微波輔助提取揮發油的研究進展

鄒小兵， 陶進轉， 夏之寧*， 蔣宏貴

（1.重慶大學化學化工學院，重慶 400030;2.重慶大學生物工程學院，重慶 400030）

揮發油，又稱精油，存在于植物的特殊分泌組織中（如薄荷的腺毛、小茴香的油管、橘皮和丁香的油室等），主要含脂肪族、芳香族和萜類三大類化合物。由于揮發油的獨特性、合成香料無法代替的天然芳香氣味和藥理作用，在食品、化妝品和醫療等行業有廣泛的應用［1-5］。

傳統的揮發油提取技術（如水蒸氣蒸餾、壓榨、溶劑萃取）能耗高、提取時間長、提取效率低、后處理過程復雜。新型的提取技術如超臨界流體萃取、超聲波萃取、微波輔助提取得到迅速發展。

2004年Chemat根據微波輔助提取植物成分的機理［6］，結合水蒸氣蒸餾 （Hydro-distillation，HD）的提取原理，提出了一系列微波輔助提取揮發油技術［7-10］。此后不斷有新的改進型微波輔助提取揮發油技術［11，12］的報道。微波輔助提取揮發油技術的最大特點在于微波的能量利用率高、提取速率快、得率高。由于微波的提取時間短，降低了揮發油的熱降解、氧化的可能性，所得的揮發油氣味芳香逼真。本文從提取機理、特點、技術研究進展及應用等四個方面對微波輔助提取揮發油進行綜述。

1 提取機理

微波可以透過細胞壁，而直接作用于細胞內極性分子，導致細胞內部溫度升高，使揮發性物質迅速汽化，細胞膨脹。當細胞內部壓力大于細胞膨脹系數時，細胞壁發生破裂，揮發油從細胞內逸出。微波的這種內加熱的方式，使細胞內傳熱和傳質方向一致——同為由內向外，具有協同效應，加快了提取速率、縮短了提取時間［7，13］。

植物的腺細胞以內外兩種腺體形式存在，外腺體皮薄容易被破壞。在微波作用下，外腺體的揮發油一般先于內腺體而被提取。微波提取動力學速率與時間關系研究表明，在植物中提取揮發油可分為三個階段［14］。第一階段:恒速提取外腺體的揮發油;第二階段:提取速率下降，原因是外腺體的揮發油逐漸被提取，而內腺體揮發油由內向外擴散至植物表皮層;第三階段:提取速率先逐漸升高后降低直至為零，此階段提取已擴散至表皮層的揮發油。

電鏡掃描發現，經過微波輔助提取后的植物細胞收縮、形態干癟，說明細胞內部成分已被有效提取［7，13］。Iriti等［15］利用微波輔助提取熏衣草葉子的揮發油，考察了提取后的植物細胞形態。研究結果表明微波輔助提取的熏衣草葉子外腺體揮發油排空，且有少量的揮發油黏附在細胞的外壁。

2 特點

與傳統水蒸氣蒸餾（Hydro-distillation，HD）相比，微波輔助提取的揮發油特點見表1。從表1可以看出，兩種方法提取的成分相同、得率約相等，不同的是成分的相對含量。微波輔助提取得到的揮發油中含氧化合物的相對含量高于HD提取的［16，17］。原因微波在較短的時間內提取揮發油，減少了揮發油在高溫下經長時間提取而導致含氧化合物發生熱解［18］、水解［19］、氧化［11］等反應，從而保持了揮發油的天然品質。而HD的提取溫度較高，提取時間較長，致使揮發油外觀與氣味發生了顯著變化［20］。

表1 微波輔助提取與水蒸氣蒸餾提取比較

3 提取技術

根據提取時是否添加溶劑，微波輔助提取揮發油技術可分為添加溶劑的微波輔助提取與無溶劑的微波輔助提取兩大類。其中，無溶劑的微波輔助在提取過程中避免提取植物與溶劑的直接接觸，有效降低了揮發油水解的機率，極大地改進了微波輔助提取揮發油的效果。

