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    微波萃取技術在天然產物提取中的應用

    2013年06月23日

     

    天然產物中化學成分的提取是一件耗時、耗能又費溶劑的工作。目前傳統的提取方法有溶劑提取法和水蒸氣蒸餾法,常用的溶劑提取法有索氏提取法和回流提取法等,它們均存在被提成分損失大、周期長、工序多、提取率不高等缺點,已不適應時代發展的需要,特別是在中草藥有效成分提取過程中已暴露出許多缺點。隨著科學技術的發展,一批新技術、新設備應運而生,如超聲波萃取(SE)、超臨界流體萃取(SFE)等。超聲波萃取目前仍較多用于實驗室,SFE由于設備復雜,運行成本高,提取范圍有限等問題應用受到限制,而微波萃取技術則異軍突起。

    微波萃取,即微波輔助萃取(Mi?crowave-assisted extractionMAE),是用微波能加熱與樣品相接觸的溶劑,將所需化合物從樣品基體中分離,進入溶劑中的一個過程。1986年,Ganzler等人首先報道了微波用于天然產物成分的提取。十多年來,此項技術已廣泛應用于食品、生物樣品及環境樣品的分析與提取。本文將對微波萃取技術的機理、特點和在天然產物提取中的應用作一綜述,并展望其發展趨勢及應用前景。
    微波萃取的原理
      微波是一種頻率在300MHZ300GHZ之間的電磁波,它具有波動性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。常用的微波頻率為2450MHZ。微波加熱是利用被加熱物質的極性分子(如H2OCH2Cl2等)在微波電磁場中快速轉向及定向排列,從而產生撕裂和相互摩擦而發熱。傳統加熱法的熱傳遞公式為:熱源器皿樣品,因而能量傳遞效率受到了制約。微波加熱則是能量直接作用于被加熱物質,其模式為:熱源樣品器皿。空氣及容器對微波基本上不吸收和反射,這從根本上保證了能量的快速傳導和充分利用。
      Pare等提出假設:微波透過對微波透明的溶劑,到達植物物料內部維管束和腺細胞內,細胞內溫度突然升高,連續的高溫使其內部壓力超過細胞空間膨脹的能力,從而導致細胞破裂;細胞內的物質自由流出,傳遞到周圍被溶解。微波可選擇性加熱不同極性分子和不同分子的極性部分,從而使其從中分離,進入到介電常數較小、微波吸收能力相對較差的溶劑中,從而有效成分被提取。
      自Pare提出微波破壁的假設以來,已有一些學者提出了反對意見。有學者通過對新鮮銀杏葉微波輔助提取后微觀結構的變化觀察發現,植物細胞結構發生較為明顯的變化,主要表現在有質壁分離現象,細胞器、淀粉粒等胞內物質被破壞,但微波輔助提取沒有使細胞壁破裂。
      無論微波破壁與否,微波對極性物質的提取的優越性,已得到了眾多研究者的肯定。
    微波萃取的特點
      微波萃取技術作為一種新型的萃取技術,有其獨特的特點。首先體現在微波的選擇性,因其對極性分子的選擇性加熱從而對其選擇性的溶出。其次MAE大大降低了萃取時間,提高了萃取速度,傳統方法需要幾小時至十幾小時,超聲提取法也需半小時到一小時,微波提取只需幾秒到幾分鐘,提取速率提高了幾十至幾百倍,甚至幾千倍。最后,微波萃取由于受溶劑親和力的限制較小,可供選擇的溶劑較多,同時減少了溶劑的用量。另外,微波提取如果用于大生產,則安全可靠,無污染,屬于綠色工程,生產線組成簡單,并可節省投資。
    微波萃取的應用
      鑒于以上優點,微波萃取技術越來越受到科技工作者的重視。采用該技術提取的成分已涉及生物堿類、蒽醌類、黃酮類、皂苷類、多糖、揮發油、色素等,下面就各成分的提取逐一介紹。
      1、生物堿類
      Ganzler等從羽扇豆種子中提取金雀花堿(斯巴丁),與傳統的振搖提取法比較,微波法提取物中斯巴丁含量比振搖法高20%,而且速度快,溶劑消耗量也大大減少。
