中草药和天然植物有效成分提取新技术

——微波协助萃取 我国拥有丰富的中草药和天然植物资源，近年来在全世界范围内兴起了用天然草本植物药来预防和治疗各种疾病‘的热潮，但是，长期以来传统萃取技术的种种缺陷限制了人们对于中草药的药理、药效等问题的理解和把握。同时，药剂质量的不稳定、产品的安全性隐患、实验结果重现性差等问题掩盖了中草药潜在的真正对于疾病(尤其是多靶点的慢性疾病)疗效有利的一面。要使中草药满足现代医药的严格要求，全面进入国际市场，必须走中药生产的现代化、国际化和高科技之路。微波协助萃取(microwave-assisted extracti0n， MAE)技术是提取中草药有效成分和去除农药残留的有效手段之一，不仅具有很高的经济效益，而且有望改变中草药传统的服用方式。 1 MAE技术的应用现状 MAE技术是在传统有机溶剂萃取技术的基础上发展起来的一项新型萃取技术。自20世纪50年代在美国取得第一个利用微波加热食品的专利后，微波在各个领域的应用受到了人们的广泛关注，其中一个诱人的应用就是利用微波提取天然产物。MAE应用于天然产物提取的第一篇文献发表于1986年，Gendye等人最先用于试验的是普通的家用微波炉，通过选择功率档、作用时间和溶剂类型，用短短几分钟的时间完成了传统萃取方法要几个小时才能完成的萃取工作。现已经有了作为分析用、样品前处理(微波萃取)的商业化设备，世界两大微波设备公司，美国的CEM公司和意大利的Milestone公司均生产适用于消解、萃取和有机合成的系列微波产品。20世纪90年代初，加拿大环境保护署和CWT-TRAN IntemationaJ公司合作开发了微波萃取系统MAP(microwave-assisted extraction process，)，并于1992年开始陆续取得了美国、墨西哥、日本、西欧和韩国的专利许可，该系统现已广泛应用于香料、调味品、天然色素、中草药和化妆品等领域。并在中国也得到了知识产权的保护，他们还与中国环境科学院和南开大学合作开发该技术。到1995年，国外已授权两家中国公司发展工业规模的微波萃取技术，并授权给另外3家公司开发微波分离技术在食品分析领域、食品科学与工程等方面的应用。 2 MAE技术的作用原理、技术特点及影响因素 2．1作用原理 微波是波长介于l mm～1 m(频率在300 MHz～300 GHz)的特殊的电磁波，它位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间，为防止民用微波能对于微波雷达和通讯的干扰，国际上规定农业、科学和医学等民用微波有L(频率890～ 940 MHz)、S(频率2,400～2 500 MHz)、C(频率5 725～5 875 MI-Iz)和K(频率22 000～22 250 MHz)4个波段。目前915 MHz租2 450 MHz 2个频率已经广泛为微波加热所采用。微波在传输过程中遇到不同的物料会根据物料性质不同而产生反射、穿透、吸收现象，极性分子接受微波辐射能量后，通过分子偶极以每秒数十亿次的高速旋转产生热效应。不同物质由于介电常数、比热容、形状和含水量的不同，将导致其吸收微波能力的不同。 在传统的天然植物有效成分提取过程中，固液萃取(即浸提技术)对于存在于植物细胞不同位置和细胞器中的目标产物，若将其从细胞内浸取到液相中，目标分子将经历液泡和细胞器的膜透过、细胞浆中的扩散、细胞膜和细胞壁的透过等复杂的传质过程。若细胞壁没有破裂，浸取是靠细胞壁的渗透作用来完成的，浸取速率慢。细胞壁破坏以后，传质阻力减小，目标产物比较容易进入到萃取剂中，并依据相似相容的原理而溶解，达到萃取的目的。 在MAE过程中，一方面微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质，到达物料内部的维管束和腺胞系统。由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力超过细胞壁的膨胀承受能力，导致细胞破裂，胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下被萃取介质捕获并溶解。通过进一步过滤和分离，便获得萃取物料。