天然产物中化学成分提取的新方法 -微波萃取法

天然产物中化学成分提取的新方法微波萃取法【摘要】自1986年Ganzler首先报道了微波用于天然产物中化学成分的提取后,微波萃取技术已成为近年来发展较快的一种新型提取技术,因它具有速度快、效率高、耗能少、时间短以及有利于环保等优点,目前广泛应用于食品、生物、制药、环境样品及天然产物提取等各领域中.文章从微波萃取的原理、特点、条件入手,对微波萃取技术在天然产物化学成分提取中的应用进行讨论.【关键词】微波萃取法;天然产物;化学成分天然产物中化学成分的提取是一项耗时、耗能、耗溶剂的工作.目前,传统的提取方法主要有溶剂提取法和水蒸气蒸馏法,但这些方法都存在着提取效率低、溶剂消耗量大、提取周期长、能源消耗大等缺点.随着科学技术的快速发展,一批新技术、新设备应运而生,如超声波萃取、超临界流体萃取、加压逆流提取、旋流提取等技术,其中超临界流体萃取由于设备复杂、运行成本高、提取范围有限等问题,在应用上受到限制,而超声波萃取和微波萃取被广泛应用到实验室.所谓微波萃取技术(Microwave2assistedextractiontechnique)是指使用微波及合适的溶剂在微波反应器中从各种物质中提取各种化学成分的技术和方法.这种技术非常符合环境保护的要求,是一种全新的“绿色”萃取技术.本文对微波萃取技术的机制、特点和在天然产物提取中的应用进行阐述,并进一步展望其发展趋势及应用前景.微波萃取的机制微波与无线电波、红外辐射、可见光等同属于电磁波，通常是指频率在300〜300GHz间的电磁波,因比无线电波更为微小,故称之为“微波”,最早应用于通讯与军事.1986年Ganzler首先报道了微波用于天然产物成分的提取,20年来,此项技术已广泛应用于食品、生物、制药、环境样品及天然产物提取.目前,对微波萃取机制的解释,Pare等提出的假设得到广大学者的认同,他们认为微波萃取是指高频电磁波穿透萃取媒质,到达植物物料内部维束管和腺细胞内,使细胞内的温度突然升高,连续的高温使其内部压力超过细胞空间膨胀的压力,从而导致细胞破裂;细胞内的有效物质自由流出,在较低的温度下溶解于萃取媒质,再通过进一步过滤和分离,便获得萃取物料.针对Pare提出微波破壁[3]的假设,也有一些学者提出了异议.郝金玉等对新鲜银杏叶微波辅助提取后微观结构的变化观察发现,植物细胞结构发生明显的变化,主要表现在有质壁分离现象,细胞器、淀粉粒等胞内物质被破坏,但微波辅助提取没有使细胞壁破裂.无论微波破壁与否,微波对极性物质的提取的优越性,已得到了众多研究者的肯定.微波萃取的工艺流程微波萃取的大致工艺流程如下:原料预处理(清洗、切片或粉碎)一溶剂与物料混合一微波萃取一过滤一浓缩一分离一萃取成分.微波萃取的方法微波萃取的方法可分为:常压法、高压法、连续流动法.常压法即在敞口容器中进行微波萃取,其优点是样品容量大、安全性能好、容器便宜;缺点是原料容易污染、挥发性成分容易损失、有时消解不完全.高压法指物料在密闭消解罐中进行消解.因为消解罐为密闭容器,消解时产生的高压提高了酸的沸点;密闭时也产生高温提高了反应速度,减少了反应时间;酸也不会损失,节约了酸的用量,减少了酸雾对其他容器的腐蚀.3.3连续流动萃取法就是将微波在线消解与流动注射联用（有关这方面的报道较少）.微波萃取的特点微波萃取技术作为一种新型的萃取技术,有着明显的特点.首先,借介质从内部加热萃取,可有效地保护物料中的有效成分,纯度高、萃取率高;其次,对萃取物有高选择性,因其对极性分子的选择性加热从而其选择性地溶出;第三,速度快,省时.传统方法需要几小时或十几小时，而微波萃取只需要几秒到几分钟，可节省50%〜90%的时间;最后，安全、节能、无污染、生产设备简单、节省投资.