      有學者研究微波技術對麻黃中麻黃堿浸出量的影響,比較了微波提取與常規煎煮方法的優劣,結果微波法對麻黃堿的浸出量明顯優于煎煮法,并且半量麻黃粗粉浸出量明顯優于全量麻黃飲片,與中醫藥理論煮散減半相符。另有學者用微波法提取黃連中的小檗堿,以干固物和小檗堿含量測定結果為指標,比較微波和回流兩種方法。干固物測定結果顯示,在單位時間內微波處理較回流提取具有明顯優勢;以小檗堿含量為指標,結果顯示回流提取小檗堿含量高于微波提取。
      2、蒽醌類
      郝守祝等研究了微波技術對大黃游離蒽醌浸出量的影響,采用正交實驗考察了微波輸出功率、物料粒徑、浸出時間三個因素對提取率的影響,優選最佳浸出方案。以優選出的微波浸提方案和常規煎煮法及乙醇回流法比較,結果物料粒徑對蒽醌成分浸出影響極顯著,功率對浸出影響顯著,時間對浸出有一定影響。微波提取法對大黃游離蒽醌的提取率明顯優于常規煎煮法,同乙醇回流法相當。
      沈嵐等以大黃、決明子中不同極性的蒽醌類成分為指標成分,采用正交試驗設計分別考察提取率,結果顯示微波萃取法對大黃、決明子中不同極性成分提取選擇性并不明顯,而同一溫度條件下,根莖類中藥大黃中大黃素、大黃酚、大黃素甲醚的提取率明顯高于種子類中藥決明子中相同成分的提取率。
      3、黃酮類
      黃酮類成分在植物中分布較廣,幾乎大部分中草藥中都含有此類成分。近年來,已有較多文獻報道微波法用于中草藥中黃酮類成分的提取。
      劉傳斌等把微波破細胞與溶劑提取相結合的方法提取高山紅景天愈傷組織中紅景天苷。將藥材經1分鐘微波處理后,室溫下水提取10分鐘,可將紅景天苷充分提取出來,與傳統提取方法相比,前者具有時間短、不需加熱、提取液中雜質少等優點。段蕊等也用此方法提取銀杏葉中的黃酮成分。用微波處理5分鐘后,以70%乙醇回流提取1小時,得到提取物中黃酮類物質的量比未用微波處理的高出18.8%,紙層析表明在使用的微波溫度下,黃酮類物質性質不發生改變。李嶸等也用該法研究了銀杏黃酮苷的提取工藝,同樣得到較理想的結果。此外,閻欲曉等從生姜中提取抗氧化物質,結果發現先用微波處理5分鐘,黃酮的提取率明顯提高。
      郭振庫等對黃芩中黃芩苷微波提取作了研究,用正交設計優選了最佳工藝為70%微波功率(最大功率850瓦)下,以35%乙醇作溶劑,溶劑30倍量,壓力0.15Mpa,恒壓時間30秒即可獲得較好的得率,比超聲法高出近10%。張夢軍等用均勻設計法考察了微波提取甘草黃酮的最佳條件為:固液比1/8,乙醇濃度78%,微波功率388瓦,提取時間1分鐘。微波法提取率(24.6mg/ml)明顯優于水提法(11.4mg/ml)。
      陳斌等研究微波萃取葛根異總黃酮的工藝,用77%乙醇,固液比1/14,在低于60條件下,微波間歇處理3次,總黃酮浸出率達95%以上,與傳統的熱浸提相比,不僅產率高,而且速度快,節能。
      4、皂苷類
      有研究發現,用微波法提取重樓皂苷,結果微波處理5分鐘的效果即基本達到2小時常規加熱的效果,而且雜質少,微波提取10分鐘即可認為皂苷已提取完畢。
      5、有機酸
      郭振庫等應用自行設計的具較高壓力控制精度的專用微波制樣系統,對金銀花中有效成分綠原酸和異綠原酸類化合物的提取條件進行了考察,并與超聲波提取比較,提取率比超聲波高近2成。也有學者用微波提取甘草中的甘草酸,與熱回流、索氏提取法、室溫提取法等傳統方法相比,發現微波提取具有提取高效、快速、完全及節省時間、溶劑和能源等優點,是一種適于甘草中快速提取甘草酸的新方法。
      6、多糖類
      多糖是天然有機化合物中最大族之一的大分子物質。許多多糖具有抗腫瘤、增強免疫、抗衰老、抗病毒等作用,因此,得到國內外科學工作者的廣泛重視。關于多糖提取分離方法常規為水煎醇沉法,微波萃取在用于某些生物材料的多糖提取中被證實可明顯提高提取率。
      新疆石河子大學藥學院的工作者在用微波萃取多糖的研究上作了大量工作,提取的植物包括甘草、商陸、肉蓯蓉、紅景天根、紅景天葉、黃芪、黨參等。他們在MCL-3微波反應器中,用一定量石油醚、乙醚和80%乙醇回流提取20分鐘,殘渣再放入微波爐中,用水提取20分鐘后測定多糖含量,結果提取率均高于傳統方法,提取時間縮短了約12倍。