另一方面，微波所产生的电磁场加速了被萃取组分趋向萃取溶剂界面的扩散速率，用水作溶剂时，在微波场下，水分子高速转动成为激发态，这是一种高能量不稳定状态，或者水分子汽化，加强萃取组分的驱动力；或者水分子本身释放能量回到基态，所释放的能量传递给其他物质分子，加速其热运动，缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到萃取溶剂界面的时间，从而使萃取速率提高数倍，同时还降低了萃取温度，最大限度地保证萃取的质量。在此过程中是整个物料同时被加热，即“体加热”过程，因此，克服了传统传导加热时温度上升慢的缺点，保证了能量的快速传导和充分利用，微波加热过程实质上是介质分子获得微波能并转化为热能的过程。 2．2技术特点 MAE与现有其他萃取技术相比具有明显的优势。化学溶剂萃取耗能大，耗材多，耗时长，提取效率低，环境污染严重。超临界流体萃取在提取效率上得到大大提高，但其溶剂选择范围窄，要求的装备复杂，需高压容器和高压泵，投资成本较高，建立大规模提取生产线有工程难度。由于MAE可以对体系中的一种或几种组分进行选择性加热，故可以使目标组分直接从基体分离，与传统的萃取方法相比具有以下特点。 选择性好极性较大的分子可以获得较多的微波能，利用这一性质可以选择性地提取极性分子，从而使产品的纯度提高，质量得以改善；MAE还可以在同一装置中采用两种以上的萃取剂分别萃取所需成分，降低工艺费用。 萃取速度快 被加热的物体往往是被放在对微波透明或半透明的容器中，且为热的不良导体，故物料迅速升温，可大大缩短工时，节省50％～90％的时间。 产品质量好可以避免长时间高温引起的样品分解，从而有利于热不稳定成分的萃取。 过程简捷简化工艺，降低溶剂用量，减少投资；节省能源，降低人力消耗。 2．3影响因素 MAE的主要工艺参数包括萃取溶剂、微波功率和萃取时间等。影响萃取效果的因素有萃取剂、微波剂量、作用时间、温度、操作压力、物料含水量及溶剂的。pH值等，其中萃取剂是首要因素。 2．3．1萃取剂 在操作过程中应尽量选择对微波透明或半透明(介电常数较小)的介质作为萃取剂，同时要求溶剂对于目标组分有较强的溶解能力，对于后续的操作干扰小。常见的微波萃取剂有：甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、正己烷、苯等有机溶剂和硝酸、盐酸、磷酸等无机溶剂以及己烷～丙酮、二氯甲烷～甲醇、水~甲苯等混合溶剂系统，遵循以下几个原则： 对于不同的基体，使用的萃取剂完全不同。对于物料中不稳定或挥发性成分的提取，如中草药中的精油，宜选用对微波射线高度透明的溶剂；若需要除去此类成分，应选用对微波部分透明的溶剂，这样萃取剂可以部分地吸收微波能转化成热能，从而除去或分解不需要的成分。 对于同一种物料，溶剂的使用方法不同，萃取效果也有很大的区别。王关林、石若夫在微波辐照诱导萃取香叶天竺葵挥发油的实验中，通过将乙醇和正己烷1：1混合使用和单独分步提取的对照试验，得出混合使用虽然可以抽提或分离所需物质，但提取的效果不如分步提取得到的结果理想。 对于同一种待处理的物料，萃取剂的用量因物料而有较大变动。一般萃取剂和物料之比(Ukg)在1：l和20：1的范围内选择。固液比是提取过程中的一个重要因素，主要表现在影响固相和液相之间的浓度差，即传质推动力，固液此的提高，必然会在较大程度上提高传质推动力，但同时也提高了生产成本和后续处理的难度，所以溶剂比不宜过高。 2．3．2萃取温度和时间 MAE连续辐照时间与试样重量、溶剂体积和加热功率有关，通常在10～100 s，对于不同的物质，最佳萃取时间不同。连续辐照时间也不可太长，否则容易引起溶剂的温度太高，造成不必要的浪费，还会带走目标产物，降低产率。邓宇、张卫强在用微波法和溶剂法提取番茄红素的研究中发现，在200 w功率的条件下，对番茄酱及其溶剂分别在20，40，60，80，100，120 s加热后，测定番茄红素的提取率，表明，当微波辐射时间达到60~80 s时，溶剂对番茄红素的提取效果最好。并以少量多次效果较好。萃取的温度应低于萃取溶剂的沸点，不同的物质最佳萃取温度不同。 2．3．3溶剂pn值 孔臻、刘钟栋采用微波法从苹果渣中提取果胶时，保持其他条件不变，而改变体系的pn值。发现当pn在1．9以上时，随着pn值的降低，果胶得率增加；但是当体系pn值小于 1．