食用菌的活性成分及其物理提取技术研究

马传贵，张志秀，孙思胜，王春燕

（1.北京京诚生物科技有限公司，北京 102600；2.许昌学院食品与药学院/河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室，河南许昌 461000；3.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250014）

食用真菌具有较大的子实体，味道鲜美，有很高的食用、药用和经济价值。目前可进行人工栽培的食用菌有60 多种，主要包括香菇、黑木耳、平菇、金针菇、双孢菇、毛木耳、杏鲍菇、真姬菇、茶树菇、滑菇、银耳、秀珍菇、草菇、鸡腿菇等。2020 年12 月，中国食用菌协会发布《2019年度全国食用菌统计调查结果分析》，结果显示，2019 年全国食用菌总产量达到3 933.87 万t，同比增长3.8%，全国食用菌总产值达到3 126.67 亿元，同比增长6.4%。食用菌富含很多生物活性化合物，包括多糖（如α-葡聚糖和β-葡聚糖）、蛋白质、肽、多酚、萜类、维生素和膳食纤维等，是一种健康食品[1-3]。破坏细胞壁释放胞内物质是食用菌有效成分提取的关键。传统的提取方法有机溶剂用量大、提取时间长、成本高、耗时长，且对环境有负面影响，可能导致活性成分的降解或凝聚。为了解决这些问题，一些新型物理提取技术被探索。物理提取技术是指通过物理手段对细胞进行破碎处理，以提高提取率和产品质量。本文综述了近年来利用高效物理提取技术从食用菌中提取活性成分的相关研究，探索了食用菌有效成分的潜在生物活性，并对其在功能性食品中的应用前景进行展望。

1 食用菌的有效成分及其应用

1.1 有效成分及其生物活性

1.1.1 多糖类

从食用菌菌丝体、子实体和滤液中提取的多糖、糖蛋白等活性成分具有很强的抗肿瘤活性。Chihara[4]在20 世纪60 年代首次评估了食用菌多糖的抗肿瘤活性。此后，真菌多糖的抗肿瘤活性及其作用机制被广泛研究。众多研究人员已从食用菌中分离出结构多样的多糖，证明其具有较强的抗肿瘤活性[5-6]。与传统抗肿瘤药物相比，食用菌多糖的抗肿瘤活性表现出以下两种作用机制：一是增强荷瘤免疫（免疫增强活性）；二是通过抑制各种类型肿瘤细胞的生长和肿瘤在体内的转移，诱导肿瘤细胞凋亡，表现出直接抗肿瘤活性[7-8]。Lemieszek 等[9]的研究表明，相比于单一激素治疗，香菇多糖结合激素治疗对于提高激素参数（如促卵泡激素、血清雌二醇、促黄体生成素和催乳素水平）更有效。Ghosh 等[10]利用适应性免疫疗法和香菇多糖成功治疗了一例复发性卵巢癌的患者。Zhang 等[11]通过临床试验展示了香菇多糖的潜在抗HIV 活性。目前食用菌多糖的免疫活性和抗肿瘤活性的研究更加成熟，且食用菌多糖成分的其他生物活性同样也受到关注。其中Shuai 等[12]研究了鸡腿菇三个子实体（CC30、CC60 和CC80）多糖的降血糖活性，发现当口服剂量为1 000 mg/kg 时，食用120 min 后，CC60 多糖可显著抑制血糖浓度的升高，在同一剂量下注射21 d，也有长期降血糖作用。基于这些结果，CC60 多糖作为一种具有降血糖活性的天然药物在治疗糖尿病方面具有潜在的应用价值。Ding 等[13]研究了巴氏口蘑子实体多糖的抗氧化活性，结果表明多糖不仅可以改善细胞活力，减少活性氧（ROS）的产生并抑制氧化损伤，还可以显著抑制丙二醛（MDA）的形成并改善超氧化物歧化酶的活性。

