食用菌的活性成分及其物理提取技術(shù)研究

馬傳貴，張志秀，孫思勝，王春燕

（1.北京京誠生物科技有限公司，北京 102600；2.許昌學(xué)院食品與藥學(xué)院/河南省食品安全生物標(biāo)識快檢技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南許昌 461000；3.中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南 250014）

食用真菌具有較大的子實(shí)體，味道鮮美，有很高的食用、藥用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前可進(jìn)行人工栽培的食用菌有60 多種，主要包括香菇、黑木耳、平菇、金針菇、雙孢菇、毛木耳、杏鮑菇、真姬菇、茶樹菇、滑菇、銀耳、秀珍菇、草菇、雞腿菇等。2020 年12 月，中國食用菌協(xié)會發(fā)布《2019年度全國食用菌統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果分析》，結(jié)果顯示，2019 年全國食用菌總產(chǎn)量達(dá)到3 933.87 萬t，同比增長3.8%，全國食用菌總產(chǎn)值達(dá)到3 126.67 億元，同比增長6.4%。食用菌富含很多生物活性化合物，包括多糖（如α-葡聚糖和β-葡聚糖）、蛋白質(zhì)、肽、多酚、萜類、維生素和膳食纖維等，是一種健康食品[1-3]。破壞細(xì)胞壁釋放胞內(nèi)物質(zhì)是食用菌有效成分提取的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的提取方法有機(jī)溶劑用量大、提取時(shí)間長、成本高、耗時(shí)長，且對環(huán)境有負(fù)面影響，可能導(dǎo)致活性成分的降解或凝聚。為了解決這些問題，一些新型物理提取技術(shù)被探索。物理提取技術(shù)是指通過物理手段對細(xì)胞進(jìn)行破碎處理，以提高提取率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文綜述了近年來利用高效物理提取技術(shù)從食用菌中提取活性成分的相關(guān)研究，探索了食用菌有效成分的潛在生物活性，并對其在功能性食品中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 食用菌的有效成分及其應(yīng)用

1.1 有效成分及其生物活性

1.1.1 多糖類

從食用菌菌絲體、子實(shí)體和濾液中提取的多糖、糖蛋白等活性成分具有很強(qiáng)的抗腫瘤活性。Chihara[4]在20 世紀(jì)60 年代首次評估了食用菌多糖的抗腫瘤活性。此后，真菌多糖的抗腫瘤活性及其作用機(jī)制被廣泛研究。眾多研究人員已從食用菌中分離出結(jié)構(gòu)多樣的多糖，證明其具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性[5-6]。與傳統(tǒng)抗腫瘤藥物相比，食用菌多糖的抗腫瘤活性表現(xiàn)出以下兩種作用機(jī)制：一是增強(qiáng)荷瘤免疫（免疫增強(qiáng)活性）；二是通過抑制各種類型腫瘤細(xì)胞的生長和腫瘤在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，表現(xiàn)出直接抗腫瘤活性[7-8]。Lemieszek 等[9]的研究表明，相比于單一激素治療，香菇多糖結(jié)合激素治療對于提高激素參數(shù)（如促卵泡激素、血清雌二醇、促黃體生成素和催乳素水平）更有效。Ghosh 等[10]利用適應(yīng)性免疫療法和香菇多糖成功治療了一例復(fù)發(fā)性卵巢癌的患者。Zhang 等[11]通過臨床試驗(yàn)展示了香菇多糖的潛在抗HIV 活性。目前食用菌多糖的免疫活性和抗腫瘤活性的研究更加成熟，且食用菌多糖成分的其他生物活性同樣也受到關(guān)注。其中Shuai 等[12]研究了雞腿菇三個(gè)子實(shí)體（CC30、CC60 和CC80）多糖的降血糖活性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)口服劑量為1 000 mg/kg 時(shí)，食用120 min 后，CC60 多糖可顯著抑制血糖濃度的升高，在同一劑量下注射21 d，也有長期降血糖作用?；谶@些結(jié)果，CC60 多糖作為一種具有降血糖活性的天然藥物在治療糖尿病方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Ding 等[13]研究了巴氏口蘑子實(shí)體多糖的抗氧化活性，結(jié)果表明多糖不僅可以改善細(xì)胞活力，減少活性氧（ROS）的產(chǎn)生并抑制氧化損傷，還可以顯著抑制丙二醛（MDA）的形成并改善超氧化物歧化酶的活性。

