微波萃取技術(shù)提取天然產(chǎn)物研究進(jìn)展

張琳琳

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院 266042)

微波萃取(microwave assisted extraction，MAE)又稱微波協(xié)助萃取。該技術(shù)利用不同組分吸收微波能力的差異，并借用電磁場的作用，使被提取物中的某些成分被選擇性地加熱，進(jìn)而使目標(biāo)成分從基體或體系中分離出來，進(jìn)入介電常數(shù)相對較小并且微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中，最終實現(xiàn)目標(biāo)成分萃取分離的目的。 20世紀(jì)80年代匈牙利的Glanzler[1]首次提出微波萃取技術(shù)，一開始只是在土壤、種子、飼料中各種類型化合物的分離方面有所應(yīng)用。由于具備設(shè)備簡單、選擇性強、萃取效率高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，近年來該技術(shù)受到廣泛的認(rèn)同和關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物、食品和環(huán)境樣品的分析與提取。由于微波萃取不但能夠快速高效地分離目的成分，還具有選擇加熱性這一顯著特點，因此目前逐漸由一種實驗室的分析方法向工業(yè)化生產(chǎn)制備手段發(fā)展，在天然產(chǎn)物有效成分的提取方面受到重點關(guān)注，并展開了廣泛的探討與研究，已涉及的天然產(chǎn)物有黃酮類、生物堿、多糖、苷類、有機酸、色素及揮發(fā)油等生物活性成分。

1 微波萃取的應(yīng)用

1.1 黃酮類 黃酮類物質(zhì)在植物中分布十分廣泛，絕大部分中草藥都含有此類成分。黃酮類化合物具有清除體內(nèi)氧自由基、改善血液循環(huán)、降血糖、促進(jìn)傷口愈合等作用，在各個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，黃酮類成分的有效提取顯得尤為重要。蘇敏等[2]以葛根為材料探索微波協(xié)助萃取黃酮工藝的優(yōu)化。結(jié)果表明，采用微波萃取方法可以在短時間內(nèi)提高提取效率，在相同時間內(nèi)，采用微波協(xié)助提取得到的黃酮量明顯高于不作微波處理的對照組。楊兵等[3]比較了微波萃取、索氏提取和超聲波提取3種方法對蒲公英中總黃酮類物質(zhì)的提取效率，發(fā)現(xiàn)微波萃取法優(yōu)于另外兩種方法，不論是在提取效率還是在提取時間上都超越了傳統(tǒng)的索氏提取法與超聲波萃取法。馬翠等[4]采用微波法萃取側(cè)柏葉中黃酮類化合物，與直接加熱提取法相比，微波提取時間是熱提法的1/30，提取率是熱提法的3倍，而且耗能低。陳金娥[5]采用響應(yīng)面法分析綠茶總黃酮微波萃取最佳工藝條件，發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化條件下，綠茶中黃酮得率平均值為2.605 mg/g，并與傳統(tǒng)的索氏溶劑提取法進(jìn)行了對比實驗，結(jié)果證明微波法提取時間短，黃酮得率高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，具有重要的應(yīng)用價值。

1.2 生物堿類 生物堿是中草藥的重要成分之一。多數(shù)生物堿具備較復(fù)雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)和顯著的生理作用。趙華等[6]首先利用正交實驗得出微波萃取法提取漢防己有效成分的工藝條件，并用高效液相色譜技術(shù)測得微波萃取法和乙醇回流法得到的漢防己堿的含量分別為56.55%和52.25%，表明微波提取法不僅提取率高，而且省時、節(jié)能、操作簡便。張勛等[7]采取超聲-微波協(xié)同萃取法、超聲溶劑提取法、傳統(tǒng)溶劑回流提取法提取蓮子心的總生物堿，結(jié)果顯示，超聲-微波協(xié)同萃取法得到的總生物堿含量最高，并且該法獲得的總生物堿清除氧自由基的作用最強。肖谷清等[8]的實驗證明，在萃取黃連的總生物堿時，微波萃取(12.618 mg/g)優(yōu)于超聲萃取(10.820 mg/g)和超聲-微波聯(lián)用萃取(11.842 mg/g)；微波萃取與超聲-微波聯(lián)用萃取相比較，前者獲得的總生物堿量較后者高，這可能是因為微波之前的超聲處理使部分生物堿變性；微波萃取和微波-超聲聯(lián)用萃取(12.970 mg/g)相比較，兩者總生物堿提取量相差不大，說明微波萃取黃連總生物堿比較完全，微波萃取后沒有必要再用超聲萃取。

