植物多糖提取方法和提取动力学研究进展*

王靓怡，胡海燕，李 雪，姚博星，赵惠茹

(西安医学院 药学院，陕西 西安 710021)

植物多糖是一类由醛糖或酮糖经糖苷键连接而成的天然高分子聚合物，是维持正常生命活动的基本物质之一。由于多糖在水和低浓度醇中溶解度大，植物多糖可用不同溶剂、不同方法进行提取。通常植物多糖的提取原理是溶剂由于扩散、渗透作用透入到细胞内，溶解了可溶性物质多糖，造成细胞内浓溶液不断向外扩散，溶剂又不断进入组织细胞中，直至内外溶液浓度达到动态平衡时，将此饱和溶液滤出，继续多次加入新溶剂，就可以把植物中的多糖近于完全溶出或大部分溶出。提取动力学可以反映多糖的浓度随提取时间的变化规律，通过数学模型拟合，揭示温度、颗粒大小等因素对提取率的影响。综述了植物多糖的常用提取方法及提取动力学模型的研究进展。

1 植物多糖提取方法

植物多糖的提取方法主要有传统水提取法、酸碱提取法、低共熔溶剂提取法、酶解辅助提取法、超声波辅助提取法和微波辅助法等，不同提取方法对多糖的生物活性有一定的影响。

1.1 传统水提取法

传统的水提取法是提取植物多糖最常用的方法，该法操作简单、环保、成本低，但同时存在水溶性杂质多、提取效率不高、提取液易发霉等缺点。张方艳等[1]通过单因素和正交实验优化了水提取荸荠多糖的相关参数，提取率达到17.86%。Yun等[2]利用水提法提取小麦胚芽多糖并确定了最佳提取条件，多糖得率为(8.89±0.002)%。在优化植物多糖水提取工艺条件时，正交实验、均匀设计、响应面法等被应用广泛[3-5]。

1.2 酸碱提取法

酸碱提取法是以酸性或碱性溶液作为浸提液提取植物多糖。通过控制酸或碱液的浓度使植物细胞壁破裂，释放内容物从而进行提取。该法适用于含糖醛酸等酸性基团多糖的提取。陈文宁[6]分别选择质量分数5% Na2CO3溶液和pH=2的柠檬酸提取海带多糖，并对多糖得率和抗氧化活性进行比较，结果可见pH=2的柠檬酸提取法提取海带多糖的提取率和抗氧化活性均优于碱提取法。李亚平[7]对玉米须多糖进行酸提取，得出酸提取比水提取更有利于多糖溶出，多糖得率提高了25.92%。李琪等[8]采用pH=2的柠檬酸溶液提取海带多糖，当液料比为40∶1 mL/g时，提取率最高，达到54.94%。在用酸碱提取时，酸度或碱度不合适可能引起糖苷键断裂，损害多糖结构。因此，用稀酸提取时时间宜短，温度最好不超过5 ℃；用碱提取时，最好通入N2或加入硼氢化钾，提取结束后要迅速中和或透析除去碱。

1.3 低共熔溶剂提取法

低共熔溶剂(deeep eutectic solvents，DES)是一种由氢键受体和氢键供体形成的离子复合物溶液，作为一种新型的绿色溶剂，具有挥发性小、成本低廉、易获取、绿色环保可降解、无毒害和制备简单等优点。何瑞阳[9]采用低共熔溶剂法对玉竹中的多糖进行提取，结果表明尿素与氯化胆碱摩尔比为3∶1，提取温度92 ℃，提取时间41 min，料液比为29∶1(mL/g)时，最优提取率可达(29.03±0.54)%，为热水浸提法的4.67倍。Liang等[10]首次利用低共熔溶剂提取铁皮石斛得到2种新型多糖DOP1-DES(铁皮石斛眵糖1)和DOP2-DES(铁皮石斛眵糖2)，并考察了提取温度、DES摩尔比、反应时间和复合酶浓度对多糖提取率的影响。谢苗等[11]选用氯化胆碱-尿素提取灵芝多糖，不仅提高了提取率，抗氧化活性也有显著提升。刘旭等[12]研究发现，相比于传统水提醇沉法，采用低共熔溶剂法提取黄精多糖，70 ℃时得率提高了36%，所得多糖的相对分子量变小且半乳糖含量升高。

