甜葉菊創(chuàng)新性提取和分離純化方法的研究進(jìn)展

張濤俊^1?周瑩婷^2? 何建敏¹ ?魏淵²

1 江蘇華泰重工裝備有限公司??? ?江蘇丹陽(yáng) ??212300?? ； 2 江蘇大學(xué)藥學(xué)院??? 江蘇鎮(zhèn)江??? 212013

摘要：

本文分析對(duì)比了新舊提取工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)為提高工業(yè)生產(chǎn)甜菊糖苷的得率，介紹了目前最新出現(xiàn)的可行的創(chuàng)新性技術(shù)、制備材料和生產(chǎn)設(shè)備，研究結(jié)果表明人們對(duì)甜葉菊研究的重視程度日趨提高，而且隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，其研究方法必定會(huì)更加完善和高效。

關(guān)鍵詞：

甜葉菊；甜菊糖苷；提取工藝；創(chuàng)新性技術(shù)；分離純化。

正文：

甜葉菊（學(xué)名：Stevia rebaudiana?(Bertoni) Hemsl.）是菊科、甜菊屬的多年生草本植物，原產(chǎn)于南美巴拉圭和巴西交界的高山山脈，當(dāng)?shù)厝藗兂⑻鹑~菊的葉子作為佐料加入到食物和飲料中。甜葉菊葉片提取物中的甜菊糖苷（Steviol Glycosides，SGs）是作為甜味劑的主要成分，其中口感最佳且含量最高的兩種糖苷是Rebaudioside-A(RA)和Steviolside（Ste）。甜菊糖苷制得的精品為白色粉末，具有低熱量和高甜度的優(yōu)點(diǎn)，是食品及藥品工業(yè)的原料之一。本篇綜述圍繞甜葉菊的創(chuàng)新性提取技術(shù)和純化方法展開(kāi)描述并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，主要目的旨在增加對(duì)甜葉菊的了解，并概述目前最新出現(xiàn)的創(chuàng)新性研究進(jìn)展。

1.創(chuàng)新性提取技術(shù)

1.1高速剪切勻漿技術(shù)和渦輪萃取法

高速剪切機(jī)的原理是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下內(nèi)外切割器以相向方向高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)大的高剪切力，快速的粉碎物料，同時(shí)使物料和提取溶劑激烈的碰撞，在超短時(shí)間內(nèi)完成提取過(guò)程[1]。而后，為了進(jìn)一步升高提取效率降低能耗，研究人員開(kāi)發(fā)出了渦輪增壓萃取技術(shù)。渦輪增壓提取的原理是將空氣壓縮至容器中，增大容器中壓力，并產(chǎn)生具有攪拌作用的氣流，充分分散溶劑以促進(jìn)物料的傳質(zhì)。結(jié)合高速剪切勻漿技術(shù)，更加短時(shí)高效的提取物料中的有效成分。Martins.P.M對(duì)甜葉菊的渦輪萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究了物料粒徑、提取溶劑和物料比等因素對(duì)甜菊糖苷SGs、RA和Ste得率的影響。最后確定的最佳萃取工藝為：乙醇濃度70%、物料粒徑780μm、物料比1：10、提取18min、溫度23℃、渦輪機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)20000r/min。同動(dòng)態(tài)浸漬法對(duì)比，優(yōu)化后萃取工藝18min的得率與動(dòng)態(tài)浸漬法1h的得率相當(dāng)[2]。表明，渦輪萃取法短時(shí)高效且低能耗，是一項(xiàng)很有應(yīng)用前景的提取方法。

