微波萃取原理及其在中草药有效成分提取中的应用

吴龙琴，李 克

（中国人民解放军南京军区南京总医院检验科，江苏 南京 210002）

如何充分提取中草药的有效成分、提高其利用率和临床疗效，是中草药现代化面临的主要课题和重要任务。常用的中草药有效成分提取方法有浸泡法、渗漉法、回流法、压榨法等。这些传统的提取方法虽已使用多年，但仍存在一些不足和缺陷，如有效成分提取不完全，溶剂和能源消耗量大，有效成分在提取过程中易损失，以及一些中草药成分在空气中或在加热条件下易被氧化和破坏，或某些中草药所含有的生物酶在提取过程中会催化一些有效成分的降解等。因此，新的提取技术如超声提取技术[1]、超临界流体萃取技术[2]、半仿生浸取技术[3]、生物酶技术[4]及微波萃取技术等的研究日趋活跃。其中，微波萃取技术因其具有设备要求较低、操作方便、提取效率高、能耗小等优点，且符合现代绿色环保要求，故逐渐成为环境分析、生化分析、食品分析、化工分析及天然产物提取等[5－9]领域研究的热门课题之一。笔者拟就微波萃取原理及其特点，以及近年来该技术在中草药有效成分提取的应用研究和进展作一综述。

1 微波萃取原理

微波是指频率在300MHz～300 GHz，即波长在1～1 000mm之间的电磁波。微波以直线方式传播，具有反射、折射、衍射等光学特性。微波遇到金属时会被反射，但遇到非金属物质时则能穿透或被吸收。常规加热是由外部热源通过热辐射由表及里的传导方式加热，而微波加热则是材料在电磁场中由介质吸收引起的内部整体加热，即将微波电磁能转变成热能，其能量通过空间或介质以电磁波的形式传递，物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切关系。由于不同物质的介电常数不同，其吸收微波能的程度不同，由此产生的热能及传递给周围环境的热能也不同。在微波场中，吸收微波能力的差异使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中[10]。

就细胞破碎的微观角度而言，微波加热可导致细胞内的极性物质，尤其是水分子吸收微波而产生的大量热能，使胞内温度迅速上升，细胞内液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小孔洞。持续加热，导致细胞内部和胞壁水分进一步减少，细胞收缩，表面孔洞加大或出现裂纹，使胞外溶剂容易进入细胞内，溶解并释放出胞内产物[11]。

2 微波萃取的特点

微波萃取是利用微波快速加热的特性，并结合传统溶剂提取法而形成的一种针对固体样品成分提取的新萃取技术。与传统中草药提取方法相比，微波萃取具有以下特点：1）瞬间产生高温，浸提时间短。在高频微波的作用下，溶质和溶剂中的偶极分子产生偶极涡流、离子传导和高频率摩擦，从而在极短时间内产生极大的热量。同时，偶极分子旋转所导致的弱氢键破裂以及离子迁移等还加速了溶剂分子对样品基体的渗透，使待提取物很快溶剂化，从而显著缩短萃取时间。2）加热均匀。微波加热是通过透入物料内部的微波能量被物料吸收，再转换成热能使物料加热，这种能量传递是通过空间或介质以电磁波的形式来传递，物料的表里温升均匀，形成无温度梯度加热[12]。3）微波能量利用率高。常规加热设备的能耗主要有物料升温的热损失、设备预热及向外界散热的损失，后两项的热损失占总能耗的比例很大，使常规加热能量利用率较低。微波加热时，主要是物料吸收微波能，金属材料只能反射而不能吸收微波。因此，微波加热设备的热损失仅占总能耗的极少部分。再加上微波加热不需要高温热介质，绝大部分微波能量被物料吸收转为升温的热量，形成能量利用率高的加热特征。4）伴随产生生物效应[13]。微波加热过程中除产生热效应外，还可伴随产生生物效应（非热效应）。由于生物体内的水分是极性分子，在微波的交变电磁场作用下引起强烈的极性震荡，导致细胞分子间氢键松弛，细胞膜结构破裂，加速了溶剂分子对基体的渗透和待提取成分的溶剂化。同时，在微波场中吸收微波能力的差异，可使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，在极短时间内使细胞膜破裂，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小，微波吸收能力相对较差的萃取剂中，这大大缩短了萃取时间，提高了萃取效率。5）安全环保。微波萃取过程中，无有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。