1.3 多糖類 多糖具有抗腫瘤、抗衰老、抗病毒和增強免疫力等顯著的生物活性，近年來受到國內(nèi)外研究者的廣泛重視。在多糖成分的提取方面，微波萃取法與其他傳統(tǒng)提取法相比，在選擇性與提取時間上都表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)越性。李秀信等[9]首先依次用石油醚、乙醚、70%乙醇回流，脫去香椿表面的非極性、中極性、黃酮類、單糖等其他成分，使細(xì)胞壁更容易破裂，從而使極性較大的多糖成分在微波輔助下更容易流出。微波萃取法結(jié)果顯示，香椿多糖的提取率高達(dá)9.961%，與傳統(tǒng)的溶劑提取法相比不但節(jié)省時間24倍，并且大大提高了多糖的得率，比較適合應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。宋力等[10]以黑木耳為原料研究了水浴提取法、回流提取法、微波協(xié)助提取法、超聲波提取法等提取效果，結(jié)果表明微波提取法效果最好，不但消耗能量少，而且作用時間極短，僅3 min就可得到相近的多糖的提取率。謝三都等[11]通過響應(yīng)面法優(yōu)化金銀花中水溶性多糖的提取工藝條件，不但將多糖的提取率提高至2.54%，而且將提取周期縮短至33 s，為金銀花水溶性多糖在各領(lǐng)域的深入開發(fā)提供了參考依據(jù)。

1.4 苷類 苷類是由糖或糖衍生物的端基碳原子與另一非糖物質(zhì)(苷元)連接形成的化合物，桔梗、遠(yuǎn)志所含的皂苷具有祛痰止咳功效，故可作為祛痰藥；人參皂苷具有大補元氣的作用；不少皂苷還具有抗腫瘤及降膽固醇等的作用。由于苷類成分極易被稀酸或酶水解，而微波對某些化合物具有一定的降解作用，且在短時間內(nèi)可使藥材中的酶滅活，因此在提取苷類等成分時具有更突出的優(yōu)點。鄒濤[12]采用微波法提取鮮黃姜總皂苷，先在高壓蒸汽滅菌鍋內(nèi)酸解2 h，干燥后，加入乙酸乙酯微波萃取4 min，總耗時124 min，分別是傳統(tǒng)酸解法、酶解法、酵解法耗時的1/6、1/8、1/14，總皂苷提取率達(dá)到0.26%，均高于傳統(tǒng)提取方法，是高效、節(jié)能、省時、操作簡單并且適合工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。初紅濤等[13]進(jìn)行了對槐花米中蕓香苷提取工藝的考察，研究了微波法和超聲法及兩者聯(lián)用的提取工藝，同時考察了微波與超聲波交替提取時的料液比、提取時間、提取次數(shù)、提取功率等影響因素。結(jié)果表明微波單一作用時提取率高于超聲波的提取率；微波與超聲波聯(lián)合作用的方法(即超聲提取30 min后，再繼續(xù)用微波提取15 min)提取率最高，達(dá)6.89%。