影响微波萃取的因素影响微波萃取的主要工艺参数包括萃取溶剂、萃取功率和萃取时间,其中萃取溶剂的选择对萃取结果的影响至关重要.5.1萃取溶剂的影响首先,溶剂的极性对萃取效率有很大的影响,另外,还要求溶剂对分离成分有较强的溶解能力,对萃取成分的后续操作干扰较少.目前根据文献报道已用于微波萃取的溶剂有:甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、正己烷、乙腈、苯、甲苯等有机溶剂和硝酸、盐酸、氢氟酸磷酸等无机溶剂,以及乙烷2丙酮、二氯甲烷2甲醇、水2甲苯等混合溶剂.对于不同的基体,使用的溶剂可能完全不同.萃取温度和萃取时间的影响萃取温度应该低于萃取溶剂的沸点,不同的物质最佳萃取回收温度不同.而萃取时间与被测样品量、溶剂体积和加热功率有关,一般情况下为10〜15min,对于不同的物质,最佳萃取时间不同.溶液pH的影响关于此类的报道不多.熊国华等在土壤中萃取除草剂三嗪的实验中,分别用了NaOH,NH3NH4Cl,HAc-NaAc和HCI调节溶液的pH,考查了不同溶液pH对回收率的影响.结果表明:当溶液的pH介于4.7〜9.8时,除草剂三嗪的回收率最高.试样中的水分或湿度的影响因为水分能够有效吸收微波能产生温度差,所以待处理物料中含水量的多少对萃取回收率的影响很大,因此对于不含水分的物料,要采取再湿的方法,使其具有适宜的水分.基体物质的影响基体物质对微波萃取结果的影响是因为基体物质中含有对微波吸收较强的物质,或是某种物质的存在导致微波加热过程中发生化学反应.微波萃取的应用生物碱类GanzlerK等采用微波技术从不同物质中提取生物活性碱.在最佳实验条件下，鹰爪豆碱的微波提取率从传统方法的52.3%提高到80.3%;从羽扇豆种子中提取金雀花碱,也与传统的振摇提取法相比,提取率提高了20%,大大缩短了提取时间并节约了大量溶剂.范志刚等研究微波技术对麻黄碱浸出量影响的实验中,比较了微波提取与常规煎煮方法.结果表明微波提取麻黄碱的浸出量明显高于煎煮法,并且半量麻黄粗粉浸出量明显高于全量麻黄饮片.邓远辉等在微波提取黄连小檗碱的实验中,以干固物和小檗碱含量测定结果为目标,比较了微波提取与回流两种方法.干固物测定结果表明,在单位时间内微波处理较回流提取具有明显的优势;以小檗碱含量测定结果表明,回流提取高于微波提取.黄酮类目前,微波对黄酮类物质的提取已取得了良好的效果,有较多文献报道了微波用于中草药中黄酮类物质的提取.张梦军等用均匀设计法进行分析表明,甘草黄酮的最佳提取条件为:固：液=1:8，乙醇浓度为38%或78%，微波功率288W或388W，-提取时间1min或3min,提取率为24.6g・L-1,明显高于水提法的11.4g・L-1.王鲁石等、刘志勇等分别进行了荆芥叶、荆芥根中总黄酮含量测定的实验,实验结果表明，微波辅助提取荆芥中总黄酮提取时间由常规法的2h缩短为20min，提取液中总黄酮的含量由常规法的0.71%提高到1.11%.李芙蓉等、陈斌等、王娟等分别进行了葛根中总黄酮提取的实验.李芙蓉的实验采用比色法测定总黄酮的含量.结果表明葛根中总黄酮含量为0.34%,平均回收率为97.6%.王娟等通过均匀设计考查微波频率、辐射时间、溶剂用量、浸泡时间、原料粉碎等参数对葛根中总黄酮提取效果的影响，实验表明在255W、辐射15min、固：液=1:9、粉碎度为40目、浸泡时间1h条件下干浸膏产率最高,与传统工艺比较,有缩短了提取时间,减少了溶剂用量以及干浸膏中总黄酮含量较高等优点.研究结果表明,微波对葛根素的分子结构并未造成破坏.