蓖麻碱的研究与应用

摘要 蓖麻碱是一种类似吡啶酮的生物碱，是蓖麻的毒素之一。采用微波或超声波法提取，再用重结晶法可得到白色针状结晶物蓖麻碱。热榨蓖麻饼粕中含有蓖麻碱，采用化学法、物理法、生物法、微生物发酵法可脱除其中的蓖麻碱。蓖麻碱具有一定的生物活性，包括肝保护功能活性、改善记忆功能活性、杀虫活性和杀鼠活性。对蓖麻碱的结构特性、分离纯化、分析鉴定、脱除、生物活性和应用前景等作了详细介绍，提出蓖麻碱作为一种天然产物在我国具有广阔的应用前景。

关键词 蓖麻碱；结构；纯化；鉴定；脱毒；生物活性

中图分类号 S565.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2012）23-0218-03

蓖麻（Ricinus communis L.）为大戟科（Euphorbiaceae）蓖麻属植物，是世界十大油料作物之一，主要分布在非洲、南美洲、亚洲、欧洲。蓖麻籽榨油后的副产品为蓖麻饼粕（Casto bean meal），它含有丰富的蛋白质，粗蛋白质含量为33%～35%，营养价值较高，可开发为畜禽和水产动物饲料，此外，蓖麻分离蛋白也可作为酿造行业的蛋白原料[1]。蓖麻中含有蓖麻毒蛋白、蓖麻碱、变应原和血球凝集素4种毒素[2]，热榨蓖麻饼粕中的蓖麻毒蛋白和血球凝集素失活，但还有蓖麻碱和变应原2种毒素，因此未经处理的蓖麻饼粕不能直接应用。近年来，人们开始关注天然产物的开发利用，由于蓖麻碱具有一定的生物活性，越来越引起人们的重视。本文介绍了蓖麻碱的结构特性、分离纯化、分析鉴定、脱除、生物活性和应用前景，旨在为蓖麻碱的研究开发和应用提供理论基础。

1 蓖麻碱的结构特性

1864年，Tuson从蓖麻籽中分离出单一化合物蓖麻碱，它是一种类似吡啶酮的生物碱，学名为3-氰基-4-甲氧基-1-甲基-2-吡啶酮，分子式为C8H8N2O2，分子量为164.16，分子结构见图1。蓖麻碱纯品为白色针状或棱柱状结晶，熔点201 ℃，在170～180 ℃、2.667 kPa时升华。蓖麻碱易溶于热水和热的氯仿中，在热乙醇中有一定的溶解度，难溶于乙醚、石油醚和苯。在水溶液呈中性，与酸不易形成盐。其碱性溶液能使高锰酸钾还原，同时生成氢氰酸。蓖麻碱存在于蓖麻的种子和茎叶中，植株不同部位的含量为：叶茎0.237%，嫩叶2.362%，绿叶3.285%，籽壳1.220%，种子0.043%[3]。

2 蓖麻碱提取、分离纯化和分析鉴定

2.1 蓖麻碱的提取、分离和纯化

蓖麻碱的传统提取方法有煎煮法、热回流法和索氏提取法。传统提取过程能耗大、有效成分损失严重、杂质较多、提取效率低下，因此一些新技术如超声波提取、微波提取、超临界流体萃取和超滤膜分离等应用在蓖麻碱的提取中。在实际生产中较常应用的是微波或超声波提取法。微波提取操作过程为：向蓖麻样品中加入一定量水，经微波作用后，过滤；滤渣再加水以相同微波条件加热，过滤；合并2次滤液后经旋转蒸发浓缩得到膏状的蓖麻碱粗提物[4]。超声波提取过程为：蓖麻样品放入超声波中去除油脂，然后进行酸溶液煎煮，煎煮3次，将含有蓖麻碱粗提物的溶液过滤，继续用乙醚和石油醚混合液萃取油脂和鞣质，萃取后收集滤液，用浓氨水进行碱化，将pH值调为中性后，旋转蒸发浓缩成黏稠膏状物，即为蓖麻碱粗提物[5]。蓖麻碱的分离纯化方法主要有重结晶法和有机溶剂萃取技术。重结晶法操作过程为：将蓖麻碱粗提膏状物装入滤纸包置于索式脂肪浸提器中，加入氯仿回流浸提；然后将氯仿溶液经旋转蒸发仪减压蒸出氯仿，即得到淡黄色固体蓖麻总碱；蓖麻总碱加入无水乙醇回流浸提后，将乙醇—蓖麻碱溶液经旋转蒸发仪浓缩，再缓慢冷却，即得到白色针状结晶物蓖麻碱[6]。