1.2加壓熱水提取法

為了避免和減少甜葉菊提取過(guò)程中有機(jī)溶劑的使用，更加環(huán)保和安全的生產(chǎn)甜菊糖苷SGs，?.Németh開(kāi)發(fā)了加壓熱水提取法，其優(yōu)點(diǎn)在于可以調(diào)節(jié)提取過(guò)程中的壓力，在高于溶劑沸點(diǎn)的溫度下萃取，高溫在增加甜菊糖苷SGs溶解度的同時(shí)，不斷改變的壓力還可以增加溶劑穿過(guò)物料孔隙時(shí)的擴(kuò)散速度。而后，因?yàn)槿~片溶脹幾乎完全吸收了提取溶液水，傳統(tǒng)的離心過(guò)濾達(dá)不到分離要求，因此采用了壓榨法分離提取液。最后，選用噴霧干燥得到粗提取物。且對(duì)比未干燥的提取液，噴霧干燥后粉末穩(wěn)定性提高，且目標(biāo)產(chǎn)物甜菊糖苷SGs的口感更好[3]。此外Formigoni.M等人還發(fā)現(xiàn)使用乙醇預(yù)處理后提取出的甜菊糖苷SGs比未處理過(guò)直接提取的SGs的雜質(zhì)含量更低，且純度更高[4]。因此可以考慮在使用加壓熱水提取法前，預(yù)先用乙醇處理甜葉菊葉片，最后制得的目標(biāo)產(chǎn)物SGs不僅純度高口感好，產(chǎn)率也會(huì)顯著提升。

1.3微波輔助亞臨界水提取法

亞臨界水是將水加熱到沸點(diǎn)至臨界點(diǎn)100-374℃，系統(tǒng)壓力在2.6bar左右使其依舊保持液體狀。液態(tài)水的性質(zhì)發(fā)生改變，溶解溶質(zhì)的能力增強(qiáng)，擴(kuò)散速率提高，極性、粘度和表面張力下降。微波輔助的協(xié)同作用在于驟然系統(tǒng)溫度，達(dá)到產(chǎn)生亞臨界水的要求，且加強(qiáng)水分子穿透物料。而且，微波輔助亞臨界水提取在1min內(nèi)的SGs提取率與70%乙醇超聲45min的提取率相當(dāng)[5]。這表明它在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用前景。此外Rouhani等人還開(kāi)發(fā)了超聲輔助甘油萃取法[6]，具有類(lèi)似的協(xié)同增強(qiáng)原理，即超聲技術(shù)的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)促進(jìn)甘油對(duì)植物細(xì)胞壁的滲透作用，提取過(guò)程綠色無(wú)污染，也很適用于食品行業(yè)的生產(chǎn)。

1.4快速固-液動(dòng)態(tài)萃取技術(shù)

快速固-液動(dòng)態(tài)萃取技術(shù)是使用Naviglio萃取器，采用循環(huán)加壓萃取法結(jié)合浸漬法的一種高效提取方法。Naviglio萃取器原理是固體物料內(nèi)部和萃取液體之間存在負(fù)壓梯度，迫使固體物料中可溶性組分溶出。而循環(huán)加壓可以誘導(dǎo)固體物料表面形成新的擴(kuò)散通道，且變化的壓力可以驅(qū)動(dòng)萃取劑在擴(kuò)散通道中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)溶質(zhì)和溶劑的相互作用。Gallo.Monica通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比其與80℃熱水浸漬法的得率，結(jié)果表明80℃熱水浸漬法下甜菊糖苷SGs的提取率更高，但是在能耗方面，快速固-液動(dòng)態(tài)萃取技術(shù)在室溫下即可進(jìn)行，因此耗能更低。且80℃熱水浸漬法的雜質(zhì)率更高，提取的SGs的純度也低于前者[7]。

2.分離與純化

2.1鈣-二氧化硅微球

二氧化硅微球是多用于藥物控釋研究的載體材料，因其具有獨(dú)特的多孔外殼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)負(fù)載性、較大比表面積和高滲透性的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)也開(kāi)始用于雜質(zhì)純化。Ca²⁺是提取過(guò)程中理想的除雜離子。而鈣-二氧化硅微球結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有非常好的雜質(zhì)吸附能力。Meric.Gamze Gunduz等人采用溶膠-凝膠微膠囊化方法將Ca²⁺添加到二氧化硅微球里制備出可循環(huán)使用且高效吸附的鈣-二氧化硅微球，考察了在甜菊糖苷SGs提取過(guò)程中的影響，并比較了三次循環(huán)使用后的除雜效果，發(fā)現(xiàn)其不會(huì)損失SGs，在多次使用后還會(huì)依舊保持優(yōu)秀的除雜能力。反觀只能在低PH 環(huán)境下使用的海藻鈉珠，雖然除雜效率高但是甜菊糖苷SGs的損失率也很高。實(shí)驗(yàn)還表明，鈣-二氧化硅微球的除雜率與使用有機(jī)溶劑除雜的效果相當(dāng)[8]，但考慮到環(huán)保和安全問(wèn)題，在甜菊糖苷SGs生產(chǎn)中優(yōu)先推薦使用鈣-二氧化硅微球。

