微波萃取技術(shù)及其在中藥有效成分提取中的應(yīng)用

微波萃取技術(shù)及其在中藥有效成分提取中的應(yīng)用【摘要】微波萃取技術(shù)是一種新型高效分離技術(shù)，也是中藥現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章簡(jiǎn)要介紹了微波萃取技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及其在中藥有效成分提取中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了今后微波萃取技術(shù)的主要研究方向。

【關(guān)鍵詞】微波萃??；中藥有效成分；研究方向

微波萃取技術(shù)是利用微波的熱效應(yīng)對(duì)樣品及其有機(jī)溶劑進(jìn)行加熱，從而將目標(biāo)組分從樣品基體中分離出來的一種新型高效分離技術(shù)。與傳統(tǒng)萃取技術(shù)相比，微波萃取技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“綠色萃取技術(shù)”，并已成為實(shí)現(xiàn)中藥現(xiàn)代化的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。本文簡(jiǎn)要介紹了微波萃取技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及其在中藥有效成分提取中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了今后微波萃取技術(shù)的主要研究方向。

1微波萃取技術(shù)的基本原理

微波萃取主要是利用微波強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，但微波加熱方式不同于傳統(tǒng)的加熱方式。在傳統(tǒng)的加熱方式中，容器壁大多由熱的不良導(dǎo)體制成，熱由器壁傳導(dǎo)至溶液內(nèi)部需要一定的時(shí)間；此外，液體表面氣化而引起的對(duì)流傳熱將形成自內(nèi)而外的溫度梯度，因而僅一小部分液體與外界溫度相當(dāng)。而微波加熱是一個(gè)內(nèi)部加熱過程，它不同于普通的外加熱方式將熱量由外向內(nèi)傳遞，而是同時(shí)直接作用于內(nèi)部和外部的介質(zhì)分子，使整個(gè)物料被同時(shí)加熱，即為“體加熱”過程，從而可克服傳統(tǒng)的傳導(dǎo)式加熱方式所存在的溫度上升較慢的缺陷。

微波萃取離不開合適的溶劑，因此微波萃取可作為溶劑提取的輔助措施。溶劑提取法是根據(jù)中草藥中各種成分在溶劑中的溶解性能差異，選用對(duì)有效成分溶解度大，而對(duì)無效成分溶解度小的溶劑，將有效成分從藥材組織內(nèi)提取出來。采用微波協(xié)助提取，可以使溶劑提取過程更為有效。

當(dāng)被提取物和溶劑共處于快速振動(dòng)的微波電磁場(chǎng)中時(shí)，目標(biāo)組分的分子在高頻電磁波的作用下，以每秒數(shù)十億次的高速振動(dòng)產(chǎn)生熱能，使分子本身獲得巨大的能量而得以掙脫周圍環(huán)境的束縛。當(dāng)環(huán)境存在一定的濃度差時(shí)，即可在非常短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)分子自內(nèi)向外的遷移，這就是微波可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到提取目的的原因。

微波萃取的機(jī)理可從以下3個(gè)方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時(shí)，在微波場(chǎng)的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動(dòng)力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運(yùn)動(dòng)，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時(shí)間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)而引起分子運(yùn)動(dòng)的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時(shí)，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若分子具有一定的極性，即可在微波場(chǎng)的作用下產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并以億次/s的速度作極性變換運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對(duì)較差的萃取溶劑中。

綜上所述，微波能是一種能量形式，它在傳輸過程中可對(duì)許多由極性分子組成的物質(zhì)產(chǎn)生作用，并使其中的極性分子產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并迅速生成大量的熱能，導(dǎo)致細(xì)胞破裂，其中的細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。從原理上說，傳統(tǒng)的溶劑提取法如浸漬法、滲漉法、回流提取法、連續(xù)回流提取法等均可加入微波進(jìn)行輔助提取，從而成為高效的提取方法。

2微波萃取的特點(diǎn)

