微波辐射在天然药用活性成分提取分离中的应用

微波辐射在天然药用活性成分提取分离中的应用

陈业高¹  海丽娜²  毕先钧¹

(1.云南师范大学化学系, 昆明 650092； 2.云南中医学院中药系, 昆明 650011）

    摘  要：微波技术用于提取生物活性成分已涉及到几大类天然化合物(挥发油、苷类、多糖、萜类、生物碱、黄酮、单宁、甾体及有机酸等)，具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、选择性强、重现性好、节省时间、节省溶剂、节能、污染小等众多优点。
    关键词：微波提取，药用植物，活性成分

1 引言
    微波提取是利用微波能来进行物质萃取的一种新发展起来的技术。自从1986年Ganzler等用微波从土壤、种子、食品和饲料中萃取各种类型化合物^［1］以来，微波提取由于具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、选择性强、重现性好、节省时间、节省溶剂、节能、污染小等众多优点，应用范围已从最初的环境分析样品制备迅速扩展到食品、化工和农业等领域^［2～5］。近年来，国内外将微波技术应用于天然药物活性成分的浸提过程，有效提高了回收率，取得了可喜的进展，且迅速朝着工业化方向发展，如Pare等申请了微波提取挥发油的一系列专利^［4］，澳大利亚利用微波提取印楝素等。目前，微波技术用于提取生物活性成分的报道不断出现，已涉及到几大类天然化合物(挥发油、苷类、多糖、萜类、生物碱、黄酮、单宁、甾体及有机酸等)，引起人们的极大兴趣^［6～9］。为此，本文就微波提取及其在天然药物活性成分提取分离中的应用作一评述。
2微波提取的原理和特点
    传统的索氏提取、搅拌萃取和超声波萃取等方法费时、费试剂、效率低、重现性差，而且所用试剂通常有毒，易对环境和操作人员造成危害；超临界萃取虽具有节省试剂、无污染的优点，但是回收率较差。为了获得超临界条件，设备的一次性投资较大，运行成本高，而且难于萃取强极性和大分子量的物质。
    在快速振动的微波电磁场中，被辐射的极性物质分子吸收电磁能，以每秒数十亿次的高速振动产生热能^{［10，11］}。微波提取过程中，微波辐射导致植物细胞内的极性物质，尤其是水分子吸收微波能，产生大量热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞；进一步加热，导致细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，表面出现裂纹。孔洞和裂纹的存在使胞外溶剂容易进入细胞内，溶解并释放出胞内产物^［3］。
    微波提取的特点为投资少、设备简单、适用范围广、重现性好、选择性高、操作时间短、溶剂耗量少、有效成分得率高、不产生噪音、不产生污染。与传统煎煮法相比，克服了药材细粉易凝聚、易焦化的弊端。
3微波提取的装置和条件
    绝大部分利用微波技术进行的提取都是在家用微波炉内完成的。这种微波炉造价低、体积小、适合于在实验室应用，但很难进行回流提取，反应容器只能采取封闭或敞口放置两种方法。经过改造的微波装置可以进行回流操作，使得常压溶剂提取非常安全。
    专门用于微波试样制备的商品化设备已问世，有功率选择、控温、控压和控时装置。一般由PTFE材料制成专用密闭容器作为萃取罐，萃取罐能允许微波自由透过、耐高温高压、且不与溶剂反应。由于每个系统可容纳9～12个萃取罐，因此试样的批量处理量大大提高。
    微波提取的条件包括溶剂、功率和提取时间^［5］。其中，溶剂的选择至关重要。微波提取要求被提取的成分是微波自热物质，有一定的极性。微波提取所选用的溶剂必须对微波透明或半透明，介电常数在8～28范围内。物料中的含水量对微波能的吸收关系很大。若物料不含水分，选用部分吸收微波能的萃取介质。由此介质浸渍物料，置于微波场进行辐射的同时发生提取作用。当然也可采取物料再湿的方法，使其具有足够的水分，便于有效地吸收所需要的微波能。提取物料中不稳定的或挥发性的成分，宜选用对微波射线高度透明的萃取剂作为提取介质，如正己烷。药材浸没于溶剂后置于微波场中，其中的挥发性成分因显著自热而急速气化，涨破细胞壁，冲破植物组织，逸出药材，包围于药材四周的溶剂因没有自热，可捕获、冷却并溶解逸出的挥发性成分。