1.4 酶解辅助提取法

酶解辅助提取法是利用酶的专一性在一定条件下破坏植物细胞壁，使多糖等有效成分从细胞中溶出。其工艺条件节能、优质、产量高，反应条件温和，不破坏多糖结构。常用的酶有纤维素酶、果胶酶、半纤维素酶、木瓜蛋白酶。姜宁等[13]分别研究水浴提取和木瓜蛋白酶酶解辅助提取茶树菇子实体多糖，实验得出，酶辅助提取法所得平均含糖量比水浴提取法高1.61%。杨电增等[14]利用纤维素酶和果胶酶双酶法提取马齿苋多糖，确定最佳工艺条件为：纤维素酶1.5%(g/mL)，果胶酶2.0%(g/mL)，酶解时间100 min，温度50 ℃，液料比25∶1(mL/g)。在此条件下马齿苋多糖得率为(19.83±0.41)mg/g，高于单一酶法提取率。Li等[15]在酶解温度55 ℃,pH=5.0，酶解时间88 min，水料比22∶1 mL/g，纤维素酶用量0.93%(g/mL)的最佳条件下，优化了酶法提取石榴皮多糖，使多糖得率达到了(22.31±0.07)%。

1.5 超声波辅助提取法

超声波提取是利用超声波产生的一系列综合效应破坏细胞壁，从而达到高效、快速的提取[16]。张立娜[17]通过超声波辅助法优化地木耳多糖的提取工艺，确定料液比1∶50 g/mL，超声波功率80 W，温度343 K为最佳提取条件。邵佩等[18]通过超声波辅助法从红豆中提取多糖，最终确定提取条件为料液比m(红豆)∶V(水)=1∶26 g/mL，温度51 ℃,时间94 min时，多糖提取率最高为(99.2±0.04)%。Siriluck Surin[19]等分别采用超声波辅助提取法与热水提取法提取脱脂紫糯米糠粗多糖，结果表明脱脂米糠与水的比例为1∶20 g/mL，温度70 ℃，时间20 min为最佳提取条件,在此条件下超声波辅助提取法多糖得率是热水提取法的4倍。Chen等[20]通过热水提取、超声辅助提取、酶辅助提取和酶-超声辅助提取这4种方法来提取山楂多糖，最终结果表明酶-超声辅助提取的提取率最高。

1.6 微波辅助提取法

微波辅助提取法是一项具有很强的穿透性、选择性和较高的加热频率的新型萃取技术，能量穿透溶剂促使细胞破裂，从而将细胞内多糖等有效成分释放到浸提液中。李乐[21]采用单因素实验和正交实验同时考察微波功率、水料比、温度和时间对无花果多糖提取率的影响，得到其最佳提取条件为微波功率600 W、水料比40(mL/g)、温度70 ℃、时间40 min，其中微波功率是影响多糖得率的主要因素。宋笛[22]以白鬼笔为原料,去离子水作为溶媒,微波辅助提取白鬼笔多糖工艺并采用响应面法优化其工艺条件为微波温度65 ℃,时间10 min,功率280 W,料液比1∶30 g/mL,在此条件下提取率为9.03%，白鬼笔多糖具有较强的抗氧化能力和抗糖化能力。

2 植物多糖提取动力学模型

Fick定律是1855年提出的描述物质扩散现象的宏观规律。即在单位时间内通过垂直于扩散方向单位截面积的扩散物质流量与该截面处的浓度梯度成正比，由Fick第一定律可知浓度梯度越大，扩散通量越大。在第一定律的基础上推导出的Fick第二定律指出，在非稳态扩散过程中，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。