3 微波萃取与其他常用提取方法的比较研究

研究证明，微波萃取技术应用于中草药有效成分的提取比其他传统提取方法有明显的优势。在大黄有效成分的提取中，微波萃取方法要比其他常用提取方法（索氏提取法、超声提取法、水煎法）效率明显提高。微波5min时的提取率即已超过超声提取法60min时的提取率；15min时的提取率已接近索氏提取法和水煎法2h时的提取效果[14]。决明子中总蒽醌提取工艺比较显示，微波萃取法提取率是超声提取法的16倍，是索氏提取法的3倍，是水煎法的1.1倍。用微波萃取仅5 min时就已超过超声提取1h时的提取率，15 min时已达到或接近索氏提取2h和水煎法的提取效果[15]。彭湘君等[16]以总黄酮的含量为考察指标，分别采用常规回流提取法、超声提取法、微波辅助萃取法及索氏提取法对山豆根进行提取。结果发现，4种提取方法中，常规回流提取法所得总黄酮含量最高，微波辅助萃取法和超声提取法次之，索氏提取法总黄酮含量最低。但常规回流提取法所需时间通常为3～4h，而微波辅助萃取法只需30 min左右即可完成提取。Szentmihalyi等[17]利用微波萃取技术从废弃的蔷薇果种子中提取有医用价值的野玫瑰果精油。通过对超声提取、微波萃取及超临界萃取3种方法的对比研究发现，3种方法萃取率分别为16.25％～22.11％，35.94％～54.75％和20.29％～26.48％，其中微波萃取效果最好。

微波辅助提取法不仅提取效率高，而且还绿色环保。提取过程无污染，溶剂耗量减少，能有效节省能源。对采用微波辅助提取法提取黄花蒿中青蒿素的结果与索氏提取法、超临界二氧化碳提取法以及加热搅拌提取法进行比较发现，微波辅助提取不仅能极大地提高提取速率，而且还能减少有机溶剂用量，溶剂回收率也较高[18]。综合考虑，微波萃取法与其他常用提取方法相比，具有高效、省时、节能的优点，且提取效果好。

4 微波萃取在中草药有效成分提取上的应用

4.1 生物碱类

生物碱为生物体内一类含氮有机物的总称，是中草药有效成分之一。近年来，微波提取或微波辅助萃取技术应用于中药生物碱提取的报道逐渐增多。

马燮等[19]采用微波辅助萃取法对蛇足石杉总生物碱进行提取研究，并就微波萃取参数对试验结果的影响进行了比较。与传统的浸提提取工艺相比，微波辅助萃取技术可使总生物碱的回收率提高15.7％。张永钰等[20]以山核桃蒲壳总生物碱得率为指标对传统浸提法、超声辅助提取法、微波辅助提取法进行了正交实验比较，结果显示，3方法中微波辅助提取山核桃蒲壳总生物碱的得率最高，约为传统浸提法的2倍。这一方面是由于微波使细胞破壁－微波所产生的电磁场加速了生物碱向提取溶剂快速扩散而进入提取液中；另一方面，由于微波的作用，偶极分子以每秒24.5亿次的频率旋转运动、摩擦碰撞导致弱氢键破裂、离子迁移，加速了溶剂分子对药材颗粒的渗透，使提取物很快溶剂化，显著缩短提取时间，方便快捷的提取有效成分。

4.2 挥发油类

挥发油又称精油，存在于植物的特殊分泌组织中，主要含脂肪族、芳香族和萜类三大类化合物。由于挥发油的特性，合成香料无法代替其天然芳香气味和药理作用。近年来，为了有效地提取挥发油，开始尝试应用微波萃取法提取植物挥发油。Balasubramanian等[21]设计连续微波萃取系统从珊藻中提取挥发油，并将萃取条件优化，在95℃的条件下提取30 min，挥发油的萃取率可达77％。朱晓楠等[22]用非极性溶剂（正己烷）微波辅助萃取肉桂中的挥发油成分，并用气相色谱－质谱联用研究组分结构，结果显示，微波辅助萃取所得的挥发油组分与用水蒸汽蒸馏所得的挥发油组分的种类和相对含量均比较接近，未发现因加入了微波吸收介质而产生新的化合物，这表明在微波辅助萃取法提取肉桂挥发油组分的过程中，所用的微波吸收介质仅作为热源加热样品，并未作为反应物与样品中的任何组分发生化学反应。

4.3 黄酮类

大部分中草药中含有黄酮类成分，具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功能。采用微波萃取黄酮类化合物具有明显的高效性和高选择性特点，其应用已日渐广泛。

