微波提取技術在中藥有效成分提取中的應用

陳曦

(安慶醫(yī)藥高等?？茖W校藥學系實驗中心，安徽 安慶 246052)

中藥有效成分多種多樣，由于它們的結構各不相同，所以其對微波的吸收能力也不同。微波提取(ME)是利用微波的熱效應來增加中藥中有效成分的浸出，以提高中藥活性成分的利用率的一種新型提取方法[1-2]，影響提取效率的因素主要是時間、功率和溶劑類型。ME技術和常用的索氏提取法和超聲提取法比較，提取的效率更高、操作更加便捷，同時對環(huán)境更加友好。該技術至1986年首次用于提取棉籽中棉酚以來，迅速為各國科學技術人員重視，廣泛用在藥品、食品等目標化學物的提取研究領域[3-4]。

1 ME技術的原理

微波(MW)是電磁波的一種，波長在1～0.001 m之間，頻率在300 MHz ～300 GHz 之間[5]，同樣具有波粒二象性。分子對微波吸收具有選擇性，極性分子的兩個偶極為了與外部電場進行頻率協(xié)調(diào)，選擇震蕩釋能，從而產(chǎn)生大量迅速劇烈的分子間超高速運動，摩擦碰撞產(chǎn)生熱能。微波穿透并作用于細胞內(nèi)的水等極性物質(zhì)后，細胞內(nèi)部溫度迅速上升，水汽化將細胞漲破，使目標成分進入提取溶劑并溶解，得到分離和提取[6]?？梢灾?，微波作用是一種至內(nèi)而外的加熱，而電熱箱等則是利用熱對流、傳導和交換的方式產(chǎn)生的一種由外而內(nèi)的加熱方式。了解微波的作用特點可以幫助我們更好地進行試驗設計和方法開發(fā)。

微波對材料具有較強的選擇性，微波不能穿透金屬，但對高分子材料和陶瓷等非極性材料能輕易穿透，因此，金屬可以做成屏蔽裝置，防止微波泄露對人體的危害，而高分子材料和陶瓷可以制成提取容器、諧振腔內(nèi)的運轉(zhuǎn)機件等工作部件。微波對分子的加熱作用主要有熱阻小，沒有加熱慣性的特點，一般情況下，加熱速度是常規(guī)電阻箱加熱的10～100倍，其作用強度主要取決于分子極性，分子極性越強，選擇性越高。此外，微波可以使蛋白質(zhì)發(fā)生變化，可以殺死或者滅活微生物，也被用于滅菌裝置。

2 ME技術的優(yōu)點

與其他傳統(tǒng)的中藥提取技術相比，ME技術具有所需溫度低、工作時間短、耗能低、提取效率高等特點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。(1)高效節(jié)能。 ME技術在進行中藥提取時，除了僅讓被加熱的分子吸收產(chǎn)熱外，基本不向外輻射熱量，空氣和相應的設備都不會產(chǎn)生熱量，避免了環(huán)境的高溫，形成熱能損失，所以熱效率的利用率極高，不同于以往高溫的提取環(huán)境，作業(yè)環(huán)境也得到了極大地改善[7]。(2) 溶劑量小。使用傳統(tǒng)方法提取中藥時，需要多次多量的浸潤，一般為藥材量的16～20倍，且提取后還需要進行溶媒回收及濃縮提純，這就造成了溶劑的大量使用及較低的利用率，但ME技術能做到一次提凈，且所需溶劑一般為藥材量的6～8倍，用量相比傳統(tǒng)技術減少了30%～40%，提取時間也相對縮短。同時由于微波的強穿透性，更利于中藥中的有效成分進入提取溶劑，提取率也極大地得到了提高[8-9]。(3)環(huán)保。ME提取時多采用密閉容器，很大程度上減少了有機溶劑對大氣的污染，同時由于藥材利用更加充分，藥材使用量降低，減少了藥渣和廢水的排放，對環(huán)境更加友好[8]。(4)方法可靠。ME從藥材內(nèi)部進行加熱，目標成分吸收的能量達不到破壞分子結構所需的能量，僅可以破壞微生物結構中的氫鍵，可有效地保護目標物質(zhì)，同時縮短了提取時間，避免樣品長時間高溫下的分解，特別有利于熱不穩(wěn)定成分的提取，安全可靠。(5)節(jié)約。由于提取效率提高了，所以原料使用量、提取能耗、人工費用等成本明顯降低，一般相對降低30%～40%，生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、功率、密度等均可實現(xiàn)電腦控制、自動化程度高，產(chǎn)品純度更好了，對企業(yè)經(jīng)濟效益有較大提升。

3 影響微波萃取的因素

微波萃取技術廣泛應用于生產(chǎn)和檢測領域，這里主要從方法設計與開發(fā)等科研工作的角度對主要影響因素進行闡述。主要包括萃取劑選擇、微波功率控制和萃取時間確定等。有效調(diào)節(jié)微波萃取的參數(shù)，有利于樣品基體分離而被更好萃取[10]。

