功能性多孔材料在槲皮素提取中的应用研究进展

◎ 田明硕，李腾飞，刘广洋，郝 铖

（1.河北工程大学 生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056000；

槲皮素（Quercetin，Qu）又名3,3',4',5,7-五羟基黄酮、栎精，槲皮黄素，分子式为C15H10O7，是黄酮类化合物（有一个共同的黄酮核，由两个苯环通过杂环吡咯烷环连接而成）的六个亚类之一。在植物中，槲皮素通常与糖、醚或酚酸等结合在一起，通常是由芦丁（槲皮素-3-芸香糖苷）水解获得，为黄色针状结晶，有苦味，不溶于石油醚、氯仿，几乎不溶于水，微溶于醇，可溶于冰醋酸、甲醇、丙酮、吡啶和碱性水溶液等。动物无法合成黄酮核，因此黄酮类化合物只存在于植物界，主要存在于水果、种子、蔬菜、茶、咖啡和蕨类植物中。

槲皮素在医药、功能性食品行业中具有很大的发展潜力，其抗氧化能力可治疗糖尿病引起的附加症状；可诱导成熟脂肪细胞凋亡，具有抗病毒活性；还具有降血压，抗菌与抗炎的作用。据报道，槲皮素在治疗癌症方面具有很大的潜力，还具有皮肤增色、有效治疗与预防心脑血管疾病、保护眼睛等作用，槲皮素已被制成了医药制品并进入市场。本文对提取槲皮素的常规方法进行简要描述，并对分子印迹在槲皮素提取中的应用进行了分类描述，对槲皮素的提取方法进行了展望。

1 槲皮素的传统提取方法

传统提取槲皮素的方法有浸渍法、索氏提取法、液-液萃取以及超临界流体萃取等。浸渍与液-液萃取对有机溶剂消耗大，且费时费力，提取效果差；索氏提取法与液-液萃取相比更节约溶剂，萃取效率高，与浸渍法相比省去了过滤的一项，但依旧需要使用大量溶剂，且易热分解的化合物不适用；超临界流体萃取法具有不易燃、无毒、萃取液不含有机残留物和易于从提取物中去除的优点，特别适合于提取植物等扩散基质和其他活性成分，但成本较高。

传统的非固相萃取法应用普遍，但存在使用大量有机溶剂的现象，具有污染环境、影响操作者健康的隐性危害，且耗时长，很难从天然产物中特异性提取槲皮素，存在成本过高等限制，因此急需一种特异性强、低污染、萃取效率高的提取槲皮素的方法，即利用多孔材料对槲皮素进行大容量的提取，是采用多孔材料对植物中槲皮素进行吸附、解吸附的一种提取方法。

2 分子印迹聚合物

分子印迹技术（Molecular Imprinting Technique，MIT）是一种在聚合物基质中能够产生与模板分子形状、大小类似的结合位点空腔的技术。分子印迹技术的流程为：①模板与功能单体通过可逆的共价键、配位键或非共价键形成复合物。②加入交联体在致孔剂中形成高交联刚性立体网状复合物。③洗脱模板分子，得到具有与模板分子相匹配的特异性空腔的分子印迹聚 合 物（Molecular Imprinted Polymer，MIP）。MIP具有结构可预测性、识别特异性和应用广泛性三大特点，是多孔材料的一种。与天然生物活性物质的识别系统如抗原与抗体、受体与激素、酶与底物相比，采用MIT所合成的聚合物可循环利用，具备抵抗不良环境的能力，使用效率更高，在纯化分离、化学/生物传感、催化和降解、人工抗体以及药物传递等领域得到了广泛的关注和应用。在槲皮素的提取中，与传统方法相比具有特异性强、操作简便和提取效率高等优点。分子印迹聚合物的主要制备方法有本体聚合法、悬浮聚合法、沉淀聚合法、溶胶-凝胶法、乳液聚合法以及表面印记法。

2.1 本体聚合法

本体聚合法（Bulk Polymerization，BP）是一种传统的、应用最广泛的一种制备方法，制备过程为：①将模板分子与功能单体混合在有机溶剂中充分振荡。②加入交联剂和引发剂，使其在光照、加热等因素下反应得到块状聚合物。③干燥、磨碎、过筛、除去模板分子得到MIP。KARAMAN等[1]在惰性环境中制备出MIP，并将其作为固相萃取吸附剂，分别从红洋葱皮甲醇提取物和其水解液中回收了58%和86%的槲皮素。采用单一功能单体制得的MIP识别位点较少且单一，识别位点易被掩埋，采用多种功能单体则可有效解决这类问题，还可以用不同功能单体制备两种MIP，且使用这两种MIP先后进行萃取富集，可以有效提高槲皮素的纯度，减少类黄酮的比例。MIP并非只吸附模板，还可吸附模板类似物，如何增加MIP专一性是今后研究的一大重点。本体聚合法因其操作简单得到了广泛应用，但费时费力，得到的产品质量比较差，不适合大规模应用，无法实现工业化，因此需要对本体聚合法的工艺进行改进或可采用其他效果更优的聚合方法。

