微波萃取技术及其在中药有效成分提取中的应用

    微波萃取技术是利用微波的热效应对样品及其有机溶剂进行加热，从而将目标组分从样品基体中分离出来的一种新型高效分离技术。与传统萃取技术相比，微波萃取技术具有许多独特的优点，被誉为“绿色萃取技术”，并已成为实现中药现代化的主要关键技术之一。本文简要介绍了微波萃取技术的基本原理、特点及其在中药有效成分提取中的应用。在此基础上，提出了今后微波萃取技术的主要研究方向。

1微波萃取技术的基本原理

    微波萃取主要是利用微波强烈的热效应，但微波加热方式不同于传统的加热方式。在传统的加热方式中，容器壁大多由热的不良导体制成，热由器壁传导至溶液内部需要一定的时问；此外，液体表面气化而引起的对流传热将形成自内而外的温度梯度，因而仅一小部分液体与外界温度相当。而微波加热是一个内部加热过程，它不同于普通的外加热方式将热量由外向内传递，而是同时直接作用于内部和外部的介质分子，使整个物料被同时加热，即为“体加热”过程，从而可克服传统的传导式加热方式所存在的温度上升较慢的缺陷。

    微波萃取离不开合适的溶剂，因此微波萃取可作为溶剂提取的辅助措施。溶剂提取法是根据中草药中各种成分在溶剂中的溶解性能差异，选用对有效成分溶解度大，而对无效成分溶解度小的溶剂，将有效成分从药材组织内提取出来。采用微波协助提取，可以使溶剂提取过程更为有效。

    当被提取物和溶剂共处于陕速振动的微波电磁场中时，目标组分的分子在高频电磁波的作用下，以每秒数十亿次的高速振动产生热能，使分子本身获得巨大的能量而得以挣脱周围环境的束缚。当环境存在一定的浓度差时，即可在非常短的时间内实现分子自内向外的迁移，这就是微波可在短时间内达到提取目的的原因。

    微波萃取的机理可从以下3个方面来分析：①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微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离，即可获得所需的萃取物。②微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，水分子由高速转动状态转变为激发态，这是一种高能量的不稳定状态。此时水分子或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，结果使萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。③由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以24．5亿次／s的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。

    综上所述，微波能是一种能量形式，它在传输过程中可对许多由极性分子组成的物质产生作用，并使其中的极性分子产生瞬时极化，并迅速生成大量的热能，导致细胞破裂，其中的细胞液溢出并扩散至溶剂中。从原理上说，传统的溶剂提取法如浸渍法、渗漉法、回流提取法、连续回流提取法等均可加入微波进行辅助提取，从而成为高效的提取方法。

2微波萃取的特点

    微波具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大特点，这决定了微波萃取具有以下特点。

2．1  试剂用量少、节能、污染小。

2．2  加热均匀，且热效率较高。传统热萃取是以热传导、热辐射等方式自外向内传递热量，而微波萃取是一种“体加热”过程，即内外同时加热，因而加热均匀，热效率较高。微波萃取时没有高温热源，因而可消除温度梯度，且加热速度快，物料的受热时间短，因而有利于热敏性物质的萃取。

2．3  微波萃取不存在热惯性，因而过程易于控制。

2．4  微波萃取无需干燥等预处理，简化了工艺，减少了投资。

2．5  微波萃取的处理批量较大，萃取效率高、省时。与传统的溶剂提取法相比，可节省50％～90％的时间。

2．6  微波萃取的选择性较好。由于微波可对萃取物质中的不同组分进行选择性加热，因而可使目标组分与基体直接分离开来，从而可提高萃取效率和产品纯度。

2．7  微波萃取的结果不受物质含水量的影响，回收率较高。基于以上特点，微波萃取常被誉为“绿色提取工艺”。

当然，微波萃取也存在一定的局限性。例如，微波萃取仅适用于热稳定性物质的提取，对于热敏性物质，微波加热可能使其变性或失活。又如，微波萃取要求药材具有良好的吸水性，否则细胞难以吸收足够的微波能而将自身击破，产物也就难以释放出来。再如，微波萃取过程中细胞因受热而破裂，一些不希望得到的组分也会溶解于溶剂中，从而使微波萃取的选择性显著降低。

