功能性多孔材料在槲皮素提取中的應用研究進展

◎ 田明碩，李騰飛，劉廣洋，郝 鋮

（1.河北工程大學 生命科學與食品工程學院，河北 邯鄲 056000；

槲皮素（Quercetin，Qu）又名3,3',4',5,7-五羥基黃酮、櫟精，槲皮黃素，分子式為C15H10O7，是黃酮類化合物（有一個共同的黃酮核，由兩個苯環(huán)通過雜環(huán)吡咯烷環(huán)連接而成）的六個亞類之一。在植物中，槲皮素通常與糖、醚或酚酸等結合在一起，通常是由蘆?。ㄩ纹に?3-蕓香糖苷）水解獲得，為黃色針狀結晶，有苦味，不溶于石油醚、氯仿，幾乎不溶于水，微溶于醇，可溶于冰醋酸、甲醇、丙酮、吡啶和堿性水溶液等。動物無法合成黃酮核，因此黃酮類化合物只存在于植物界，主要存在于水果、種子、蔬菜、茶、咖啡和蕨類植物中。

槲皮素在醫(yī)藥、功能性食品行業(yè)中具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ淇寡趸芰芍委熖悄虿∫鸬母郊影Y狀；可誘導成熟脂肪細胞凋亡，具有抗病毒活性；還具有降血壓，抗菌與抗炎的作用。據(jù)報道，槲皮素在治療癌癥方面具有很大的潛力，還具有皮膚增色、有效治療與預防心腦血管疾病、保護眼睛等作用，槲皮素已被制成了醫(yī)藥制品并進入市場。本文對提取槲皮素的常規(guī)方法進行簡要描述，并對分子印跡在槲皮素提取中的應用進行了分類描述，對槲皮素的提取方法進行了展望。

1 槲皮素的傳統(tǒng)提取方法

傳統(tǒng)提取槲皮素的方法有浸漬法、索氏提取法、液-液萃取以及超臨界流體萃取等。浸漬與液-液萃取對有機溶劑消耗大，且費時費力，提取效果差；索氏提取法與液-液萃取相比更節(jié)約溶劑，萃取效率高，與浸漬法相比省去了過濾的一項，但依舊需要使用大量溶劑，且易熱分解的化合物不適用；超臨界流體萃取法具有不易燃、無毒、萃取液不含有機殘留物和易于從提取物中去除的優(yōu)點，特別適合于提取植物等擴散基質和其他活性成分，但成本較高。

傳統(tǒng)的非固相萃取法應用普遍，但存在使用大量有機溶劑的現(xiàn)象，具有污染環(huán)境、影響操作者健康的隱性危害，且耗時長，很難從天然產(chǎn)物中特異性提取槲皮素，存在成本過高等限制，因此急需一種特異性強、低污染、萃取效率高的提取槲皮素的方法，即利用多孔材料對槲皮素進行大容量的提取，是采用多孔材料對植物中槲皮素進行吸附、解吸附的一種提取方法。

2 分子印跡聚合物

分子印跡技術（Molecular Imprinting Technique，MIT）是一種在聚合物基質中能夠產(chǎn)生與模板分子形狀、大小類似的結合位點空腔的技術。分子印跡技術的流程為：①模板與功能單體通過可逆的共價鍵、配位鍵或非共價鍵形成復合物。②加入交聯(lián)體在致孔劑中形成高交聯(lián)剛性立體網(wǎng)狀復合物。③洗脫模板分子，得到具有與模板分子相匹配的特異性空腔的分子印跡聚 合 物（Molecular Imprinted Polymer，MIP）。MIP具有結構可預測性、識別特異性和應用廣泛性三大特點，是多孔材料的一種。與天然生物活性物質的識別系統(tǒng)如抗原與抗體、受體與激素、酶與底物相比，采用MIT所合成的聚合物可循環(huán)利用，具備抵抗不良環(huán)境的能力，使用效率更高，在純化分離、化學/生物傳感、催化和降解、人工抗體以及藥物傳遞等領域得到了廣泛的關注和應用。在槲皮素的提取中，與傳統(tǒng)方法相比具有特異性強、操作簡便和提取效率高等優(yōu)點。分子印跡聚合物的主要制備方法有本體聚合法、懸浮聚合法、沉淀聚合法、溶膠-凝膠法、乳液聚合法以及表面印記法。