2.2 蓖麻碱的分析鉴定

2.2.1 蓖麻碱的物理特性。蓖麻碱的物理特性包括熔点和颜色反应。在蓖麻碱熔化2/3时，测定其熔点为200～201 ℃；向蓖麻碱溶液中加入改良碘化铋钾试剂1～2滴，有红色沉淀产生。

2.2.2 蓖麻碱的谱学特征。紫外—可见光谱可初步了解蓖麻碱的结构。蓖麻碱属于吡啶类生物碱，在紫外区250 nm和290 nm处有特征吸收峰。蓖麻碱样品与溴化钾压片，经傅立叶红外光谱（FTIR）分析，可进一步了解蓖麻碱的结构。红外光谱分析表明，3 106 cm-1和3 049 cm-1为不饱和环上的不饱和碳（？襒CH）的伸缩振动引起的吸收峰，2 220 cm-1为典型的CN三键伸缩振动引起的吸收峰，1 660 cm-1为羰基（C？襒O）伸缩振动引起的吸收峰，1 606 cm-1和1 496 cm-1为不饱和环上的C—C伸缩振动引起的吸收峰，1 360 cm-1为甲基（—CH3）伸缩振动引起的吸收峰，1 052 cm-1为甲氧基（O—CH3）伸缩振动引起的吸收峰[7]，925 cm-1为—C—H摇摆振动引起的吸收峰，780 cm-1和687 cm-1为不饱和环上取代基变形振动引起的吸收峰[8]。蓖麻碱样品溶于氘水，经核磁共振氢谱（1H-NMR）和碳谱（1C-NMR）分析，可分析鉴定出蓖麻碱的分子结构。核磁共振氢谱分析结果表明（单位为δ（10-6））：6.07（5-H）和7.53（6-H）的化学位移属于1H，3.99（OCH3）和3.55（NCH3）的化学位移属于3H。核磁共振碳谱分析结果表明（单位为δ（10-6））：8个碳的化学位移分别为163.2（C-2）、88.6（C-3）、172.4（C-4）、93.5（C-5）、143.4（C-6）、57.1（-OCH3）、37.5（-NCH3）和113.6（-CN）。经综合分析得到蓖麻碱的分子式为C8H8N2O2 [9]。质谱分析法主要是通过对蓖麻碱样品的离子的质荷比（m/z）的分析，从而确定蓖麻碱的分子结构。蓖麻碱的质谱分析结果（m/z）表明，蓖麻碱有如下分子结构：164（M+）表示蓖麻碱的分子量为164，149（M+-CH3）表示蓖麻碱分子中去掉1个甲基的的分子量为149，134（M+-2CH3）表示蓖麻碱分子中去掉2个甲基的分子量为134，121（M+-CH3-CO）表示蓖麻碱分子中去掉1个羰甲基的分子量为121，分析结果与核磁共振结果一致[10-11]。

