植物中活性氧的作用

植物中活性氧的作用（精选五篇）

植物中活性氧的作用 篇1

关键词：活性氧,蛋白修饰,信号转导

活性氧(reactive oxygen species,ROS)是有氧生物的进化产生的一类含氧基团,具有较高的生物活性。活性氧在被发现时被认为是生物体氧代谢的副产物。近些年,随着研究的深入,发现活性氧在植物的正常生长及代谢过程中还有许多其它重要的功能如信号分子作用,活性氧分子作为一种信号分子在介导植物体的生长发育对生物与非生物胁迫响应、蛋白修饰和基因表达调控方面具有重要功能。

1 植物体内活性氧的产生

高等植物通过有氧代谢将氧气还原成水,为植物生长发育的各个环节提供能量。对于需氧生物来说,在还原过程不完全时,就会不可避免的产生ROS,在植物体内主要包括以下几种类型:超氧根阴离子(O2-),氢氧根离子(OH-),羟基自由基(-OH)、过氧化氢(H2O2)等[1,2]。

植物细胞中产生ROS的部位有细胞膜、叶绿体、线粒体和过氧化物体等(见图1),其中叶绿体和线粒体是产生ROS的主要部位。ROS在线粒体和叶绿体的产生途径主要是通过电子传递;除此之外,ROS也可以通过代谢产生,如脂肪酸β-氧化等[3,4]。

1.1 叶绿体内ROS的产生

在叶绿体中进行的光原反应是植物ROS产生的主要方式[5]。氧的光还原主要有3条途径:类囊体途径、叶绿体基质途径和黄素脱氢酶途径,每种途径都可产生ROS。

在类囊体途径中,类囊体能够利用光系统I(PSI)复合体中的psaA和psaB组分上的X铁硫簇(4Fe-4S)以及psaC组分上的A/B铁硫簇(4Fe-4S)的电子供体在光照条件下能够将氧还原成O2-[6]。在中性pH条件下,类囊体氧分子光还原速率大约为每秒钟每分子PSI产生4分子O2[6]。

叶绿体基质途径产生ROS主要在光呼吸途径完成,在这一过程中,氧分子由Rubisco催化而得到还原。叶绿体基质途径在低浓度氧气和高浓度CO2条件下受到抑制。通常情况大气氧浓度高于16%(160 pmo1·L-1)和光强较高时,这一反应途径即可达到饱和[7]。

在黄素脱氢酶途径中,黄素脱氢酶催化NADPH与O2反应产生O2-,这一反应需要在氧浓度较高情况下进行,参与这一过程的脱氢酶主要有叶绿体的铁氧还蛋白-NADP+还原酶(FNR)、谷胱甘肽还原酶(GR)以及单脱氢抗坏血酸还原酶(MDAR)。

1.2 线粒体内ROS的产生

越来越多的实验表明,线粒体是另外一个主要的ROS来源,高浓度的ROS在线粒体当中能引起植物细胞的程序性死亡。众所周知,植物线粒体的电子传递链(electron transport chain,ETC)包括四种复合物,第一种是NADH脱氢酶(NADH dehydrogenase,Complex I);第二种是琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase,Complex II);第三种是辅酶Q-细胞色素bc1还原酶(ubiquinol-cytochrome bc1,Complex III);第四种是细胞色素c氧化酶(cytochrome Coxidase,Complex IV),这些复合体均具有电子传递特性。同时,植物的ETC还包1种交替氧化酶(alternative oxidase,AOX)和4种NAD(P)H脱氢酶,这些都是ROS可能产生的位置[8]。

在通常的线粒体电子传递过程中,电子沿着一系列的电子传递体传递到末端氧化酶,然后再传递给氧,最后质子与离子型氧结合生成水。然而,一些位于呼吸链底物端的物质,如非血红素铁蛋白(non-heme iron proteins)、醌(quinols)、尤其是半醌(semiquinols)等能够导致正常的氧化还原反应发生障碍,导致O2的单电子被还原而产生O2[9]。在上述情况下,电子传递未正常达到末端氧化酶,而是直接与氧反应生成O2-,这也是线粒体产生ROS的主要方式。其中,在线粒体中电子传递过程中,Complex I和Complex III是ETC产生ROS最为主要的部位[10]。

