低共熔溶劑提取海洋活性物質(zhì)研究進展

諸葛福照, 劉曉黎, 孟 強, 童真藝, 朱曼曼, 劉晨光

低共熔溶劑提取海洋活性物質(zhì)研究進展

諸葛福照, 劉曉黎, 孟 強, 童真藝, 朱曼曼, 劉晨光

(中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院, 山東 青島 266003)

海洋活性物質(zhì)是指對生命活動有影響的海洋生物組分或代謝產(chǎn)物, 在醫(yī)藥、化妝品、保健食品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。低共熔溶劑(deep eutectic solvent, DES)是基于離子液體所發(fā)展而來的一種新型綠色溶劑, 它具備可設(shè)計、可回收、生物相容性高、合成簡易及成本低廉等多重優(yōu)勢, 在天然活性物質(zhì)的提取中具有巨大的應(yīng)用前景, 引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文綜述了DES在海洋活性物質(zhì)(包括海洋多糖、蛋白質(zhì)、DNA、生物柴油、酚類和萜烯類化合物等)提取中的應(yīng)用, 以期為海洋活性物質(zhì)的綠色提取和應(yīng)用提供新的策略。

海洋活性物質(zhì); 低共熔溶劑; 提取; 物化特性

海洋活性物質(zhì)是指海洋生物體內(nèi)含有的對生命現(xiàn)象具有影響的物質(zhì)[1], 包括多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、萜烯及酚類化合物等, 在醫(yī)藥[2]、化妝品[3]和保健食品[4]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。提取海洋活性物質(zhì)的傳統(tǒng)工藝為有機溶劑萃取, 這一方法雖然具有提取工藝簡單、成本較低和基體影響小等優(yōu)點, 但也存在提取效率較低和污染環(huán)境等缺點[5]。近年來, 隨著綠色化學(xué)理念的發(fā)展, 科學(xué)家嘗試尋找一種環(huán)境友好的有機溶劑替代物。離子液體(ionic liquid, IL)是由有機或無機陽離子與有機陰離子構(gòu)成的溶劑體系, 與有機溶劑相比, 具有化學(xué)穩(wěn)定性高、溶劑可回收、揮發(fā)性低等優(yōu)點[6], 但依然存在合成復(fù)雜、成本較高和生物降解性差等問題, 難以大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。

Abbott團隊[7]首次以季銨鹽和酰胺化合物為原料制備了一種物化性質(zhì)優(yōu)良的綠色溶劑——低共熔溶劑(deep eutectic solvent, DES)。相比于有機溶劑和IL, DES除部分原料價格較為昂貴外, 具有制備簡單、可生物降解和綠色環(huán)保等優(yōu)勢, 在生物活性物質(zhì)提取方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景[8]。

DES已被廣泛應(yīng)用于陸地及海洋等生物活性物質(zhì)的提取, 然而, 目前研究學(xué)者主要綜述了DES在陸地生物活性物質(zhì)的提取, 而沒有針對提取海洋生物體內(nèi)的活性物質(zhì)的研究綜述。因此, 本文綜述了DES在海洋活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用, 探討了DES物化性質(zhì)與提取效率間的對應(yīng)關(guān)系, 以期指導(dǎo)設(shè)計各種有效提取海洋活性物質(zhì)的DES, 為海洋活性物質(zhì)的高效、綠色提取提供新的策略。

1 低共熔溶劑

1.1 低共熔溶劑的制備

低共熔溶劑通常由氫鍵供體(hydrogen bond donor, HBD)如羧酸、硫脲、氨基酸、尿素、糖類與氫鍵受體(hydrogen bond acceptor, HBA)如氯化膽堿等季銨鹽、甜菜堿等兩性離子(見圖1a)按一定摩爾比混合配制而成, 在室溫下以澄清液體的形式存在[9]。其制備方法主要有2種, 一是高溫混合法, 將2種物質(zhì)直接混合, 通過加熱攪拌獲得澄清溶液[10]; 二是冷凍干燥法, 將2種物質(zhì)的水溶液混合, 通過冷凍干燥獲得黏稠澄清的液體[11](圖1b)。