1.1.2 多酚和萜烯

食用菌中的多酚是一類重要的天然抗氧化劑，具有清除自由基和淬滅活性氧的作用，主要包括酚酸類、黃酮類、鞣質(zhì)和花青素等植物次生代謝產(chǎn)物。Palacios 等[14]發(fā)現(xiàn)雙孢菇、香菇、松茸、平菇中酚類物質(zhì)的含量為1～6mg/g，黃酮類化合物含量為0.9～3.0 mg/g。食用菌中的萜類物質(zhì)主要為倍半萜、二萜和三萜類，它們大多具有抗炎、抗菌、抗氧化等生物活性。靈芝酸是靈芝中常見的三萜類化合物，是一種重要的活性物質(zhì)。食用菌中的黃酮類和多酚類物質(zhì)能直接淬滅單線態(tài)氧，防止自由基連鎖反應(yīng)和脂質(zhì)過氧化，避免氧化損傷。同時(shí)食用菌中的萜類化合物和類黃酮可以與脂質(zhì)鏈氧化的中間體（脂質(zhì)自由基或脂質(zhì)氧自由基）發(fā)生反應(yīng)，終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并抑制脂質(zhì)氧化。Wang 等[15]從金針菇中分離出幾種倍半萜類化合物，具有抗氧化、抗腫瘤和抗菌活性；同時(shí)可以通過在多酚環(huán)上將·OH 與Fe2+或Cu2+絡(luò)合來避免脂質(zhì)過氧化，從而抑制氧自由基的產(chǎn)生。Tumay 等[16]證明，在5 mg/mL 濃度下，香菇乙醇提取物對Fe2+的螯合能力達(dá)到58%。Gursoy等[17]研究表明，來自7 個(gè)不同羊肚菌屬物種的甲醇提取物對過渡金屬離子的螯合能力隨提取物濃度的增加而增加。

1.1.3 蛋白質(zhì)

食用菌的營養(yǎng)價(jià)值主要與它們的蛋白質(zhì)含量有關(guān)。食用菌蛋白被認(rèn)為比植物蛋白具有更高的營養(yǎng)價(jià)值[18]。食用菌氨基酸組成接近或優(yōu)于大豆蛋白，甚至某些食用菌（香菇）的氨基酸組成類似于雞蛋。食用菌中有多種活性蛋白，其中最常見的是凝集素（12～190 kD）和真菌免疫調(diào)節(jié)蛋白（FIP）（12～15 kD）。食用菌蛋白會參與各種生理功能，如抗癌、抗病毒、抗菌和免疫調(diào)節(jié)。此外，在食用菌中還發(fā)現(xiàn)了抗病毒蛋白、核糖體失活蛋白、漆酶和其他活性蛋白，它們的分子量和結(jié)構(gòu)都有所不同[19-20]。Sun 等[21]發(fā)現(xiàn)杏鮑菇菌絲體的多肽抑制了癌細(xì)胞（宮頸癌、乳腺癌和胃癌細(xì)胞）的增殖，但促進(jìn)了巨噬細(xì)胞（Ana-1 細(xì)胞）、TNF-α 和IL-6 的增殖、TLR2 和TLR4的表達(dá)，且通過NO 和H2O2的釋放增加了巨噬細(xì)胞的吞噬能力。

