制药工程工艺之窗 -酶法提取技术及其应用进展

摘要：简要介绍了酶法提取的基本原理、特点及提取速率的影响因素，结合酶法在提取有效成分中的应用实例和与其他技术的联用，对酶法在中药提取领域的前景进行展望。

中药是中华民族灿烂文明中一朵盛开的奇葩，有着几千年的悠久历史。中药成分复杂且很多贵重有效成分含量很低，因此中药开发中的关键工序即为如何有效地提取中药中的有效成分。传统提取方法如煎煮、回流、浸渍、渗漉法，存在着周期长、工序多、提取率不高等缺点。酶作为一种生物催化剂，在中药提取中，对中草药细胞壁的有效成分进行分解破坏，从而降低传质阻力，提高提取率；可改变中药目标产物的生理生化性能，优化产物效用，并且酶法提取操作简单，条件温和，环保无毒，现已将其用于中药提取过程。本文就酶法的提取技术及其应用进展方面进行综述。

大多数中药为植物性草药，中药材中的有效成分多存在于植物细胞的细胞质中。在中药提取过程中，溶剂需要克服来自细胞壁及细胞间质的传质阻力。细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶质等物质构成的致密结构，选用合适的酶(如纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶)对中药材进行预处理，能分解构成细胞壁的纤维素、半纤维素及果胶，从而破坏细胞壁的结构，产生局部的坍塌、溶解、疏松，减少溶剂提取时来自细胞壁和细胞间质的阻力，加快有效成分溶出细胞的速率，提高提取效率，缩短提取时间[1]。

而且，在中药提取中酶法可作用于目标产物，改善目标产物的理化性质，提高其在提取溶剂中的溶解度，减少溶剂的用量，降低成本；也可改善目标产物的生理生化功能，从而提高其效用。

酶法提取主要采用酶破坏细胞壁结构，具有反应条件温和、选择性高的特点，而酶的专一性可避免对底物外物质的破坏。在提取热稳定性差或含量较少的化学成分时，优势更为明显。杨云龙等[2]用酶法提取洋葱中黄酮类化合物，采用酶解法来处理洋葱皮，避免了因高温对黄酮类化合物结构的破坏，提高了黄酮类化合物的提取率。

酶法预处理减少了中药材中有效成分的溶出及溶剂提取时的传质阻力，缩短了提取时间，提高了提取率，具有很大的应用价值。张文森[3]使用复合酶法提取茉莉花中有效成分，相比较传统的水提取，提取温度由85～90 ℃降至50 ℃，提取时间由3 h降至1 h，提取率由55％～60%升至65％～70%。

酶法是绿色高效的植物提取技术，可利用相关的酶制剂来提高提取物的极性，从而减少有机溶剂的使用，降低成本。

酶法不仅可以应用在中药材的提取过程，也可对中药提取物进行酶法处理，优化有效组分，提高目标产物的药用价值。肖连冬使用碱性蛋白酶对啤酒糟麦芽蛋白进行水解，在最佳酶解条件下，麦芽蛋白的起泡性、溶解性和乳化性分别达到167%、22.68%和13.8%，比未改性前的麦芽蛋白分别提高了735%、247%和27.8%。[4]

酶法提取在原工艺条件上仅增加了1个操作单元，反应条件温和易获得，不需要对原有工艺设备进行过多的改变，对反应设备的要求较低，操作简单。姚晓琳等[5]在研究酶法提取柑橘黄酮时，与原有醇提工艺相比，仅在乙醇浸取提取步骤前增加了一个步骤——适量酶液酶解提取。总黄酮提取率可达2.67±0.06％，提取率大幅提高。

为利于酶解，需对药材进行预处理。如用粉碎机作预处理，粉碎颗粒越细，越易悬浮在酶解液中，增加有效面积而易被酶水解，加快水解速度。但粉碎过细，吸附作用过强，反而会影响扩散作用。因此通常在提取前适当粉碎，可提高酶解效率。

