微波萃取原理及其在中草藥有效成分提取中的應用

吳龍琴，李 克

（中國人民解放軍南京軍區南京總醫院檢驗科，江蘇 南京 210002）

如何充分提取中草藥的有效成分、提高其利用率和臨床療效，是中草藥現代化面臨的主要課題和重要任務。常用的中草藥有效成分提取方法有浸泡法、滲漉法、回流法、壓榨法等。這些傳統的提取方法雖已使用多年，但仍存在一些不足和缺陷，如有效成分提取不完全，溶劑和能源消耗量大，有效成分在提取過程中易損失，以及一些中草藥成分在空氣中或在加熱條件下易被氧化和破壞，或某些中草藥所含有的生物酶在提取過程中會催化一些有效成分的降解等。因此，新的提取技術如超聲提取技術[1]、超臨界流體萃取技術[2]、半仿生浸取技術[3]、生物酶技術[4]及微波萃取技術等的研究日趨活躍。其中，微波萃取技術因其具有設備要求較低、操作方便、提取效率高、能耗小等優點，且符合現代綠色環保要求，故逐漸成為環境分析、生化分析、食品分析、化工分析及天然產物提取等[5－9]領域研究的熱門課題之一。筆者擬就微波萃取原理及其特點，以及近年來該技術在中草藥有效成分提取的應用研究和進展作一綜述。

1 微波萃取原理

微波是指頻率在300MHz～300 GHz，即波長在1～1 000mm之間的電磁波。微波以直線方式傳播，具有反射、折射、衍射等光學特性。微波遇到金屬時會被反射，但遇到非金屬物質時則能穿透或被吸收。常規加熱是由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導方式加熱，而微波加熱則是材料在電磁場中由介質吸收引起的內部整體加熱，即將微波電磁能轉變成熱能，其能量通過空間或介質以電磁波的形式傳遞，物質的加熱過程與物質內部分子的極化有著密切關系。由于不同物質的介電常數不同，其吸收微波能的程度不同，由此產生的熱能及傳遞給周圍環境的熱能也不同。在微波場中，吸收微波能力的差異使基體物質的某些區域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質從基體或體系中分離，進入到介電常數較小、微波吸收能力相對較差的萃取劑中[10]。

就細胞破碎的微觀角度而言，微波加熱可導致細胞內的極性物質，尤其是水分子吸收微波而產生的大量熱能，使胞內溫度迅速上升，細胞內液態水汽化產生的壓力將細胞膜和細胞壁沖破，形成微小孔洞。持續加熱，導致細胞內部和胞壁水分進一步減少，細胞收縮，表面孔洞加大或出現裂紋，使胞外溶劑容易進入細胞內，溶解并釋放出胞內產物[11]。

2 微波萃取的特點

微波萃取是利用微波快速加熱的特性，并結合傳統溶劑提取法而形成的一種針對固體樣品成分提取的新萃取技術。與傳統中草藥提取方法相比，微波萃取具有以下特點：1）瞬間產生高溫，浸提時間短。在高頻微波的作用下，溶質和溶劑中的偶極分子產生偶極渦流、離子傳導和高頻率摩擦，從而在極短時間內產生極大的熱量。同時，偶極分子旋轉所導致的弱氫鍵破裂以及離子遷移等還加速了溶劑分子對樣品基體的滲透，使待提取物很快溶劑化，從而顯著縮短萃取時間。2）加熱均勻。微波加熱是通過透入物料內部的微波能量被物料吸收，再轉換成熱能使物料加熱，這種能量傳遞是通過空間或介質以電磁波的形式來傳遞，物料的表里溫升均勻，形成無溫度梯度加熱[12]。3）微波能量利用率高。常規加熱設備的能耗主要有物料升溫的熱損失、設備預熱及向外界散熱的損失，后兩項的熱損失占總能耗的比例很大，使常規加熱能量利用率較低。微波加熱時，主要是物料吸收微波能，金屬材料只能反射而不能吸收微波。因此，微波加熱設備的熱損失僅占總能耗的極少部分。再加上微波加熱不需要高溫熱介質，絕大部分微波能量被物料吸收轉為升溫的熱量，形成能量利用率高的加熱特征。4）伴隨產生生物效應[13]。微波加熱過程中除產生熱效應外，還可伴隨產生生物效應（非熱效應）。由于生物體內的水分是極性分子，在微波的交變電磁場作用下引起強烈的極性震蕩，導致細胞分子間氫鍵松弛，細胞膜結構破裂，加速了溶劑分子對基體的滲透和待提取成分的溶劑化。同時，在微波場中吸收微波能力的差異，可使得基體物質的某些區域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，在極短時間內使細胞膜破裂，從而使被萃取物質從基體或體系中分離，進入到介電常數較小，微波吸收能力相對較差的萃取劑中，這大大縮短了萃取時間，提高了萃取效率。5）安全環保。微波萃取過程中，無有害氣體排放，不產生余熱和粉塵污染。

