微波萃取技术在三萜类化合物提取中的应用

徐逸凡 杨志空 孟煜嘉 王艳妮 韩伟

（华东理工大学中药现代化工程中心，上海200237）

微波萃取技术在三萜类化合物提取中的应用

徐逸凡 杨志空 孟煜嘉 王艳妮 韩伟

（华东理工大学中药现代化工程中心，上海200237）

综述了微波萃取的原理、应用、特点以及影响因素，并对三萜类化合物的常用提取方法以及微波技术在三萜类化合物提取中的应用进行了简述。

微波萃取；三萜类化合物；提取；影响因素

0 引言

中药是我国的“国粹”、民族之“瑰宝”。近年来，由于全球掀起了回归自然的狂潮，也为中药发展带来了机遇。

天然产物中对化学成分的提取是研究中草药的首要步骤，是进一步测定其化学结构、研究其药理作用和毒性的首要条件，也是进行结构改造、化学合成和研究结构疗效的前提。

与传统的中药有效成分提取方法相比，新型提取技术具有明显的优越性。其中，微波萃取是一项非常具有发展潜力的新型提取技术，即在天然药物有效成分的提取过程中（或提取的前处理）加入微波场，是利用微波场的特性来强化有效成分浸出的新型提取方法。

三萜类化合物具有良好的应用价值和发展前景，然而传统的三萜类成分提取方法存在溶剂消耗量大、提取效率低等问题。

由于微波具有很强的穿透性、极高的加热效率和破碎植物细胞壁的能力，与传统的溶剂提取法相比，微波萃取具有省时、节能、高效等优点，它在中药及天然药物的研究中发挥着极其重要的作用。

1 微波萃取的原理及影响因素

微波是指波长在1 mm～1 m之间、频率在300～300 000MHz之间的电磁波，它介于红外线和无线电波之间。目前915MHz和2 450MHz这两个频率已被微波加热广泛采用[1]。

微波萃取技术应用于天然产物萃取的公开报道始于1986年[2]，Gedye等将样品置于普通家用微波炉，通过选择功率档、作用时间和溶剂类型，只需几分钟即可萃取出目标产物，而传统萃取方式则需要几个小时。20世纪90年代初，由加拿大环境保护部和加拿大CWT-TRAN公司合作开发的微波萃取系统M icrowave-Assisted Process，简称MAP[3]，现已广泛应用于香料、调味品、天然色素、中草药和化妆品等领域，并于1992年开始陆续在美国、墨西哥、日本、韩国和西欧等国家和地区取得了专利许可，在中国也得到了知识产权保护。在我国，微波萃取技术已经用于上百种中草药的提取生产线，如葛根、三七、茶叶、银杏等。微波萃取已被列为我国2l世纪食品加工和中药制药现代化的推广技术之一[4]。

1.1 原理

微波萃取的原理可以从两方面考虑：一方面，微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部维管束和腺胞系统，由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受的能力，导致细胞破裂，细胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下被萃取介质捕获并溶解，通过进一步过滤和分离，便获得萃取物料；另一方面，微波所产生的电磁场，加速了被萃取部分成分向萃取溶剂界面扩散，用水作溶剂时，在微波场下，水分子高速转动成为激发态，这是一种高能量不稳定状态，或者水分子汽化，加强萃取组分的驱动力，或者水分子本身释放能量回到基态，所释放的能量传递给其他物质分子，加速其热运动，缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到萃取溶剂界面的时间，从而使萃取速率提高数倍，同时还降低了萃取温度，最大限度地保证了萃取的质量[5]。

也可以这样解释，由于微波的频率与分子转动的频率相关联，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当微波能作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波电磁场的作用下产生瞬时极化，并以24.5亿次/s的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性部分）更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中[6]。

1.2 影响因素

微波萃取操作过程中，其主要工艺参数包括：萃取溶剂、萃取功率和萃取时间。影响萃取效果的因素很多，如萃取剂的选择、微波剂量、物料含水量、萃取温度、萃取时间及溶剂pH值等。

1.2.1 萃取剂的选择

在微波萃取中，应尽量选择对微波透明或部分透明的介质作为萃取剂，也就是选择介电常数较小的溶剂，同时要求萃取剂对目标成分有较强的溶解能力，对萃取成分的后续操作干扰较小。微波萃取要求溶剂必须有一定的极性，才能吸收微波进行内部加热。通常的做法是在非极性溶剂中加入极性溶剂。目前常见的微波萃取剂有甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、正己烷、苯等有机溶剂和硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等无机溶剂以及己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇、水-甲苯等混合溶剂。