金钱草中主要有异鼠李素、山奈酚、槲皮素等黄酮类物质，传统多采用醇回流法提取其中总黄酮，但提取率不高。陶锋等[23]采用正交试验优化微波萃取法提取金钱草中黄酮类成分，结果提取效果明显改善。用传统醇回流法耗时超4h，而微波萃取法只需30min即可完成，且提取率较醇提取法提高了80％。冯怡等[24]比较了微波萃取技术和传统水煎提取法用于葛根、罗布麻叶、紫花地丁中总黄酮的提取率。结果显示，微波萃取方法最大提取率大于常规水煎法，且用时短，一般提取20min左右效果即与水煎1h时相当。微波萃取法提取沙棘黄酮工艺也显示，在提取时间、溶剂用量和得率等方面比较，微波萃取黄酮类化合物均明显优于传统醇回流法，可用于工业化生产[25]。微波提取黄酮类组分时，在样品处理中，不宜使用大量的水，因大量水分会吸收较多微波能，阻碍药材对微波的吸收。而且提取温度不宜太高，否则易使原料暴沸或有效成分发生变性[26]。

4.4 苷类

皂苷是一类重要的中草药活性成分，目前其活性研究已经从溶血、抗生育等方面转向更有应用前景的抗癌、心血管活性、调节免疫以及降血糖等方面。因此，皂苷类有效成分的提取是一项值得研究的课题。试验显示，在微波萃取中草药有效成分时，采用不同的衡量指标，影响萃取效果的常用参数会出现差异。如采用正交试验法研究微波辅助萃取技术萃取复方双黄连组方有效成分影响因素，以黄芩苷为衡量指标时，微波功率、水量、提取时间、物料破碎度、提取次数五个因素中，对黄芩苷提取率影响最大的是提取次数；而以连翘苷为衡量指标时，提取率最大的影响因素则是微波功率[27]。在微波提取黄芪皂苷的条件中，液料质量比是影响提取过程的一个重要因素。液料质量不宜过小，否则，提取过程中液相浓度增加快，使传质推动力衰减加快，影响两相的混合情况。尤其在搅拌不充分的情况下，会改变表观传质系数，从而影响传质速率。而液料质量比的提高会在较大程度上提高传质推动力，但也提高了生产成本及后续处理的难度，所以液料质量比也不宜过高[28]。

4.5 多糖类

多糖是一类具有显著生物活性的物质，在生物体内，多糖不仅提供能量和参与结构，同时参与细胞的各种活动，具有抗肿瘤、消炎、抗病毒、降血压、降血脂、抗衰老、抗凝血、免疫调节等方面的作用。近年已有学者采用微波技术进行中草药多糖类化合物的提取，但与中草药其他组分的提取相比，多糖类的提取工艺中，微波功率不易过高。当有效成分的性质决定其不适于直接用微波法进行萃取时，微波辅助萃取为一个好方法。例如多糖类成分提取中，微波直接萃取易引起多糖糖链的裂解，使其糊化[29]。但将微波技术应用于含多糖部位的植物细胞破壁，便能大大加快反应速度，有效提高多糖的提取率。微波辅助萃取法提取银耳多糖研究发现，当微波萃取功率大于600W时，多糖提取率逐渐降低[30]。这说明较大的微波功率会导致多糖的分解，但并不影响微波工艺的优越性。热水直接提取6h，银耳多糖的提取率为10.94％，而经过微波预处理后的银耳，只需提取2h，所得到的银耳多糖的提取率均可达10％以上。采用微波工艺提取板蓝根多糖，与未经微波处理的结果相比，板蓝根粗多糖得率和多糖质量分数分别提高12.4％和5.8％[31]。

5 结语

微波萃取技术应用于中草药有效成分的提取，具有穿透力强、选择性高、反应速度快、溶剂消耗低、污染小，以及设备简单、提取收率高等优点，已成为当前和今后样品新型前处理技术研究的热点之一。尽管如此，微波萃取及微波辅助萃取技术的研究和应用尚不完善，对药物成分提取仍存在一些限制。如对富含挥发性物质、淀粉或树胶的天然植物尚不适合微波干燥，对热不稳定物质，如蛋白质、多肽、酶等，因微波加热可能导致变性或失活而不宜使用。此外，尽管微波萃取技术在中草药有效成分提取的应用已开始从实验室推向生产，但在大规模工业化生产中的应用尚不多见。这些都有待进一步研究和突破，以使微波萃取这项具有独特优势的技术，在中草药有效成分提取方面得以更加有效地发展和应用。

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