1.2 低共熔溶劑的物化特性

低共熔溶劑的物化特性直接影響其提取效率, DES有以下3種物化特性。

1) 熔點低。通常DES的熔點低于自身組成組分, 且熔點的高低與氫鍵供受體之間的氫鍵以及范德華力的大小呈負相關(guān)。相關(guān)研究表明, 氯化膽堿的熔點在302～305 ℃左右, 硫脲和尿素的熔點分別為176～178 ℃和132.7 ℃, 而氯化膽堿-硫脲(1∶1)DES與氯化膽堿-尿素(1∶2)DES的熔點都是90 ℃, 遠低于氯化膽堿、硫脲和尿素本身的熔點[13]。DES的低熔點特性拓寬了分離過程中的操作溫度范圍, 有利于介質(zhì)的傳輸, 在分離提取中具有更為廣泛的應(yīng)用。

2) 黏度可調(diào)節(jié)。在室溫下, DES具有較高的黏度, 這可能與各組分之間形成的致密氫鍵網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。此外, 組分類別、氫鍵供受體的摩爾比、水分含量和溫度等也影響DES的黏度[14-16]。因此, 可以通過調(diào)控上述因素調(diào)節(jié)DES的黏度, 來滿足不同的生物活性物質(zhì)的提取應(yīng)用, 如在單滴微萃取(single drop microextraction)中, 較高黏度的DES有助于其在針頭頂端形成較大懸浮液滴, 對提取起到積極作用[17]。然而, 在多數(shù)情況下, 高黏度特性會限制DES提取效率, 可通過加入適量的水降低DES的黏度、極性等性質(zhì), 從而獲得最佳提取效率。Zhang等[18]研究了氯化膽堿和1, 4-丁二醇(1∶4)DES中水的含量對于目標產(chǎn)物的提取率的影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)目標產(chǎn)物的得率隨著DES體系中水含量的增加逐漸提高, 但水含量過高會導(dǎo)致DES極性增加從而減弱DES與目標產(chǎn)物間的氫鍵作用[19], 降低目標產(chǎn)物的得率。

3) 溶解性良好和極性較寬。DES的極性范圍較寬, 這主要受溫度、組成成分以及氫鍵供受體的分子結(jié)構(gòu)影響[20], 一般情況下, DES的極性隨溫度升高而降低。此外, DES還具有良好的溶解性能, 加入水后的極性發(fā)生變化, 從而改變其溶解性能。Morrison等[21]研究了多種物質(zhì)在DES中的溶解度并與在水中溶解度進行對比, 發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)在DES中溶解度很高, 是在水中的18～460 000倍。這可能是因為DES兩種組分之間的協(xié)同效應(yīng)增強了對物質(zhì)的溶解能力, 使得其可溶解各種物質(zhì), 如蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖等。

2 低共熔溶劑在海洋活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用

海洋中含有豐富的活性大分子物質(zhì)(海洋多糖、蛋白及核酸等)和小分子物質(zhì)(酚類、萜烯類化合物), 由于其獨特的性質(zhì), 在化妝品、生物醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。為增加其工業(yè)應(yīng)用, 創(chuàng)造更多的商業(yè)價值, 對其提取工藝的優(yōu)化顯得尤為重要。因此, 下文總結(jié)了DES在海洋活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用。

2.1 DES在海洋多糖提取中應(yīng)用

海洋多糖是指從海洋生物體內(nèi)得到的多糖[22-23], 可分為海藻多糖、海洋動物多糖、海洋微生物多糖, 在抗氧化[24]、抗腫瘤[25]、抗衰老[26]、提高免疫力[27]等方面發(fā)揮重要作用。表1展示了DES在海洋多糖提取方面的應(yīng)用。

