微波萃取技術提取天然產物研究進展

張琳琳

(青島科技大學化工學院 266042)

微波萃取(microwave assisted extraction，MAE)又稱微波協助萃取。該技術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，進而使目標成分從基體或體系中分離出來，進入介電常數相對較小并且微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中，最終實現目標成分萃取分離的目的。 20世紀80年代匈牙利的Glanzler[1]首次提出微波萃取技術，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用。由于具備設備簡單、選擇性強、萃取效率高和節能環保等優點，近年來該技術受到廣泛的認同和關注，被廣泛應用于天然產物、食品和環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化生產制備手段發展，在天然產物有效成分的提取方面受到重點關注，并展開了廣泛的探討與研究，已涉及的天然產物有黃酮類、生物堿、多糖、苷類、有機酸、色素及揮發油等生物活性成分。

1 微波萃取的應用

1.1 黃酮類 黃酮類物質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氧自由基、改善血液循環、降血糖、促進傷口愈合等作用，在各個領域有著廣闊的應用前景。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助萃取黃酮工藝的優化。結果表明，采用微波萃取方法可以在短時間內提高提取效率，在相同時間內，采用微波協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的提取效率，發現微波萃取法優于另外兩種方法，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]采用響應面法分析綠茶總黃酮微波萃取最佳工藝條件，發現在優化條件下，綠茶中黃酮得率平均值為2.605 mg/g，并與傳統的索氏溶劑提取法進行了對比實驗，結果證明微波法提取時間短，黃酮得率高，明顯優于傳統方法，具有重要的應用價值。

1.2 生物堿類 生物堿是中草藥的重要成分之一。多數生物堿具備較復雜的含氮雜環結構和顯著的生理作用。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、節能、操作簡便。張勛等[7]采取超聲-微波協同萃取法、超聲溶劑提取法、傳統溶劑回流提取法提取蓮子心的總生物堿，結果顯示，超聲-微波協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)優于超聲萃取(10.820 mg/g)和超聲-微波聯用萃取(11.842 mg/g)；微波萃取與超聲-微波聯用萃取相比較，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提取法相比，在選擇性與提取時間上都表現出無可比擬的優越性。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。微波萃取法結果顯示，香椿多糖的提取率高達9.961%，與傳統的溶劑提取法相比不但節省時間24倍，并且大大提高了多糖的得率，比較適合應用于工業化生產。宋力等[10]以黑木耳為原料研究了水浴提取法、回流提取法、微波協助提取法、超聲波提取法等提取效果，結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]通過響應面法優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域的深入開發提供了參考依據。

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(苷元)連接形成的化合物，桔梗、遠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，總皂苷提取率達到0.26%，均高于傳統提取方法，是高效、節能、省時、操作簡單并且適合工業化生產的一種方法。初紅濤等[13]進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、提取功率等影響因素。結果表明微波單一作用時提取率高于超聲波的提取率；微波與超聲波聯合作用的方法(即超聲提取30 min后，再繼續用微波提取15 min)提取率最高，達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，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，在此基礎上，以微波時間、微波功率、料液比三個因素為影響因子，進行了響應面法優化實驗，結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、預防等藥理作用和保健功能。例如，花色素能夠清除體內氧自由基；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。可見，中藥天然色素的開發具有廣泛的市場前景和醫療保健應用價值。姚壯和[16]通過正交試驗對微波協助萃取芒果皮中的黃色素進行了工藝優化，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(色素質量/芒果皮質量)為5.1%。微波協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助萃取。結果表明，采用微波協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。當微波功率達到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助提取法。結果表明，微波協助法比熱回流法得到的黃色素品質更高。除此之外，還具有能耗低、操作方便等優點。

1.7 揮發油 揮發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。由于揮發油本身的特殊性，傳統的微波萃取技術在提取目標產物的同時還容易提取植物中的蠟質、色素等非目標成分，并且有些溶劑與揮發油難以完全分離，很難滿足高度純化的要求。因此，相關學者發展了一系列技術，包括微波協助水蒸氣蒸餾、真空微波提取、微波水擴散與重力沉降、無溶劑微波提取和基質協助微波提取等。