微波具有波動(dòng)性、高頻性、熱特性和非熱特性四大特點(diǎn)，這決定了微波萃取具有以下特點(diǎn)。

試劑用量少、節(jié)能、污染小。

加熱均勻，且熱效率較高。傳統(tǒng)熱萃取是以熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式自外向內(nèi)傳遞熱量，而微波萃取是一種“體加熱”過程，即內(nèi)外同時(shí)加熱，因而加熱均勻，熱效率較高。微波萃取時(shí)沒有高溫?zé)嵩矗蚨上郎囟忍荻?，且加熱速度快，物料的受熱時(shí)間短，因而有利于熱敏性物質(zhì)的萃取。

微波萃取不存在熱慣性，因而過程易于控制。

微波萃取無需干燥等預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝，減少了投資。

微波萃取的處理批量較大，萃取效率高、省時(shí)。與傳統(tǒng)的溶劑提取法相比，可節(jié)省50％～90％的時(shí)間。

微波萃取的選擇性較好。由于微波可對(duì)萃取物質(zhì)中的不同組分進(jìn)行選擇性加熱，因而可使目標(biāo)組分與基體直接分離開來，從而可提高萃取效率和產(chǎn)品純度。

微波萃取的結(jié)果不受物質(zhì)含水量的影響，回收率較高。

基于以上特點(diǎn)，微波萃取常被譽(yù)為“綠色提取工藝”。

當(dāng)然，微波萃取也存在一定的局限性。例如，微波萃取僅適用于熱穩(wěn)定性物質(zhì)的提取，對(duì)于熱敏性物質(zhì)，微波加熱可能使其變性或失活。又如，微波萃取要求藥材具有良好的吸水性，否則細(xì)胞難以吸收足夠的微波能而將自身擊破，產(chǎn)物也就難以釋放出來。再如，微波萃取過程中細(xì)胞因受熱而破裂，一些不希望得到的組分也會(huì)溶解于溶劑中，從而使微波萃取的選擇性顯著降低。

3微波萃取技術(shù)在中藥有效成分提取中的應(yīng)用

黃酮類物質(zhì)的提取

黃酮類成分具有降壓、降血脂和抑制血小板聚集等功能，在大部分中藥中均存在。黃酮類化合物的傳統(tǒng)提取方法主要有水煎煮法、浸提法或索氏提取法，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且收率較低。微波萃取在黃酮類物質(zhì)的提取上具有良好的效果，在提取過程中具有反應(yīng)高效性和強(qiáng)選擇性等特點(diǎn)。劉忠英等［1］采用常壓回流微波提取法提取刺五加葉中的總黃酮，結(jié)果表明提取率可達(dá)mg/g，遠(yuǎn)高于索氏提取法的mg/g，而提取時(shí)間卻由索氏提取法的8h縮短至14min。劉志勇等［2］采用微波提取法萃取荊芥中的總黃酮，結(jié)果表明提取時(shí)間可由常規(guī)法的2h縮短至20min，且提取液中的總黃酮含量可由常規(guī)法的％提高至％。周謹(jǐn)?shù)龋?］以水為溶劑來提取銀杏黃酮，考察了微波功率、微波作用時(shí)間、溶劑用量及水浴浸提時(shí)間等因素對(duì)黃酮提取率的影響，結(jié)果表明微波水提法的黃酮平均提取率為%，比常規(guī)法高出40％，而提取時(shí)間為1h，比常規(guī)法縮短了50%。

生物堿的提取

生物堿是生物體內(nèi)一類含氮有機(jī)物的總稱，多數(shù)生物堿具有較復(fù)雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)和特殊而顯著的生理作用，是中草藥中的重要成分之一。劉覃等［4］利用微波萃取技術(shù)從龍葵中提取總生物堿，結(jié)果表明提取時(shí)間可由回流提取法的6h縮短至8min，產(chǎn)率則由μg/g增加至μg/g。范志剛等［5］利用微波萃取技術(shù)從麻黃中提取麻黃堿，結(jié)果表明提取率可由常規(guī)煎煮法的％提高至％。查圣華等［6］利用微波萃取技術(shù)從千層塔中提取石杉?jí)A甲和石杉?jí)A乙，結(jié)果表明提取時(shí)間可由傳統(tǒng)回流提取法的2h縮短至90s，而石杉?jí)A甲和石杉?jí)A乙的回收率分別達(dá)到%和%，比傳統(tǒng)回流提取法高出10％以上。