1.5 有機酸 有機酸類在中草藥的葉、根，尤其是果實中廣泛分布，并且有些有機酸可作藥用，如酒石酸、抗壞血酸等能綜合作用于中樞神經(jīng)，而土槿皮中的土槿酸有抗真菌作用，咖啡酸的衍生物如綠原酸具有抗菌、利膽的作用。侯韜等[14]在提取八角茴香中的莽草酸時，先采用單因素法確定了最佳的顆粒度和微波溫度，在此基礎(chǔ)上，以微波時間、微波功率、料液比三個因素為影響因子，進(jìn)行了響應(yīng)面法優(yōu)化實驗，結(jié)果表明在最佳的工藝條件下，八角茴香中莽草酸的提取率為6.3647%。何培等[15]在提取金銀花中綠原酸時，先加入4倍量80%的乙醇溶液，微波預(yù)處理60 s，然后加l5倍量的蒸餾水在70℃的水浴溫度中提取50 min并進(jìn)行綠原酸的微波提取實驗，得到綠原酸的含量為8.34 mg/g，比傳統(tǒng)提取的方法得到的綠原酸的含量要高。

1.6 色素 中藥天然色素含有中藥特有的有效成分，對人體的多種疾病具有治療、預(yù)防等藥理作用和保健功能。例如，花色素能夠清除體內(nèi)氧自由基；胡蘿卜素能夠增強免疫能力；紫草色素有很強的抑菌作用，能加速傷口愈合?？梢?，中藥天然色素的開發(fā)具有廣泛的市場前景和醫(yī)療保健應(yīng)用價值。姚壯和[16]通過正交試驗對微波協(xié)助萃取芒果皮中的黃色素進(jìn)行了工藝優(yōu)化，微波作用時間每次30 s，僅需三次即可提取芒果皮中89.92%的色素，色素得率(色素質(zhì)量/芒果皮質(zhì)量)為5.1%。微波協(xié)助法提取色素所需的處理時間短，僅為溶劑法的1/60。李書靜等[17]在提取紅花中黃色素時，先得到水直接浸提法的最佳提取條件，在此工藝上加入微波協(xié)助萃取。結(jié)果表明，采用微波協(xié)助提取可以明顯提高紅花黃色素的提取率，且紅花黃色素的提取率隨微波功率的增大而升高。當(dāng)微波功率達(dá)到1000 W時，紅花黃色素的提取率最高，為7.73%，比單純采用水浸提法高1.01%。涂華等[18]探討了梔子黃色素提取工藝中的熱回流提取法和微波協(xié)助提取法。結(jié)果表明，微波協(xié)助法比熱回流法得到的黃色素品質(zhì)更高。除此之外，還具有能耗低、操作方便等優(yōu)點。

1.7 揮發(fā)油 揮發(fā)油是中藥中非常重要的成分，某些活性成分能夠直接制成藥物。由于揮發(fā)油本身的特殊性，傳統(tǒng)的微波萃取技術(shù)在提取目標(biāo)產(chǎn)物的同時還容易提取植物中的蠟質(zhì)、色素等非目標(biāo)成分，并且有些溶劑與揮發(fā)油難以完全分離，很難滿足高度純化的要求。因此，相關(guān)學(xué)者發(fā)展了一系列技術(shù)，包括微波協(xié)助水蒸氣蒸餾、真空微波提取、微波水?dāng)U散與重力沉降、無溶劑微波提取和基質(zhì)協(xié)助微波提取等。