3 蓖麻饼中蓖麻碱的脱除

热榨饼粕中蓖麻毒蛋白和血球凝集素已失去活性，但蓖麻碱和变应原很少破坏。热榨饼粕的脱毒方法有化学法、物理法、生物化学法、微生物发酵法。

3.1 化学脱毒法

化学脱毒法是在蓖麻饼粕中加入化学试剂，然后在一定温度、压力下反应一定时间，再经过滤、冲洗，得到无毒的蓖麻饼粕。化学脱毒法有盐水浸泡法、酸水解法、碱处理法、酸碱联合水解法、酸醛法、碱醛法、石灰法、氨处理法等。其中脱毒效果最好的是碱处理法，即在蓖麻饼粕中加入20%水和20%氢氧化钠，在0.14 MPa下湿煮，过滤，蓖麻碱全部去除[12]。而其他化学法的脱毒效果一般在90%以下，按照脱毒效果高低各种方法介绍如下。盐水浸泡法为蓖麻饼粕中加入水（质量与体积比1∶6），再加入质量百分比为10%的盐，在室温下浸泡8 h，过滤后用水冲洗1次，蓖麻碱去除率为89.15%[13]。酸醛法为蓖麻饼粕中加入水（质量与体积比1∶3），再加入体积百分比为3%盐酸和8%甲醛，室温下浸泡3 h，过滤后用水冲洗3次，蓖麻碱的去除率为85.78%[13]。碳酸钠溶液浸泡法即在蓖麻饼粕中加入水（质量与体积比1∶3），再加入质量百分比为10%碳酸钠，在室温下浸泡3 h，过滤后用水冲洗2次，蓖麻碱的去除率为83.56%[13]。酸水解法即在蓖麻饼粕中加入水（质量与体积比1∶3），再加入体积百分比为3%盐酸，在室温下浸泡3 h，过滤后用水冲洗2次，蓖麻碱的去除率为80.66%[13]。石灰法即在蓖麻饼粕中加入3倍水和质量百分比为4%石灰，100 ℃蒸15 min，烘干，蓖麻碱的去除率为71.38%[12]。氨处理法为蓖麻饼粕中加入6 moL/L的氨水，80 ℃搅拌反应45 min，在80 ℃下烘l h，蓖麻碱的去除率为65.52%[12]。化学脱毒法需要耐腐蚀的容器，且易产生酸碱溶液废水，污染环境。

3.2 物理脱毒法

物理脱毒法是通过加热、加压、水洗等过程，使蓖麻碱溶于水中，再通过分离、洗涤等过程得到无毒的蓖麻饼粕。物理脱毒法有多种，包括沸水洗涤法、蒸汽处理法、常压蒸煮法、加压蒸煮法、热喷法、膨爆法等。其中，沸水洗涤法的操作相对较简单，将蓖麻饼粕用100 ℃沸水洗涤2次，蓖麻碱的去除率为79.31%[12]。蒸汽处理法是用120～125 ℃的蒸汽通入蓖麻饼粕45 min，蓖麻碱的去除率为65.52%[12]。常压蒸煮法是将蓖麻饼粕加水拌湿，常压蒸1 h，再沸水洗2次，蓖麻碱的去除率为86.90%[12]。加压蒸煮法是将蓖麻饼粕加水拌湿，通入120～125 ℃的蒸汽处理45 min，再用80 ℃水洗2次，蓖麻碱的去除率为82.76%[12]。热喷法是将蓖麻饼粕加水拌湿，在压力罐中经0.6 MPa蒸汽，155～160 ℃处理8 min，然后喷放，蓖麻碱的去除率为93.77%[13]。膨爆法是先将蓖麻饼粕中的壳与粕分离，向饼粕浆中通入蒸汽加温135～142 ℃、压力0.3～2.0 MPa，恒温30 min后，通入高压气体，以0.7～3.0 MPa的压力突然膨爆，离心去水，再将饼粕经热水反复冲洗，离心去水，烘干可得无毒的蓖麻饼粕[14]。物理脱毒法绿色环保，操作简单，但蓖麻碱的去除率不高，只有在高温高压下才能有很好的脱毒效果，这样就增加了操作的复杂性。

3.3 生物化学脱毒法

生物化学脱毒法中，首先将蓖麻饼粕的壳粕分离，饼粕粉用水浸泡，溶胀后加入生物化学脱毒剂，蓖麻碱与脱毒剂反应后生成无毒产物且溶于水，离心后将湿饼粕粉干燥，蓖麻碱去除率可达99%以上。

3.4 微生物发酵法

孔祥波等[15]用杆菌和假丝酵母混菌固态发酵降解蓖麻饼粕中的蓖麻碱，在料液比2∶5、菌株比例1∶1、接种量14.35%、发酵温度31 ℃和发酵时间131 h的条件下，蓖麻碱降解率达94.19%，比酵母（66.30%）和细菌（67.04%）发酵的降解率分别提高了27.89%和27.15%。赵青余[16]采用乳酸菌、放线菌、酵母菌发酵蓖麻饼粕进行脱毒试验，发现添加5%酵母菌发酵3 d的脱毒效果最好，蓖麻碱去除率为93.05%，蓖麻饼中粗蛋白含量和总氨基酸含量与未脱毒蓖麻饼相比，无明显变化。蓖麻碱的降解途径为，蓖麻碱在蓖麻碱氰水解酶作用下降解为3-羧基-4-甲氧基-1-甲基-2-吡啶酮。