      唐克華等用微波提取天仙果多糖,初步確認微波提取天仙果多糖宜在80的堿性介質中結合微波前處理可獲得較高提取率。劉依等用微波處理板藍根,然后用水煎煮提取板藍根多糖,含量測定結果表明粗多糖得率達到33.062%,質量分數達75.211%,優于單獨使用水煎法。也有人用微波提取茶葉多糖,結合醇沉法制備茶多糖得率為2.52%,紫外和紅外光譜分析證實,該工藝對茶多糖制品化學結構無影響。
      另外還有人用微波法提取大豆中低聚糖,得率比非微波條件有明顯提高,溶出時間大為縮短,只需6分鐘。
      7、揮發油
      當前,已有很多國外學者開始利用微波法萃取揮發油。加拿大環境署Pare1991年申請了美國專利,對天然產物包括薄荷、歐芹、雪松葉和大蒜等,采用對微波透明(己烷等)或部分透明(甲醇、二氯甲烷等)的溶劑。專利中所闡述的萃取過程及要求為:材料是粉碎的,被提取成分應能吸收微波射線;材料放入對微波透明或部分透明的提取劑中;用一定頻率的微波輻射提取;分離提取物;回收提取物,或者直接使用(如果不需要分離)。提取物分析結果表明,微波法在以下方面優于傳統水蒸氣蒸餾法:提取率、提取物質量、提取時間、所需費用以及操作步驟。另有國外文獻報道,用微波技術萃取香薄荷、茴香、牛膝草葉、百里香葉及鼠尾草屬植物中的精油。
      國內學者也較多用微波萃取揮發油,新疆石河子大學藥學院魯建江等人從藿香、魁蒿葉、新疆黨參、新疆孜然果實、紅花、紅景天根莖葉中用微波提得揮發油,結果均比水蒸氣蒸餾提取率高且用時短。
      另外尚有香葉天竺葵和山蒼子揮發油微波萃取的報道。
      8、其他
      目前,微波萃取技術除應用于以上主要成分之外,對另外一些成分,如甾體、萜類化合物、植物油、香料、色素等的提取也有報道。1986年,在Ganzler等發表的關于微波萃取的第一篇文獻中報道了用微波從玉米、大豆、棉籽、胡桃中提取原油,從蠶豆中提取蠶豆嘧啶核苷和伴蠶豆嘧啶核苷,從棉籽中提取棉酚等。同時,他們得出結論:用極性溶劑萃取極性物質,微波法比索氏提取法理想;但用非極性溶劑提取非極性物質則微波萃取并未顯示優越性。由此可見,微波萃取對物質具選擇性,對溶劑也有一定要求。同樣,Hong N等在用微波提取葡萄籽中的羥基類化合物時發現,隨著提取溶劑極性增大提取率也隨之增大,而微波功率及時間對其影響不大。
      另外,還有人用微波法萃取丹參酮、辣椒素、青蒿素、鳶尾香料及從鮮羅漢果中提得羅漢果甜苷。提取的色素成分有梔子黃色素、天仙果色素、番茄紅色素等。
    展望
      一、進一步探討微波萃取機理
      自Pare在其申請的專利中提出微波萃取植物組織中天然產物的機理以來,國內外很多學者在這方面作了大量的工作,并提出了一些關于微波萃取的機理,但鑒于基體物質和萃取物質的復雜性,在萃取機理方面還有大量工作需要做,因為搞清機理將進一步促進微波在天然產物萃取中的應用。
      二、擴大微波萃取技術在分析化學領域中的應用
      微波萃取從一出現首先被看好的是分析化學領域。目前,微波萃取逐漸與一些分析儀器聯用,這項技術已運用到生物及環境樣品的分析。例如,有人用微波萃取系統與氣相色譜、質譜聯用分析土壤及沉積物中多環芳香化合物(PAH)和有機磷農藥等;Magnus Ericsson等用自行設計的動態微波萃取系統分析湖底沉積物的PAH等物質,此系統集萃取、分離、分析于一體,使分析簡便、快速、準確。如果用類似聯用儀器分析天然植物中的化學成分及藥物特別是中成藥中的有效成分,將大大簡化樣品成分提取的前處理過程,提高分析效率。
      三、將微波萃取的實驗室研究擴大為產業化研究
      目前微波萃取基本上還停留在實驗室小樣品的提取及分析,使用設備簡陋,有的還使用家用微波爐。工業化微波提取器尚未見報道。近幾年,有用于中試生產的微波提取設備問世,主要分兩類:一為微波提取罐;另一類為連續微波萃取設備。我們相信,一旦這些設備應用于大生產,必將對食品、香料業,特別是傳統中藥制藥業帶來巨大的革命。

    來源:杭州耀博生物科技有限公司
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