2.1.1 海藻多糖

纖維素(cellulose)是自然界中分布最廣、含量最多的多糖, 纖維素納米晶(cellulose nanocrystals, CNCs)是利用天然纖維制備的一種納米級的材料, 被廣泛用于增強復(fù)合材料的性能。Liu等[28]比較了5種DES結(jié)合超聲從海帶渣中提取制備CNCs的效果, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)咪唑和甘油(7∶3)DES具有更好的提取效果, 提取率為91.1%, 純度為83.6%, 結(jié)晶度指數(shù)為69.4%, 且基于CNCs的薄膜材料具有更高的機械強度。

表1 DES在海洋多糖提取中的應(yīng)用

續(xù)表

褐藻糖膠(fucoidan)是墨角藻、銅藻等褐藻中特有的活性物質(zhì), 因其具有抗過敏、抗血栓和抗氧化活性而備受關(guān)注[38]。Shang等[29]采用9種DES結(jié)合微波輔助從墨角藻)中提取褐藻糖膠, 發(fā)現(xiàn)氯化膽堿與1, 4-丁二醇(1∶5)DES的多糖提取效率達116.33 mg/g, 比常規(guī)的冷提取法提高了44.12%, 且所得多糖的抗氧化活性也提高了70.66%。Nie等[30]利用氯化膽堿和1, 2-丙二醇(1∶2)DES從銅藻()中提取褐藻糖膠, 提取率達到11.31%, 不僅有效去除了蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)雜質(zhì), 所得多糖的DPPH和ABTS自由基清除能力也分別提高了67.82%和71.28%, 在生產(chǎn)應(yīng)用中具有重要意義。此外, Li等[39]制備了4種DES用于從海帶中提取多糖, 氯化膽堿和尿素(1∶2)DES提取褐藻糖膠和海帶多糖得率最高, 分別為95.5%和87.6%, 優(yōu)于微波輔助法的褐藻糖膠提取率(16.08%)和Black方法的海帶多糖提取率(86.2%～88.3%)。

卡拉膠(carrageenan)是紅藻中重要的商業(yè)藻膠, 可分為κ-型(kappa)、ι-型(iota)、λ-型(lambda)等[40], 是食品行業(yè)中重要的增稠劑、乳化劑和穩(wěn)定劑等。Das等[31]使用3種不同的DES從長心卡帕藻()中提取κ-型卡拉膠, 發(fā)現(xiàn)DES法更為簡便快捷, 不僅具有更高的得率[(60.25± 1.10)%], 而且所提取的κ-型卡拉膠具有更優(yōu)的物化性質(zhì)及流變學(xué)性質(zhì)。DES還可應(yīng)用于提取紅藻中另一種多糖——瓊脂糖(agarose)。Sharma等[32]合成了5種DES用于從硬江蘺()中提取瓊脂糖, 其中月桂酸和膽堿(1∶1)DES的提取的瓊脂糖產(chǎn)率最高達14.0%±0.5%, 且質(zhì)量可與商用的瓊脂糖媲美。

2.1.2 海洋動物多糖

幾丁質(zhì)(chitin)是自然界中含量僅次于纖維素的第二大多糖, 具有良好的生物相容性與機械性能, 因此在組織工程方面應(yīng)用廣泛[41]。Sharma等[35]首次使用不同的DES超聲輔助和加熱從蟹殼中提取出幾丁質(zhì), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化膽堿和硫脲(1∶2)DES得率最高(9% w/w)。Zhu等[33]采用氯化膽堿-丙二酸(1∶2)DES從龍蝦殼中提取幾丁質(zhì), 其純度與得率均高于化學(xué)法[34], 所得樣品分子量可通過提取溫度調(diào)控[42], 具有優(yōu)異的物化性質(zhì), 在制備薄膜和傷口敷料方面具有良好應(yīng)用。