1.2 潛在應(yīng)用

食用菌的活性成分具有獨(dú)特的理化特性和功能，例如普遍的附著力、優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，其中發(fā)光食用菌被認(rèn)為可用于熒光納米材料。與無機(jī)納米顆粒相比，有機(jī)納米材料由于具有分子結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)、可生物降解和低毒等特點(diǎn)，在生物成像領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注[22]。此外，食用菌中的多糖和蛋白質(zhì)由于其結(jié)構(gòu)多樣，以及活性分子易于表面修飾，因此可以考慮用于藥物遞送和控釋。因此構(gòu)建以活性成分材料為基礎(chǔ)的功能性納米平臺，將生物成像、藥物傳遞、腫瘤治療等功能融為一體，將極大地發(fā)揮納米材料的優(yōu)勢。除此之外，食用菌中的多糖類或者蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)，當(dāng)前已經(jīng)被應(yīng)用到保健品和化妝品的開發(fā)中，比如桑黃子實(shí)體多糖已被商業(yè)開發(fā)為桑黃保健食品和化妝品[23]。

2 食用菌有效成分的提取方法

2.1 超聲輔助提取

超聲輔助提?。╱ltrasound extraction，UAE）是通過超聲提取溶解在特定溶劑中的樣品[24]。以往研究發(fā)現(xiàn)，超聲頻率大于20 kHz 能促進(jìn)食用菌的水合作用，使細(xì)胞壁孔隙增大，導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂，因此，傳質(zhì)速率加大將提高萃取效率[25-26]。相比于傳統(tǒng)提取技術(shù)，超聲輔助提取食用菌有效成分表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，首先，可以克服傳統(tǒng)提取工藝提取時(shí)間長、溶劑用量多等方面的限制；其次，萃取溫度較低，萃取產(chǎn)物的生物活性較高；最后，工藝能耗較低，且產(chǎn)物最終的產(chǎn)量較高[27-28]。但是超聲波時(shí)間過長可能會導(dǎo)致活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)破裂并降低提取率。目前，超聲輔助提取法已經(jīng)成為從食用菌中提取活性成分的有效輔助技術(shù)。Tian 等[29]采用超聲輔助提取法，得出在超聲功率230 W，提取溫度70 ℃，提取時(shí)間62 min，固液比1∶30（mL/g）的優(yōu)化條件下，雙孢蘑菇多糖的得率最高，可達(dá)到6.02%。Le[30]采用超聲輔助提取法，得出在超聲功率340 W，水料比為30∶1（mL/g），超聲處理時(shí)間14 min 的優(yōu)化條件下，香菇多糖得率約為14.39%，且明顯高于水熱提取法的提取率（9.14%）。除此之外，You 等[31]通過響應(yīng)面法對超聲輔助提取參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)從松茸中提取多糖，當(dāng)超聲功率365 W，水料比為53.5∶1（mL/g），提取時(shí)間160 s 的最優(yōu)條件下，多糖提取率可高達(dá)7.97%。

2.2 微波輔助萃取

微波輔助萃?。╩icrowave-assisted extraction，MAE）是一種快速有效的萃取技術(shù)，可以促進(jìn)目標(biāo)組分的萃取。與傳統(tǒng)的加熱萃取技術(shù)相比，該技術(shù)具有萃取時(shí)間短、溶劑用量少、能耗低等諸多優(yōu)勢[32]，但是提取過程中加熱不均等問題也影響提取效果。在通過微波輔助萃取食用菌有效成分的過程中，微波功率、溶劑/固體比和提取時(shí)間是影響微波提取效果的重要因素，其中，溶劑的選擇是微波輔助萃取的關(guān)鍵，這取決于活性化合物的溶解度和溶劑的微波吸收特性[33]。Maeng 等[34]通過微波輔助萃取法從云芝中提取總酚，發(fā)現(xiàn)乙醇濃度40%、微波功率125 W 和提取時(shí)間3.8 min 為最佳提取條件，此條件下多酚提取率為43.2%。但是，Oezyuerek 等[35]通過微波輔助萃取法從3 個(gè)野生食用菌中提取酚類化合物，發(fā)現(xiàn)最佳的微波提取條件為提取溫度80 ℃、提取時(shí)間5 min、乙醇80%，此條件下多酚提取率為80%。此外，Christopher等[36]將微波輔助萃取技術(shù)用于從雙孢蘑菇中分離真菌代謝物麥角固醇，并比較了微波輔助萃取技術(shù)和傳統(tǒng)溶劑提取法的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)萃取技術(shù)，微波輔助萃取技術(shù)在提取麥角固醇的時(shí)候更加簡便、快速和經(jīng)濟(jì)[37]。