2 ROS对蛋白质氧化还原状态的影响

植物体内过多的ROS能够介导蛋白质的氧化,从而影响蛋白质在体内的活性,ROS介导蛋白质氧化的途径主要是:ROS首先通过介导脂质过氧化以及加速非酶糖基化,然后,脂质过氧化产物和非酶糖基化产物再与蛋白质反应,进一步导致蛋白质的氧化,形成蛋白质羰基化产物以及蛋白质·蛋白质交联产物。这类修饰主要发生在含有半胱氨酸的巯基蛋白上,通过巯基(-SH)和二硫键(-S-S-)形式的转换(见图2),这些蛋白质改变细胞内的氧化还原状态,从而实现对蛋白功能的调控[11,12]。

近年来,越来越多的实验表明,蛋白质的可逆氧化还原修饰被认为是生物体内调控的重要方式,对植物对外界的反应产生重大影响,植物体内的很多信号分子以及转录因子都要通过蛋白氧化还原状态的改变才能实现功能[13,14,15]。因此,蛋白质的氧化还原修饰成为除磷酸化、糖基化及泛素化修饰外的重要方式,逐渐的成为了人们研究的热点[16,17,18]。

3 ROS的主要功能

研究表明,ROS是植物正常生长发育过程中重要的信号分子,参与植物和细胞内的分子、生化和生理反应,尤其在植物的防卫反应和细胞程序性死亡过程中发挥重要作用。

3.1 ROS在植物防卫反应中的作用

虽然人们对于ROS在植物信号转导的作用已有些了解,但其作用模式还不是很清楚[19]。现在普遍认为ROS可能在低浓度时作为信号传导的小分子,而在高浓度下能破坏一些蛋白质的结构,而干扰细胞正常的信号传递过程,并产生毒性[20]。ROS在植物与病原菌相互作用尤其是早期阶段有重要的第二信使作用。目前的研究表明,H2O2在抗病信号传导中处于水杨酸(salicylic acid,SA)的下游,并能诱导病程相关蛋白的表达[21]。越来越多的实验表明,H2O2可以作为局部和系统的信号分子诱导植物的抗病性。通过转基因技术来提高植物体内的H2O2水平能够积累SA和几丁质酶,并提高阴离子CAT水平以及诱导防卫基因的表达从而提高植物对病原菌的抗性[22,23]。进一步研究发现,ROS在植物的抗逆信号传导中具有重要作用,表现为植物在一种环境胁迫的条件下可以获得对其它胁迫更高的抗性。这是因为不同的胁迫在细胞及分子水平上产生相似的作用,即均能产生ROS[24]。研究表明,拟南芥经臭氧或紫外处理能够提高对猕猴桃细菌性溃疡病菌(Pseudomonas syrfingae)的抗性,而烟草经相同的处理能提高对烟草花叶病毒的抗性[25,26]。同理,干旱处理过的植物普遍能提高对低温的抗性[27]。

3.2 ROS在植物细胞程序性死亡中的作用

细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)是植物生长周期中必要的过程,目前植物的PCD反应研究最好的模型是植物与病原菌非亲和互作中的HR(hypersensitive response)反应。在HR反应过程中,病原菌侵入点附近的细胞内氧化性物质的大量产生并导致细胞的程序性死亡,从而抑制了病原菌的侵染。这种氧化性物质的爆发是由于NADPH氧化酶复合物的作用。然而,正是由于在HR反应过程中产生的ROS调节了这种NADPH氧化酶复合物的活性。通过用病原菌的激发子处理烟草细胞,能够诱导烟草细胞内大量的H2O2积累,同时烟草体内的过氧化氢酶基因Cat1和Cat2的mRNA水平和蛋白质水平都有所减少,且该酶的活性也受到了抑制。同样,病毒介导的类似HR反应同样能够诱导H2O2积累从而抑制Apx类基因的表达[28]。

4 展望

植物中活性氧的作用 篇2

盐生植物根际对土壤中微生物数量和酶活性的影响

选择滨海盐碱地为研究对象,通过实验就盐生植物根际对土壤中微生物的数量和酶活性的影响进行了初步研究.实验结果表明,盐生植物种植后,根际土壤的微生物数量比非根际土壤明显增加,酶活性也有不同程度的提高.植物根系越发达,土壤中微生物的数量越多,土壤酶的`活性也越高.为盐渍化土壤的植物修复提供了理论数据,具有一定的现实意义.