4 蓖麻碱的生物活性及应用

4.1 蓖麻碱的肝保护功能活性

蓖麻碱的同系化合物二甲蓖麻碱和3-溴-6-（4-氯苯基）-4-硫代甲基-2氢-吡喃-2-酮对由四氯化碳、对乙酰氨基酚、半乳糖胺和硫代乙酰胺诱导的大鼠肝损伤有明显的保护作用[17]。

4.2 蓖麻碱的改善记忆功能活性

在被动回避小鼠的试验中，低剂量的蓖麻碱（0.10～0.12 mg/kg）有改善记忆的作用，它的剂量-效应关系呈现出典型的认知加强作用的中枢神经刺激U型曲线。与其他中枢神经兴奋剂比较，它有治疗指数高（LD50/ED50=200）、无致焦虑和前期惊厥等优点，有望成为一种新的具有加强记忆药理活性的物质[18]。

4.3 蓖麻碱的杀虫活性

对天幕毛虫、南方根结线虫、桃蚜、小菜蛾这3种害虫有不同程度地杀灭作用，其中对小菜蛾化蛹有较强的抑制作用，化蛹率低于30%[19]。蓖麻碱表现为触杀和胃毒的综合作用，并具有一定的拒食作用。蓖麻碱制成的杀虫剂具有速杀性，不但配制方便，成本低廉，杀虫效果好，对作物植株还具有叶面追加有机肥源的功效，不易产生抗毒性。

4.4 蓖麻碱的杀鼠活性

在小鼠日粮中添加0.03%的蓖麻碱，饲喂30 d后，处死小鼠进行脏器称量、病理观察、血液常规等试验[20]。结果表明，蓖麻碱对小鼠具有毒害作用。试验组小鼠的肝、肾脏出现轻微病变，白细胞、淋巴细胞数值降低，单核细胞数值、GOT和GTP 2个转氨酶值增高。因此，蓖麻碱可以研制成为一种新型低毒植物源性杀鼠药品。

5 展望

蓖麻碱是蓖麻中的主要毒素之一，主要存在于绿叶和籽壳中，经提取、分离、纯化易得到纯品蓖麻碱。蓖麻碱是一种类似吡啶酮的生物碱，可通过熔点和颜色反应等物理特性以及紫外—可见光谱、红外光谱、核磁共振和质谱等谱学特性分析鉴定其结构。由于蓖麻碱分子结构中具有许多活性基团，可通过分子修饰方法获得其衍生物，从而得到具有同等或高于蓖麻碱生物活性的同系化合物，扩大蓖麻碱的应用范围。蓖麻碱具有杀虫和杀鼠活性，在医药方面具有肝保护功能和改善记忆功能，因此蓖麻碱在农业和医药行业具有广阔的应用前景。但是，蓖麻主要用来制备蓖麻油，而蓖麻籽榨油后的蓖麻饼粕通常用于畜禽饲料，则存在于蓖麻饼粕中的蓖麻碱就要被脱除，这样蓖麻碱得不到充分的利用。反之，若以从蓖麻饼粕中提取蓖麻碱为目的，则蓖麻饼粕蛋白得不到利用，又会浪费蓖麻蛋白的植物蛋白资源。为解决该矛盾，有必要对蓖麻饼粕的综合加工利用加以深入研究并应用于蓖麻饼粕高值化生产中。如利用微波辅助Viscozyme L（复合植物水解酶）水解蓖麻饼粕，先提取蓖麻碱，再用微波辅助碱浸提酸沉淀法制备蓖麻分离蛋白，就会得到高纯度蓖麻碱和蓖麻分离蛋白2种产品。蓖麻碱适合用作新一代生物杀虫剂和医药原料；蓖麻分离蛋白适合用作家畜、水产动物饲料的蛋白补充剂，也可用于酿造行业的蛋白原料。可见，研究和开发蓖麻产品对延长蓖麻产业链非常重要，同时也会有巨大的社会效益和经济效益。

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