3微波萃取技术在中药有效成分提取中的应用

3．1黄酮类物质的提取    黄酮类成分具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功能，在大部分中药中均存在。黄酮类化合物的传统提取方法主要有水煎煮法、浸提法或索氏提取法，但费时费力且收率较低。微波萃取在黄酮类物质的提取上具有良好的效果，在提取过程中具有反应高效性和强选择性等特点。刘忠英等采用常压回流微波提取法提取刺五加叶中的总黄酮，结果表明提取率可达48．2 mg／g，远高于索氏提取法的34．7 mg／g，而提取时间却由索氏提取法的8h缩短至14 min。刘志勇等采用微波提取法萃取荆芥中的总黄酮，结果表明提取时问可由常规法的2 h缩短至20 min，且提取液中的总黄酮含量可由常规法的0．71％提高至1．11％。周谨等以水为溶剂来提取银杏黄酮，考察了微波功率、微波作用时间、溶剂用量及水浴浸提时间等因素对黄酮提取率的影响，结果表明微波水提法的黄酮平均提取率为60．5％，比常规法高出40％，而提取时间为l h，比常规法缩短了50％。

3．2生物碱的提取    生物碱是生物体内一类含氮有机物的总称，多数生物碱具有较复杂的含氮杂环结构和特殊而显著的生理作用，是中草药中的重要成分之一。刘覃等利用微波萃取技术从龙葵中提取总生物碱，结果表明提取时间可由回流提取法的6 h缩短至8 min，产率则由8．40Ixg／g增加至10．77ug／g。范志刚等利用微波萃取技术从麻黄中提取麻黄碱，结果表明提取率可由常规煎煮法的O．183％提高至0．485％。查圣华等利用微波萃取技术从千层塔中提取石杉碱甲和石杉碱乙，结果表明提取时间可由传统回流提取法的2 h缩短至90 s，而石杉碱甲和石杉碱乙的回收率分别达到94．3％和93．6％，比传统回流提取法高出10％以上。

3．3苷类物质的提取    微波对某些化合物具有一定的降解作用，且在短时间内可使药材中的酶灭活，因而用于提取苷类等成分时具有更突出的优点。郭振库等研究了黄芩中的黄芩苷微波提取工艺，并与超声提取法进行了对比，结果表明微波提取法具有提取时问短、工艺稳定等特点，提取率可达13．12％。黎海彬对微波辅助水提取罗汉果皂苷的工艺进行了研究，结果表明该工艺的罗汉果皂苷平均提取率可达70．5％，比常规水提法高出45％，且提取时间可缩短50％。龚盛昭等利用微波萃取技术提取黄芪皂苷，结果表明提取时间可由直接加热法的3 h缩短至8 min，而皂苷产率则由1．65％增加至2．42％。

3．4  萜类和挥发油的提取    萜类化合物是一类具有广泛生物活性的天然药物有效成分，植物中的挥发油大多富含单萜和倍半萜类化合物。挥发油的沸点较低，传统提取工艺具有提取温度高、提取时间长、易破坏有效成分的缺陷，致提取收率低。而微波提取可瞬间产生高温，具有提取时间短、提取效率高等优点。成玉怀等利用微波萃取技术提取红景天叶中的挥发油，结果表明提取时间可由传统提取法的5 h缩短至20 min，而挥发油含量则由O．15％提高至0．40％。鲁建江等利用微波萃取技术从佩兰中提取挥发油，结果表明提取时间可由传统提取法的5 h缩短至20 min，而挥发油的含量则由1．830％提高至2．106％。陈宏伟等利用微波萃取技术从荆芥叶中提取挥发油，结果表明提取时间可由传统法的5 h缩短至20 min，而挥发油含量则由0．89％提高至1．10％。朱晓薇等利用微波萃取技术从丹参中提取丹参酮IIA，结果表明提取率为1．815 mg/g，与传统提取法的1．808 mg／g相当，但提取时间则由传统提取法的7．6 h缩短至30 min。Hao J Y等利用微波萃取技术从黄花蒿中提取青蒿素，结果表明提取率可达92．1％，提取时间可由索氏提取法的几个小时缩短至12 min。