7时，由于酸度过高，使得果胶质水解得到的果胶进一步脱脂裂解，造成果胶得率下降。 2．3．4微波剂量 剂量的选择应以最有效地萃取出目标成分为原则，一般选用的微波功率在200～1 000 w，频率在2 000～300 000 Hz，微波辐照时问不可过长。 2．3．5试样水分或湿度 因为水是介电常数较大的物质，能够有效地吸收微波能产生温度差，所以待处理物料含水量的多少对于萃取得率影响很大。对含水量较低的物料，一般采用增湿的方法使之能够有效地吸收微波能。此外，物料含水量的多少对于萃取时间也有很大的影响。不同特性的物料，其最佳工艺参数需依据具体的实验而定。 3 MAE技术在中草药和天然植物有效成分萃取中的应用 微波萃取源于分析样品的预处理，到目前为止，微波萃取仍主要应用于分析土壤、种子、食品、饲料中的各种化合物，由于其快速高效分离及选择性加热的特点，逐渐由一种分析方法向生产制备手段发展，在天然产物有效成分的提取方面受到重点关注，并展开了广泛的研究。目前，微波技术应用于中药和天然产物生物活性成分提取的报道不断出现，已涉及到的天然产物有黄酮类、苷类、多糖、萜类、挥发油、生物碱、单宁、甾体及有机酸等。 3．1黄酮类 陈斌、南庆贤、吕玲等在研究了利用微波萃取葛根异黄酮的工艺后，得出用77％乙醇、固液比为l：14、在体系温度低于60 qC的前提下，微波间隙处理3次，葛根总黄酮的浸出率达到96％以上。与传统的热浸提相比，不仅产率高，而且速度快，节能。 大连化学物理研究所的李嵘、金美芳在以水为介质的条件下，对银杏叶进行微波萃取，萃取效果与传统水提及溶剂提取法提取银杏黄酮作对照，在溶剂萃取前对银杏叶、水混合液进行短时间的微波处理，能达到提高银杏黄酮提取率及缩短萃取时间的目的，在固液比为1：30的条件下，仅用30 min即可达到62．3％的提取率，与传统乙醇一水浸提5 h的效果相近(提取率64．1％)，同时因水的成本低廉，开辟了水代替有机溶剂浸提的新工艺。用微波以水为溶剂来提取银杏黄酮，对微波功率、微波作用时间、溶剂用量、浸提时间等因素作了试验研究，获得较好的效果，开辟了一条以水为溶剂来提取银杏黄酮的新途径。 3．2苷类 微波对某些化合物有一定降解作用。但也有学者认为由于微波提取时间很短，其破坏作用甚至可能比一般方法小。微波在短时间内可使药材中的酶灭活，因此用于提取苷类等成分时具有更突出的优点。 范志刚、李玉莲、杨莉斌等通过与超声技术对于槐花中芸香苷的浸出效果的比较，得出MAE应用于药材的浸出是一种省时便捷的方法。 王威、刘传斌、修志龙通过MAE与乙醇热回流法的比较，发现该方法在高山红景天苷的提取过程中保持较高提取率的同时，大大缩短了提取时间，并且显著降低了提取液中杂蛋白的含量。 微波提取重楼皂苷，与热回流法水提从时间、次数、含量等方面进行对比，两种方法所得皂苷完全一致，表明微波并未破坏有效成分的结构。微波辐射5 min的效果与常规加热 2 h相同，而且杂质含量少用微波提取三七Panax llotogin-seng中有效成分Rg1，以正丁醇．水为萃取剂考察了不同含水量下的提取效果，发现在较低含水量下提取效果随含水量增加而增加，在20％处存在极值。 微波水提长叶斑鸠菊叶V．esadenta Hemsl中的环烯醚萜苷也具有快速有效的特点。此外，尚有从豆类中微波提取蚕豆嘧啶葡萄糖苷、从甘草中微波提取甘草酸的报道。 3．3多糖 对用传统提取工艺和MAE法提取果胶后桔皮组织的显微结构研究证实，微波处理对桔皮细胞有膨爆作用。在MAE条件下，桔皮中果胶的提取是一快速的组织崩解过程，这一过程使提取时间由通常的1 h以上缩短到5 min，且果胶得率和品质提高。橘皮用微波加酸液提取果胶，与传统法相比，工时缩短1／3左右，酒精用量节约2／3，且耗能低，工艺操作容易控制，劳动强度小，产品质量有保证，在色泽、溶解性、粘度等方面更佳。 提取海藻多糖的实验表明，无论是提取的选择性还是提取所需的时间，MAE均具有常规方法无可比拟的优越性，而且经20s连续微波处理后，海藻糖酶已被灭活，从而防止了海藻糖的降解。 3．4萜类 M J Incorvia Mattina，W A Iannucci Berger和C L Denson在用MAE法提取紫杉中的紫杉醇时，通过与传统的甲醇浸提法对比试验，优化了工艺参数，发现在MAE条件下，用95％的乙醇能够得到与传统纯甲醇提取法相同的得率，并且在保持相同质量和数量及溶剂回收率的前提下，大大缩短了提取时间，并减少了溶剂的消耗量。 