作 者：樊盛菊 齐树亭 武洪庆 董明 FAN Sheng-ju QI Shu-ting WU Hong-qing DONG Ming 作者单位：河北工业大学,海洋生物研究所,天津,300130刊 名：河北大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：26(1)分类号：Q938关键词：盐生植物 根际 微生物数量 土壤酶活性

植物中活性氧的作用 篇3

关键词：生物碱,抗肿瘤活性

从植物中寻找高效、低毒的抗肿瘤活性成分已成为国内外学者共同关注的热点。大量研究发现, 天然植物中的生物碱具有明显的抗肿瘤功效。生物碱大多存在于植物中, 故又称为植物碱, 是一类含氮的有机碱性化合物。大多数生物碱是结构复杂的多环化合物, 分子中大多含有含氮杂环, 如吡啶、吲哚、喹啉、嘌呤等, 也有少数是胺类化合物。本文综述了近年来从植物中发现的具有抗肿瘤活性的生物碱的抗肿瘤活性及其抗

肿瘤作用机制, 本文有利于生物碱类抗肿瘤药物应用范围的拓展, 为临床肿瘤医生提供新的思路, 开拓出新的用法, 使其有效率在原来基础上得以进一步提高, 使更多的患者受益并促进肿瘤治疗的发展。

1 长春新碱、长春碱类

长春碱是从夹竹桃科植物长春花中提取的生物碱, 具有抑制微管蛋白组装的活性, 因其毒性低, 目前已成为一类作用于M期的特异性肿瘤化疗药物[1]。半合成的长春瑞宾可使Bcl2磷酸化而失活, 同时促进Bax的表达增强, 引起肿瘤细胞凋亡, 另外, 由于长春瑞宾以特殊的8环结构取代了天然长春花生物碱的9环结构, 使其神经毒性降低, 对非小细胞肺癌的抗肿瘤活性增强[2]。

2 苦参碱类生物碱

苦参碱类生物碱是广泛存在于豆科植物苦参、苦豆子及广豆根等中草药中的有效成份。这一类生物碱包含苦参碱, 氧化苦参碱、槐国碱、槐醇碱、槐胺醇和氧槐国碱等多种单位。苦参碱类生物碱能与多种化疗药物联用, 疗效肯定, 毒副作用小, 已广泛应用于肿瘤的治疗。作用机制: (1) 抑制肿瘤细胞增殖和诱导分化研究表明小剂量的苦参碱 (0.1-0.5 g·L-1) 对人肝癌细胞有明显的增值抑制作用。使G0-G1期细胞比例明显增高, S期的比例降低, 说明苦参碱能明显抑制肿瘤细胞进入S期[3]。 (2) 诱导凋亡经流式细胞仪检测发现细胞的凋亡具有明显的浓度依赖性, 在1000ug/ml浓度苦参碱处理后细胞凋亡率达18.8%[4]。 (3) 抗肿瘤细胞粘附与浸润转移苦参碱处理后的人肺巨细胞癌细胞的CD44, CD49表达量明显降低, 内皮细胞通透性下降, 提示苦参碱可能通过降低癌细胞的粘附性和管道内皮细胞的通透性来减少肿瘤的转移。苦参碱在0.5g/l、0.8g/l、1.0g/l浓度时, 能显著降低人肝癌细胞株SMMC-7721细胞与纤连蛋白的黏附力、穿膜运动力和对基底膜的降解力。苦参碱处理后细胞中该基因表达下调也提示了苦参碱的抗转移活性。 (4) 通过诱导肝细胞微粒体细胞色素P-450发挥协同作用。 (5) 抑制肿瘤新生血管的形成。 (6) 阻止某些可引发肿瘤的慢性炎症的发展及抑制某些致癌病毒。 (7) 抑制肿瘤的耐药性和减低化疗药物的毒副作用。 (8) 促进肿瘤宿主的抗肿瘤免疫反应。 (9) 苦参碱的预防性化疗作用。 (10) 对肿瘤耐药的逆转作用[5,6]。

3 龙葵总碱

龙葵总碱是从茄科植物龙葵的全草或未成熟的果实中提取分离出的总生物碱, 主要含龙葵碱、澳茄胺, 龙葵定碱等, 研究表明其对S180、H22荷瘤小鼠有显著的抗肿瘤活性。作用机制: (1) 对肿瘤细胞膜的影响龙葵碱可以恢复肿瘤细胞膜的流动性, 从而恢复细胞的正常生理功能, 从而达到抗肿瘤的作用[7]。 (2) 调节信号传导通路促进细胞调亡主要表现为阻断NF-k B调节的抗凋亡通路[8,9];激活caspase级联反应[10]。新近的研究表明龙葵提取物在促进肿瘤细胞凋亡时能增加细胞内NO的合成, 这可能为其促进细胞凋亡的机制之一[11]。