3 微波萃取與其他常用提取方法的比較研究

研究證明，微波萃取技術應用于中草藥有效成分的提取比其他傳統提取方法有明顯的優勢。在大黃有效成分的提取中，微波萃取方法要比其他常用提取方法（索氏提取法、超聲提取法、水煎法）效率明顯提高。微波5min時的提取率即已超過超聲提取法60min時的提取率；15min時的提取率已接近索氏提取法和水煎法2h時的提取效果[14]。決明子中總蒽醌提取工藝比較顯示，微波萃取法提取率是超聲提取法的16倍，是索氏提取法的3倍，是水煎法的1.1倍。用微波萃取僅5 min時就已超過超聲提取1h時的提取率，15 min時已達到或接近索氏提取2h和水煎法的提取效果[15]。彭湘君等[16]以總黃酮的含量為考察指標，分別采用常規回流提取法、超聲提取法、微波輔助萃取法及索氏提取法對山豆根進行提取。結果發現，4種提取方法中，常規回流提取法所得總黃酮含量最高，微波輔助萃取法和超聲提取法次之，索氏提取法總黃酮含量最低。但常規回流提取法所需時間通常為3～4h，而微波輔助萃取法只需30 min左右即可完成提取。Szentmihalyi等[17]利用微波萃取技術從廢棄的薔薇果種子中提取有醫用價值的野玫瑰果精油。通過對超聲提取、微波萃取及超臨界萃取3種方法的對比研究發現，3種方法萃取率分別為16.25％～22.11％，35.94％～54.75％和20.29％～26.48％，其中微波萃取效果最好。

微波輔助提取法不僅提取效率高，而且還綠色環保。提取過程無污染，溶劑耗量減少，能有效節省能源。對采用微波輔助提取法提取黃花蒿中青蒿素的結果與索氏提取法、超臨界二氧化碳提取法以及加熱攪拌提取法進行比較發現，微波輔助提取不僅能極大地提高提取速率，而且還能減少有機溶劑用量，溶劑回收率也較高[18]。綜合考慮，微波萃取法與其他常用提取方法相比，具有高效、省時、節能的優點，且提取效果好。

4 微波萃取在中草藥有效成分提取上的應用

4.1 生物堿類

生物堿為生物體內一類含氮有機物的總稱，是中草藥有效成分之一。近年來，微波提取或微波輔助萃取技術應用于中藥生物堿提取的報道逐漸增多。

馬燮等[19]采用微波輔助萃取法對蛇足石杉總生物堿進行提取研究，并就微波萃取參數對試驗結果的影響進行了比較。與傳統的浸提提取工藝相比，微波輔助萃取技術可使總生物堿的回收率提高15.7％。張永鈺等[20]以山核桃蒲殼總生物堿得率為指標對傳統浸提法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法進行了正交實驗比較，結果顯示，3方法中微波輔助提取山核桃蒲殼總生物堿的得率最高，約為傳統浸提法的2倍。這一方面是由于微波使細胞破壁－微波所產生的電磁場加速了生物堿向提取溶劑快速擴散而進入提取液中；另一方面，由于微波的作用，偶極分子以每秒24.5億次的頻率旋轉運動、摩擦碰撞導致弱氫鍵破裂、離子遷移，加速了溶劑分子對藥材顆粒的滲透，使提取物很快溶劑化，顯著縮短提取時間，方便快捷的提取有效成分。

4.2 揮發油類

揮發油又稱精油，存在于植物的特殊分泌組織中，主要含脂肪族、芳香族和萜類三大類化合物。由于揮發油的特性，合成香料無法代替其天然芳香氣味和藥理作用。近年來，為了有效地提取揮發油，開始嘗試應用微波萃取法提取植物揮發油。Balasubramanian等[21]設計連續微波萃取系統從珊藻中提取揮發油，并將萃取條件優化，在95℃的條件下提取30 min，揮發油的萃取率可達77％。朱曉楠等[22]用非極性溶劑（正己烷）微波輔助萃取肉桂中的揮發油成分，并用氣相色譜－質譜聯用研究組分結構，結果顯示，微波輔助萃取所得的揮發油組分與用水蒸汽蒸餾所得的揮發油組分的種類和相對含量均比較接近，未發現因加入了微波吸收介質而產生新的化合物，這表明在微波輔助萃取法提取肉桂揮發油組分的過程中，所用的微波吸收介質僅作為熱源加熱樣品，并未作為反應物與樣品中的任何組分發生化學反應。