微波提取丹参中的丹参酮(tanshinone IIA，cryptotanshi．none和tanshinone I)，操作简便、快速。在适宜条件下，如 95％乙醇为萃取剂，微波连续辐照2 min，液固比10：1，3种丹参酮的得率等于或超过传统提取方法，避免了丹参酮类长时间处于高温下造成的不稳定，易分解的缺点。而同样的提取率，室温浸提、加热回流、超声提取和索氏抽提所需的时间分别为24 h,45，75，90 min。 Carro等采用MAE手段从发酵前的葡萄酒样品中提取单萜烯醇。表明，在优化实验条件下(二氯甲烷10 mL，MESl000系统半功率下萃取10 min)，样品中单萜烯醇和其他芳香物质可有效地提取出来，回收率高、溶剂用量少、省时、样品处理方便。由于使用的是微波透明或半透明的溶剂，使提取在较低的温度下进行，避免了提取物的显著分解。 3．5挥发油 微波提取挥发油的报道较多，将剪碎的薄荷叶放入盛有正己烷的玻璃烧杯中，经微波短时间处理后，薄荷油释放到正己烷中。显微镜观察表明叶面上的脉管和腺体破碎，说明微波处理有一定的选择性，因为新鲜薄荷叶的脉管和腺体中包含水分，因此富含水的部位优先破壁。与传统的乙醇浸提相比，微波处理得到的薄荷油几乎不含叶绿素和薄荷酮。20 s的微波诱导提取与2 h的水蒸气蒸馏、6 h的索氏提取相当，且提取产物的质量优于传统方法的产物。 Chen等以正己烷、乙醇、正己烷一乙醇提取迷迭香及薄荷叶中的挥发油为研究体系，系统研究了微波场中的温度分布，考察了物料量、微波功率、照射时间等对微波提取的影响，并研究了MAE提取挥发油的动力学过程。 新鲜的立比草Lippia sidoides直接在微波下照射，压缩空气通过物料将挥发油带出微波炉外后经冰水浴冷却，照射5 nfin后所得的油水混合物与1．5 h水蒸气蒸馏的混合物无质量上的差别，时间却大大缩短，且无须水的加入。 此外，微波提取的马郁兰油产量较高(接近1％)，其原因是微波作用的选择性，尤其是它对萜烯等成分很有效；用微波萃取鱼肝油与一般的提取方法相比，脂溶性维生素破坏较少；应用微波萃取大蒜油，在接近环境温度的情况下，萃取时间短，得到的萃取成分重复性佳，产品质量均一，热敏性成分损失少。微波萃取还用于从莳萝籽、蒿、洋芫荽、茴香、甘牛至、龙蒿、牛膝苹、鼠尾草、百里香等物料中提取挥发性成分，其质量相当于或优于溶剂回流、水蒸汽蒸馏、索氏提取和超临界二氧化碳萃取的同类产品，而且具有操作方便、装置简单，提取时间短、提取率高、溶剂用量少、产品纯正等优点。 3．6其他成分 HaoJY等运用微波辅助提取法，分别选用乙醇、三氯甲烷、环己烷、正己烷、30~60℃石油醚、60~90℃石油醚、 120号溶剂油、6号抽提溶剂油作为萃取介质，在间隙微波辅助装置中，进行实验，从微波的辐射时间、固液比、物料粉碎度等工艺条件出发探索对青蒿素得率的影响，得出6号抽提溶剂油最适合于提取黄花蒿中的青蒿素，随着粉碎度和辐射时间的增加，青蒿素的得率在增加，并最终趋向于稳定，辐射时间以12 min为宜，溶剂比大于11结果较好。 已有报道从千里光、烟草、古柯叶等植物中微波辅助提取生物碱。微波水提白屈菜中生物碱，得率大大超过超临界萃取。如从羽扇豆中MAE提取鹰爪豆碱，在优化实验条件下，微波辅助提取可将产率由传统的52％±3％提高到80％±3％，且省时、省溶剂。微波水提木贼麻黄中麻黄碱，省时便捷。微波水提大黄中游离蒽醌，提取效率明显高于常规浸煮，同95％乙醇回流法相当，但提取时间大为缩短。在甲醇溶液和水相存在下，常用微波炉内加热30 s。连续萃取和皂化，结果表明，微波萃取总麦角甾醇与传统溶剂萃取效果相当，但明显优于超临界萃取。 4 MAE技术的发展前景及存在的问题 目前，虽然国内外MAE技术的研究才刚刚起步，但发展非常的迅速，已经成为当前和今后新型提取技术研究的热点之一。随着我国中药现代化进程地加快和国际交流的进一步扩大，必将为MAE技术的发展提供新的更好的契机。但是如何针对中药复方的特点设计MAE方案以及能够在仪器设备的设计上实现突破，需要相关的科技工作者共同努力，大胆创新，深入研究。

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