点，因而将其包埋于某些水溶性物质内，可以降低其结晶度，提高生物利用率。吴俊峰等[1]采用反溶剂法(以浸膏为芯材，以酪朊酸钠(NaCas)、OSA改性淀粉(OSA-S)及皂苷(Quillaja)为稳定剂)制备具有良好稳定性的CBD微球颗粒。Hernán等[12]开发了油包埋制备大麻素负载的聚ε-己内酯(PCL)微粒，获得尺寸范围为20～50 μm和高包封率(约100%)的球形微粒，且体外细胞活力研究表明CBD从微粒释放出一定的抗肿瘤活性。经过分离纯化的大麻二酚广泛应用于医药研发方面，Zuardi等[13]发明了经口递送的含大麻二酚60～1 200 mg的压制片剂，当持续4周给予精神分裂症患者1 500 mg/d CBD(溶于油)时,在治疗期间改善显著,而中断施用时即观察到恶化。

表1 气质联用分析火麻叶中挥发油主要组分

火麻叶挥发油中主要成分有石竹烯、α-石竹烯及其石竹烯氧化物，这些物质能渗透进皮肤，促进活性因子的局部传递，是安全的皮肤渗透增强剂，可应用在化妆品配方中，开发出高档化妆品[11]。有研究表明，火麻叶中的多酚类、生物碱、有机酸和多糖等物质除对霉菌有不同程度的抑制作用外，对多种革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌也有明显抗菌性能。在进行体内体外抗氧化、抑菌活性评价的基础上，可为今后抗氧化剂、抑菌剂的筛选做出科学依据，从而开发出各式各样的日化品，如洗手液、空气喷雾剂、牙膏、驱蚊剂和电子烟等[2,14]。

2 火麻籽

火麻籽包括籽壳和火麻仁两大部分，火麻籽壳中的膳食纤维可应用于糖尿病、高血压病人膳食中，具有疏通肠道、美容养颜、调节血糖的作用，用火麻籽壳制作的活性炭可用于食品脱色及各种食品制造中催化剂的载体[14]；据文献报道火麻种仁比果实更安全，其药用部位应为种仁[15]。火麻仁是一味药食同源的润下药，在临床上主治肠燥便秘、脚气、月经不调及丹毒等症，对心血管系统、消化系统、中枢神经系统等都有显著疗效[15]。

2.1 火麻油

火麻油优于众多植物油的原因是亚油酸和亚麻酸总质量分数高达65%～95%，且两者比例接近人体所需比例3∶1；特别是γ-亚麻酸质量分数高达4%，高于大多数植物油，具有抗氧化、抗炎、延缓衰老等特性[16]。

2.1.1 提取工艺

火麻油的提取方法包括热榨法、冷榨法、水酶法及超临界CO2法等。田兆飞等[16]采用冷榨法榨取火麻仁中的油脂，进行甲酯化处理后，分别利用气相色谱—质谱联用技术、气相色谱法分析鉴定其脂肪酸组成及含量；水酶法提取火麻仁油的工艺条件为选择Viscozyme L酶酶解、加酶量7 000 U/g、酶解时间3 h、酶解温度60 ℃、料液比1∶6、pH 5，此法提取率高达83.2%[17]；高晓龙等[18-19]选择超临界萃取，在萃取压力30 MPa，萃取温度38 ℃，萃取时间50 min条件下，火麻油的出油率为77.2%，油脂的红色值为1.0，且萃取出来的浅色火麻油品质较高。另外，杨湄等[20]证实了微波预处理会显著改善油的氧化稳定性，表明微波预处理是一种适宜提高火麻油品质的预处理方式。

2.1.2 产品开发

火麻油除作为高端食用油外还可用于保健品领域，以精炼火麻油为主要原料，以α-亚麻酸为主要功能成分，用现代医药制作方法研制而成的火麻软胶囊在润燥滑肠、清除自由基、排毒养颜等方面十分有效，且具有用量小，服用方便的特点[21]。在工业用途上，火麻油碘值在162.8～168.2 g/100 g之间，由于是高碘值油，含有较多的不饱和甘油酯，可用在制阿立夫油、清漆、油墨以及肥皂、油毡、人造草等方面[21]。

2.2 火麻蛋白

火麻蛋白中含60%～70%麻仁清蛋白和麻仁球蛋白，除富含人体必需8种氨基酸外，其高含量的精氨酸(123 mg/g蛋白)和组氨酸(27 mg/g蛋白)对儿童的生长非常重要，其余氨基酸组成合理、效价均衡，被称为“优质完全蛋白”，具有调节血糖、血脂和血小板水平，促进脑组织发育等功效[22]。