4 槐定碱类

槐定碱及其制剂盐酸槐定碱注射液是我国研制、拥有自主知识产权的国家一类抗癌新药。在临床的肿瘤治疗中也取得了优良的疗效[12]。作用机制: (1) 对癌细胞有一定的直接杀伤 (细胞毒) 作用, 使核酸受到影响, 导致癌细胞凋亡。 (2) 对癌细胞周期的影响流式细胞术测定结果[13]表明, 与对照组比, 槐定碱能明显降低小鼠S-180 (A) 癌细胞周期G1期的百分比, 使DNA合成前期被干扰, 影响DNA合成, 减少癌细胞形成;同时还能阻断G2期, 抑制癌细胞的分裂, 减少其增殖。 (3) 对TOPO酶的影响高、中剂量槐定碱对TOPO酶I有明显抑制作用, 可抑制癌细胞DNA的复制重组。 (4) 对机体细胞免疫功能的影响Anaes反应结果证明, 槐定碱不降低外周T淋巴细胞的免疫功能。

5 苦马豆素类

从灰苦马豆中分离出苦马豆素属于吲哚里西定生物碱, 又名疯草毒素。大量实验结果表明苦马豆素具有明显的抗肿瘤活性, 而且此活性不限于人工或实验室诱发的肿瘤转移, 也不限于一种瘤型或者特定器官[14]。作用机制: (1) 苦马豆素对肿瘤细胞的直接作用苦马豆素对肿瘤细胞浸润的抑制可能是由于改变了TIMP和胶原酶基因的表达, 从而有效地减少了细胞外基质的水解。 (2) 苦马豆素是一种免疫调节剂, 它能刺激淋巴细胞增殖, 激活宿主抗肿瘤免疫, 刺激骨髓细胞增殖和增加抗原对T细胞的刺激。

6 小檗碱类

小檗碱又称黄连素, 为毛茛科黄连属植物黄连、黄柏的根茎中提取的异唆琳类生物碱, 属季铵类化合物。小檗碱类可抑制结肠癌、胃癌、食管癌、肝癌、膀脱癌、肺癌、白血病、脑部肿瘤等多种肿瘤细胞[15]。作用机制: (1) 抑制肿瘤细胞生长和促进其凋亡小檗碱具有细胞毒性, 可以抑制肿瘤细胞生长和促进其凋亡, 并呈时间和剂量依赖性。 (2) 诱导肿瘤细胞分化。 (3) 通过COX-2对肿瘤细胞的抑制作用。 (4) 对癌基因、抑癌基因的影响。 (5) 抑制肿瘤血管生长。 (6) 抑制肿瘤转移[16,17]。

7 懈寄生类生物碱

从懈寄生中提取的抗肿瘤成分中生物碱也具有优良的抗肿瘤作用。研究发现槲寄生总生物碱按25mg.kg-1用药时, 对小鼠Lewis肺癌、S37实体肿瘤、艾氏腹水瘤、网织细胞肉瘤的生长无明显影响, 而当剂量增至50和70 mg.kg-1时, 则对上述肿瘤均有明显抑制作用。彭海燕等[18]研究发现槲寄生碱对肝癌、乳腺癌、食管癌等也都有良好的抑制作用。作用机制可能为激活抑癌基因P53而使癌细胞死亡, 从而发挥抗肿瘤作用[19]。

8 喜树碱类

喜树碱是美国化学家Wall和Wani在1996年首先从琪桐科植物喜树中提取出来的一种生物碱。临床用于膀胧癌、大肠癌、原发性肝癌等的治疗。作用机制:喜树碱及其类似物是拓扑异构酶I的特异性抑制剂[20], 它能够抑制S期肿瘤细胞内显著高于正常组织中的Topo I, 引起DNA损伤, 从而选择性地抑制增殖期肿瘤细胞的DNA复制。

9 吴茱萸类生物碱

吴茱萸类生物碱系芸香科植物吴茱萸、石斛干燥将近成熟果实中提取的生物碱。实验证实了吴茱萸碱主要通过诱导肿瘤细胞凋亡、阻遏细胞周期和抑制肿瘤组织侵袭和转移起作用[21]。

1 0 粉防己碱

粉防己碱是从中草药粉防己的根块中提取的双苄基异喹啉类生物碱, 是粉防己的主要有效成分。粉防己碱可通过直接抑制肿瘤细胞生长、放疗增敏、减毒和逆转耐药性而发挥抗肿瘤作用。粉防己碱不仅可干扰DNA合成, 抑制肿瘤细胞分裂、增殖, 而且可通过诱导Cdk抑制因子P21、抑制细胞周期蛋白Dl和激活easpas-3以及影响细胞肌纤蛋白和微管的表达.诱导细胞凋亡及抑制人肺癌细胞生长[22]。

1 1 一叶萩碱

一叶萩碱是从大戟科植物一叶荻中提取的生物碱, 实验表明其对人早幼粒细胞白血病细胞株HL60的增殖有抑制作用, 使HL60细胞出现核固缩、碎裂, DNA电泳显示梯状条带, 具有明显的诱导凋亡活性。