2.1 Fick第一定律

2.2 Fick第二定律

文献[26-27]以Fick第二定律为基础分别建立款冬花和西藏绿萝花多糖的提取动力学模型：,且随着温度升高，半衰期不断变小，提取速率加快。张琴等[28]在提取壶瓶碎米荠多糖时，随着功率的升高，表观速率常数、平均扩散系数逐渐增大，半衰期和多糖萃余率逐渐减小，此结论与程伟等[29]对桑黄多糖的提取动力学研究得出的结论一致。赵凯等[30]拟合了香菇多糖的提取动力学模型并求得相关动力学参数，可见在不同质量浓度下，随着温度升高，速率常数k逐渐增大。刘敏等[31]推导了玉竹多糖的提取动力学模型，求得相关动力学参数。由实验得出在373 K、190 min时玉竹多糖的最大得率为10.8%，料液比从1∶50(g/mL)变化到1∶200(g/mL)，其活化能逐渐减小。李兰兰等[32]对白鲜皮多糖的提取动力学进行了研究，可见料液比为1∶300和1∶500(g/mL)时的表观活化能较1∶400高。刘存菊等[33]以Fick第二定律为基础，采用球形模型讨论液料比、提取时间、提取温度与飞天蜈蚣七中多糖浸出量之间的关系，从而建立提取过程中动力学模型，并由此推算出浸提多糖过程中的速率常数、活化能、相对萃余率、有效扩散系数等动力学参数。刘继超等[34]根据提取地木耳粗多糖的工艺条件建立相关动力学模型，在相同提取时间下，若料液比在一定范围内增加，则提取速率增大，同时温度升高多糖得率也升高。

对提取动力学方程参数的求解还可以验证动力学模型的可靠性。王占一等[35]建立石榴皮多糖浸提的动力学模型并求算出不同料液比、不同提取温度条件下速率常数k值，此k值与实际值吻合，进一步证明所建立的石榴皮多糖提取动力学模型与实际测定的真实数值拟合良好。Wang等[36]建立葛仙米多糖提取动力学模型，结果可见在料液比为1∶50(g/mL)、提取温度为353.15 K、超声功率为540 W、提取时间为25 min时多糖的提取浓度最大。Zhang等[37]的研究可见,在温度37 ℃，超声功率458 W，萃取时间30 min和固液比1∶32时韭菜多糖的收率最高。Wang等[38-39]建立了甘草粗多糖的提取动力学模型,在343.15 K、超声功率600 W、料液比1∶15(g/mL)条件下提取60 min，最大得率为3.53%。李小菊等[40]拟合了黄花菜多糖的提取动力学模型，结果可见相对萃余率在353 K时最小，而黄花菜多糖提取率在该温度下最大,所以在黄花菜多糖提取过程中,要综合考虑影响黄花菜多糖提取率的温度、浓度等因素，从而得到最优提取工艺条件。

3 结束语

随着天然产物提取分离新技术的发展，越来越多的多糖提取方法不断涌现。目前常用的是将几种方法联合使用，但实际操作时往往因成本等问题不能大规模使用，而且提取得到的多糖大多为粗制品，杂质多，质量难以控制。因此探寻低成本、高效、易工业化的提取方法是多糖活性研究面临的问题。

建立植物多糖提取动力学的数学模型是定量研究其溶出规律的基础，可为提取现代化、电脑模拟提取及提取工艺优化等研究奠定良好的理论基础。但是不同植物多糖因其独特的性质，提取动力学模型的建立也需要不断优化改进，探索并建立适用范围更广的动力学模型。因此，科学运用先进科技工具，推进提取过程标准化及促进工业化生产，研究并建立多糖提取动力学数学模型具有非常现实的意义。