1.1.2 多酚和萜烯

食用菌中的多酚是一类重要的天然抗氧化剂，具有清除自由基和淬灭活性氧的作用，主要包括酚酸类、黄酮类、鞣质和花青素等植物次生代谢产物。Palacios 等[14]发现双孢菇、香菇、松茸、平菇中酚类物质的含量为1～6mg/g，黄酮类化合物含量为0.9～3.0 mg/g。食用菌中的萜类物质主要为倍半萜、二萜和三萜类，它们大多具有抗炎、抗菌、抗氧化等生物活性。灵芝酸是灵芝中常见的三萜类化合物，是一种重要的活性物质。食用菌中的黄酮类和多酚类物质能直接淬灭单线态氧，防止自由基连锁反应和脂质过氧化，避免氧化损伤。同时食用菌中的萜类化合物和类黄酮可以与脂质链氧化的中间体（脂质自由基或脂质氧自由基）发生反应，终止链式反应并抑制脂质氧化。Wang 等[15]从金针菇中分离出几种倍半萜类化合物，具有抗氧化、抗肿瘤和抗菌活性；同时可以通过在多酚环上将·OH 与Fe2+或Cu2+络合来避免脂质过氧化，从而抑制氧自由基的产生。Tumay 等[16]证明，在5 mg/mL 浓度下，香菇乙醇提取物对Fe2+的螯合能力达到58%。Gursoy等[17]研究表明，来自7 个不同羊肚菌属物种的甲醇提取物对过渡金属离子的螯合能力随提取物浓度的增加而增加。

1.1.3 蛋白质

食用菌的营养价值主要与它们的蛋白质含量有关。食用菌蛋白被认为比植物蛋白具有更高的营养价值[18]。食用菌氨基酸组成接近或优于大豆蛋白，甚至某些食用菌（香菇）的氨基酸组成类似于鸡蛋。食用菌中有多种活性蛋白，其中最常见的是凝集素（12～190 kD）和真菌免疫调节蛋白（FIP）（12～15 kD）。食用菌蛋白会参与各种生理功能，如抗癌、抗病毒、抗菌和免疫调节。此外，在食用菌中还发现了抗病毒蛋白、核糖体失活蛋白、漆酶和其他活性蛋白，它们的分子量和结构都有所不同[19-20]。Sun 等[21]发现杏鲍菇菌丝体的多肽抑制了癌细胞（宫颈癌、乳腺癌和胃癌细胞）的增殖，但促进了巨噬细胞（Ana-1 细胞）、TNF-α 和IL-6 的增殖、TLR2 和TLR4的表达，且通过NO 和H2O2的释放增加了巨噬细胞的吞噬能力。

1.2 潜在应用

食用菌的活性成分具有独特的理化特性和功能，例如普遍的附着力、优异的生物相容性和生物降解性，其中发光食用菌被认为可用于荧光纳米材料。与无机纳米颗粒相比，有机纳米材料由于具有分子结构可调节、可生物降解和低毒等特点，在生物成像领域引起了人们的广泛关注[22]。此外，食用菌中的多糖和蛋白质由于其结构多样，以及活性分子易于表面修饰，因此可以考虑用于药物递送和控释。因此构建以活性成分材料为基础的功能性纳米平台，将生物成像、药物传递、肿瘤治疗等功能融为一体，将极大地发挥纳米材料的优势。除此之外，食用菌中的多糖类或者蛋白质等生物活性物质，当前已经被应用到保健品和化妆品的开发中，比如桑黄子实体多糖已被商业开发为桑黄保健食品和化妆品[23]。

2 食用菌有效成分的提取方法

2.1 超声辅助提取

超声辅助提取（ultrasound extraction，UAE）是通过超声提取溶解在特定溶剂中的样品[24]。以往研究发现，超声频率大于20 kHz 能促进食用菌的水合作用，使细胞壁孔隙增大，导致细胞壁破裂，因此，传质速率加大将提高萃取效率[25-26]。相比于传统提取技术，超声辅助提取食用菌有效成分表现出诸多优势，首先，可以克服传统提取工艺提取时间长、溶剂用量多等方面的限制；其次，萃取温度较低，萃取产物的生物活性较高；最后，工艺能耗较低，且产物最终的产量较高[27-28]。但是超声波时间过长可能会导致活性物质结构破裂并降低提取率。目前，超声辅助提取法已经成为从食用菌中提取活性成分的有效辅助技术。Tian 等[29]采用超声辅助提取法，得出在超声功率230 W，提取温度70 ℃，提取时间62 min，固液比1∶30（mL/g）的优化条件下，双孢蘑菇多糖的得率最高，可达到6.02%。Le[30]采用超声辅助提取法，得出在超声功率340 W，水料比为30∶1（mL/g），超声处理时间14 min 的优化条件下，香菇多糖得率约为14.39%，且明显高于水热提取法的提取率（9.14%）。除此之外，You 等[31]通过响应面法对超声辅助提取参数进行优化，发现从松茸中提取多糖，当超声功率365 W，水料比为53.5∶1（mL/g），提取时间160 s 的最优条件下，多糖提取率可高达7.97%。