酶法提取的关键，是选择适当的溶剂。溶剂选择适当，就可以比较顺利地将需要的成分提取出来，并且可溶解较多的有效成分。选择溶剂主要注意以下3点：（1）溶剂对有效成分溶解度大，对杂质溶解度小；（2）溶剂不能与中药的成分起化学变化；（3）溶剂要经济、易得、使用安全等。现在工业生产及实验室主要采用水、乙醇等作为提取的溶剂。

温度增高，分子运动加快，溶解、扩散速度也加快，有利于有效成分的提出，所以热提常比冷提效率高。但温度过高，有些有效成分被破坏，酶的活性降低，甚至失活，同时杂质的溶出也增多。故一般加热不超过60 ℃，最高不超过100 ℃。过高或过低的pH都会导致酶失活，pH不仅影响酶立体构象，也影响底物解离状态。在最适宜的pH下进行提取，效率最高。

有效成分的提取率通常随提取时间的延长而增加，直到药材细胞内外有效成分的浓度达到平衡为止。所以不必无限制地延长提取时间，一般用水加热提取以每次0.5～1 h为宜，用乙醇加热提取每次以 1 h为宜。

随着酶的浓度的升高，与底物的接触面积增大，酶解反应速率增大。但当酶的浓度达到过饱和时，底物浓度相对较低，酶与底物竞争，会对酶产生抑制作用，酶得不到充分利用，造成浪费。

植物细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素、果胶等具有大分子结构的物质是中药提取中传质的主要阻力来源。所以采用酶法提取，分解破坏植物细胞的细胞壁，多采用纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶。

(1)纤维素酶。纤维素是由β-D-葡萄糖以1, 4-β葡萄糖苷键连接，用纤维素酶酶解可以破坏β-D-葡萄糖苷键，使细胞壁破坏，有利于对有效成分的提取。项雷文等[6]通过正交实验法研究了纤维素酶法提取杭白菊中总黄酮的主要工艺参数（酶添加量、酶解时间、酶解温度和pH）对总黄酮提取率的影响。得到纤维素酶法提取的最佳条件为：酶添加量0.5％、酶解时间2.5 h、酶解温度55 ℃、pH5.0，此条件下总黄酮提取率比对照组提高了19.2％。

(2)果胶酶。果胶酶是作用于果胶复合物的酶的总称。果胶酶有两种：果胶甲酯酶和多聚半乳糖醛酸酶。周向荣等[7]利用盐渍藠头提取其风味物质，考查了pH值、温度、加热时间、商品果胶酶添加量对盐渍藠头中蒜素提取效果的影响。在果胶酶同原料比为0.6%～1.2%，pH 3.4、温度50 ℃、提取时间2～4 h的条件下，蒜素的提取率可达到较高水平(0.21～0.27 g/100 ML)，且出汁效果较好(90%～92%)，固形物含量较高(19.2～19.8 Brix)，能较好地保持藠头特有的香气。

(3)半纤维素酶。戴瑜等[8]研究了半纤维素酶法提取杜仲叶中主要有效成分，即苯丙素类的绿原酸（CHA），通过单因素试验、正交试验和方差分析确定了半纤维素酶法提取杜仲叶中绿原酸的最佳操作条件。结果表明：加入996 U／g半纤维素酶0.45％、pH 4.0、温度40 ℃，得率最高可达38.01 mg／g。

(4)复合酶。采用两种或两种以上的酶按一定比例进行组合，进行中药提取，可以较大地加快提取速率，提高提取率。吴国卿等 [9]研究了复合酶法提取野木瓜汁的工艺。以野木瓜为原料，采用复合酶法提取野木瓜汁。确定了果胶酶与纤维素酶的最佳添加比例为1︰6。复合酶提取野木瓜汁的最佳酶解工艺条件为：复合酶添加量1.0％，酶解温度45 ℃，pH 4.0，酶解时间2.5 h，在此最佳条件下，野木瓜出汁率可达56.7％，比空白样的出汁率13.7％高出43.0％。

对于有效成分中立体结构大的物质，可使用葡萄糖苷酶、转苷酶、淀粉酶等进行分解糖苷键等，改变理化性质，增大极性，减少有机溶剂的用量，降低成本，且改变生理生化性质，提高效用。

