微波萃取技术提取天然产物研究进展

张琳琳

(青岛科技大学化工学院 266042)

微波萃取(microwave assisted extraction，MAE)又称微波协助萃取。该技术利用不同组分吸收微波能力的差异，并借用电磁场的作用，使被提取物中的某些成分被选择性地加热，进而使目标成分从基体或体系中分离出来，进入介电常数相对较小并且微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中，最终实现目标成分萃取分离的目的。 20世纪80年代匈牙利的Glanzler[1]首次提出微波萃取技术，一开始只是在土壤、种子、饲料中各种类型化合物的分离方面有所应用。由于具备设备简单、选择性强、萃取效率高和节能环保等优点，近年来该技术受到广泛的认同和关注，被广泛应用于天然产物、食品和环境样品的分析与提取。由于微波萃取不但能够快速高效地分离目的成分，还具有选择加热性这一显著特点，因此目前逐渐由一种实验室的分析方法向工业化生产制备手段发展，在天然产物有效成分的提取方面受到重点关注，并展开了广泛的探讨与研究，已涉及的天然产物有黄酮类、生物碱、多糖、苷类、有机酸、色素及挥发油等生物活性成分。

1 微波萃取的应用

1.1 黄酮类 黄酮类物质在植物中分布十分广泛，绝大部分中草药都含有此类成分。黄酮类化合物具有清除体内氧自由基、改善血液循环、降血糖、促进伤口愈合等作用，在各个领域有着广阔的应用前景。因此，黄酮类成分的有效提取显得尤为重要。苏敏等[2]以葛根为材料探索微波协助萃取黄酮工艺的优化。结果表明，采用微波萃取方法可以在短时间内提高提取效率，在相同时间内，采用微波协助提取得到的黄酮量明显高于不作微波处理的对照组。杨兵等[3]比较了微波萃取、索氏提取和超声波提取3种方法对蒲公英中总黄酮类物质的提取效率，发现微波萃取法优于另外两种方法，不论是在提取效率还是在提取时间上都超越了传统的索氏提取法与超声波萃取法。马翠等[4]采用微波法萃取侧柏叶中黄酮类化合物，与直接加热提取法相比，微波提取时间是热提法的1/30，提取率是热提法的3倍，而且耗能低。陈金娥[5]采用响应面法分析绿茶总黄酮微波萃取最佳工艺条件，发现在优化条件下，绿茶中黄酮得率平均值为2.605 mg/g，并与传统的索氏溶剂提取法进行了对比实验，结果证明微波法提取时间短，黄酮得率高，明显优于传统方法，具有重要的应用价值。

1.2 生物碱类 生物碱是中草药的重要成分之一。多数生物碱具备较复杂的含氮杂环结构和显著的生理作用。赵华等[6]首先利用正交实验得出微波萃取法提取汉防己有效成分的工艺条件，并用高效液相色谱技术测得微波萃取法和乙醇回流法得到的汉防己碱的含量分别为56.55%和52.25%，表明微波提取法不仅提取率高，而且省时、节能、操作简便。张勋等[7]采取超声-微波协同萃取法、超声溶剂提取法、传统溶剂回流提取法提取莲子心的总生物碱，结果显示，超声-微波协同萃取法得到的总生物碱含量最高，并且该法获得的总生物碱清除氧自由基的作用最强。肖谷清等[8]的实验证明，在萃取黄连的总生物碱时，微波萃取(12.618 mg/g)优于超声萃取(10.820 mg/g)和超声-微波联用萃取(11.842 mg/g)；微波萃取与超声-微波联用萃取相比较，前者获得的总生物碱量较后者高，这可能是因为微波之前的超声处理使部分生物碱变性；微波萃取和微波-超声联用萃取(12.970 mg/g)相比较，两者总生物碱提取量相差不大，说明微波萃取黄连总生物碱比较完全，微波萃取后没有必要再用超声萃取。