2.1 本體聚合法

本體聚合法（Bulk Polymerization，BP）是一種傳統(tǒng)的、應用最廣泛的一種制備方法，制備過程為：①將模板分子與功能單體混合在有機溶劑中充分振蕩。②加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑，使其在光照、加熱等因素下反應得到塊狀聚合物。③干燥、磨碎、過篩、除去模板分子得到MIP。KARAMAN等[1]在惰性環(huán)境中制備出MIP，并將其作為固相萃取吸附劑，分別從紅洋蔥皮甲醇提取物和其水解液中回收了58%和86%的槲皮素。采用單一功能單體制得的MIP識別位點較少且單一，識別位點易被掩埋，采用多種功能單體則可有效解決這類問題，還可以用不同功能單體制備兩種MIP，且使用這兩種MIP先后進行萃取富集，可以有效提高槲皮素的純度，減少類黃酮的比例。MIP并非只吸附模板，還可吸附模板類似物，如何增加MIP專一性是今后研究的一大重點。本體聚合法因其操作簡單得到了廣泛應用，但費時費力，得到的產(chǎn)品質量比較差，不適合大規(guī)模應用，無法實現(xiàn)工業(yè)化，因此需要對本體聚合法的工藝進行改進或可采用其他效果更優(yōu)的聚合方法。

2.2 懸浮聚合

將溶有引發(fā)劑的單體以液滴狀懸浮于水中進行自由基聚合的方法為懸浮聚合法（Suspension Polymerization），與本體聚合的區(qū)別在于溶劑中加入懸浮劑，借助懸浮劑以及高強度機械攪拌作用使單體以小液滴（分散相）的形式分散在溶劑（連續(xù)相）中，并且每個小液滴中均有引發(fā)劑，相當于在每個小液滴中進行本體聚合，可制備微球型MIP。MIP的形狀、體積對其性能也有一定的影響，YUN等[2]利用水懸浮聚合法制備槲皮素分子印跡微球，最大理論靜態(tài)結合容量可達96.592 7 mg g-1，制得的分子印跡微球可作為吸附介質，甚至有望作為色譜固定相。懸浮聚合法易于制備尺寸均一的聚合物，并且可對聚合物的尺寸進行調控，且已經(jīng)成功應用于蔬菜中槲皮素的提取，但懸浮聚合制備的聚合物尺寸通常較大且尺寸分散，同時懸浮劑難以完全除去，印記效果差，影響聚合物的性能。

2.3 乳液聚合

乳液聚合（Emulsion Polymerization）是將表面活性劑作為乳化劑，將功能單體分散在水包油型乳液中，再加入引發(fā)劑引發(fā)聚合，該方法與懸浮聚合相比能夠制備尺寸較小且均一的聚合物。羥基磷灰石（HAp）具有良好的生物活性、高生物相容性、良好的機械性能和豐富的表面化學性質。以HAp作為穩(wěn)定劑制備的MIP印跡微球球形均勻、粒徑分布窄。孫燕華等[3]以槲皮素為模板對功能單體和交聯(lián)劑進行探究，制備的MIP尺寸均勻，是微米級的球形聚合物，可用于皂角刺中槲皮素提取分離的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。此方法以水為介質，環(huán)保安全，但乳化劑會被包裹在聚合物內部，難以去除，導致制得的MIP選擇性差；經(jīng)過凝聚、洗滌、脫水、干燥等工序才能制得固體聚合物，過程煩瑣；當聚合物粒徑過小時，抗壓能力差。以上缺點對MIP的品質具有很大的影響，如何將乳化劑去除干凈是此方法的一大重點。