3.1 添加溶劑的微波輔助提取技術 添加溶劑的微波輔助提取技術包括微波輔助萃取（Microwave Assisted Extraction，MAE）與微波輔助水蒸氣蒸餾（Microwave Assisted Hydro-distillation，MAHD）。在微波作用下，腺細胞破壁后，細胞內揮發油逸出并擴散至溶劑中。另外，在熱的作用下，溶劑分子滲進細胞內萃取胞內揮發油。

3.1.1 微波輔助萃取（Microwave Assisted Extraction，MAE）

MAE的提取揮發油工藝一般為:微波輻射植物→分離植物與溶液→分離溶劑與揮發油→得揮發油。隨著提取的進行，細胞內外揮發油濃度達到平衡，不利于提取。改善此狀態可通過更換溶劑建立新的提取體系［21，22］。MAE的提取體系包括敞開體系和密閉體系。在敞開體系中，為了防止因蒸汽壓過大而使溶劑揮發、濺出，而實行間歇性的微波輻射［23］或采用回流提取方式。密閉體系的提取體系，可連續地接受微波輻射，操作較簡單。

溶劑的極性影響提取效果［24］。具有一定介電常數的極性溶劑能較好地吸收微波能，但同時也減弱微波的穿透性，降低微波對細胞的作用，從而影響細胞破壁的效果［25］。對微波透明的非極性溶劑不僅能較好地溶解極性較弱的揮發油促進提取［26］，還能冷卻揮發油從而降低提取體系的蒸汽壓。張寒琦小組［27，28］選用密閉體系，在非極性溶劑中加入一種能夠吸收微波的固體介質保證提取所需的溫度。結果表明此方法溶劑用量少，得率較高。Paré等［29，30］提出了一種在密閉體系中利用非極性溶劑提取，提取后的溶劑將分離再循環使用。

MAE設備簡單、提取完全［31］，但主要的缺點來源于揮發油與其它提取組分以及提取溶劑的分離。因為這種方法容易提取植物中的蠟質、色素和類脂等物質，溶劑與揮發油難以完全分離而使揮發油難以純化;操作復雜，容易損失低沸點的成分而降低得率。

3.1.2 微波輔助水蒸氣蒸餾（Microwave Assisted Hydro-distillation，MAHD）MAHD是利用微波輔助加熱代替傳統加熱的水蒸氣蒸餾技術［7］（如圖1所示），它先從細胞內提取揮發油至細胞外的水相中。根據水蒸氣蒸餾提取的原理，揮發油與水形成共沸物，被水蒸氣夾帶至揮發油測定器。這種通過回流收集揮發油除了直接把揮發油從提取物中與脂類物質分離外，還易于實現油水分離，解決了MAE溶劑萃取的操作復雜、溶劑殘留等問題，后續分離純化過程簡單。

圖1MAHD提取裝置示意圖

Taghi［7］利用MAHD與HD的提取百里香揮發油，兩種技術提取的成分并無差異，說明微波輻射不改變揮發油的成分。但MAHD的提取時間是HD的一半，只提高了提取速率。Presti等［32］采用 MAHD、HD、超臨界流體萃取、有機溶劑正己烷-丙酮（70:30）萃取等技術提取迷迭香揮發油。結果表明MAHD得到的含氧化合物居多。

Flamini等人［33］對MAHD技術進行了改進，將微波輻射源直接置于提取瓶內部，通過攪拌，植物能均勻地受到微波輻射。這種MAHD技術具有通用性強和價格便宜等優點，易于實現工業化生產。

采用MAHD的不足之處有:（1）極性水分子與揮發油的相容差，難于完全提取揮發油至水相中，導致提取效率降低;（2）揮發油的熱敏性強，一些不穩定成分易發生水解或酯化反應生成二次產物，改變揮發油品質。