1 2 巴豆碱

从中药巴豆中分离得到的有效成分巴豆碱, 可使红细胞流动性减小, 膜蛋白的二级结构发生改变, 提示巴豆碱可能是通过改变蛋白质的空间构象而发挥其药理活性。

1 3 三尖杉酯碱和高三尖杉酯碱

这两种生物碱具有抑制小鼠白血病细胞生长的作用, 低浓度高三尖杉酯碱可抑制K562细胞增殖并诱导其向红系分化, 阻滞细胞周期, 且主要是通过下调b TERT基因表达来抑制细胞端粒酶活性, 从而抑制细胞生长。

结语

酶在植物活性成分提取中的应用 篇4

1 酶法提取的特点

通常, 植物活性成分被包含在植物材料 (如细胞壁、果胶等) 中, 酶能使植物材料降解形成疏散结构, 有时甚至能完全液化植物材料, 提取时间短, 提取率高。与超声波和微波辅助提取比较, 酶法提取无需投入昂贵新设备, 投资成本和能耗较低, 具有成本低廉、性价比高的优势。由于酶法提取可以在常温和非有机溶剂下进行, 所以得到的产物纯度、稳定性及活性都较高, 无污染。另外, 酶在提取的同时, 还可以对某些活性成分进行改性和转化, 生成产物具有更强的生物活性。

2 酶在膳食纤维提取中的应用

膳食纤维是指不被人体消化吸收的以多糖类为主体的高分子物质的总称, 包括可溶性膳食纤维 (SDF) 和不可溶性膳食纤维 (IDF) 。目前产业化的膳食纤维制备主要采用碱提技术, 环境污染大, 并且该法所得纤维的主要生理活性物质损失很大, 因为强烈的溶剂处理造成几乎100%水溶性纤维、50%~60%半纤维素以及10%~30%纤维素损失, 而膳食纤维中具有重要生理功能的是可溶性纤维和半纤维素。

2.1 纤维素酶的应用

纤维素酶能够使部分纤维素糖苷键断裂, 转变成小分子成分, 使部分不溶性成分转变成可溶性成分。因此, 纤维素酶用于SDF的提取时, 其实质是改性, 即使IDF转变为SDF从而提高膳食纤维的含量和生理活性。

近年来很多学者一直致力于膳食纤维提取和改性研究。乐胜峰等人通过正交试验优化, 发现当纤维素酶的添加量为4%、温度为50℃、料液比为1∶15和酶解时间为6h的条件下, 苹果渣中的可溶性膳食纤维的得率可达142.34%。王文侠等人研究发现:在复合纤维素酶添加量为2%、底物浓度为40g/L、酶解温度为55℃、pH值为4.0和酶解11h的条件下, 玉米皮SDF得率可达10.37%。

纤维素酶法提取的同时可以改变膳食纤维的特性。纤维素酶可以促进β-1, 4-糖苷键的裂解, 破坏纤维的细胞壁, 使得纤维结构变得膨松、溶胀, 大量的极性和非极性基团暴露, 与此同时形成更多的毛细管, 显著地改善纤维与水的相互作用, 从而提高了膨胀力和持水力。有学者以甜菜干粕为原料, 用乙醇和过氧化氢提取膳食纤维, 然后采用纤维素酶对其进行改性, 结果表明:甜菜膳食纤维的持水力和膨胀力大大得到改善, 使得改性后的膳食纤维功能更强。

2.2 蜗牛酶的应用

蜗牛酶是一种以复合纤维素酶和β-半乳糖苷酶为主要成分的水解酶。采用蜗牛酶水解胡萝卜皮渣, 在pH值5, 50°C和1%底物浓度水解96h后, SDF得率可以达到77.3%。

3 酶在多糖提取中的应用

多糖具有多种药理作用, 能提高机体免疫力, 抑制肿瘤生长, 增强机体耐缺氧能力, 清除自由基, 降低血糖, 治疗高血压, 促进冠脉血流量等, 是目前医药及功能性食品开发的研究热点。目前, 提取多糖的方法主要包括水浸提法、渗透法、回流法、超声波法、微波法和酶法等。水浸提法是传统的提取方法, 操作烦琐而且提取率低, 超声波法和微波法则成本相对较高, 而酶法作用条件温和, 操作相对简单又能保证较高的提取率。