2.2 悬浮聚合

将溶有引发剂的单体以液滴状悬浮于水中进行自由基聚合的方法为悬浮聚合法（Suspension Polymerization），与本体聚合的区别在于溶剂中加入悬浮剂，借助悬浮剂以及高强度机械搅拌作用使单体以小液滴（分散相）的形式分散在溶剂（连续相）中，并且每个小液滴中均有引发剂，相当于在每个小液滴中进行本体聚合，可制备微球型MIP。MIP的形状、体积对其性能也有一定的影响，YUN等[2]利用水悬浮聚合法制备槲皮素分子印迹微球，最大理论静态结合容量可达96.592 7 mg g-1，制得的分子印迹微球可作为吸附介质，甚至有望作为色谱固定相。悬浮聚合法易于制备尺寸均一的聚合物，并且可对聚合物的尺寸进行调控，且已经成功应用于蔬菜中槲皮素的提取，但悬浮聚合制备的聚合物尺寸通常较大且尺寸分散，同时悬浮剂难以完全除去，印记效果差，影响聚合物的性能。

2.3 乳液聚合

乳液聚合（Emulsion Polymerization）是将表面活性剂作为乳化剂，将功能单体分散在水包油型乳液中，再加入引发剂引发聚合，该方法与悬浮聚合相比能够制备尺寸较小且均一的聚合物。羟基磷灰石（HAp）具有良好的生物活性、高生物相容性、良好的机械性能和丰富的表面化学性质。以HAp作为稳定剂制备的MIP印迹微球球形均匀、粒径分布窄。孙燕华等[3]以槲皮素为模板对功能单体和交联剂进行探究，制备的MIP尺寸均匀，是微米级的球形聚合物，可用于皂角刺中槲皮素提取分离的工业化大规模生产。此方法以水为介质，环保安全，但乳化剂会被包裹在聚合物内部，难以去除，导致制得的MIP选择性差；经过凝聚、洗涤、脱水、干燥等工序才能制得固体聚合物，过程烦琐；当聚合物粒径过小时，抗压能力差。以上缺点对MIP的品质具有很大的影响，如何将乳化剂去除干净是此方法的一大重点。

2.4 沉淀聚合

沉淀聚合（Precipitation Polymerization）过程与本体聚合类似，但它需要大量增加溶剂的量（质量分数高于95%），使聚合过程中生成的寡聚物不断析出并聚集成尺寸规整的聚合物小球，以此为种子，将新生成的聚合物包裹在其表面，使聚合物小球逐渐变大，最终生成尺寸均一的球形MIP。沉淀聚合法是适合制备球形MIP的方法之一，具有很大的工业应用潜力。KARUEHANON等[4]制备的MIP结构稳定，从0.5 g桑叶中以20 mL水为介质提取槲皮素12.77 mg·L-1。此方法中以水为介质进行槲皮素的提取富集，减少了有机溶剂的使用，符合当代绿色与环保的要求，这是今后的一个研究方向。沉淀聚合比本体聚合减少了研磨过筛的步骤，大大提升了聚合物的均匀性，但是模板分子依旧被包裹在聚合物内部，为洗脱与再吸附带来很大影响，同时沉淀聚合需要大量的模板分子，为了得到相应的形态样式，需要严格控制反应条件，对操作要求较高，而且聚合需要大量溶剂，增加了成本，难以大规模应用。

2.5 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶（Sol-Gel）分子印迹技术是用溶胶-凝胶法将模板分子引入无机网络结构中制备分子印迹材料的一种技术，这种技术制备的分子印迹聚合物具有较高的选择性、较好的亲和性和较强的稳定性。该方法具有快速、成本低、稳定等优点。可引入改性的并联固定的不锈钢丝制备MIP，在水和乙醇中即可制备，制备过程简单，安全性强，但是制备中所需的原材料大多都是有毒的。黄芩胶（TG）无毒且有好的生物相容性，HEMMATI等[5]以TG为交联剂，采用溶胶-凝胶法制备了具有核壳结构的高选择性磁性分子印迹聚合物（MMIP），最大吸附量为175.43 mg·g-1，可见此方法中探寻绿色健康的制备材料是今后的一个突破难点。

2.6 表面印迹技术

以上方法制备的MIP印迹孔穴均处于内部，因此存在模板不易洗脱、结合位点较少、再吸附效率不高等缺点，而表面印迹（Surface Imprinting Polymerization）技术使印迹位点位于材料表面或接近材料表面，从而增加了有效印迹位点的个数，提高了印迹容量，加快了传质速率，确保模板被完全去除，因此可实现更高效率、更高选择性的分离效果。磁分离是一种简单、快速、高效和低成本的分离方法，以磁性分子印迹聚合物作为固相萃取吸附剂，可以直接分散在溶液中，利用外加磁场很容易地将目标产物从复合基体中分离出来，无需离心、过滤等附加技术。XIE等[6]以Fe3O4@SiO2为载体制备槲皮素磁性印迹聚合物（MMIPs），确定槲皮素的饱和吸附量（17.9 μmol·g-1），该聚合物具有超顺磁性好、特异性强、化学稳定性好、易于制备的优点。