透明質(zhì)酸(hyaluronic acid, HA)是一種酸性粘多糖, 由于其獨特的分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì), 在保持組織的水合作用和彈性粘度以及潤滑運動部件等方面發(fā)揮重要作用[43]。Abdallah等[36]制備了2種DES用于從金槍魚玻璃體中提取HA。乳酸和果糖(5∶1) DES提取效率最高(1.9%)。而且研究發(fā)現(xiàn)DES提取的HA不僅不會影響人角膜上皮細胞活力, 還能顯著提高細胞內(nèi)活性氧清除能力和抗菌活性, 降低炎癥反應(yīng)。

硫酸軟骨素(chondroitin sulfate, CS)是一種糖胺聚糖家族的多糖, 在醫(yī)療、營養(yǎng)保健和骨關(guān)節(jié)炎的治療等方面發(fā)揮重要作用。Abdallah等[37]以3種DES從鱈魚魚骨中提取CS, 發(fā)現(xiàn)薄荷醇和冰片(1∶2)DES的提取效率最高達37.92 μg/g, 顯著高于傳統(tǒng)提取方式。

2.2 DES在蛋白質(zhì)提取中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是有機體生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)[44]。海洋中含有豐富且獨特的蛋白質(zhì)資源, 如藻紅蛋白、膠原蛋白。目前, DES在提取海洋蛋白質(zhì)方面已取得一定的成果(見表2)。

表2 DES在海洋蛋白質(zhì)提取中的應(yīng)用

魚類加工下腳料或廢棄物是被忽視的具有重要商業(yè)價值的原料, 特別是其內(nèi)含豐富的活性成分[48]。Rodrigues等[45]使用甜菜堿和丙二醇(1∶3)DES從沙丁魚加工殘渣中提取了總蛋白, 其產(chǎn)量高達162.2 mg/g, 遠高于水提取法(145.7 mg/g), 這可能歸因于DES較小的極性, 更有利于總蛋白沉淀, 從而提高了總蛋白的產(chǎn)量。此外, 所得總蛋白的抗氧化性和抗菌活性分別增加了3倍和250倍, 這主要是因為極性小的DES可提取更豐富的疏水氨基酸, 其疏水核的存在對于促進抗菌肽與微生物細胞壁和膜的相互作用至關(guān)重要。

Bastiaens等[49]制備了1, 2-丙二醇、氯化膽堿和水(1∶1∶1)DES并結(jié)合超聲輔助從二形柵藻()中提取總蛋白, 其提取率達27%。Giorgia等[50]使用辛酸和十二酸脂肪酸(1∶1)DES從相同的微藻中提取總蛋白, 大大提高了總蛋白的提取率。

R-藻紅蛋白(R-phycoerythrin, R-PE)是一種海洋生物活性蛋白, 主要存在于紅藻門中[51], 具有抗氧化、抗炎、抗衰老和免疫調(diào)節(jié)等多重生物活性[52], 已廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。Xu等[46]制備了氯化膽堿-尿素(1∶1)DES用于從條斑紫菜()中提取R-PE, 該方法提取R-PE的最終得率為69.99%, 純度為3.835(A565/A280), 均高于傳統(tǒng)方式(得率27%, 純度2.890), 且DES對R-PE的高級結(jié)構(gòu)具有更好的保護作用。

膠原蛋白(collagen)是體內(nèi)各種結(jié)締組織的細胞外基質(zhì)中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白, 在生物材料、化妝品和組織工程等方面應(yīng)用廣泛[53]。Bai等[47]使用6種不同的DES從鱈魚皮中提取膠原蛋白。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 氯化膽堿和草酸(1∶1)DES對膠原蛋白的提取效率高達90%, 是醋酸提取效率的4倍, 研究者指出, 這可能與游離質(zhì)子和DES的黏度相關(guān)。隨著草酸含量的上升, DES中游離質(zhì)子的量上升, 因而能夠更好地與膠原蛋白中的脯氨酸或羥脯氨酸的亞氨殘基形成氫鍵; 同時, 更低的黏度也有助于增加溶質(zhì)和溶劑之間的傳質(zhì)效果。此外, 膠原蛋白的提取效率也受氫鍵供受體摩爾比、提取溫度、反應(yīng)時間和溶劑與固體比的影響。