3.1 纤维素酶的应用

于翠芳等人通过正交试验确定在料液比1∶30、纤维素酶浓度0.7%、提取温度50℃和冷冻时间30h的条件下南瓜多糖的提取率可达12.146%, 纯度为36.942%。费玉婷等人采用正交试验, 优选并确立纤维素酶法提取山药多糖的最佳工艺, 大大提高了山药多糖的提取率。靳挺等人采用纤维素酶法, 利用正交试验研究出最佳分离提取富硒灵芝菌丝体多糖的工艺条件, 提高了菌丝体多糖的得率。

果胶是一种天然的多糖类物质, 因其安全性高, 被广泛应用于罐头、果酱、糖果和果汁等的增稠剂、稳定剂和乳化剂。张娜等人经过探讨得出在提取温度45℃、纤维素酶添加量3.0mg/g、提取液pH值4.0、料液比1∶35和提取时间2h的最佳工艺条件下, 柿皮果胶的提取率可达8.87%。耿敬章以橘皮为原料, 研究了纤维素酶辅助提取橘皮中果胶的最佳工艺, 提取率可达17.31%。

3.2 果胶酶的应用

由于果胶物质主要存在于植物初生壁和细胞中间, 而果胶酶能够除去细胞壁中的果胶质, 从而可以有效地破除细胞壁, 使细胞中的多糖溶解出来。刘伟等人研究了果胶酶法提取黑穗醋栗果实中活性多糖的最佳提取工艺, 结果表明:当果胶酶添加量为2.0%时, 60℃酶解15min, 多糖的提取率为8.23%。李玲等人采用果胶酶提取川芎多糖, 发现提取川芎多糖的最佳工艺条件是果胶酶用量为1%、pH值3.5、反应时间150min和反应温度60℃, 多糖的平均得率为11.3%。范会平等人探讨了红枣中性多糖的超声辅助果胶酶法提取最佳工艺条件, 认为由于果胶是一种酸性多糖, 在最适的pH值范围内, 果胶酶能将粗多糖充分水解, 使得中性多糖在粗多糖含量中的占比最高, 在最佳工艺条件下所提取的红枣中性多糖在粗多糖中的比例达到64.13%。

4 酶在多酚化合物提取中的应用

多酚类物质广泛存在于水果和蔬菜中, 具有清除自由基、抗脂质氧化、延缓机体衰老、预防心血管疾病、防癌、抗辐射、抗菌以及抗肿瘤等多种生理功能。多酚类化合物的提取分离方法主要是有机溶剂提取法, 这种提取方法不需要特殊的仪器, 应用较为普遍, 但存在着产品安全性低、耗时长及提取率低等缺点。生物酶解提取技术是根据酶反应具有高度专一性的特点, 选择相应的酶, 水解或降解细胞壁组成成分:纤维素、半纤维素和果胶, 从而破坏细胞壁结构, 使细胞内的成分溶解、混悬或胶溶于溶剂中, 达到提取目的。

4.1 纤维素酶的应用

范凤玲等人以干燥的菠萝果渣为原料, 利用BoxBenhnken中心组合试验和响应面分析法优化确定了纤维素酶处理菠萝果渣提取多酚类物质的最佳工艺条件。裴海闰等人通过研究发现利用纤维素酶处理苹果渣提取多酚的比率比传统水提取法高27%, 为苹果渣的综合利用和加工开辟了新的途径。张涛等人通过研究确定了纤维素酶法辅助提取葡萄籽中花青素的最佳工艺条件, 而且相比较传统提取方法, 具有提取时间短和得率高的特点。

黄酮类化合物属于多酚, 是功能性食品中一类较为重要的功效成分, 具有良好的抗氧化性能以及抗肿瘤、保护心血管和抗突变的作用, 对于高血压和高血脂等有较好的疗效。陈佳等人采用中心组合试验设计研究出纤维素酶法辅助提取洋葱皮中总黄酮的最佳工艺条件, 并对洋葱皮中的抗氧化活性进行了测定。李丹等人通过研究发现纤维素酶对于不同种类的异黄酮糖苷具有不同的水解专一性、基团专一性和键专一性, 能完全水解大豆苷和染料木苷为大豆素和染料木素, 而不能水解丙二酰基染料木苷、丙二酰基大豆苷和葛根素。

4.2 果胶酶的应用

在苹果渣中, 具有多种生理活性的多酚类物质主要以聚合体的形态存在, 通过果胶酶的水解反应, 将与果胶质紧密结合在一起的多聚体形态的多酚类物质释放, 使之转变成具有活性的单聚体物质, 可以提高单聚体物质的提取效果, 并从中进一步分离出绿原酸、咖啡酸、香豆酸、阿魏酸、杨梅素、槲皮素及根皮素等更具有活性的单聚体物质。