2.3 超臨界流體萃取

超臨界流體萃?。╯upercritical fluid extraction，SFE）是一種使用超臨界流體從固態(tài)甚至液態(tài)材料中提取活性成分的現(xiàn)代技術(shù)[38]。傳統(tǒng)的溶劑提取是基于擴(kuò)散過程的，溶劑必須擴(kuò)散到食用菌組織中，而活性成分必須溶解在溶劑中。但是超臨界流體的擴(kuò)散較快，因此提取時(shí)間更短，另外，在流體和食用菌材料之間沒有表面張力，并且超臨界流體的黏度低于液體，因此對于相同的萃取過程，有機(jī)溶劑萃取需要幾個(gè)小時(shí)，而超臨界流體萃取僅需10～60 min[39]。從實(shí)際情況來看，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，超臨界流體萃取具有多種優(yōu)勢，如能耗較低、可在低溫下運(yùn)行、所得產(chǎn)品品質(zhì)好，且在溶劑相中沒有溶質(zhì)殘留等。但是，SFE 僅能提取低極性或中等極性的活性成分，且生產(chǎn)成本較高，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到一定的限制[40-41]。Mazzutti 等[42]使用超臨界流體萃取技術(shù)從巴西姬松茸中提取抗菌化合物。結(jié)果表明，在乙醇10%、50 ℃、30 MPa的優(yōu)化條件下，巴西諾卡氏菌（A.brasiliensi）提取率達(dá)到4.2%。結(jié)果與Li 等[43]報(bào)道的從靈芝孢子中提取的結(jié)果相似，且與Kitzberger 等[44]報(bào)道的使用20 MPa、40 ℃，含15%乙醇水溶液作為助溶劑的優(yōu)化條件下，從香菇中提取的結(jié)果相似。除此之外，Diego 等[45]通過超臨界流體萃取結(jié)合紫外線照射從香菇中提取了富含維生素D 的化合物，獲得了包含高達(dá)18%（w/w）麥角固醇和其他麥角固醇衍生物，并且可通過紫外線照射將其部分轉(zhuǎn)化為維生素D2。

2.4 超高壓輔助萃取

超高壓輔助提?。╱ltrahigh pressure-assisted extraction，UPE）是近年來發(fā)展迅速的一項(xiàng)從食用菌中提取活性成分的新穎技術(shù)。萃取溶劑在超高壓下迅速滲透到植物維管束和腺細(xì)胞中，引起細(xì)胞體積的變化并促進(jìn)化學(xué)平衡的移動[46-47]。壓力釋放通常在幾秒鐘內(nèi)完成，組織細(xì)胞的壓力從幾百M(fèi)Pa 迅速降低到大氣壓條件下。在相反的壓力方向上，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜受到強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致變形，在高滲透壓下，細(xì)胞中溶解有溶劑的活性成分迅速轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外以實(shí)現(xiàn)提取[48]。由此可以看出，超高壓輔助提取通過破裂細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和細(xì)胞器以減少處理時(shí)間和溶劑用量，進(jìn)一步提高提取率。近年來，超高壓輔助提取技術(shù)被廣泛用于提取食用菌中的活性成分，該技術(shù)已經(jīng)相對成熟，表現(xiàn)出萃取時(shí)間短、溶劑消耗少、操作溫度低、萃取產(chǎn)率高、可萃取不耐熱化合物、雜質(zhì)少等眾多優(yōu)勢，但是也存在投資成本高（設(shè)備投入及提取過程），在提取過程中需要進(jìn)行額外的過濾或離心以去除固體殘留物等不足。Chen 等[49]研究了用超高壓輔助提取法提取香菇多糖，發(fā)現(xiàn)相比于未經(jīng)處理的樣品，超高壓處理后，細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，較大的顆粒被破碎，可以進(jìn)一步破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)并降低傳質(zhì)阻力，從而提高提取效率。Chen 等[50]報(bào)道了超高壓輔助提取處理可能導(dǎo)致蛹蟲草組織被破壞，從而增強(qiáng)了溶劑向食用菌材料中的轉(zhuǎn)移以及可溶性活性成分向溶劑中的轉(zhuǎn)移。陳忠杰等[51]通過超高壓輔助提取蟲草多糖，在壓力300 MPa、固液比為1∶40、70 ℃、提取2 min 的優(yōu)化條件下，發(fā)現(xiàn)多糖的最大提取率為9.33%。Bing 等[52]指出，在壓力400 MPa、溫度50 ℃、固液比1∶40、提取時(shí)間6 min 的條件下提取靈芝多糖，多糖提取率為2.762%，比水提取高37.1%。