2.2超濾膜

使用膜分離法最大的困擾便是膜污染后，總是需要清洗膜表面或更換新膜才能繼續(xù)過(guò)濾，致使過(guò)濾的時(shí)間延長(zhǎng)效率降低。而要使膜表面在保持無(wú)污垢狀態(tài)下持續(xù)過(guò)濾，就需要通過(guò)壓力調(diào)節(jié)滲透通量使其低于能產(chǎn)生污垢的臨界通量。Camilo為了縮短過(guò)濾時(shí)間，使用高性能切向流以使過(guò)濾過(guò)程保持在可持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，還可分散積累在膜表面的溶質(zhì)提高擴(kuò)散分布。且使用連續(xù)脫硝技術(shù)以快速高效的清洗污染后的膜表面。該分離方法為二次過(guò)濾，先用0.2μm的微孔濾膜初濾甜葉菊水提液中的不溶性雜質(zhì)，再用15/3KDa膜進(jìn)行二次超濾(3KDa的膜除雜率略高于15KDa但RA和ste的回收率略低，15KDa膜上雜質(zhì)保留量相對(duì)更少易清洗，但是總體上二者區(qū)別不大，可以替換使用)。測(cè)試在過(guò)濾效率相同時(shí)，這種可持續(xù)通量下兩次膜分離法比單濃度法和連續(xù)重濾法過(guò)濾效率更高且耗時(shí)更短[9]。此外，在Das.Ariji研究中還發(fā)現(xiàn)膜孔增大，滲透通量不一定會(huì)增加[10]。原因在于膜孔內(nèi)吸附的溶質(zhì)和雜質(zhì)也相應(yīng)增多，且膜上形成的動(dòng)態(tài)濾餅層造成了嚴(yán)重的濃度差極化，導(dǎo)致滲透通量嚴(yán)重下降。此時(shí)，就只能通過(guò)加壓和增流來(lái)改善膜的滲透通量。同時(shí)為了提高防污性能且不增加過(guò)濾過(guò)程中甜菊糖苷SGs的損失率，Roy.Anirban使用二甲基乙酰胺DMAC將親水的醋酸纖維素材料和疏水的聚丙烯腈材料混合制成聚合物共混膜，考慮到溶液的滲透性與膜親水性成正比，最佳混合比例為10:10（重量百分比），并篩選出90KDa的膜分子量最佳，SGs的損失率最低且穩(wěn)態(tài)通量最高[11]。

2.3生物大分子絮凝劑

生物大分子絮凝劑是由微生物代謝產(chǎn)生并分泌至細(xì)胞外的具有絮凝和滲透作用的高分子物質(zhì)，包括糖蛋白、多糖、纖維素、蛋白質(zhì)和DNA等[12]。王菁莎等人在甜菊糖苷提取過(guò)程中，對(duì)比傳統(tǒng)鹽類(lèi)絮凝劑FeCl3和KAl(SO4)2·12H2O與生物大分子絮凝劑多糖螯合物的透光率和除雜率：鹽類(lèi)絮凝劑都對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物不具有選擇性，除雜過(guò)程中會(huì)造成SGs損失，而且二次吸附和Cl-等有色離子也會(huì)對(duì)透光率產(chǎn)生一定的影響；生物大分子絮凝劑多糖螯合物溶于水后，顯現(xiàn)出獨(dú)特的金屬離子-多齒體的空間結(jié)構(gòu)，可吸收提取液中的大分子雜質(zhì)而不影響SGs的含量，絮凝機(jī)制尚不清晰，應(yīng)該與絮凝劑的結(jié)構(gòu)、帶電荷、構(gòu)象、離子鍵和氫鍵形成相關(guān)[13]。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生物大分子絮凝劑的不僅用量最少，除雜效率最高，而且不會(huì)造成目標(biāo)產(chǎn)物SGs的含量變化，是優(yōu)良高效的除雜劑。