采用酶法提取葡萄皮渣中的多酚类物质时, 果胶酶可以更多地将多酚提取出来, 并能将儿茶素的没食子酸结合态转变为游离态, 提高其抗氧化活性, 而纤维素酶并不能显著提高提取物中的多酚含量和抗氧化活性。与此类似, Fu等人对木豆研究时也发现, 虽然果胶酶、纤维素酶和β-葡萄糖苷酶都可以提取其中的黄酮类物质, 但是果胶酶提取比纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的得率高。然而, Chen等人对银杏叶的研究认为, 纤维素酶比果胶酶提取更有效, 这是由于纤维素酶不但可以破坏细胞壁, 还因为其糖苷化活性高于果胶酶, 可以将黄酮类物质糖基化而提高溶解度, 使其提取率增大。

5 酶在其他植物活性成分提取中的应用

白藜芦醇具有抗癌、保护心血管、抗氧化、抗自由基、抗突变、抗菌消炎及辐射防护等多方面的作用。钱时权等人优化了纤维素酶提取葡萄中白藜芦醇的工艺条件, 结果表明:当酶浓度为1.5mg/g时, 在pH值4.0、酶解温度55℃酶解1.5h, 白藜芦醇的提取率最高。

以番茄组织为材料提取番茄红素, 采用果胶酶和纤维素酶混合使用比单一酶的提取效率高, 且果胶酶的提取效果比纤维素酶要好。Lavecchia等人应用果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等处理, 在40℃酶解1h, 然后加入有机溶剂 (丙酮、乙醇、乙酸乙酯和环己烷) 提取3h, 提取率达到77%~98%, 而对照只有3%~30%。

此外, 果胶酶在绞股蓝皂甙, 纤维素酶在盾叶薯蓣中薯蓣皂苷、温莪术挥发油、慈竹叶挥发油、开环异落叶松树脂酚和类胡萝卜素的提取中也得到了应用。

6 酶法提取发展前景

植物中活性氧的作用 篇5

多糖的生物活性在很大程度上决定了多糖的利用价值。研究表明, 活性多糖分子量大小是其具备生物活性的必要条件。活性多糖分子量越大, 分子表观体积越大, 不利于多糖跨越多笪细胞膜障碍进入生物体内发挥生物学活性。而多糖的水溶性是其发挥生物学活性的另一个重要条件。高等植物多糖和食药用真菌多糖是从不同的植物或同种植物的不同部位以及食用真菌与药用真菌的子实体、菌丝体与菌丝发酵液中提取分离而来的。多糖的提取分离工艺一般可概括为水提法、酸提法、碱提法等。这些方法无论在多糖提取效率、生产过程的清洁性、能耗与物耗, 还是在多糖活性控制等方面存在着明显不足, 所得多糖产品的科技含量也不高, 制约了多糖的高附加值应用。

多糖的提取分离工艺存在的问题

1) 水浸提法一般耗时长, 能耗高、浸提溶剂使用量大、多糖提取率低。

2) 酸碱提取的用无机强酸、强碱的用量和反应时间都不好掌控, 极易破坏多糖分子的活性, 甚至会使多糖生成分子量很小的色素分子, 加重了后续的脱色工作。而且, 在反应结束后还要对酸液、碱液做到迅速中和或迅速透析, 否则会造成产品污染, 增加产品用于食品和医药保健品的不安全性。另外, 使用不能降解的无机酸碱, 大规模生产时容易造成严重的环境污染。

3) 酶法辅助提取中的酶价格昂贵, 容易失活、寿命短、纯度不够, 在酶解过程中酶的最佳温度在很小的范围内, 反应条件的微小波动, 都可能使酶的活性降低, 因此酶法提取对实验条件要求较高。

如果在高等植物或食药用菌活性我糖的提取过程中, 先用有机酸对高等植物或食药用菌原料进行处理, 就有可能通过控制工艺条件, 使原料中纤维素、半纤维素、果胶质等物质发生部分降解, 从而改变植物细胞壁的结构层, 为胞内多糖和细胞壁多糖在后续进行的水提过程中迅速溶出创造有利条件。同时, 采用酸性强度适中的有机酸体系, 还可能在有机酸处理高等植物或食药用菌原料的过程中, 将分子量过大、水溶性较差的多糖进行适当降解, 改善其固有的结构及理化性质, 获得高附加值活性多糖。由此, 发明基于有机酸处理的高等植物和食药用真菌类活性多糖的高效提取工艺路线, 使多糖产物的收率和产品质量有了显著提高。