2.5 脈沖電場提取

脈沖電場（pulsed electric field，PEF）提取是一種用于提取細(xì)胞內(nèi)活性成分的非熱提取技術(shù)，其原理是將目標(biāo)物質(zhì)放在連續(xù)處理室的兩極之間，在電場的作用下，使用短脈沖高壓來促進(jìn)極性物質(zhì)高速運(yùn)動向電極方向移動。由于植物組織細(xì)胞的細(xì)胞膜被電穿孔而出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的破壞，導(dǎo)致生物活性物質(zhì)溶解[53]。脈沖電場用作強(qiáng)化預(yù)處理，已顯示出巨大的潛力，可以取代傳統(tǒng)的提取技術(shù)，提高食用菌生物活性成分的提取率。在脈沖電場輔助萃取過程中，電場強(qiáng)度是決定性因素，脈沖寬度、處理時(shí)間、脈沖數(shù)和能量密度會間接影響萃取效果[54]。脈沖電場提取技術(shù)可連續(xù)運(yùn)行，處理時(shí)間短，適用于不耐熱化合物的提取，是其在實(shí)際應(yīng)用中的主要優(yōu)勢，但是成本較高，限制了其應(yīng)用范圍。脈沖電場提取技術(shù)被廣泛用于從食用菌中提取活性化合物，其中，Yin 等[55]采用脈沖電場提取技術(shù)從樺褐孔菌中提取多糖，在場強(qiáng)30 kV/cm、脈沖數(shù)6、料液比1∶25（mg/mL）、pH 10 的優(yōu)化條件下，多糖的提取率達(dá)到了49.8%，是熱堿提取的1.67 倍。與傳統(tǒng)萃取方法相比，脈沖電場萃取時(shí)間短（12 μs），萃取效率高且萃取物中的雜質(zhì)較少。Zhang 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在脈沖數(shù)為8、電場強(qiáng)度為40 kV/cm、pH 為7 的條件下，相比傳統(tǒng)提取技術(shù)，脈沖電場提取技術(shù)顯著提高了藏靈菇胞外多糖（EPS）的提取率（84.3%）。

3 總結(jié)

本文系統(tǒng)地綜述了從食用菌中提取具有潛在抗腫瘤和抗氧化活性的生物活性物質(zhì)的各種物理技術(shù)（UAE、MAE、SFE、UPE 和PEF 等），這些技術(shù)可以極大地提高食用菌有效成分的提取率，且能減少能源和溶劑的消耗。但是，由于某些提取過程和技術(shù)較為復(fù)雜，可能會對某些有效成分的生物活性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，目前需要重視且亟需解決的問題是創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫，針對不同食用菌有效成分對應(yīng)的技術(shù)及最佳提取參數(shù)。除此之外，大量研究證明，食用真菌的大多數(shù)生物活性化合物具有預(yù)防和治療疾病的潛力，這主要是由于它們的抗氧化活性、免疫活性和抗腫瘤活性，盡管食用菌有效成分的生物活性及其機(jī)理已有大量報(bào)道，但是仍然有必要對這些有效成分的結(jié)構(gòu)功能及其生物活性之間的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行深入分析。此外，某些生物活性物質(zhì)的應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，在擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模以及產(chǎn)業(yè)化方面仍然需要做出努力。