3.2 無溶劑的微波輔助提取技術

3.2.1 無溶劑微波輔助提取技術（Solvent Free Microwave Extraction，SFME）Chemat于2004年提出了常壓下的無溶劑微波提取（Solvent Free Microwave Extraction，SFME）［8］，其提取裝置與MAHD相同。SFME在提取過程中，無需加任何溶劑，微波直接輻射植物細胞并使其破壁，由植物自身的水分作為夾帶劑進行提取。因此，SFME提取的植物須含一定水分，對于提取干植物則需將植物浸泡或噴水等預處理。

影響SFME的參數主要有微波輻射功率、提取時間和植物的含水量，3個因素均影響成分的相對含量。微波輻射功率決定達到水的沸點所需要的時間和蒸氣的速率，但功率過高不利于揮發油的收集;提取時間是影響揮發油熱解、氧化的重要因素;植物的含水量是破壞細胞壁快慢的關鍵，但植物含水量越多，導致提取體系的含水量也越多，增大揮發油的水解機率。Lucchesi等［34］在提取干豆蔻的揮發油實驗發現:在功率為250 W、豆蔻含水量為52.00%的條件下，揮發油的主要成分1，8-桉油素的含量與提取時間成正比，而另一成分α-萜品醋酸酯的含量與提取時間成反比;在功率為340 W、豆蔻含水量為38.00%的情況下，1，8-桉油素的含量與提取時間成反比，而α-萜品醋酸酯含量與提取時間成正比。

寧洪良等［35］采用SFME與MAHD兩種提取技術提取了干花椒揮發油，考察了提取體系的含水量對得率的影響。在相同時間內，對于含水量為60.00%花椒，SFME的得率是MAHD的1.43倍。說明提取體系含水量過大，不僅減弱微波的穿透性影響提取，還會增大揮發油在水中的擴散，造成提取體系的氣液相達到平衡時難以提取揮發油。

SFME的提取還與植物的形態有關。Lucchesi等［36］提取了三種植物形態不同的印度藏茴香、小茴香和八角茴香的揮發油。研究表明:顆粒較小的印度藏茴香和小茴香揮發油的得率較高，說明SFME有利于提取顆粒較小植物中的揮發油。

3.2.2 改進型的無溶劑微波輔助提取技術 （Improve-SFME，I-SFME） 張寒琦小組［11，37，38］在 SFME 技術的基礎上提出了一種有利于提取干植物的揮發油的改進型無溶劑微波輔助提取技術（Improve-SFME，I-SFME），其加入一種能夠吸收微波的固體作為加熱介質，在短時間內使提取體系達到提取所需的溫度。目前，采用的微固體介質有石墨（GP）、羰基鐵粉（CIP）、活性碳（ACP）。在同樣的提取條件下，GP在45 s內達到提取體系所需溫度，CIP需55 s，ACP需65 s［37］。

SFME與I-SFME通過減少提取體系的含水量降低揮發油水解反應的機率，但與此同時提取體系中的水又可阻止揮發油與氧接觸使成分氧化的機率變小［38］。汪子明等［11］以I-SFME（30 min）、SFME（50 min）、MAHD（90 min）和HD（180 min）四種技術提取干孜然芹和干花椒的揮發油。研究結果表明提取體系含水量最少的I-SFME，得到孜然芹揮發油中的長葉薄荷酮和花椒揮發油中的β-萜品醇兩種氧化產物的含量最高;孜然芹揮發油中的水解產物α-丙基-苯丙醇隨提取時間和提取體系的含水量的增高而增大。

3.2.3 水擴散-重力沉降微波輔助提取（Microwave Hydrodiffusion and Gravity，MHG）SFME在沒有一定水蒸氣作為攜帶劑，收集時需額外消耗能量使揮發油至冷卻裝置，在較低功率難以收集揮發油。Viana［12］于2008年提出的水擴散-重力沉降微波輔助提取（Microwave Hydro-diffusion and Gravity，MHG）可改善此問題。MHG的收集裝置在微波反應器的下方（如圖2所示）。揮發油通過重力作用順著提取瓶口往下流并及時被冷卻、收集。與其它微波輔助提取技術相比，MHG的特殊收集方式使其在15～20 min內可完成提取［39，40］。