(1)转苷酶。许明淑等[10]在提取银杏叶黄酮时，使用Suhong475转苷酶和糖基配体对银杏叶进行处理，提高黄酮苷元、黄酮苷的极性，进而在30％乙醇溶剂中提取。此时的提取率相当于60％乙醇提取条件下的提取率。郁军等[11]使用淀粉酶和环糊精转糖苷酶(cGTase)处理甜菊糖作用于甜菊糖苷，破坏了甜菊苷的结构，与未用酶法处理过的甜菊糖相比较，有效地改善了甜菊糖的后苦味。

(2)葡萄糖苷酶。殷涌光等[12]从松针中提取松针黄酮，即8-葡萄糖苷酶松针总黄酮(PNF)，使用葡萄糖苷酶酶解PNF，酶解温度40 ℃，酶添加量1／1 000，底物质量浓度0.6 g／L，酶解时间5 h，经过修饰后的PNF对自由基清除率、羟基自由基清除率、超氧阴离子清除率及对铁离子的还原能力都有明显地提高。

(3)复合酶。两种以上的酶的应用，既可以对植物细胞壁进行作用，也可以对有效成分进行优化。董捷等[13]在研究油菜花粉萌发孔通透性时采用了复合酶法中温淀粉酶和复合纤维素酶的组合。结果表明：用中温淀粉酶和复合纤维素酶处理花粉后，每克花粉上清液中可溶性糖含量最高可达到(0.365±0.017 g)，与空白相比提高了53％。

某些中药采用酶法提取时收率明显提高，具有较大的应用潜力，但该技术同时也存在着一定的局限性。酶法的最佳反应条件需要严格控制，条件微小的波动，也有可能引起酶活性的大大下降。实验中的酶有可能会与实验中其他的化学物质发生反应，会影响反应速率和产物的纯度。故实验室或工业生产中，多采用酶法与其他技术的联合进行中药提取，可扬长补短，发挥协同作用，提高有效成分的提取效率。

赵玉等[14]采用复合酶法协同超声波提取南瓜水溶性多糖，试验将两种独立的提取方法进行协同作用，考察协同作用对提取效果的影响，并与单一超声波法、复合酶解法相比较。原料经复合酶酶解处理，超声10 min后，多糖提取率为25.94％，提取率明显高于单一使用超声波、复合酶法的提取。

超声波在使用时，在破碎细胞的同时，会引起温度急剧上升，费用较高。而超高压提取可在低温条件下应用，不会引起温度的剧烈变化，不会引起酶的活性降低，在热敏物质的提取中应用将会更为广泛。奚海燕等[15]在超高压辅助酶法提取大米蛋白的研究中，首先在400 MPa下对大米进行预处理，后加碱性蛋白酶量1.4％，温度58 ℃，pH 8.3，时间4 h及液固比9︰1进行处理，大米蛋白质的提取率为78.72％，而只用碱性蛋白酶进行处理的提取率为70％，提取率提高显著。

与传统的溶剂提取法相比，微波法批处理量较大，萃取效率高、省时，而且选择性较好，可提高萃取效率和产品纯度。王文平等[16]首次采用微波辅助酶法提取薏苡仁粗多糖，并对提取工艺进行了探讨。在单因素试验的基础上，采用正交试验优化其工艺，得到的最佳提取工艺为：微波功率560 W，料液比1︰30，提取时间4 min，提取得率达22.61％。

酶法强化中药提取由于反应特异性强、条件温和易获得、提取时间短、提取率高、绿色节能等已引起广泛的关注，必将成为中药开发的重要手段，具有较大的应用潜力，且随着对酶法技术的不断研究，酶法与其他技术如超声波、超高压、微波等技术的联用也将成为中药提取的另一个热点研究方向。

[10] 许明淑，邢新会，罗明芳，等.银杏叶黄酮的酶法强化提取工艺条件研究[J].中国实验方剂学杂志，2006，12(4)：2～4

[13] 董捷，李春阳，张红城，等.酶法处理对油菜花粉萌发孔通透性的改善[J].食品与生物技术学报，2008，27(6)：103～106