苷類物質(zhì)的提取微波對(duì)某些化合物具有一定的降解作用，且在短時(shí)間內(nèi)可使藥材中的酶滅活，因而用于提取苷類等成分時(shí)具有更突出的優(yōu)點(diǎn)。郭振庫(kù)等［7］研究了黃芩中的黃芩苷微波提取工藝，并與超聲提取法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明微波提取法具有提取時(shí)間短、工藝穩(wěn)定等特點(diǎn)，提取率可達(dá)%。黎海彬［8］對(duì)微波輔助水提取羅漢果皂苷的工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該工藝的羅漢果皂苷平均提取率可達(dá)％，比常規(guī)水提法高出45％，且提取時(shí)間可縮短50%。龔盛昭等［9］利用微波萃取技術(shù)提取黃芪皂苷，結(jié)果表明提取時(shí)間可由直接加熱法的3h縮短至8min，而皂苷產(chǎn)率則由％增加至％。

萜類和揮發(fā)油的提取萜類化合物是一類具有廣泛生物活性的天然藥物有效成分，植物中的揮發(fā)油大多富含單萜和倍半萜類化合物。揮發(fā)油的沸點(diǎn)較低，傳統(tǒng)提取工藝具有提取溫度高、提取時(shí)間長(zhǎng)、易破壞有效成分的缺陷，致提取收率低。而微波提取可瞬間產(chǎn)生高溫，具有提取時(shí)間短、提取效率高等優(yōu)點(diǎn)。成玉懷等［10］利用微波萃取技術(shù)提取紅景天葉中的揮發(fā)油，結(jié)果表明提取時(shí)間可由傳統(tǒng)提取法的5h縮短至20min，而揮發(fā)油含量則由％提高至％。魯建江等［11］利用微波萃取技術(shù)從佩蘭中提取揮發(fā)油，結(jié)果表明提取時(shí)間可由傳統(tǒng)提取法的5h縮短至20min，而揮發(fā)油的含量則由%提高至%。陳宏偉等［12］利用微波萃取技術(shù)從荊芥葉中提取揮發(fā)油，結(jié)果表明提取時(shí)間可由傳統(tǒng)法的5h縮短至20min，而揮發(fā)油含量則由%提高至%。朱曉薇等［13］利用微波萃取技術(shù)從丹參中提取丹參酮IIA，結(jié)果表明提取率為mg/g，與傳統(tǒng)提取法的mg/g相當(dāng)，但提取時(shí)間則由傳統(tǒng)提取法的h縮短至30min。HaoJY等［14］利用微波萃取技術(shù)從黃花蒿中提取青蒿素，結(jié)果表明提取率可達(dá)%，提取時(shí)間可由索氏提取法的幾個(gè)小時(shí)縮短至12min。

多糖類物質(zhì)的提取

中藥多糖是一類具有顯著生物活性的生物大分子物質(zhì)，許多多糖具有抗腫瘤、增強(qiáng)免疫力、抗衰老和抗病毒等作用，因而受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。與常規(guī)提取法相比，微波萃取法在選擇性與提取時(shí)間上都表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)越性。王莉等［15］對(duì)黃芪多糖的微波萃取工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明提取時(shí)間僅為常規(guī)法的1/12，提取的多糖含量為%。王莉等［16］還利用微波萃取技術(shù)從天花粉中提取天花粉多糖，結(jié)果表明提取時(shí)間僅為常規(guī)法的1/12，而多糖收率則由常規(guī)法的9％提高至2％。劉紅等［17］利用微波萃取技術(shù)提取山楂多糖，結(jié)果表明提取率可由傳統(tǒng)提取法的％提高至％，而提取時(shí)間則由3h縮短至20min。付志紅等［18］利用微波萃取技術(shù)提取車前子多糖，并與水提法和超聲提取法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明提取時(shí)間分別為65s、1h和30min，而提取率則分別為％，％，％，可見微波萃取法的提取時(shí)間最短，提取率最高。