1.2.2 微波剂量

在微波萃取过程中，所需的微波剂量的确定应以最有效地萃取出目标成分为原则。一般所选用的微波能功率在200～1 000W、频率20～30MHz，微波辐照时间不可过长[7]。

1.2.3 物料含水量

水是介电常数较大的物质，可以有效地吸收微波能并转化为热能，所以植物物料中含水量的多少对萃取率的影响很大。

另外，含水量的多少对萃取时间也有很大影响，因为水能有效地吸收微波能，因而干的物料需要较长的辐照时间[4]。

1.2.4 萃取温度和时间

微波萃取的连续辐照时间与试样重量、溶剂体积和加热功率有关，通常在10～100 s。对于不同的物质，最佳萃取时间不同。连续辐照时间也不可太长，否则容易引起溶剂的温度太高，造成不必要的浪费，还会带走目标产物，降低产率[8]。

1.2.5 溶剂pH值

溶液的pH值也会对微波萃取的效率产生一定的影响，针对不同的萃取样品，溶液有不同的最佳萃取酸碱度。

孔臻、刘钟栋[9]等采用微波法从苹果渣中提取果胶时，保持其他条件不变，而仅改变体系的pH值。实验发现，当pH值在1.9以上时，随着pH值的降低，果胶得率增加，但是当体系pH值小于1.7时，由于酸度过高，使得果胶质水解得到的果胶进一步脱脂裂解，造成果胶得率下降。

2 微波萃取的特点及应用

2.1 特点

2.1.1 选择性好

由于极性较大的分子可以获得较多的微波能，利用这一性质可以选择性地提取极性分子，从而使产品的纯度提高，质量得以改善。微波萃取还可以在同一装置中采用两种以上的萃取剂分别萃取所需成分，降低工艺费用[8]。

2.1.2 提取效率高

微波提取时，物料的极性物质分子在快速振动的微波电磁场中吸收电磁能，使物料快速升温，减少了操作时间。微波萃取只需几秒到几分钟的时间就能达到提取效果，而用传统的热提取、索氏提取法需要几个小时甚至十几个小时以上的时间才能达到，因此大大提高了提取效率。

2.1.3 能耗低

由于微波加热过程是介质分子获得微波能并转化为热能的过程，其能量直接作用于被加热物质、空气及容器，对微波基本上不吸收和反射，从根本上保证了能量的快速传导和充分利用，既减少了溶剂用量，又缩短了操作时间，大大降低了能耗。

2.1.4 设备简单，操作简便

不同于超临界流体萃取所需的复杂设备，微波萃取的设备简单、操作便捷。

目前绝大部分利用微波萃取进行的提取都是在家用微波炉内完成的，其造价低、体积小，适用于实验室研究及应用[10]。

2.2 在天然产物提取中的应用

微波萃取具有选择性好、提取效率高、能耗小、设备简单、操作简便且符合环境保护要求的特点，可广泛应用于中草药、香料、食品和化妆品等领域。近年来，研究工作主要聚焦于天然产物的提取方面，提取的成分涉及多糖、生物碱类、黄酮类、葸醌类等。

2.2.1 多糖类

付志红[11]等采用微波技术提取车前子多糖。通过正交试验确定了微波提取的最佳工艺参数，得到车前子多糖在固液比为1∶15、微波强度为60%的条件下提取65 s，多糖提取率为1.867%，为传统提取方法提取率的1.5倍。结果表明，微波萃取在用于某些生物材料的多糖提取中可明显提高提取率。

2.2.2 生物碱类

Ganzler[12]等从羽扇豆种子中提取金雀花碱（斯巴丁），与传统的振摇提取法比较，微波法提取物中的斯巴丁含量比振摇法高20%，且速度快，溶剂消耗量也大大减少。

2.2.3 黄酮类

张梦军[13]等采用微波辅助提取法和水提法提取甘草黄酮，并用四因素、十六水平的均匀设计考察并优化微波提取甘草酮的实验条件，发现微波辅助提取甘草黄酮的最佳条件为：当固液比1∶8、乙醇浓度为38%、加热功率为288W、加热时间为1min时，微波辅助提取法（24.6 mg/g）明显优于水提法（11.4 mg/g），提取率高，且提取时间大大缩短，是一种适合甘草黄酮的提取法。

2.2.4 蒽醌类

郝守祝[14]等采用正交试验法研究微波技术对大黄游离蒽醌浸出量的影响，并与传统提取方法做比较。考察了微波输出功率、药材粒径、浸出时间3个因素对提取效率的影响，优选了大黄游离蒽醌的最佳浸出方案。