1.3 多糖类 多糖具有抗肿瘤、抗衰老、抗病毒和增强免疫力等显著的生物活性，近年来受到国内外研究者的广泛重视。在多糖成分的提取方面，微波萃取法与其他传统提取法相比，在选择性与提取时间上都表现出无可比拟的优越性。李秀信等[9]首先依次用石油醚、乙醚、70%乙醇回流，脱去香椿表面的非极性、中极性、黄酮类、单糖等其他成分，使细胞壁更容易破裂，从而使极性较大的多糖成分在微波辅助下更容易流出。微波萃取法结果显示，香椿多糖的提取率高达9.961%，与传统的溶剂提取法相比不但节省时间24倍，并且大大提高了多糖的得率，比较适合应用于工业化生产。宋力等[10]以黑木耳为原料研究了水浴提取法、回流提取法、微波协助提取法、超声波提取法等提取效果，结果表明微波提取法效果最好，不但消耗能量少，而且作用时间极短，仅3 min就可得到相近的多糖的提取率。谢三都等[11]通过响应面法优化金银花中水溶性多糖的提取工艺条件，不但将多糖的提取率提高至2.54%，而且将提取周期缩短至33 s，为金银花水溶性多糖在各领域的深入开发提供了参考依据。

1.4 苷类 苷类是由糖或糖衍生物的端基碳原子与另一非糖物质(苷元)连接形成的化合物，桔梗、远志所含的皂苷具有祛痰止咳功效，故可作为祛痰药；人参皂苷具有大补元气的作用；不少皂苷还具有抗肿瘤及降胆固醇等的作用。由于苷类成分极易被稀酸或酶水解，而微波对某些化合物具有一定的降解作用，且在短时间内可使药材中的酶灭活，因此在提取苷类等成分时具有更突出的优点。邹涛[12]采用微波法提取鲜黄姜总皂苷，先在高压蒸汽灭菌锅内酸解2 h，干燥后，加入乙酸乙酯微波萃取4 min，总耗时124 min，分别是传统酸解法、酶解法、酵解法耗时的1/6、1/8、1/14，总皂苷提取率达到0.26%，均高于传统提取方法，是高效、节能、省时、操作简单并且适合工业化生产的一种方法。初红涛等[13]进行了对槐花米中芸香苷提取工艺的考察，研究了微波法和超声法及两者联用的提取工艺，同时考察了微波与超声波交替提取时的料液比、提取时间、提取次数、提取功率等影响因素。结果表明微波单一作用时提取率高于超声波的提取率；微波与超声波联合作用的方法(即超声提取30 min后，再继续用微波提取15 min)提取率最高，达6.89%。

1.5 有机酸 有机酸类在中草药的叶、根，尤其是果实中广泛分布，并且有些有机酸可作药用，如酒石酸、抗坏血酸等能综合作用于中枢神经，而土槿皮中的土槿酸有抗真菌作用，咖啡酸的衍生物如绿原酸具有抗菌、利胆的作用。侯韬等[14]在提取八角茴香中的莽草酸时，先采用单因素法确定了最佳的颗粒度和微波温度，在此基础上，以微波时间、微波功率、料液比三个因素为影响因子，进行了响应面法优化实验，结果表明在最佳的工艺条件下，八角茴香中莽草酸的提取率为6.3647%。何培等[15]在提取金银花中绿原酸时，先加入4倍量80%的乙醇溶液，微波预处理60 s，然后加l5倍量的蒸馏水在70℃的水浴温度中提取50 min并进行绿原酸的微波提取实验，得到绿原酸的含量为8.34 mg/g，比传统提取的方法得到的绿原酸的含量要高。