1.7.1 微波水蒸氣提取 微波水蒸氣提取是利用微波協助加熱代替傳統的加熱方法。具體操作過程為，先將細胞內的揮發油分離到細胞外的水相中，隨后揮發油被水蒸氣夾帶回流，該技術不但能夠將揮發油成分直接從提取物中與脂類等其他成分分離，還易于實現后續純化時的油水分離，解決了傳統微波萃取法中使用溶劑萃取帶來的操作復雜、溶劑殘留等問題，簡化了后續分離純化過程。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，精油品質更好且經濟價值更高。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油成分，并與水蒸氣蒸餾法進行比較。結果表明，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油的1.5倍。

1.7.2 真空微波協助提取 真空微波協助提取指的是在真空條件下進行的微波萃取。將體系抽成真空，隔絕氧氣，有效防止物質的氧化，從而保證被提取物的品質更接近于自然狀態，并且真空狀態下溶劑的沸點低于常規狀態下的沸點。因此，真空狀態下的提取環境相對溫和，更有利于熱敏性物質的提取。陳寧[21]采用真空微波協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，與傳統的溶劑萃取相比更簡單，真空微波協助提取法具有萃取時間短、成本低及萃取效率高等優點。

1.7.3 水擴散-重力沉降微波協助提取 水擴散-重力沉降微波萃取指的是，微波直接作用于新鮮植物體，其內部的水分能夠將植物內的揮發油帶出細胞外，揮發油會隨著水分的重力作用向下匯集，并及時被冷卻、收集，揮發油因此富集，實現與植物體分離的目的。該方法不但能夠有效地將揮發油提取出來，而且避免了使用溶劑，減少了污染，節約了大量的能源和時間，能在15～20 min內完成揮發油的提取。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油，結果表明水擴散-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 無溶劑微波協助提取 無溶劑微波協助萃取指的是，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胞，植物自身的水分吸收微波后使細胞破壁，同時加熱提取體系，以此實現蒸餾提取的目的。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，則需對植物進行浸泡或噴水等預處理。楊艷等[24]同時采用微波水蒸氣法和無溶劑微波協助法提取孜然精油。研究表明，兩者提取的孜然精油主要成分基本一致，與傳統的水蒸氣蒸餾法相比，大大縮短了時間。而無溶劑微波協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，節省了溶劑，具有較穩定的提取率重現性，同時精油中的枯茗醛含量和質量品質也相對較高。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量，結果表明無溶劑微波協助提取果皮精油的總量及成分與水蒸氣蒸餾所得產物基本相同，但是微波提取可節省90%的時間和60%的能耗。

1.7.5 基質協助微波提取 由于無溶劑微波協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上，添加對微波敏感的某種物質以加快提取的過程，這一技術稱為基質協助微波提取。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，由于提取系統中不含水分，可降低揮發油水解反應的機率。除了水和甲醇、乙醇等溶劑，能吸收微波的物質有很多，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油，與常規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。基質微波協助提取法得到揮發油的氧化揮發物相對含量較多，更易于生成較多的香味物質。孫曄使用離子液體-微波協助提取法提取陳皮、生姜中的揮發油，結果表明離子液體-微波協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，該法還可以應用于天然產物中黃酮、生物堿及內酯等其他成分的提取[28]。

2 結論

與傳統提取技術相比，微波萃取技術設備簡單，成本較低，同時能夠節省溶劑，大大縮短提取時間，提高萃取效率，還有利于提取熱不穩定的成分，對于揮發油等揮發性成分也有較好的提取效果，是天然產物提取的一個重要的技術。在使用微波萃取技術時，常常需要考慮以下幾個因素給萃取系統帶來的影響：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到溶劑沸點所需的時間和蒸氣速率)；②提取時間對目標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成分，還要保證在提取后期能盡量與目標成分完全分離，保證目標成分的純度與品質)。除此之外，研究者還需要考慮天然產物本身的結構性質與含水量：需要考慮目標成分是否容易受熱分解、氧化；天然產物的含水量是破壞細胞壁快慢的關鍵，但含水量過多，會增加目標成分的水解機率。因此，在應用微波萃取技術時應考慮上述因素，有針對性地選擇最佳的提取工藝與條件，在保證提取物品質的前提下，力求提取率的最大化，實現低耗高效的工業化生產目標。但是，微波萃取設備不能有效地防止微波泄漏成為制約該技術發展的一大因素，解決此技術問題，將會進一步推動微波技術的工業化。隨著微波萃取設備與分析檢測儀器的在線聯用及自動化方面的發展，微波萃取將作為一種高效、節能的新方法為天然產物在食品、醫藥、保健品、化妝品等領域的進一步開發利用提供強有力的技術支持。