基于微波化学的高等植物或食药用真菌类中活性多糖的高效提取方法, 解决现有技术中存在的有机酸用量大、减压蒸馏排酸过程中难以避免的“外干里湿”和“外焦里湿”现象所导致的一系列问题, 使有机酸处理方法的预期效果得到充分发挥。

技术方案

1) 将经预处理的高等植物、食 (药) 用真菌类子实体或菌丝体原料置入微波反应腔中, 加入有机酸或有机/无机混酸溶液, 充分搅拌使均匀润湿。

2) 微波处理, 施加微波功率, 利用微波、有机酸分子和高等植物、食 (药) 用真菌细胞壁有机高分子物质之间的协同作用, 将多糖从高等植物的花、叶子、果实、或根茎以及食药用真菌的子实体或菌丝体上分离下来, 并选择性切断高分子多糖的糖苷键, 实现其可控降解。

3) 利用微波加热减压蒸馏, 回收物料中的大部分有机酸溶液或有机/无机混酸溶液, 物料中少量残余的酸液用有机溶剂充分洗涤, 即完成高等植物、食 (药) 用真菌原料有机酸处理。

4) 经微波预处理的原料, 加入约5～15倍水进行提取, 提取液浓缩后醇沉可得到水溶性良好的活性粗多糖。

高等植物、食药用真菌类原料的预处理方法分2种:

1) 上述高等植物的花、叶、种子或茎类, 或者食药用真菌类子实体或菌丝体原料干燥、除杂、机械粉碎, 作为下步原料。

2) 高等植物的花、叶、种子或者食药用真菌类子实体或菌丝体原料经干燥、除杂、机械粉碎, 采用石油醚、C1-C3的醇进行抽提, 获取其中的挥发油类或皂苷类脂溶性活性物质, 抽提残渣经干燥后作为下步原料。微波功率施加方式为连续微波或连续微波与脉冲微波相结合等2种方式。在连续微波与脉冲微波相结合的使用方式中, 先用连续微波辐照至有机酸溶液回流, 然后转换为脉冲微波, 继续辐照5～100 min。其反应条件如下:微波功率的质量功率密度为每千克物料1千瓦至每千克物料10千瓦;反应腔工作压力为20～760 mmhg;物料重量配比为粉碎后的高等植物原料/有机酸溶液=5/1～1/5。

本发明的原理

1) 微波加热能使物料内外得到同时加热, 能充分克服常规加热方式中难以克服的物料受热不均匀、能耗高等系列问题。

2) 在一定工艺条件下, 微波辐射可以强化有机酸体系与高等植物的花、叶、果实以及药用真菌子实体或菌丝体原料细胞壁的有机大分子物质之间的化学作用, 使目标多糖与植物原料基体实现高效分离, 为多糖的高效提取创造有利条件。

3) 具有不同分子结构的多糖对微波辐射和有机作用的敏感度不同, 这一特点为大分子多糖中糖苷键的选择性断裂、进而获得结构和性质独特的多糖产物奠定了化学基础。

本发明的优点

1) 有机酸用量少且易高效回收、节水和节能效果显著。采用微波加热技术, 有效地克服了常规加热所难以避免的传热问题, 显著降低有机酸用量, 减少处理时间, 特别是在蒸馏排酸过程中, 能很好地消除常规加热时无法避免的“外干里湿”和“外焦里湿”现象, 避免这些现象所伴生的一系列问题。这一特点在规模化生产时表现得尤为明显。

2) 本发明新工艺充分利用微波化学技术具有的反应速率快、转化率高、目标产物选择性高等显著优势, 不仅能使多糖收率显著提高, 还能显著增强多糖分子结构调整的可控性, 获得平均分子量更为集中、水溶性很好的高附加值活性多糖产品。

3) 本发明微波加热技术与化学反应技术相结合形成的微波化学技术, 是近十几年来发展起来的一种新的反应过程强化技术, 具有反应速率快、转化率高、目标产物选择性高等显著优势。在高等植物和食药用真菌类原料的有机酸处理过程中应用微波加热技术, 还能有选择地强化其中的相关化学反应, 促进多糖与植物细胞中大分子物质之间的脱离, 提高细胞壁纤维素水解效率, 实现目标多糖的可控降解。在蒸馏排酸过程中, 微波还存在着特殊的“内爆”效应, 即通过使细胞内部的极性溶剂快速升温汽化, 迅速增加细胞内部压力, 导致细胞壁破裂。

4) 本发明将微波加热技术与有机酸法结合, 既可以降低有机酸用量, 也能有效解决蒸馏排酸存在问题, 获得分子量分布范围窄、水溶性好的高附加值多糖产品, 本发明工艺在大规模工业化生产时, 上述优势更加明显。

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