MHG提取的揮發油在氣味和成分的相對含量上與壓榨法提取較相近，證明了MHG不改變揮發油的成分。Bousbia等［39］還用相同的方法提取迷迭香揮發油，成分的相對含量表明MHG更易提取迷迭香中極性較高的含氧化合物。

圖2 MHG提取裝置示意圖

圖3 MASD提取裝置示意圖

3.2.4 微波快速蒸汽提取（Microwave Accelerated Steam Distillation，MASD）MASD在于提取瓶中增加了聚四氟乙烯網孔隔板把水和植物分開（如圖3所示），避免了水與植物直接接觸。水蒸氣穿過植物，對揮發油起到攜帶作用。MASD與普通蒸氣蒸餾（Steam Distillation，SD）提取技術相比，具有快速高效等特點。Chemat等［9］以MASD和SD兩種技術提取了熏衣草的揮發油，而MASD提取10 min與SD提取90 min的得率相當。

MHG與MASD通過外力的作用使揮發油在較短時間內與提取體系分離，降低了揮發油的熱解反應。

3.3 其它 在無溶劑微波輔助提取中，通入氣流可加快揮發油的導出［41］。以氣體作溶媒，通過改變氣體的種類、極性、壓力可提取不同植物中揮發油［42］。但常規的冷凝收集不完全，導致氣體的排放帶走部分揮發油。芳香捕獲劑吸附揮發油，能達到使揮發油與氣體分離的目的。鄭福平等［43-44］使用聚焦微波通入氣體提取，以活性碳吸附收集揮發油。這種無溶劑微波輔助提取稱為微波加熱吹氣吸附提取技術。

表2 不同種微波輔助提取揮發油技術在提取同一種植物揮發油的應用

SFME技術的發展潛力大，與其他萃取技術聯用在線提取、富集揮發油更加簡單快速［45，46］，可收集到更多成分。郁穎佳等［47］結合SFME與頂空固相微萃取（HS-SPME）兩種技術提取干紅花的揮發油。GC/MS分析結果表明，HS-SPME/SFME比HD技術多提取了14種成分。

（續表2）

4 應用

微波輔助提取技術廣泛應用于揮發油的提取，目前報道的提取植物涵蓋唇形科、蕓香科、木蘭科、姜科、傘形科、菊科和樟科等富含芳香油的植物。

不同微波輔助提取技術提取同一植物揮發油的主要成分見表2。不同的微波輔助提取技術提取相同產地、相同植物揮發油，得到的成分基本相同;但由于植物的產地不同或植物干濕狀態（在干燥過程中損失了部分的揮發油）等因素，導致采用相同的微波輔助提取技術得到揮發油的主要成分和成分含量也不盡相同。另外，由于提取技術的顯著差異性，也會導致不同種提取技術得到不同的主要成分。

5 結論與展望

微波輔助提取作為一種節能、高效、提取植物高品質揮發油的新技術，在植物開發與中藥現代化中仍有很大的發展空間。無溶劑的微波輔助提取技術有向多元化發展的趨勢，像裝置的自動化、與其他前處理技術在線聯用等，如與固相微萃取或液相微萃取聯用，實現揮發油提取和成分分析的連續操作。這種聯用技術亦用于提取食品中的農藥，環境污染物等具有揮發性的痕量物質，擴大了微波輔助提取揮發油技術的應用范圍。

另外，如何避免揮發油在提取過程中發生的化學反應;發揮微波在加熱原理和提取機制上的優勢，研究和開發新的提取技術和裝置等，在今后的一段時間內，仍然是天然產物提取、乃至分離科學與技術研究的一個熱點。

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