2.2 微波辅助萃取

微波辅助萃取（microwave-assisted extraction，MAE）是一种快速有效的萃取技术，可以促进目标组分的萃取。与传统的加热萃取技术相比，该技术具有萃取时间短、溶剂用量少、能耗低等诸多优势[32]，但是提取过程中加热不均等问题也影响提取效果。在通过微波辅助萃取食用菌有效成分的过程中，微波功率、溶剂/固体比和提取时间是影响微波提取效果的重要因素，其中，溶剂的选择是微波辅助萃取的关键，这取决于活性化合物的溶解度和溶剂的微波吸收特性[33]。Maeng 等[34]通过微波辅助萃取法从云芝中提取总酚，发现乙醇浓度40%、微波功率125 W 和提取时间3.8 min 为最佳提取条件，此条件下多酚提取率为43.2%。但是，Oezyuerek 等[35]通过微波辅助萃取法从3 个野生食用菌中提取酚类化合物，发现最佳的微波提取条件为提取温度80 ℃、提取时间5 min、乙醇80%，此条件下多酚提取率为80%。此外，Christopher等[36]将微波辅助萃取技术用于从双孢蘑菇中分离真菌代谢物麦角固醇，并比较了微波辅助萃取技术和传统溶剂提取法的差异，结果发现相比于传统萃取技术，微波辅助萃取技术在提取麦角固醇的时候更加简便、快速和经济[37]。

2.3 超临界流体萃取

超临界流体萃取（supercritical fluid extraction，SFE）是一种使用超临界流体从固态甚至液态材料中提取活性成分的现代技术[38]。传统的溶剂提取是基于扩散过程的，溶剂必须扩散到食用菌组织中，而活性成分必须溶解在溶剂中。但是超临界流体的扩散较快，因此提取时间更短，另外，在流体和食用菌材料之间没有表面张力，并且超临界流体的黏度低于液体，因此对于相同的萃取过程，有机溶剂萃取需要几个小时，而超临界流体萃取仅需10～60 min[39]。从实际情况来看，相比于传统技术，超临界流体萃取具有多种优势，如能耗较低、可在低温下运行、所得产品品质好，且在溶剂相中没有溶质残留等。但是，SFE 仅能提取低极性或中等极性的活性成分，且生产成本较高，导致其应用范围受到一定的限制[40-41]。Mazzutti 等[42]使用超临界流体萃取技术从巴西姬松茸中提取抗菌化合物。结果表明，在乙醇10%、50 ℃、30 MPa的优化条件下，巴西诺卡氏菌（A.brasiliensi）提取率达到4.2%。结果与Li 等[43]报道的从灵芝孢子中提取的结果相似，且与Kitzberger 等[44]报道的使用20 MPa、40 ℃，含15%乙醇水溶液作为助溶剂的优化条件下，从香菇中提取的结果相似。除此之外，Diego 等[45]通过超临界流体萃取结合紫外线照射从香菇中提取了富含维生素D 的化合物，获得了包含高达18%（w/w）麦角固醇和其他麦角固醇衍生物，并且可通过紫外线照射将其部分转化为维生素D2。