3．5多糖类物质的提取    中药多糖是一类具有显著生物活性的生物大分子物质，许多多糖具有抗肿瘤、增强免疫力、抗衰老和抗病毒等作用，因而受到国内外研究者的重视。与常规提取法相比，微波萃取法在选择性与提取时间上都表现出无可比拟的优越性。王莉等对黄芪多糖的微波萃取工艺进行了研究，结果表明提取时间仅为常规法的1／12，提取的多糖含量为6．55％。王莉等还利用微波萃取技术从天花粉中提取天花粉多糖，结果表明提取时间仅为常规法的1／12，而多糖收率则由常规法的0．840 9％提高至18．301 2％。刘红等利用微波萃取技术提取山楂多糖，结果表明提取率可由传统提取法的10．05％提高至16．07％，而提取时间则由3 h缩短至20 min。付志红等利用微波萃取技术提取车前子多糖，并与水提法和超声提取法进行了对比，结果表明提取时间分别为65 s、l h和30 min，而提取率则分别为1．867％，1．243％，1．764％，可见微波萃取法的提取时间最短，提取率最高。

3．6其他物质的提取    目前，微波萃取技术还用于中药中的其他物质如色素、蒽醌类、有机酸等物质的提取。黎或等利用微波萃取技术从紫荆花中提取色素，结果表明提取时间可由溶剂浸提法的24 h缩短至30 s，而提取率则从90．2％提高至92．1％。王巧娥等利用微波萃取技术提取甘草中的甘草酸，并与超声提取法、室温冷浸提取法和索氏提取法进行了对比，结果表明微波萃取54 min与室温冷浸44．3h、索氏提取4h的甘草酸得率相当。郝守祝等以正交试验筛选出的较佳微波萃取方案为实验组，与常规煎煮法及95％乙醇回流提取法进行对比，结果表明微波萃取法对大黄游离蒽醌的提取效率要明显优于常规煎煮法，而与95％乙醇回流提取法的相同，但提取时间由回流提取法的2 h缩短为20 min。

4今后的主要研究方向

    微波萃取技术是提取中药有效成分的有效手段，已成为实现中药现代化的关键技术之一。从中药现代化的角度，今后的研究方向主要应集中于以下两点。

4．1加强微波萃取的基础理论研究    虽然许多研究者对微波萃取植物组织中的天然产物的机理进行了大量的研究，但由于基体物质和被萃取物质的复杂性，在萃取机理方面仍有许多工作要做。今后应特别注重微波作用下的传质机理研究，并建立描述微波萃取过程的热力学和动力学模型，这对微波萃取设备的开发和过程的优化设计是至关重要的。此外，迄今为止，有关微波萃取技术用于提高中药有效成分的含量或收率以及缩短提取时间方面的报道很多，但有关微波对中药有效成分的药理作用和药物疗效影响的研究则少有报道，这方面尚有许多工作要做。

4．2微波萃取过程的工程化研究    有关微波萃取技术提取中药有效成分的报道很多，但大多数微波萃取过程还停留于实验室小样品的提取及分析，所用设备较为简陋，许多甚至还在使用家用微波炉，因而不能提供工业化生产所需的基础数据。今后应加强微波萃取过程的放大研究及其配套设备的开发，以推动微波萃取过程的工程化。

    可以预见，随着研究的不断深入，微波萃取技术一定能为中药现代化作出更大的贡献。

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