1.7.1 微波水蒸氣提取 微波水蒸氣提取是利用微波協(xié)助加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱方法。具體操作過程為，先將細(xì)胞內(nèi)的揮發(fā)油分離到細(xì)胞外的水相中，隨后揮發(fā)油被水蒸氣夾帶回流，該技術(shù)不但能夠?qū)]發(fā)油成分直接從提取物中與脂類等其他成分分離，還易于實現(xiàn)后續(xù)純化時的油水分離，解決了傳統(tǒng)微波萃取法中使用溶劑萃取帶來的操作復(fù)雜、溶劑殘留等問題，簡化了后續(xù)分離純化過程。王靜等[19]利用微波水蒸氣與水蒸氣蒸餾提取檸檬香蜂草精油，結(jié)果表明微波水蒸氣提取法得到的含氧化合物更多，精油品質(zhì)更好且經(jīng)濟(jì)價值更高。鄒小兵等[20]采用微波水蒸氣提取法提取八角茴香中的揮發(fā)油成分，并與水蒸氣蒸餾法進(jìn)行比較。結(jié)果表明，微波水蒸氣提取法的提取率與水蒸氣蒸餾法相同，但提取時間僅為水蒸氣蒸餾法的一半；微波水蒸氣提取法所得揮發(fā)油成分與水蒸氣蒸餾法相同，但含有較多的單萜類合氧化舍物，揮發(fā)油的主要成分反式一茴香腦的含量為水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油的1.5倍。

1.7.2 真空微波協(xié)助提取 真空微波協(xié)助提取指的是在真空條件下進(jìn)行的微波萃取。將體系抽成真空，隔絕氧氣，有效防止物質(zhì)的氧化，從而保證被提取物的品質(zhì)更接近于自然狀態(tài)，并且真空狀態(tài)下溶劑的沸點低于常規(guī)狀態(tài)下的沸點。因此，真空狀態(tài)下的提取環(huán)境相對溫和，更有利于熱敏性物質(zhì)的提取。陳寧[21]采用真空微波協(xié)助萃取提取大蒜中的大蒜素，微波輻射10 min后提取率即可達(dá)到0.243%，大大提高了提取物中大蒜素含量，且溶劑損耗較少。顯然，與傳統(tǒng)的溶劑萃取相比更簡單，真空微波協(xié)助提取法具有萃取時間短、成本低及萃取效率高等優(yōu)點。

1.7.3 水?dāng)U散-重力沉降微波協(xié)助提取 水?dāng)U散-重力沉降微波萃取指的是，微波直接作用于新鮮植物體，其內(nèi)部的水分能夠?qū)⒅参飪?nèi)的揮發(fā)油帶出細(xì)胞外，揮發(fā)油會隨著水分的重力作用向下匯集，并及時被冷卻、收集，揮發(fā)油因此富集，實現(xiàn)與植物體分離的目的。該方法不但能夠有效地將揮發(fā)油提取出來，而且避免了使用溶劑，減少了污染，節(jié)約了大量的能源和時間，能在15～20 min內(nèi)完成揮發(fā)油的提取。Maryline abert Vian[22]用該方法提取薄荷葉中的薄荷油。Bousbia等[23]還用相同的方法提取迷迭香中的揮發(fā)油，結(jié)果表明水?dāng)U散-重力沉降更易提取迷迭香中極性較高的含氧化合物。

1.7.4 無溶劑微波協(xié)助提取 無溶劑微波協(xié)助萃取指的是，在微波萃取過程中不需要添加任何溶劑，微波直接作用于植物細(xì)胞，植物自身的水分吸收微波后使細(xì)胞破壁，同時加熱提取體系，以此實現(xiàn)蒸餾提取的目的。這就要求采用該方法提取的植物須滿足一定的含水量，提取干植物時，則需對植物進(jìn)行浸泡或噴水等預(yù)處理。楊艷等[24]同時采用微波水蒸氣法和無溶劑微波協(xié)助法提取孜然精油。研究表明，兩者提取的孜然精油主要成分基本一致，與傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法相比，大大縮短了時間。而無溶劑微波協(xié)助提取法所需溶劑量僅為微波水蒸氣提取法的1/3～1/4，因此該法不僅縮短了提取時間，節(jié)省了溶劑，具有較穩(wěn)定的提取率重現(xiàn)性，同時精油中的枯茗醛含量和質(zhì)量品質(zhì)也相對較高。胡位榮等[25]比較了無溶劑微波法與水蒸餾法提取柚皮精油的產(chǎn)量，結(jié)果表明無溶劑微波協(xié)助提取果皮精油的總量及成分與水蒸氣蒸餾所得產(chǎn)物基本相同，但是微波提取可節(jié)省90%的時間和60%的能耗。