2.3 DES在DNA提取中應(yīng)用

DNA獨特的特性, 可設(shè)計為新型納米材料, 在分子傳感、智能藥物傳遞、生物分析和生物醫(yī)學(xué)等方面具有廣泛應(yīng)用。海洋中含有豐富的DNA資源, 如魚類睪丸, Mondal等[54]采用2種DES從鮭魚睪丸中提取DNA, 其中膽堿和乙醇酸(1∶1)DES對DNA的提取率高達8%, 而且提取的DNA在室溫下化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高, 這主要歸因于DNA分子與DES之間氫鍵和靜電相互作用。

2.4 DES在生物柴油提取中應(yīng)用

隨著全球化石燃料的日益枯竭和對環(huán)境的不利影響, 人們迫切需要一種化石燃料的替代品。生物柴油是目前受較多關(guān)注的化石燃料替代物, 可通過多種海洋微藻生產(chǎn), 能夠顯著減少碳排放[55]。相較于傳統(tǒng)方法, DES在提取生物柴油方面具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢, 其研究進展如表3所示。

表3 DES在海洋生物柴油提取中的應(yīng)用

Tommasi等[56]使用氯化膽堿和不同的氫鍵供體(草酸、乙酰丙酸、尿素、乙二醇和山梨糖醇)制備了不同的DES, 并結(jié)合微波輔助用于從三角褐指藻()中提取生物柴油。發(fā)現(xiàn)氯化膽堿和羧酸DES提取效果最好, 生物柴油的提取率高達80%, 這主要由于羧酸的存在導(dǎo)致溶劑pH值降低, 從而提高了親脂性溶質(zhì)對細胞壁的滲透性。

其他研究學(xué)者也發(fā)現(xiàn)DES可通過破壞微藻細胞壁從而提高生物柴油的提取率。Lu等[57]使用3種水性DES對小球藻預(yù)處理, 發(fā)現(xiàn)氯化膽堿-草酸(1∶2) DES預(yù)處理后脂質(zhì)回收率從52.23%(未處理生物質(zhì))提高到80.90%。Pan等[58]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果, 他們制備了多種DES采用一步法(油提和酯交換同時進行)從小球藻()和綠球藻()中提取脂肪酸甲酯(生物柴油主要的物質(zhì)), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化膽堿-乙酸(1∶2)DES提取脂肪酸甲酯的提取率提高了30%。因此DES可作為微藻生物質(zhì)預(yù)處理的傳統(tǒng)溶劑的替代品, 在微藻的生物柴油生產(chǎn)中增強其提取率。

2.5 DES在酚類化合物提取中應(yīng)用

酚類化合物(phenolic compounds, PCs)廣泛存在于植物和微生物中, 如表4所示, 根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu), 可分為酚酸、類黃酮和單寧等[59]。PCs具有抗氧化、抗炎、抗菌、心臟保護等多種生物活性, 廣泛應(yīng)用于制藥、食品和化妝品等行業(yè)。

表4 DES在海洋酚類化合物提取中的應(yīng)用

褐藻多酚(phlorotannin)是一種從褐藻中提取出的PCs, 是由間苯三酚(1, 3, 5-三羥基苯)組成的聚合物, 除表現(xiàn)出抗氧化、抗炎、抗菌和抗腫瘤等特性外, 還具有抑制抗纖溶酶、基質(zhì)金屬蛋白酶等活性。Obluchinskaya等[60]制備了氯化膽堿、乳酸、甜菜堿和葡萄糖等不同摩爾比的10種DES用于從褐藻中提取褐藻多酚, 實現(xiàn)了褐藻多酚最大提取率(72%), 可與傳統(tǒng)有機溶劑(乙醇、甲醇、甲醇等)相媲美, 并且可以通過調(diào)整DES的黏度改善多酚的提取率。