结果表明，微波浸提法对大黄游离蒽醌的提取效率明显优于常规煎煮法，同乙醇回流提取法相当。由此说明微波法是一种提取效率高、操作简便、省时的新型提取方法。

3 微波萃取在三萜类化合物提取中的应用

3.1 三萜类化合物

三萜类化合物（triterpenoids）是由30个碳原子构成的萜类化合物，由6个异戊二烯单位连接而成，是类异戊二烯代谢途径的重要产物之一[15-16]。三萜类化合物的生物合成途径从生源来看，是由鲨烯（squalene）通过不同的环化方式转变而来，而鲨烯是由焦磷酸金合欢酯（farnesyl pyrophosphate，FPP）尾尾缩合而成。

一般根据三萜类化合物碳环的有无和多少进行分类，目前已发现的三萜类化合物，多数为四环三萜和五环三萜，少数为链状、单环、双环和三环三萜。近几十年来还发现了许多由于氧化、环裂解、甲基转位、重排及降解等而产生的结构复杂的高度氧化的新骨架类型的三萜类化合物。

药理研究证明，三萜类化合物具有广泛的生理活性，傅乃武[17]等人对甘草中三萜类化合物的抗氧化作用进行了研究，得出其对抗H2O2的溶血作用明显，而对超氧阴离子自由基（O2-）和HpD光溶血无明显对抗作用。李薇[18]利用小鼠体内移植的瘤模型，测定白桦三萜类物质（TBP）对小鼠黑色素瘤B16、肉瘤S180、Lweis肺癌和艾氏腹水癌等肿瘤的抑瘤率，结果表明TBP有抗肿瘤作用。此外，三萜类化合物还有抗炎、抗菌、抗病毒、降低胆固醇、杀软体动物等活性。

3.2 三萜类化合物的提取方法

三萜类化合物包括三萜烯及三萜皂苷，在自然界中分布很广，菌类、蕨类、单子叶和双子叶植物、动物及海洋生物中均有分布，尤以双子叶植物分布最多。它们以游离形式或者以与糖结合成苷或成酯的形式存在[19]，几乎都不溶或难溶于水。

将三萜类化合物从天然植物中提取出来，是研究此类化合物的前提。三萜类化合物常见的提取方法有溶剂萃取法、超临界流体萃取法、半仿生提取法、微波萃取法、超声循环提取法等。

3.2.1 溶剂萃取法

溶剂萃取法是最常见的提取三萜类化合物的方法。一般根据其溶解性，采用不同的溶剂进行提取分离。其中，应用最广的为有机溶剂萃取法，常用的有机溶剂为乙醇等。该方法需要消耗大量的溶剂，易造成医药污染且提取的成分不高，使制得的药物剂型单一，多为汤剂或者丸剂、散剂等，服用量大且携带不便，不利于中药的现代化。

3.2.2 超临界流体萃取法（SFE）

SFE将传统的蒸馏和有机溶剂萃取结合于一体，利用超临界CO2优良的溶剂力，将基质与萃取物有效分离、提取和纯化。崔星明[20]等采用SFE得到的芦笋提取物，用甲醇溶解，采用液相色谱-质谱联用仪检测得到了56个组分。发现有保留时间和熊果酸基本一致的峰，其质谱分子离子峰和特征碎片峰都与熊果酸的一致。雒廷亮[21]等采用SFE对山茱萸中的熊果酸进行了提取研究，结果表明，在熊果酸提取率基本相同的前提下，SFE不仅可以实现清洁生产，而且易于实现工业化。SFE具有速度快、效率高、操作简单等特点，且产品中没有残留有机溶剂，与传统的萃取分离工艺相比具有明显的优势。

3.2.3 半仿生提取法

半仿生提取法模拟口服给药，为经消化道给药的中药制剂设计了一种新的提取工艺，即将药材先用一定pH值的酸水提取，继以一定pH值的碱水提取，提取液分别滤过、浓缩，制成制剂。据报道此种方法经济实用，可保证疗效[22]。龚慕辛[23]等通过比较水、不同浓度的乙醇、半仿生法及碱水提取法研究了对齐墩果酸提取量的影响，结果显示，半仿生提取齐墩果酸的提取量远高于一般水提法；以pH＝12的碱液提取女贞子可以使齐墩果酸提取量大于75%乙醇的提取量，并且齐墩果酸不是以游离的形式存在，吸收利用率提高，提取成本也大大降低。

3.2.4 微波萃取法

微波是一种电磁波，具有电磁波的通性，如加热速度快、受热体系温度均匀、选择精确、穿透力强等。微波可直接作用于分子，加剧分子热运动，从而引起体系温度的升高，促使植物中有效成分快速溶出。蒉霄云[24]等使用该法提取灵芝中的三萜类化合物，其平均提取率达1.043%，比未使用微波工艺的三萜提取率高150%，且实验操作稳定性高。