由于非极性溶剂不能吸收微波能，为了快速进行加热提取，可加入一定比例的极性溶剂。若不需要这类挥发性或不稳定的成分，则选用对微波部分透明的萃取剂。这种萃取剂吸收一部分微波能后转化为热能，可挥发驱除不需要的成分。对水溶性成分和极性大的成分，可用含水溶剂进行提取。微波提取极性化合物在用含水的溶剂萃取时比索氏提取效果更好。而用非极性溶剂萃取非极性化合物，微波提取的效率稍低于索氏提取。如果用水作溶剂，细胞内外同时加热，破壁不会太理想，而且大部分微波能被溶剂消耗。可以采取先用微波处理经浸润后的干药材，然后再加水或有机溶剂浸提有效成分，这样既可节省能源，又可进行连续工业化生产，而且可使微波提取装置简化，能在敞开体系中进行。
    微波功率和辐射时间对提取效率具有明显的影响。功率越高，提取的效率越高。但如果超过一定限度，则会使提取体系压力升高到开容器安全阀的程度，溶液溅出，导致误差。提取时间与被测物样品量、物料中含水量、溶剂体积和加热功率有关。由于水可有效地吸收微波能，较干的物料需要较长的幅照时间。
    物料在提取前最好经粉碎等预处理，以增大溶剂与物料的接触面积，提高提取效率。为了减少高温的影响，可分次进行微波辐射，冷却至室温后再进行第2次微波提取，以便最高得率地提取出所需活性化合物。经过提取的物料，可用另一种提取剂，在微波辐照下进行第2次提取，从而取得第2种提取物。
4微波提取天然药物活性成分
4.1挥发油
    微波提取挥发油的报道较多，取得了较大进展。如Pare等从植物和鱼组织中提取芳香油和其它油类，并申请了微波辅助提取天然产物及挥发油等的一系列专利。利用微波透明介质作为冷却剂，使提出的有机物迅速冷却并转入主体相，达到了提高提取率、减少热破坏的目的。他们利用这一工艺对薄荷、洋葱中的挥发油进行了提取。将剪碎的薄荷叶放入盛有正己烷的玻璃烧杯中，经微波短时间处理后，薄荷油释放到正己烷中。显微镜观察表明叶面上的脉管和腺体破碎，说明微波处理有一定的选择性，因为新鲜薄荷叶的脉管和腺体中包含水分，因此富含水的部位优先破壁。与传统的乙醇浸提相比，微波处理得到的薄荷油几乎不含叶绿素和薄荷酮。20s的微波诱导提取与2h的水蒸汽蒸馏、6h的索氏提取相当，且提取产物的质量优于传统方法的产物^［12］。 Chen等以正己烷、乙醇、正己烷+乙醇提取迷迭香及薄荷叶中的挥发油为研究体系，系统研究了微波场中的温度分布，考察了物料量、微波功率、照射时间等对微波提取的影响，并研究了微波辅助提取挥发油的动力学过程^［13］。新鲜的立比草直接在微波下照射，压缩空气通过物料将挥发油带出微波炉外后经冰水浴冷却，照射5 min后所得的油水混合物与1.5h水蒸汽蒸馏的混合物无质量上的差别，时间却大大缩短，且无须水的加入^［14］。微波提取的马郁兰油产量较高(接近1%)，其原因是微波作用的选择性，尤其是它对萜烯等成分很有效；用微波萃取鱼肝油与一般的提取方法相比，脂溶性维生素破坏较少；应用微波萃取大蒜油，在接近环境温度的情况下，萃取时间短，得到的萃取成分重复性佳，产品质量均一，热敏性成分损失少^［5］。此外，微波萃取还用于从莳萝籽、蒿、洋芫荽、茴香、甘牛至、龙蒿、牛膝苹、鼠尾草、百里香等物料中提取挥发性成分^{［5，11，15］}，其质量相当于或优于溶剂回流、水蒸汽蒸馏、索氏提取和超临界二氧化碳萃取的同类产品，而且具有操作方便、装置简单，提取时间短、提取率高、溶剂用量少、产品纯正等优点。
4.2苷类
    微波对某些化合物有一定降解作用。但也有学者认为由于微波提取时间很短，其破坏作用甚至可能比一般方法小。微波在短时间内可使药材中的酶灭活，因此用于提取苷类等成分时具有更突出的优点。如微波提取重楼皂苷，与水浴加热回流法从时间、次数、含量等方面进行对比，两种方法所得皂苷完全一致，表明微波并未破坏药物的结构。微波辐射5min的效果与2h常规加热相同，而且杂质含量少^［16］。从高山红景天根茎中提取红景天苷，与传统的乙醇回流提取相比，在保持较高提取率的同时，大大缩短了提取时间，并且显著降低了提取液中杂蛋白的含量。用微波处理1.5 min，水提10 min得到的红景天苷与70%乙醇溶液回流提取2h的结果相当，而杂蛋白的含量后者是前者的1.6倍^［17］。以微波技术提取槐花中芸香苷，对药材粒径、浸出时间及微波输出功率进行正交实验，结果表明微波技术对芸香苷的浸出量明显优于常规浸出方法^［18］。用微波提取三七中有效成分Rg1，以正丁醇