現(xiàn)從以下5個方面進行論述：(1)溶劑類型選擇：在微波輔助提取中，首要考慮的就是溶劑的選擇，溶劑種類對提取結果影響最大也最直接[11]。首先選擇的溶劑不能完全是非極性的，否則不能吸收微波能量，其次要求溶劑能夠溶解較多量的中藥有效成分或有效部位等目標物，最后還需對溶劑的沸點和殘留予以考慮，一般情況下，溶劑沸點要高于萃取溫度，殘留物則關系到產(chǎn)品的純度和質(zhì)量。目前生產(chǎn)和研究中常用的微波輔助萃取技術的溶劑有：乙醇、水、異丙醇、甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、三氯乙酸以及正丁醇-水等；(2)萃取時間和溫度的確定：一般根據(jù)樣品特性，對多因素進行正交試驗篩選出所需最佳條件[12]。通常情況下，微波時間在10～15 min[13]，溫度為常溫條件或者在低于溶劑沸點下選擇；(3)物料的含水量：物料中少量的水，可以有效破壞中藥材內(nèi)部的細胞結構，使有效成分更加充分進入溶劑。對于干燥的物料，一般先進行浸潤處理，溶劑充分浸潤物料后，再使用微波作用于物料，物料含水量也是影響提取率的重要因素[14]；(4)微波功率控制：微波功率和持續(xù)時間直接關系提取物的穩(wěn)定性和提取效率，為了避免對樣品的破壞，一般選擇200～1 000 W，頻率2 450 MHz，輻照時間10 min左右開始進行試驗選擇，避免目標成分過熱分解；(5)溶劑的PH值：根據(jù)目標成分特性調(diào)節(jié)溶劑的pH 值可以得到一個理想的用于提取的最佳酸堿度[14]。

4 提取的工藝過程和設備

微波萃取一般從選料開始，依次經(jīng)歷清洗、粉碎、浸泡、ME、分離、濃縮、干燥、粉化后，得到目標物[15]。按照提取溶劑類型可分為靜態(tài)微波萃取系統(tǒng)和動態(tài)微波萃取系統(tǒng)兩類，目前多按照提取設備可分為兩類，密閉式微波提取體系(PMAE)和開罐式聚焦微波提取體系(FMAE)[16],見表1。

表1 PMAE和FMAE優(yōu)缺點比較

5 在中藥有效成分提取中的應用

微波萃取技術操作便捷，分析快速，效率高，及選擇性強，在中藥有效成分及有效部位提取方面得到廣泛應用。目前，該技術已較多應用于黃酮類、多糖類、蒽醌類、有機酸類、生物堿類等中藥有效成分的提取研究中[17-18]。

5.1黃酮類成分劉俊等[19]對ME技術在土茯苓總黃酮提取中的應用進行了研究，選用乙醇為溶劑，討論了時間、功率、濃度和溫度等因素對土茯苓總黃酮提取率的影響，試驗結果顯示，該法提取率達到93.2%，比外部加熱提取的方法高近20%。董慶潔等[20]在萃取槐米中蘆丁時選擇微波輔助提取，試驗表明較之傳統(tǒng)煎煮法用時(一般為1.5～2 h)縮短至9 min，但是萃取率由18.51%提高至97.98%。劉忠英等[21]比較了索氏提取法與常壓回流ME法對刺五加葉中的總黃酮利用度的影響，試驗表明前者利用度為34.7 mg·g-1，而后者可達48.2 mg·g-1遠高于索氏提取法，但是提取時間前者是8 h，后者是14 min，優(yōu)勢顯而易見。

5.2多糖類成分侯卓等[22]采用微波輔助提取技術，對經(jīng)超臨界萃取后的蒙古口蘑中多糖進行提取，該法最大限度地保留了口蘑天然營養(yǎng)價值，且提取后無有機溶劑殘留污染，提取利用率達到31.05%，與傳統(tǒng)方法比較，更加高效，節(jié)能，省時。章銀良等[23]在對海藻多糖處理前采用微波進行預處理，之后提取效果明顯好于沒有處理的對照組，同時微波能夠促使海藻糖酶蛋白質(zhì)變性失活，是傳統(tǒng)方法沒有的。

5.3蒽醌類成分該類成分結構復雜，常常不單獨以游離態(tài)存在于藥材中，一般用乙醇溶液或者稀堿水提取，但是加熱過程會受熱分解，影響提取率。盧彥芳等[24]在HPLC法測定三黃片中游離蒽醌和總蒽醌時，采用ME技術對三黃片樣品進行預處理，試驗表明，此法用時短，操作簡單，目標成分的提取在5 min 內(nèi)即可完成，極大縮短了制樣時間，方法結果準確，重現(xiàn)性好。王明芝等[25]對大黃游離蒽醌浸提方法進行研究，考查了微波功率、藥材顆粒大小、時間三個因素對浸提量的影響，試驗表明，較之傳統(tǒng)提取方法微波浸提效率更高，提取時間能耗均遠低于溶劑回流法。

5.4有機酸類成分郭振庫等[26]在綠原酸類化合物提取研究時，以金銀花對研究對象，設計正交試驗考察了微波萃取技術中溫度、壓力、溶劑、輻射時間等因素對有效成分綠原酸提取效率的影響。試驗顯示，微波輔助提取法用時大大縮短，同時萃取率較超聲法高近20%。樊愛萍等[27]比較了微波法、熱回流法、冷浸法提取齊墩果酸的提取效率，提取率分別為84.8%，64.1%，61.3%，提取物經(jīng)薄層法分析具有一致性，結果顯示，微波法提取效率明顯高于后兩種方法。

5.5生物堿類成分張永鈺等[28]在山核桃蒲殼提取總生物堿的研究中比較了浸提法、超聲法、微波法三種方法在提取總生物堿時的提取率。三種方法均為最佳條件時，浸提法提取率為0.486 0%，超聲法提取率為0.899 3%，微波法提取率為0.938 1%。結果顯示，微波輔助提取既節(jié)省時間和溶劑，同時提取率又高。

此外,ME技術亦應用于苷類、皂苷類、萜類和揮發(fā)油等[29-35]中藥有效成分的提取中。

6 小結

微波輔助提取技術在天然藥物有效成分提取方面有省時省工效率高等諸多優(yōu)點,筆者相信在中藥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化戰(zhàn)略不斷深入推進的關鍵期，該技術在中藥材生產(chǎn)、檢測等領域?qū)⒌玫礁喔鼜V泛的應用。