2.4吸附樹(shù)脂

2.4.1非極性大孔樹(shù)脂與甜葉菊母糖液

甜葉菊商業(yè)用途很廣，在生產(chǎn)工業(yè)結(jié)晶出RA、ste等主要甜菊糖苷SGs后，余留的母糖液多是廉價(jià)出售或直接廢棄。而實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)母糖液中仍有60%的SGs成分，但是因?yàn)楹s質(zhì)量高，苦味較重，因此考慮可以進(jìn)一步純化利用。Liu Yaxian等人研究了以非極性大孔吸附樹(shù)脂NDR-1進(jìn)一步純化母糖液的工藝，通過(guò)添加電解質(zhì)NaCl和醇類(lèi)精確的調(diào)節(jié)溶劑極性。發(fā)現(xiàn)10-30%乙醇與雜質(zhì)類(lèi)極性相溶所以解吸雜質(zhì)的能力最強(qiáng)，但解吸甜菊糖苷的效果不好。這是因?yàn)镾Gs和雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，因此在極性洗脫劑中的被解吸的臨界值不同[14]。

2.4.2季氨基改性吸附樹(shù)脂

工業(yè)上要得到純凈的甜菊糖苷SGs提取流程非常繁瑣，其中除雜、脫鹽脫色和精除雜就要使用4種以上的不同類(lèi)型的樹(shù)脂，洗脫溶劑的用量非常大，操作過(guò)程也非常耗時(shí)耗力。Rongfu等人通過(guò)將季氨基引入到吸附樹(shù)脂中，成功合成了同時(shí)具吸附功能和脫色功能的高分子改性樹(shù)脂，可以將樹(shù)脂除雜、脫鹽脫色步驟壓縮至一步，減少了洗脫溶劑的用量，更加高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保[15]。分析季氨基改性的原理，是通過(guò)加強(qiáng)SGs與樹(shù)脂的疏水締合作用增強(qiáng)樹(shù)脂吸附能力，且季氨基暴露在水中的部分能給予樹(shù)脂離子交換能力用于脫鹽脫色。但是需注意的是隨著季氨基的引入量增大，改性后的樹(shù)脂脫色能力增強(qiáng)，但對(duì)SGs的吸附能力會(huì)減弱。

3.結(jié)語(yǔ)

工業(yè)上生產(chǎn)甜菊糖苷時(shí)，可以使用一些現(xiàn)代工藝如高速剪切法、亞臨界水、超聲和微波輔助技術(shù)，結(jié)合渦輪機(jī)等高效生產(chǎn)設(shè)備，可以顯著的提升甜菊糖苷SGs的提取效率，且對(duì)比傳統(tǒng)提取工藝也相對(duì)更加的綠色安全。此外，近年來(lái)生物大分子絮凝劑、高分子膜和二氧化硅微球等材料，也開(kāi)始逐漸涉入雜質(zhì)純化鄰域，這也體現(xiàn)了各個(gè)研究鄰域的互通性。當(dāng)代科技水平在迅猛發(fā)展，我國(guó)又是糖消耗大國(guó)，需求促進(jìn)了科技創(chuàng)新，而且甜菊糖苷SGs的提取和分離純化方面也存在巨大的發(fā)展空間，未來(lái)必定會(huì)有更優(yōu)更高效更環(huán)保的生產(chǎn)技術(shù)和提取手段。但是，目前工業(yè)生產(chǎn)也存在一大迫切需要解決的問(wèn)題，即減少生產(chǎn)過(guò)程中提取溶劑的消耗，若能達(dá)到‘無(wú)溶劑提取’[5, 16]則會(huì)更大化經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這也必然成為今后甜葉菊鄰域的研究重點(diǎn)。

References:

[1].?? Xu, S., et al., Extraction of steviol glycosides from Stevia rebaudiana (Bertoni) leaves by high-speed shear homogenization extraction. Journal of Food Processing and Preservation, 2019. 43(12): p. e14250.

[2].??? 陳蕾與徐濤, 微生物絮凝劑的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì). 環(huán)境研究與監(jiān)測(cè), 2016. 29(02): 第69-72頁(yè).

[3].??? 王菁莎, 劉景彬與張琳杰, 傳統(tǒng)鹽類(lèi)與生物大分子絮凝劑在甜菊糖苷純化中的應(yīng)用比較. 當(dāng)代化工研究, 2019(13): 第49-51頁(yè).