Mahmood等[61]利用氯化膽堿和多元醇(甘油、乙二醇、1, 3-丙二醇和1, 4-丁二醇)制備了12種DES, 從小球藻內(nèi)提取PCs。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化膽堿和甘氨酸(1∶2) DES、氯化膽堿和1, 4-丁二醇(1∶3) DES對PCs的提取率是乙酸乙酯和水溶液的2倍。這主要歸因于, 一, 與羧酸和酰胺分子相比, 1,4丁二醇等多元醇含有更豐富的羥基, 可以與PCs形成豐富的氫鍵。二, 多元醇羥基的位置和亞甲基鏈的長度影響DES的極性和黏度, 廣泛的極性范圍影響DES與酚類化合物分子間的相互作用并形成分子間氫鍵, 增加PCs在DES中的溶解度, 從而使得提取率增加。

2.6 DES在萜烯類化合物提取中應(yīng)用

萜烯類化合物在自然界中廣泛分布, 如蝦青素、葉黃素等, 由于獨特的化學(xué)性質(zhì), 其具有抗氧化、抗炎和抗腫瘤等多重活性, 在食品、制藥和化妝品行業(yè)中發(fā)揮重要作用。然而, 萜烯類化合物不穩(wěn)定, 在常規(guī)方法提取及使用過程中, 極易喪失生物活性, 因此開發(fā)新型的提取方法至關(guān)重要[62]。表5顯示了DES在提取海洋萜烯類化合物方面取得的成果。

表5 DES在海洋萜烯類化合物提取中的應(yīng)用

蝦青素(astaxanthin, ASX)是一種重要的酮類胡蘿卜素, 廣泛存在于微藻、酵母、蝦蟹殼等生物資源中[66]。Pitacco等[64]利用基于油酸和萜烯(百里酚、DL-薄荷醇和香葉醇)的疏水性DES從雨生紅球藻中提取ASX, 在沒有預(yù)處理情況下, ASX的回收率均在60%以上, 明顯高于油酸單獨萃取的提取率(40%), 這可能是DES導(dǎo)致油酸黏度降低或?qū)SX的“親和力”增加導(dǎo)致。值得注意的是, 百里酚和油酸(3∶1)DES具有ASX的保護作用, 在光照13.5 h后仍可保存40%的ASX含量, 這歸因于百里酚較強的抗氧化活性, 能夠保護ASX的穩(wěn)定性。

Roy等[65]制備了5種DES并超聲輔助從蝦廢料中提取ASX。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯化膽堿和乳酸(1∶2) DES的AXS提取效率可達69.09 mg/g, 遠高于Lee等[67]DES提取效率(39.37 mg/g)。這主要是因為超聲波破壞了蝦粉的氫鍵結(jié)構(gòu)使得AXS溶于DES中。而且超聲影響DES的黏度、表面張力和極性, 從而影響ASX與DES分子的氫鍵結(jié)合能力和相互作用, 進而提高了ASX提取率。進一步將DES提取的ASX用于殼聚糖(CS)的可生物降解薄膜中, 發(fā)現(xiàn)使用DES提取的ASX所制備的ASX/CS薄膜比使用傳統(tǒng)方式提取的ASX所制備的薄膜具有更好的自由基清除活性、熱穩(wěn)定性和機械性能, 表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