其他物質(zhì)的提取目前，微波萃取技術(shù)還用于中藥中的其他物質(zhì)如色素、蒽醌類、有機(jī)酸等物質(zhì)的提取。黎彧等［19］利用微波萃取技術(shù)從紫荊花中提取色素，結(jié)果表明提取時(shí)間可由溶劑浸提法的24h縮短至30s，而提取率則從％提高至％。王巧娥等［20］利用微波萃取技術(shù)提取甘草中的甘草酸，并與超聲提取法、室溫冷浸提取法和索氏提取法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明微波萃取54min與室溫冷浸、索氏提取4h的甘草酸得率相當(dāng)。郝守祝等［21］以正交試驗(yàn)篩選出的較佳微波萃取方案為實(shí)驗(yàn)組，與常規(guī)煎煮法及95％乙醇回流提取法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明微波萃取法對(duì)大黃游離蒽醌的提取效率要明顯優(yōu)于常規(guī)煎煮法，而與95％乙醇回流提取法的相同，但提取時(shí)間由回流提取法的2h縮短為20min。

4今后的主要研究方向

微波萃取技術(shù)是提取中藥有效成分的有效手段，已成為實(shí)現(xiàn)中藥現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一。從中藥現(xiàn)代化的角度，今后的研究方向主要應(yīng)集中于以下兩點(diǎn)。

加強(qiáng)微波萃取的基礎(chǔ)理論研究雖然許多研究者對(duì)微波萃取植物組織中的天然產(chǎn)物的機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，但由于基體物質(zhì)和被萃取物質(zhì)的復(fù)雜性，在萃取機(jī)理方面仍有許多工作要做。今后應(yīng)特別注重微波作用下的傳質(zhì)機(jī)理研究，并建立描述微波萃取過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，這對(duì)微波萃取設(shè)備的開發(fā)和過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。此外，迄今為止，有關(guān)微波萃取技術(shù)用于提高中藥有效成分的含量或收率以及縮短提取時(shí)間方面的報(bào)道很多，但有關(guān)微波對(duì)中藥有效成分的藥理作用和藥物療效影響的研究則少有報(bào)道，這方面尚有許多工作要做。

微波萃取過程的工程化研究有關(guān)微波萃取技術(shù)提取中藥有效成分的報(bào)道很多，但大多數(shù)微波萃取過程還停留于實(shí)驗(yàn)室小樣品的提取及分析，所用設(shè)備較為簡(jiǎn)陋，許多甚至還在使用家用微波爐，因而不能提供工業(yè)化生產(chǎn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。今后應(yīng)加強(qiáng)微波萃取過程的放大研究及其配套設(shè)備的開發(fā)，以推動(dòng)微波萃取過程的工程化。

可以預(yù)見，隨著研究的不斷深入，微波萃取技術(shù)一定能為中藥現(xiàn)代化作出更大的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］劉忠英，晏國(guó)全，卜鳳泉，等.中藥刺五加葉中有效成分的幾種微波輔助提取方法研究［J］.分析化學(xué)研究簡(jiǎn)報(bào)，2005，4(4)：531.

［2］劉志勇，王莉，魯建江，等.荊芥中總黃酮的微波萃取及含量測(cè)定［J］.武漢植物學(xué)研究，2002，20(3)：243.

［3］周謹(jǐn)，閏小燕，賀高紅，等.微波提取銀杏黃酮苷的方法研究［J］.天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2002,14(1)：42.

［4］劉覃，陳曉青，蔣新宇，等.微波輔助提取龍葵中總生物堿的研究［J］.天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2005，17(1)：65.

［5］范志剛，張玉萍，孫燕，等.微波技術(shù)對(duì)麻黃中麻黃堿浸出量影響［J］.中成藥，2000，22(7)：520.

［6］查圣華，李秀男，孫海虹，等.從千層塔中微波協(xié)助提取石杉?jí)A甲和石杉?jí)A乙［J］.中國(guó)生物工程雜志，2004，24(11)：87.

［7］郭振庫(kù)，金欽漢，范國(guó)