1.6 色素 中药天然色素含有中药特有的有效成分，对人体的多种疾病具有治疗、预防等药理作用和保健功能。例如，花色素能够清除体内氧自由基；胡萝卜素能够增强免疫能力；紫草色素有很强的抑菌作用，能加速伤口愈合。可见，中药天然色素的开发具有广泛的市场前景和医疗保健应用价值。姚壮和[16]通过正交试验对微波协助萃取芒果皮中的黄色素进行了工艺优化，微波作用时间每次30 s，仅需三次即可提取芒果皮中89.92%的色素，色素得率(色素质量/芒果皮质量)为5.1%。微波协助法提取色素所需的处理时间短，仅为溶剂法的1/60。李书静等[17]在提取红花中黄色素时，先得到水直接浸提法的最佳提取条件，在此工艺上加入微波协助萃取。结果表明，采用微波协助提取可以明显提高红花黄色素的提取率，且红花黄色素的提取率随微波功率的增大而升高。当微波功率达到1000 W时，红花黄色素的提取率最高，为7.73%，比单纯采用水浸提法高1.01%。涂华等[18]探讨了栀子黄色素提取工艺中的热回流提取法和微波协助提取法。结果表明，微波协助法比热回流法得到的黄色素品质更高。除此之外，还具有能耗低、操作方便等优点。

1.7 挥发油 挥发油是中药中非常重要的成分，某些活性成分能够直接制成药物。由于挥发油本身的特殊性，传统的微波萃取技术在提取目标产物的同时还容易提取植物中的蜡质、色素等非目标成分，并且有些溶剂与挥发油难以完全分离，很难满足高度纯化的要求。因此，相关学者发展了一系列技术，包括微波协助水蒸气蒸馏、真空微波提取、微波水扩散与重力沉降、无溶剂微波提取和基质协助微波提取等。

1.7.1 微波水蒸气提取 微波水蒸气提取是利用微波协助加热代替传统的加热方法。具体操作过程为，先将细胞内的挥发油分离到细胞外的水相中，随后挥发油被水蒸气夹带回流，该技术不但能够将挥发油成分直接从提取物中与脂类等其他成分分离，还易于实现后续纯化时的油水分离，解决了传统微波萃取法中使用溶剂萃取带来的操作复杂、溶剂残留等问题，简化了后续分离纯化过程。王静等[19]利用微波水蒸气与水蒸气蒸馏提取柠檬香蜂草精油，结果表明微波水蒸气提取法得到的含氧化合物更多，精油品质更好且经济价值更高。邹小兵等[20]采用微波水蒸气提取法提取八角茴香中的挥发油成分，并与水蒸气蒸馏法进行比较。结果表明，微波水蒸气提取法的提取率与水蒸气蒸馏法相同，但提取时间仅为水蒸气蒸馏法的一半；微波水蒸气提取法所得挥发油成分与水蒸气蒸馏法相同，但含有较多的单萜类合氧化舍物，挥发油的主要成分反式一茴香脑的含量为水蒸气蒸馏法所得挥发油的1.5倍。

1.7.2 真空微波协助提取 真空微波协助提取指的是在真空条件下进行的微波萃取。将体系抽成真空，隔绝氧气，有效防止物质的氧化，从而保证被提取物的品质更接近于自然状态，并且真空状态下溶剂的沸点低于常规状态下的沸点。因此，真空状态下的提取环境相对温和，更有利于热敏性物质的提取。陈宁[21]采用真空微波协助萃取提取大蒜中的大蒜素，微波辐射10 min后提取率即可达到0.243%，大大提高了提取物中大蒜素含量，且溶剂损耗较少。显然，与传统的溶剂萃取相比更简单，真空微波协助提取法具有萃取时间短、成本低及萃取效率高等优点。

1.7.3 水扩散-重力沉降微波协助提取 水扩散-重力沉降微波萃取指的是，微波直接作用于新鲜植物体，其内部的水分能够将植物内的挥发油带出细胞外，挥发油会随着水分的重力作用向下汇集，并及时被冷却、收集，挥发油因此富集，实现与植物体分离的目的。该方法不但能够有效地将挥发油提取出来，而且避免了使用溶剂，减少了污染，节约了大量的能源和时间，能在15～20 min内完成挥发油的提取。Maryline abert Vian[22]用该方法提取薄荷叶中的薄荷油。Bousbia等[23]还用相同的方法提取迷迭香中的挥发油，结果表明水扩散-重力沉降更易提取迷迭香中极性较高的含氧化合物。