除在藻類中提取ASX外, Rodrigues等[63]使用了基于萜烯的DES從蟹殼中提取ASX, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄荷醇和肉豆蔻酸(8∶1)DES提取ASX產(chǎn)量最高可達60%, 與索氏提取法相比, 產(chǎn)量增加了657倍, 且使用時間更短(2 h)。而且研究發(fā)現(xiàn)使用DES提取的ASX具有抑制結(jié)腸直腸癌細胞以及細菌生長的潛力, 可作為功能性成分和天然防腐劑在制藥、保健品或化妝品行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

葉黃素(lutein)是一種類胡蘿卜素, 為重要的功能性食品成分, 可預(yù)防細胞、器官老化引起的眼部疾病、冠心病及腫瘤疾病等[68]。Fan等[16]制備了6種DES從柵藻中提取葉黃素, 發(fā)現(xiàn)百里酚和苯甲醇(1∶1)DES從柵藻中回收葉黃素效果最好(6.26± 0.40 mg/g), 遠高于乙酸乙酯(3.91±0.21 mg/g)。研究者還指出, DES的用量、組成、提取溫度和時間都顯著影響葉黃素的提取率, 并且HBA和HBD之間的耦合協(xié)同效應(yīng)提高了DES與葉黃素間氫鍵相互作用, 從而改善了DES的極性和黏度, 提高了葉黃素的萃取效率。此外DES在回收性能和穩(wěn)定性方面都比傳統(tǒng)的有機溶劑更出色, 是綠色提取和穩(wěn)定易降解葉黃素的有效替代方案。

3 結(jié)語

海洋獨特的自然環(huán)境孕育了獨特而多樣的生物活性物質(zhì), 包括大分子物質(zhì)如多糖類、蛋白類等和小分子物質(zhì)如酚類化合物和萜烯類化合物等?；谄涠嘀氐纳锘钚? 使得他們在醫(yī)藥、化妝品、食品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。生物活性物質(zhì)的便捷獲取是更好的應(yīng)用他們的首要條件。低共熔溶劑(DES)作為一種新興的海洋活性物質(zhì)提取溶劑, 其既具有廉價易得、易于制備、綠色環(huán)保和可生物降解等優(yōu)點, 還可根據(jù)需要人為設(shè)計組分及其比例來提高活性物質(zhì)的提取效率。

本文綜述了DES在海洋活性物質(zhì)包括多糖、蛋白質(zhì)、DNA、生物柴油、萜烯及酚類化合物的提取方面的應(yīng)用。首先, DES在提高生物活性物質(zhì)得率方面發(fā)揮了有效作用, 不僅使得物質(zhì)的提取得率大幅度提升, 對于多糖、蛋白質(zhì)等一些水不溶性活性物質(zhì)的提取具有積極的作用, 而且提高了生物活性物質(zhì)的質(zhì)量, 如卡拉膠, 可與商用產(chǎn)品媲美; 其次, DES提取在保留及提高活性物質(zhì)的生物活性方面也具有重要意義, 如增強了透明質(zhì)酸的抗氧化、抗菌活性, 硫酸軟骨素的抗炎活性, 沙丁魚蛋白的抗氧化、抗菌活性, 穩(wěn)定了蝦青素的抗氧化活性等, 大大提升了活性物質(zhì)在實際應(yīng)用中的有效性。最后, DES提取拓寬了生物活性物質(zhì)的應(yīng)用, 如DES提取可增強活性物質(zhì)如纖維素、幾丁質(zhì)基生物材料的機械性能以及殼聚糖/蝦青素的熱穩(wěn)定性和機械性能, 大大加強了其在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢。由此可見, DES在生物活性物質(zhì)特別是海洋生物活性物質(zhì)提取及應(yīng)用方面取得了初步的成果, 但依然存在一些不足之處, 認為仍需從以下幾個方面進行深入探索, 以更進一步開發(fā)DES在海洋生物活性物質(zhì)提取方面的應(yīng)用潛能:

1) 定向設(shè)計、制備及高效使用DES。一方面針對活性物質(zhì)的溶解性、結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)特性等定向的設(shè)計DES, 尤其是對一些水溶性差, 有機試劑等傳統(tǒng)方式難以實現(xiàn)的活性物質(zhì)的提取, 依據(jù)“相似相溶”等原理將DES應(yīng)用于更多的生物活性物質(zhì)的提取?？筛鶕?jù)生物活性物質(zhì)的應(yīng)用方向和潛在價值, 依據(jù)DES形成機制, 制備更加安全、有效、綠色的DES。另一方面, 探究DES高效提取活性物質(zhì)可能存在的機制, 根據(jù)提取機制進一步提高活性物質(zhì)的提取效率和物質(zhì)得率。在保證活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和活性等基礎(chǔ)上, 可結(jié)合超聲和微波輔助等現(xiàn)代工藝進一步提高DES對目標產(chǎn)物的提取效率和物質(zhì)得率;

2) 提高DES提取活性物質(zhì)的純度和質(zhì)量。在后續(xù)的研究中, 我們應(yīng)構(gòu)建DES提取的活性物質(zhì)的質(zhì)量標準, 更加注重活性物質(zhì)產(chǎn)物的純度和質(zhì)量。應(yīng)進一步加強活性物質(zhì)與DES分離的研究, 可以采取如雙水相萃取、大孔吸附樹脂固液萃取等方式, 進一步提高目的產(chǎn)物的純度, 滿足活性物質(zhì)的使用質(zhì)量標準, 確保目的產(chǎn)物實際應(yīng)用的有效性; 同時應(yīng)注重DES的回收再利用, 可以通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、冷凝回流等方式進行DES回收, 確保回收DES的純度和再使用效率;

3) 拓寬DES提取活性物質(zhì)的實際應(yīng)用。一方面將DES提取的活性物質(zhì)直接應(yīng)用, 期望其被開發(fā)為生物活性藥物, 作為抗氧化劑、抗炎藥物、抗菌劑等在實際中進行應(yīng)用; 另一方面, 開發(fā)基于DES提取的活性物質(zhì)的產(chǎn)品, 結(jié)合DES本身的優(yōu)勢開發(fā)新型的材料, 將其進行功能化轉(zhuǎn)化, 在食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域進行應(yīng)用, 實現(xiàn)DES和目的產(chǎn)物的雙重應(yīng)用。

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Advances in extracting marine active substances using deep eutectic solvents

ZHUGE Fu-zhao, LIU Xiao-li, MENG Qiang, TONG Zhen-yi, ZHU Man-man, LIU Chen-guang

(College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Marine active substances refer to the biological components or metabolites present in marine organisms, which affect life activities and are widely used in medicine, cosmetics, health food, and other fields. As novel green solvents derived from ionic liquid, deep eutectic solvents (DESs) have many advantages, including designability, recyclability, high biocompatibility, easy synthesis, and low cost. Therefore, DESs have attracted the attention of researchers and have application prospects for extracting naturally active substances. Here, a comprehensive review on extracting marine active substances with DESs, including marine polysaccharides, proteins, DNA, biodiesel, phenolic compounds, and terpenes, is discussed to provide a new strategy for green extraction and applications for marine active substances.

marine active substance; deep eutectic solvent; extract; physical and chemical property

May 23, 2022

Q5-33

A

1000-3096(2022)11-0147-13

10.11759/hykx20220523002

2022-05-23;

2022-06-29

山東省重點研發(fā)項目(2019GSF107031)

[Major research projuct of Shandong province, No. 2019GSF107031]

諸葛福照(1996—), 男, 山東臨沂人, 碩士研究生, 研究方向為生物化學(xué)與分子生物學(xué), E-mail: 1209803447@qq.com; 劉晨光,通信作者, 教授, 研究方向: 海洋多糖材料開發(fā)與應(yīng)用, E-mail: liucg@ouc.edu.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)