表面印记法是近两年制备MIP最常用的方法，采用表面印记制备MIP极大地增加了比表面积与传质速率，能够很好地保持有序连通大孔和高孔隙率的孔结构，且接枝的MMIPs层厚度在纳米范围内。大孔隙率可以提升颗粒内传质的速率，能改善颗粒内吸附过程，并提供更多的有效识别位点。其具有低传质阻力和易于接近目标分子的优点，但受限于其材料比表面积小，因此需要探究大的比表面积材料。表面印迹法制备的MIP在结合位点的有效性、孔隙率、传质速率和比表面积等方面均具有极大优势，值得进一步研究，而为了从根本上优化MIP，也可考虑开发新的制备方法。

2.7 其他技术

可逆加成-裂解链转移自由基聚合（RAFT）是一种广泛应用的活性/可控自由基技术，可以控制聚合物的结构和性能。在传统自由基聚合反应中加入一种链转移剂，这种试剂具有较高的链转移常数，可以与活性种自由基结合生成休眠种自由基，使二者保持动态平衡来调控自由基聚合反应的反应速率。具有反应条件温和、适用单体范围广等优点。ZENGIN等[7]引入了二氧化硅粒子制备了QMIP@SiO2纳米粒 子，在60 min内 最 大 吸 附 量 为26.4 mg·g-1，并用于红葡萄酒中槲皮素的选择性提取，回收率高达99.7%～100.4%。深共晶溶剂（DESs）是一类新型离子液体，具有低粘度、低蒸气压、低成本、不易燃以及绿色等优点，为今后的槲皮素分子印记材料朝着绿色、低毒甚至无毒的发展目标提供了研究基础。

3 MOF在槲皮素的提取中的应用

金属有机骨架材料（Metal Organic Framework，MOF）属于多孔材料的一种，是以金属离子或金属簇为基础，通过与有机多复合配体连接而产生具有不同尺寸和形状的通道或空穴的有序周期性网状晶体结构，是一种有机-无机杂化材料，兼有无机材料的刚性与有机材料的柔性，具有大比表面积、多孔、孔尺寸可调性强、不饱和多金属配点和生物相容性等性质，在传感、催化、分离、医学等领域广泛应用[8]。将MOF用于槲皮素的提取分离，与常规方法相比具有快速，绿色等特点。

环糊精是一类具有生物相容性的环状低聚糖，具有内疏水性和外亲水性，具有高载药量和低毒性，亲水性和低毒性决定了这种材料的发展前途很大。YANG等[9]制备了环糊精金属有机骨架（CD-MOFs），这种制备方法与其他方法相比缩短了反应时间。对槲皮素和大黄素进行吸附研究，该晶体载药量分别为150.2 mg·g-1和199.8 mg·g-1，而且载药过程并没有破坏材料的结晶度。槲皮素能够螯合不同的金属离子，其铜络合物被证明可以提高抗氧化活性，并具有其他一些生物学效应，可降低其毒性，同时保持其生物活性。MOFs具有比表面积大、孔径可调、内表面性质可调等优点，将MOF与MIP结合，制备功能性多孔复合材料，增加了结合位点与孔隙率，具有稳定性好、吸附平衡时间短、对槲皮素选择性高、灵敏度高等优势，是一个好的发展方向。

MOF目前在槲皮素的提取中的研究鲜有报道，但MOF的均匀多孔结构已在其他物质富集分离中广泛应用，因此MOF在槲皮素提取中可进一步研究。

4 结语

鉴于槲皮素具有抗癌，清除自由基等生理特性，在医药和保健食品中行业引起了很大的关注。目前，从植物中提取槲皮素主要应用的液液萃取法对环境不友好，对操作人员伤害大，所以绿色健康的提取工艺必将是未来发展的重点。分子印迹聚合物（MIP）具有特异性吸附的特点，可以特异性识别抓取复杂基质中的目标物，从而达到富集目标分子的作用，但是分子印迹聚合物吸附容量和吸附速率却限制着其在生物活性成分提取中的应用前景。MOF具有规律的多孔结构，有很好的传质速率，具有很好的吸附能力，将MOF与MIP结合起来既可以满足有序、多孔、刚性的要求，又可以满足特异性的需求，合适的多孔材料与MIP相结合还可以增加MIP的比表面积、传质速率与吸附性能，探究其新的组合方法也是未来一个研究方向。将RAFT技术引入MIP的制备可以有效地对制备过程进行调控，适合进一步地探究与应用。MIP和MOF在其他领域已得到广泛的应用，在槲皮素提取中仍具有极大的潜力，有望成为槲皮素提取中的重要方法。