2.4 沉淀聚合

沉淀聚合（Precipitation Polymerization）過程與本體聚合類似，但它需要大量增加溶劑的量（質量分數(shù)高于95%），使聚合過程中生成的寡聚物不斷析出并聚集成尺寸規(guī)整的聚合物小球，以此為種子，將新生成的聚合物包裹在其表面，使聚合物小球逐漸變大，最終生成尺寸均一的球形MIP。沉淀聚合法是適合制備球形MIP的方法之一，具有很大的工業(yè)應用潛力。KARUEHANON等[4]制備的MIP結構穩(wěn)定，從0.5 g桑葉中以20 mL水為介質提取槲皮素12.77 mg·L-1。此方法中以水為介質進行槲皮素的提取富集，減少了有機溶劑的使用，符合當代綠色與環(huán)保的要求，這是今后的一個研究方向。沉淀聚合比本體聚合減少了研磨過篩的步驟，大大提升了聚合物的均勻性，但是模板分子依舊被包裹在聚合物內部，為洗脫與再吸附帶來很大影響，同時沉淀聚合需要大量的模板分子，為了得到相應的形態(tài)樣式，需要嚴格控制反應條件，對操作要求較高，而且聚合需要大量溶劑，增加了成本，難以大規(guī)模應用。

2.5 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠（Sol-Gel）分子印跡技術是用溶膠-凝膠法將模板分子引入無機網(wǎng)絡結構中制備分子印跡材料的一種技術，這種技術制備的分子印跡聚合物具有較高的選擇性、較好的親和性和較強的穩(wěn)定性。該方法具有快速、成本低、穩(wěn)定等優(yōu)點?？梢敫男缘牟⒙?lián)固定的不銹鋼絲制備MIP，在水和乙醇中即可制備，制備過程簡單，安全性強，但是制備中所需的原材料大多都是有毒的。黃芩膠（TG）無毒且有好的生物相容性，HEMMATI等[5]以TG為交聯(lián)劑，采用溶膠-凝膠法制備了具有核殼結構的高選擇性磁性分子印跡聚合物（MMIP），最大吸附量為175.43 mg·g-1，可見此方法中探尋綠色健康的制備材料是今后的一個突破難點。

2.6 表面印跡技術

以上方法制備的MIP印跡孔穴均處于內部，因此存在模板不易洗脫、結合位點較少、再吸附效率不高等缺點，而表面印跡（Surface Imprinting Polymerization）技術使印跡位點位于材料表面或接近材料表面，從而增加了有效印跡位點的個數(shù)，提高了印跡容量，加快了傳質速率，確保模板被完全去除，因此可實現(xiàn)更高效率、更高選擇性的分離效果。磁分離是一種簡單、快速、高效和低成本的分離方法，以磁性分子印跡聚合物作為固相萃取吸附劑，可以直接分散在溶液中，利用外加磁場很容易地將目標產(chǎn)物從復合基體中分離出來，無需離心、過濾等附加技術。XIE等[6]以Fe3O4@SiO2為載體制備槲皮素磁性印跡聚合物（MMIPs），確定槲皮素的飽和吸附量（17.9 μmol·g-1），該聚合物具有超順磁性好、特異性強、化學穩(wěn)定性好、易于制備的優(yōu)點。

表面印記法是近兩年制備MIP最常用的方法，采用表面印記制備MIP極大地增加了比表面積與傳質速率，能夠很好地保持有序連通大孔和高孔隙率的孔結構，且接枝的MMIPs層厚度在納米范圍內。大孔隙率可以提升顆粒內傳質的速率，能改善顆粒內吸附過程，并提供更多的有效識別位點。其具有低傳質阻力和易于接近目標分子的優(yōu)點，但受限于其材料比表面積小，因此需要探究大的比表面積材料。表面印跡法制備的MIP在結合位點的有效性、孔隙率、傳質速率和比表面積等方面均具有極大優(yōu)勢，值得進一步研究，而為了從根本上優(yōu)化MIP，也可考慮開發(fā)新的制備方法。