1.7.4 无溶剂微波协助提取 无溶剂微波协助萃取指的是，在微波萃取过程中不需要添加任何溶剂，微波直接作用于植物细胞，植物自身的水分吸收微波后使细胞破壁，同时加热提取体系，以此实现蒸馏提取的目的。这就要求采用该方法提取的植物须满足一定的含水量，提取干植物时，则需对植物进行浸泡或喷水等预处理。杨艳等[24]同时采用微波水蒸气法和无溶剂微波协助法提取孜然精油。研究表明，两者提取的孜然精油主要成分基本一致，与传统的水蒸气蒸馏法相比，大大缩短了时间。而无溶剂微波协助提取法所需溶剂量仅为微波水蒸气提取法的1/3～1/4，因此该法不仅缩短了提取时间，节省了溶剂，具有较稳定的提取率重现性，同时精油中的枯茗醛含量和质量品质也相对较高。胡位荣等[25]比较了无溶剂微波法与水蒸馏法提取柚皮精油的产量，结果表明无溶剂微波协助提取果皮精油的总量及成分与水蒸气蒸馏所得产物基本相同，但是微波提取可节省90%的时间和60%的能耗。

1.7.5 基质协助微波提取 由于无溶剂微波协助提取对样品本身具有一定的限制要求，因此，wang等[26]在无溶剂微波萃取的基础上，添加对微波敏感的某种物质以加快提取的过程，这一技术称为基质协助微波提取。该方法不但简化了提取操作，还加快了体系升温速度，提高了提取效率。除此之外，由于提取系统中不含水分，可降低挥发油水解反应的机率。除了水和甲醇、乙醇等溶剂，能吸收微波的物质有很多，如石墨、碳基铁粉、活性炭粉、离子液体等。赵方方等[27]加入碳基铁粉提取油料中的挥发油，与常规的无溶剂微波提取法相比更快捷，仅需20 min就能提取完全，明显短于无溶剂微波法的50 min，而且能耗明显小于无溶剂微波提取法。基质微波协助提取法得到挥发油的氧化挥发物相对含量较多，更易于生成较多的香味物质。孙晔使用离子液体-微波协助提取法提取陈皮、生姜中的挥发油，结果表明离子液体-微波协助提取与水蒸气蒸馏和微波水蒸气提取的成分相差不大，说明采用离子液体辅助微波提取是一种良好且快速的提取方法。由于离子液体的特点，该法还可以应用于天然产物中黄酮、生物碱及内酯等其他成分的提取[28]。

2 结论

与传统提取技术相比，微波萃取技术设备简单，成本较低，同时能够节省溶剂，大大缩短提取时间，提高萃取效率，还有利于提取热不稳定的成分，对于挥发油等挥发性成分也有较好的提取效果，是天然产物提取的一个重要的技术。在使用微波萃取技术时，常常需要考虑以下几个因素给萃取系统带来的影响：①微波辐射功率和微波作用时间对提取率的影响(微波辐射功率决定达到溶剂沸点所需的时间和蒸气速率)；②提取时间对目标成分热解和氧化的影响；③溶剂的种类和用量对提取效果的影响(溶剂不但要尽可能多地溶解目标成分，还要保证在提取后期能尽量与目标成分完全分离，保证目标成分的纯度与品质)。除此之外，研究者还需要考虑天然产物本身的结构性质与含水量：需要考虑目标成分是否容易受热分解、氧化；天然产物的含水量是破坏细胞壁快慢的关键，但含水量过多，会增加目标成分的水解机率。因此，在应用微波萃取技术时应考虑上述因素，有针对性地选择最佳的提取工艺与条件，在保证提取物品质的前提下，力求提取率的最大化，实现低耗高效的工业化生产目标。但是，微波萃取设备不能有效地防止微波泄漏成为制约该技术发展的一大因素，解决此技术问题，将会进一步推动微波技术的工业化。随着微波萃取设备与分析检测仪器的在线联用及自动化方面的发展，微波萃取将作为一种高效、节能的新方法为天然产物在食品、医药、保健品、化妆品等领域的进一步开发利用提供强有力的技术支持。