2.2.1 提取工艺

火麻蛋白提取的最经典方法为碱溶酸沉法。卫萍等[23]以火麻籽为原料，提取火麻蛋白的最佳工艺参数为：料液比1∶9、温度60 ℃、时间1 h、pH 10。在最佳工艺条件下，火麻蛋白提取率为63.5%；在工业化生产中，黎科亮等将脱壳/带壳火麻籽低温压榨后采用亚临界萃取进一步脱除粕中油脂，在萃取温度32 ℃，料液比1∶10(g/mL)，每次萃取时间35 min(3次)的条件下，脱壳/带壳火麻籽粗蛋白的蛋白含量分别为75.31%和35.46%，脱壳火麻蛋白中的精氨酸含量高达133.84 mg/g蛋白，优于鸡蛋蛋白和大豆蛋白，此研究结果为火麻蛋白的开发利用提供了参考[24]。

2.2.2 产品开发

蒲海燕等[25]以火麻仁和纯牛乳为主要原料，当火麻原浆用量10%，新鲜酸奶接种量17%，绵白糖用量8%，发酵时间6 h时，酸奶的品质最佳；陆建林等[26]将火麻粉与食盐、鸡精等按一定比例进行调配制成原味型火麻固体汤料。陈聪颖等[27]以火麻仁为原料先将其70 ℃烘烤10 min，再以30 ℃的水浸泡火麻仁1.5 h，沥干后用70 ℃热水按料液比1∶12磨浆6 min(pH 7.5)，火麻乳中蛋白含量为2.66%，蛋白质提取率高达78.45%，产品呈乳白色，有火麻清香，品质好。此外，以火麻蛋白为主要原料，加入黑芝麻、蔗糖等辅料还可制成营养丰富、口感甜美的火麻保健饮料[28]。

3 火麻茎秆

火麻茎秆中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，是非常宝贵的天然植物纤维资源。目前我国木材资源短缺，木材供不应求的局面将会长期存在，将火麻茎秆加以利用是代木材料的最佳选择[29]。火麻茎秆大多是用在纤维产品和木炭的生产上。

3.1 加工工艺

3.1.1 火麻茎秆纤维化处理方法

分离法：茎秆先切段再喷蒸处理、解离处理，最后使茎秆原料呈纤维状后干燥即得茎秆纤维；

电磨法：此法与分离法大同小异，也是要经过加温蒸煮后再用电磨加工成纤维；

搓揉法：这种工艺与以上2种方法的区别就是换成了搓揉设备。相比较而言，搓揉法是最好的一种工艺，它可以把茎秆搓揉到所需要的纤维状为止，而其他工艺均为不可逆的[29]。

3.1.2 火麻茎秆生产木炭技术

火麻茎秆生产木炭技术主要包括内热式、外热式以及循环气流加热式[30]。这3种炭化技术相比：内热式炭化技术较传统，关键是控制窑内空气量使茎秆不完全燃烧来生产木炭；外热式炭化技术是利用外部燃烧汽油、废木材而避免消耗用于生产木炭的茎秆；循环气流加热式炭化则直接将还原性气体或高温惰性气体通入炭化室内加热茎秆，炭化产生的热解气随载热气体流出，在燃烧室中燃烧后又可用于炭化茎秆，具有传热效率高、炭化周期短、木炭质量较好等特点[30]。

3.2 产品开发

火麻茎秆纤维内的大麻多酚类物质对白色念珠菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等有显著抑制作用，因其天然抑菌、卫生健康，可开发医用纱布、卫生护垫、儿童尿不湿等产品；火麻纤维耐腐蚀性能好，因此特别适宜各种特殊需要的工作服，如军服、军靴、军用背包等；火麻织物防紫外线辐射能力强，可减少紫外线对人体的危害[29]。

火麻茎秆加工而成的木炭一方面用于生产活性炭、二硫化碳等，另一方面其作为一种清洁可再生能源，广泛用于烧烤行业、家庭烹饪、取暖及发电厂发电等，同时在替代化石燃料方面具有很大的潜力，可作为钢铁和工业硅冶炼的还原剂[30]。

4 展望

火麻花新药开发。以火麻花为原材料，利用活性追踪手段寻找具有药效的物质，对此进行评估并开发出更有价值的新药，如抗癌药、抗艾滋病药及精神疾病药物等。

火麻茎皮农药杀菌剂开发。火麻茎皮中的化学成分齐墩果烯和齐墩果酸有较好的抑菌作用，对金黄色葡萄球菌及白色念珠菌抑菌作用明显。对火麻茎皮中的齐墩果烯和齐墩果酸进行分离纯化，获得原药后，再配以适当的助剂加工成农药杀菌剂，可开发出天然高效杀菌剂。

火麻根新能源开发。火麻根与标准煤有同等的热值，可合成新型可再生生物燃料。