2.7 其他技術

可逆加成-裂解鏈轉移自由基聚合（RAFT）是一種廣泛應用的活性/可控自由基技術，可以控制聚合物的結構和性能。在傳統(tǒng)自由基聚合反應中加入一種鏈轉移劑，這種試劑具有較高的鏈轉移常數(shù)，可以與活性種自由基結合生成休眠種自由基，使二者保持動態(tài)平衡來調控自由基聚合反應的反應速率。具有反應條件溫和、適用單體范圍廣等優(yōu)點。ZENGIN等[7]引入了二氧化硅粒子制備了QMIP@SiO2納米粒 子，在60 min內 最 大 吸 附 量 為26.4 mg·g-1，并用于紅葡萄酒中槲皮素的選擇性提取，回收率高達99.7%～100.4%。深共晶溶劑（DESs）是一類新型離子液體，具有低粘度、低蒸氣壓、低成本、不易燃以及綠色等優(yōu)點，為今后的槲皮素分子印記材料朝著綠色、低毒甚至無毒的發(fā)展目標提供了研究基礎。

3 MOF在槲皮素的提取中的應用

金屬有機骨架材料（Metal Organic Framework，MOF）屬于多孔材料的一種，是以金屬離子或金屬簇為基礎，通過與有機多復合配體連接而產(chǎn)生具有不同尺寸和形狀的通道或空穴的有序周期性網(wǎng)狀晶體結構，是一種有機-無機雜化材料，兼有無機材料的剛性與有機材料的柔性，具有大比表面積、多孔、孔尺寸可調性強、不飽和多金屬配點和生物相容性等性質，在傳感、催化、分離、醫(yī)學等領域廣泛應用[8]。將MOF用于槲皮素的提取分離，與常規(guī)方法相比具有快速，綠色等特點。

環(huán)糊精是一類具有生物相容性的環(huán)狀低聚糖，具有內疏水性和外親水性，具有高載藥量和低毒性，親水性和低毒性決定了這種材料的發(fā)展前途很大。YANG等[9]制備了環(huán)糊精金屬有機骨架（CD-MOFs），這種制備方法與其他方法相比縮短了反應時間。對槲皮素和大黃素進行吸附研究，該晶體載藥量分別為150.2 mg·g-1和199.8 mg·g-1，而且載藥過程并沒有破壞材料的結晶度。槲皮素能夠螯合不同的金屬離子，其銅絡合物被證明可以提高抗氧化活性，并具有其他一些生物學效應，可降低其毒性，同時保持其生物活性。MOFs具有比表面積大、孔徑可調、內表面性質可調等優(yōu)點，將MOF與MIP結合，制備功能性多孔復合材料，增加了結合位點與孔隙率，具有穩(wěn)定性好、吸附平衡時間短、對槲皮素選擇性高、靈敏度高等優(yōu)勢，是一個好的發(fā)展方向。

MOF目前在槲皮素的提取中的研究鮮有報道，但MOF的均勻多孔結構已在其他物質富集分離中廣泛應用，因此MOF在槲皮素提取中可進一步研究。

4 結語

鑒于槲皮素具有抗癌，清除自由基等生理特性，在醫(yī)藥和保健食品中行業(yè)引起了很大的關注。目前，從植物中提取槲皮素主要應用的液液萃取法對環(huán)境不友好，對操作人員傷害大，所以綠色健康的提取工藝必將是未來發(fā)展的重點。分子印跡聚合物（MIP）具有特異性吸附的特點，可以特異性識別抓取復雜基質中的目標物，從而達到富集目標分子的作用，但是分子印跡聚合物吸附容量和吸附速率卻限制著其在生物活性成分提取中的應用前景。MOF具有規(guī)律的多孔結構，有很好的傳質速率，具有很好的吸附能力，將MOF與MIP結合起來既可以滿足有序、多孔、剛性的要求，又可以滿足特異性的需求，合適的多孔材料與MIP相結合還可以增加MIP的比表面積、傳質速率與吸附性能，探究其新的組合方法也是未來一個研究方向。將RAFT技術引入MIP的制備可以有效地對制備過程進行調控，適合進一步地探究與應用。MIP和MOF在其他領域已得到廣泛的應用，在槲皮素提取中仍具有極大的潛力，有望成為槲皮素提取中的重要方法。