3.2.5 超声循环提取法

超声波对各种成分提取分离的强化作用主要源于其空化作用，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散和溶解，可显著提高提取效率。

黄书铭[25]等研究灵芝三萜类化合物的提取工艺时，在常规提取方法的基础上，增加了超声循环的处理步骤。通过实验对比，超声循环提取所需各种溶剂用量减少，提取时间缩短，目的产物提取率提高了40%。

3.3 微波萃取三萜类化合物的研究

正如前文所述，微波萃取是利用产生的高频电磁波穿透植物组织外层结构而迅速到达组织内部。由于吸收微波能使组织内部温度和压力迅速上升，导致细胞破裂，有效成分自由流出，所以能够迅速、有效地提取植物类的有效成分。

该技术具有穿透力强、选择性好、提取效率高、能耗低、设备简单、操作简便等优点，可适用于三萜类化合物的提取过程。

林倩倩[26]等人在提取树舌灵芝中的三萜化合物时，确定的微波最佳提取条件为：提取温度75℃、提取时间15m in、料液比1∶20（g/m L）。在此条件下，树舌灵芝三萜类化合物的平均提取率为0.747%，高于传统的浸提法、回流法和超声法。

易醒[27]等人将微波预处理技术应用在泽泻三萜总组分的提取中，所用时间只有传统提取法的一半，三萜总组分的提取率提高了0.6%左右。经过微波预处理后，后续提取时间缩短，提取速度大大加快，此方法具有可行性。

梁佳[28]等利用响应曲面法考察了微波提取桑黄茵丝体中三萜的优化工艺，研究了乙醇浓度、微波功率、微波时间对微波提取桑黄三萜工艺的影响。结果表明，微波法提取的最佳工艺条件为乙醇浓度80%、提取时间10m in、微波功率600W，提取液中三萜类化合物的提取量达到1.48mg/g。相对其他提取工艺而言，微波提取操作时间短，提取含量高，可以降低生产成本，提高提取效率，且较环保，具有明显的优势。另外，微波提取细粉不会出现传统提取方法存在的糊化、堵塞等问题，适宜大规模生产。

蒉霄云[24]等人以灵芝为原料，采用微波技术提取其中的三萜化合物。试验结果表明，微波法提取灵芝三萜具有明显优势，其平均提取率达1.043%，比未使用微波的工艺三萜提取率高150%，且试验操作稳定性高，同样证明了微波技术的高效性。

宗乾收[29]等人应用微波辐射对印楝种仁进行了萃取，提取了其中的印楝素（处理样品量5 g，印楝素含量0.41%），他们对影响微波萃取的条件，如微波功率、辐射时间和萃取溶剂进行了筛选，得到最终的优化条件：以甲醇为萃取溶剂，微波功率280W，辐射时间l00 s，溶剂用量120m L，此时印楝素提取率为94.15%。同时，将微波诱导萃取与常用的甲醇室温浸提法和加热回流法进行了比较，结果表明微波萃取时间最短，印楝素提取率最高。

4 结语

三萜类化合物具有广泛的生理活性，因而具有很强的研究和开发价值。而三萜类化合物的提取一般多采用传统的溶剂萃取法，传统方法提取时间较长、工艺繁琐而且纯度较低，难以满足中药现代化发展的需求。

微波萃取作为新型提取技术，与传统的萃取技术相比，具有选择性好、提取效率高、能耗小、安全无污染等诸多优点。与超临界萃取法等新型提取方法相比，也显示出其独特的优越性，具有设备简单、操作方便、投资小、适用面广等优势。该技术在天然产物的提取中，尤其是在三萜类化合物的提取中，将大大简化样品成分提取的前处理过程，提高提取效率，具有良好的发展前景。但该技术同时也存在一定的局限性，如仅适用于热稳定的物质，易使热敏性物质变性失活；工业化微波萃取设备较少，多停留在实验室的提取及分析应用中。因此，在应用与发展过程中，仍需不断改进和完善微波萃取技术，以便在更广阔的领域内释放其巨大的潜力。

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（常州市武进区横山桥镇广播电视站

胡祖福供稿）

2015-08-19

徐逸凡（1995—），女，江苏吴江人，研究方向：制药工程与技术。

韩伟（1968—），男，江苏扬州人，博士，教授，从事中药制药工程、药物分离工程的研究。

上海市大学生创新创业训练计划资助项目，项目编号：S15039