4.3 黃酮類

大部分中草藥中含有黃酮類成分，具有降壓、降血脂和抑制血小板聚集等功能。采用微波萃取黃酮類化合物具有明顯的高效性和高選擇性特點，其應用已日漸廣泛。

金錢草中主要有異鼠李素、山奈酚、槲皮素等黃酮類物質，傳統多采用醇回流法提取其中總黃酮，但提取率不高。陶鋒等[23]采用正交試驗優化微波萃取法提取金錢草中黃酮類成分，結果提取效果明顯改善。用傳統醇回流法耗時超4h，而微波萃取法只需30min即可完成，且提取率較醇提取法提高了80％。馮怡等[24]比較了微波萃取技術和傳統水煎提取法用于葛根、羅布麻葉、紫花地丁中總黃酮的提取率。結果顯示，微波萃取方法最大提取率大于常規水煎法，且用時短，一般提取20min左右效果即與水煎1h時相當。微波萃取法提取沙棘黃酮工藝也顯示，在提取時間、溶劑用量和得率等方面比較，微波萃取黃酮類化合物均明顯優于傳統醇回流法，可用于工業化生產[25]。微波提取黃酮類組分時，在樣品處理中，不宜使用大量的水，因大量水分會吸收較多微波能，阻礙藥材對微波的吸收。而且提取溫度不宜太高，否則易使原料暴沸或有效成分發生變性[26]。

4.4 苷類

皂苷是一類重要的中草藥活性成分，目前其活性研究已經從溶血、抗生育等方面轉向更有應用前景的抗癌、心血管活性、調節免疫以及降血糖等方面。因此，皂苷類有效成分的提取是一項值得研究的課題。試驗顯示，在微波萃取中草藥有效成分時，采用不同的衡量指標，影響萃取效果的常用參數會出現差異。如采用正交試驗法研究微波輔助萃取技術萃取復方雙黃連組方有效成分影響因素，以黃芩苷為衡量指標時，微波功率、水量、提取時間、物料破碎度、提取次數五個因素中，對黃芩苷提取率影響最大的是提取次數；而以連翹苷為衡量指標時，提取率最大的影響因素則是微波功率[27]。在微波提取黃芪皂苷的條件中，液料質量比是影響提取過程的一個重要因素。液料質量不宜過小，否則，提取過程中液相濃度增加快，使傳質推動力衰減加快，影響兩相的混合情況。尤其在攪拌不充分的情況下，會改變表觀傳質系數，從而影響傳質速率。而液料質量比的提高會在較大程度上提高傳質推動力，但也提高了生產成本及后續處理的難度，所以液料質量比也不宜過高[28]。

4.5 多糖類

多糖是一類具有顯著生物活性的物質，在生物體內，多糖不僅提供能量和參與結構，同時參與細胞的各種活動，具有抗腫瘤、消炎、抗病毒、降血壓、降血脂、抗衰老、抗凝血、免疫調節等方面的作用。近年已有學者采用微波技術進行中草藥多糖類化合物的提取，但與中草藥其他組分的提取相比，多糖類的提取工藝中，微波功率不易過高。當有效成分的性質決定其不適于直接用微波法進行萃取時，微波輔助萃取為一個好方法。例如多糖類成分提取中，微波直接萃取易引起多糖糖鏈的裂解，使其糊化[29]。但將微波技術應用于含多糖部位的植物細胞破壁，便能大大加快反應速度，有效提高多糖的提取率。微波輔助萃取法提取銀耳多糖研究發現，當微波萃取功率大于600W時，多糖提取率逐漸降低[30]。這說明較大的微波功率會導致多糖的分解，但并不影響微波工藝的優越性。熱水直接提取6h，銀耳多糖的提取率為10.94％，而經過微波預處理后的銀耳，只需提取2h，所得到的銀耳多糖的提取率均可達10％以上。采用微波工藝提取板藍根多糖，與未經微波處理的結果相比，板藍根粗多糖得率和多糖質量分數分別提高12.4％和5.8％[31]。

5 結語

微波萃取技術應用于中草藥有效成分的提取，具有穿透力強、選擇性高、反應速度快、溶劑消耗低、污染小，以及設備簡單、提取收率高等優點，已成為當前和今后樣品新型前處理技術研究的熱點之一。盡管如此，微波萃取及微波輔助萃取技術的研究和應用尚不完善，對藥物成分提取仍存在一些限制。如對富含揮發性物質、淀粉或樹膠的天然植物尚不適合微波干燥，對熱不穩定物質，如蛋白質、多肽、酶等，因微波加熱可能導致變性或失活而不宜使用。此外，盡管微波萃取技術在中草藥有效成分提取的應用已開始從實驗室推向生產，但在大規模工業化生產中的應用尚不多見。這些都有待進一步研究和突破，以使微波萃取這項具有獨特優勢的技術，在中草藥有效成分提取方面得以更加有效地發展和應用。

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