2.4 超高压辅助萃取

超高压辅助提取（ultrahigh pressure-assisted extraction，UPE）是近年来发展迅速的一项从食用菌中提取活性成分的新颖技术。萃取溶剂在超高压下迅速渗透到植物维管束和腺细胞中，引起细胞体积的变化并促进化学平衡的移动[46-47]。压力释放通常在几秒钟内完成，组织细胞的压力从几百MPa 迅速降低到大气压条件下。在相反的压力方向上，细胞壁和细胞膜受到强烈冲击，导致变形，在高渗透压下，细胞中溶解有溶剂的活性成分迅速转移到细胞外以实现提取[48]。由此可以看出，超高压辅助提取通过破裂细胞壁、细胞膜和细胞器以减少处理时间和溶剂用量，进一步提高提取率。近年来，超高压辅助提取技术被广泛用于提取食用菌中的活性成分，该技术已经相对成熟，表现出萃取时间短、溶剂消耗少、操作温度低、萃取产率高、可萃取不耐热化合物、杂质少等众多优势，但是也存在投资成本高（设备投入及提取过程），在提取过程中需要进行额外的过滤或离心以去除固体残留物等不足。Chen 等[49]研究了用超高压辅助提取法提取香菇多糖，发现相比于未经处理的样品，超高压处理后，细胞结构发生了明显变化，较大的颗粒被破碎，可以进一步破坏细胞结构并降低传质阻力，从而提高提取效率。Chen 等[50]报道了超高压辅助提取处理可能导致蛹虫草组织被破坏，从而增强了溶剂向食用菌材料中的转移以及可溶性活性成分向溶剂中的转移。陈忠杰等[51]通过超高压辅助提取虫草多糖，在压力300 MPa、固液比为1∶40、70 ℃、提取2 min 的优化条件下，发现多糖的最大提取率为9.33%。Bing 等[52]指出，在压力400 MPa、温度50 ℃、固液比1∶40、提取时间6 min 的条件下提取灵芝多糖，多糖提取率为2.762%，比水提取高37.1%。

2.5 脉冲电场提取

脉冲电场（pulsed electric field，PEF）提取是一种用于提取细胞内活性成分的非热提取技术，其原理是将目标物质放在连续处理室的两极之间，在电场的作用下，使用短脉冲高压来促进极性物质高速运动向电极方向移动。由于植物组织细胞的细胞膜被电穿孔而出现不可逆转的破坏，导致生物活性物质溶解[53]。脉冲电场用作强化预处理，已显示出巨大的潜力，可以取代传统的提取技术，提高食用菌生物活性成分的提取率。在脉冲电场辅助萃取过程中，电场强度是决定性因素，脉冲宽度、处理时间、脉冲数和能量密度会间接影响萃取效果[54]。脉冲电场提取技术可连续运行，处理时间短，适用于不耐热化合物的提取，是其在实际应用中的主要优势，但是成本较高，限制了其应用范围。脉冲电场提取技术被广泛用于从食用菌中提取活性化合物，其中，Yin 等[55]采用脉冲电场提取技术从桦褐孔菌中提取多糖，在场强30 kV/cm、脉冲数6、料液比1∶25（mg/mL）、pH 10 的优化条件下，多糖的提取率达到了49.8%，是热碱提取的1.67 倍。与传统萃取方法相比，脉冲电场萃取时间短（12 μs），萃取效率高且萃取物中的杂质较少。Zhang 等[56]研究发现，在脉冲数为8、电场强度为40 kV/cm、pH 为7 的条件下，相比传统提取技术，脉冲电场提取技术显著提高了藏灵菇胞外多糖（EPS）的提取率（84.3%）。

3 总结

本文系统地综述了从食用菌中提取具有潜在抗肿瘤和抗氧化活性的生物活性物质的各种物理技术（UAE、MAE、SFE、UPE 和PEF 等），这些技术可以极大地提高食用菌有效成分的提取率，且能减少能源和溶剂的消耗。但是，由于某些提取过程和技术较为复杂，可能会对某些有效成分的生物活性产生负面影响。因此，目前需要重视且亟需解决的问题是创建一个数据库，针对不同食用菌有效成分对应的技术及最佳提取参数。除此之外，大量研究证明，食用真菌的大多数生物活性化合物具有预防和治疗疾病的潜力，这主要是由于它们的抗氧化活性、免疫活性和抗肿瘤活性，尽管食用菌有效成分的生物活性及其机理已有大量报道，但是仍然有必要对这些有效成分的结构功能及其生物活性之间的构效关系进行深入分析。此外，某些生物活性物质的应用仍处于实验室研发阶段，在扩大试验规模以及产业化方面仍然需要做出努力。