1.7.5 基質(zhì)協(xié)助微波提取 由于無溶劑微波協(xié)助提取對樣品本身具有一定的限制要求，因此，wang等[26]在無溶劑微波萃取的基礎(chǔ)上，添加對微波敏感的某種物質(zhì)以加快提取的過程，這一技術(shù)稱為基質(zhì)協(xié)助微波提取。該方法不但簡化了提取操作，還加快了體系升溫速度，提高了提取效率。除此之外，由于提取系統(tǒng)中不含水分，可降低揮發(fā)油水解反應(yīng)的機率。除了水和甲醇、乙醇等溶劑，能吸收微波的物質(zhì)有很多，如石墨、碳基鐵粉、活性炭粉、離子液體等。趙方方等[27]加入碳基鐵粉提取油料中的揮發(fā)油，與常規(guī)的無溶劑微波提取法相比更快捷，僅需20 min就能提取完全，明顯短于無溶劑微波法的50 min，而且能耗明顯小于無溶劑微波提取法?；|(zhì)微波協(xié)助提取法得到揮發(fā)油的氧化揮發(fā)物相對含量較多，更易于生成較多的香味物質(zhì)。孫曄使用離子液體-微波協(xié)助提取法提取陳皮、生姜中的揮發(fā)油，結(jié)果表明離子液體-微波協(xié)助提取與水蒸氣蒸餾和微波水蒸氣提取的成分相差不大，說明采用離子液體輔助微波提取是一種良好且快速的提取方法。由于離子液體的特點，該法還可以應(yīng)用于天然產(chǎn)物中黃酮、生物堿及內(nèi)酯等其他成分的提取[28]。

2 結(jié)論

與傳統(tǒng)提取技術(shù)相比，微波萃取技術(shù)設(shè)備簡單，成本較低，同時能夠節(jié)省溶劑，大大縮短提取時間，提高萃取效率，還有利于提取熱不穩(wěn)定的成分，對于揮發(fā)油等揮發(fā)性成分也有較好的提取效果，是天然產(chǎn)物提取的一個重要的技術(shù)。在使用微波萃取技術(shù)時，常常需要考慮以下幾個因素給萃取系統(tǒng)帶來的影響：①微波輻射功率和微波作用時間對提取率的影響(微波輻射功率決定達(dá)到溶劑沸點所需的時間和蒸氣速率)；②提取時間對目標(biāo)成分熱解和氧化的影響；③溶劑的種類和用量對提取效果的影響(溶劑不但要盡可能多地溶解目標(biāo)成分，還要保證在提取后期能盡量與目標(biāo)成分完全分離，保證目標(biāo)成分的純度與品質(zhì))。除此之外，研究者還需要考慮天然產(chǎn)物本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與含水量：需要考慮目標(biāo)成分是否容易受熱分解、氧化；天然產(chǎn)物的含水量是破壞細(xì)胞壁快慢的關(guān)鍵，但含水量過多，會增加目標(biāo)成分的水解機率。因此，在應(yīng)用微波萃取技術(shù)時應(yīng)考慮上述因素，有針對性地選擇最佳的提取工藝與條件，在保證提取物品質(zhì)的前提下，力求提取率的最大化，實現(xiàn)低耗高效的工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)。但是，微波萃取設(shè)備不能有效地防止微波泄漏成為制約該技術(shù)發(fā)展的一大因素，解決此技術(shù)問題，將會進(jìn)一步推動微波技術(shù)的工業(yè)化。隨著微波萃取設(shè)備與分析檢測儀器的在線聯(lián)用及自動化方面的發(fā)展，微波萃取將作為一種高效、節(jié)能的新方法為天然產(chǎn)物在食品、醫(yī)藥、保健品、化妝品等領(lǐng)域的進(jìn)一步開發(fā)利用提供強有力的技術(shù)支持。