段蕊等、李嵘等进行了银杏中黄酮含量的测定实验，用微波处理5min后，以70%乙醇回流提取1h,得到提取物中黄酮类物质的量比未用微波处理的高出188%,纸层析表明在使用的微波温度下,黄酮类物质性质不发生变化.还有许多研究人员作了微波提取黄酮类物质的实验,如鲁建江等作了车前草中总黄酮的微波提取及含量测定的实验，结果表明车前草中总黄酮含量由原来的2.8%〜3.5%提高到3.74%;孙萍等作了狭叶红景天总黄酮的微波提取及含量测定实验,结果表明微波萃取不但缩短了提取时间,样品中总黄酮的含量达到2.11%;王莉等作了新疆马齿苋中总黄酮的微波提取及含量测定实验,结果表明总黄酮的含量达到5.79%.蒽醌类郝守祝等研究了微波技术对大黄游离蒽醌浸出量的影响,实验考查了微波频率、物料粒径、浸出时间3个因素对提取率的影响,结果表明物料粒径对蒽醌成分浸出影响极为显著,微波频率对蒽醌成分浸出影响显著,浸出时间对蒽醌成分浸出有一定影响.微波提取技术对大黄游离蒽醌的提取率明显高于常规煎煮法及乙醇回流法.吉林大学胡秀丽等试验研究了大黄总蒽醌的微波辅助提取、超声提取和索氏提取方法,并利用分光光度法测定了提取液中总蒽醌的含量.结果表明微波辅助提取法的提取率最高1.91%,是超声法的1.13倍,是索氏提取法的1.29倍.微波辅助提取法仅需10min,而索氏法和超声法分别需要90,30min.微波辅助提取法用于中药大黄的提取，具有高效、省时的特点.皂苷类用微波技术提取植物皂苷的报道比较多,目前,已有应用微波技术提取重楼中重楼皂苷和高山红景天中的高山红景天苷的报道.王家强等的重楼皂苷的微波提取论文中指出,微波5min能达到常规加热2h的效果,而且杂质少,微波提取10min皂苷就已提取完毕.郭振库等对黄芩中黄芩苷的提取作了研究,通过正交设计方案研究了溶剂性质、加热时间、微波处理压力对黄芩中黄芩苷提取率的影响,显示最佳提取条件为:微波功率850W,以35%乙醇为溶剂、提取压力0〜15mPa、恒压时间30s,即可获得较高的得率，在此条件下，与采用35%乙醇为溶剂、固：液=1:60、提取时间30min的超声波萃取技术相比，提取率高了10%左右.多糖类多糖是一类具有生物活性的大分子物质,在调节免疫、抗氧化、降血糖、抗病毒以及抗肿瘤等方面有显著的作用.多糖传统提取方法为水煎醇沉法,提取时间一般为8h左右.现在,微波技术已用于某些生物材料的多糖提取中,如板蓝根多糖的提取、新疆党参多糖的提取、黄芩多糖的提取、甘草多糖的提取、肉苁蓉多糖的提取、天花粉多糖的提取、天仙果多糖的提取、马齿苋多糖的提取、刺五加多糖的提取、红景天根和叶多糖的提取、茶叶多糖的提取等等,这些植物中多糖的提取一般分为2种方法:一种是用微波技术直接提取,结果表明反应时间缩短了1/12,多糖的含量均高于传统的方法,并具有高效节能、杂质含量少的优点;另一种是先用微波处理几分钟,然后用水煎煮法提取,结果表明多糖的含量均高于单一的水煎煮法,同时也缩短了时间.挥发油类微波技术提取挥发油类物质,国内外已有较多的研究.在阐述研究成果的同时,专家们提出了挥发油在提取过程中应注意的几个问题:1不同植物的挥发油不同,要求微波提取时微波的功率也要有所不同.2微波辐射的时间不可过长,否则可导致挥发油中不稳定成分的降解.3微波功率不可过高,否则挥发油来不及冷凝就跑掉了,导致挥发油产量的降低.ChenS进行了微波辅助提取迷迭香、薄荷叶中的挥发油实验,实验主要研究了微波功率、辅助时间以及物料量等因素对微波提取率的影响.结果表明微波加热的类型与组分的介电常数决定,在固定微波功率后,提取率与物料的特性、微波强度和持续时间、溶剂种类、固液比例以及加样量有关.陈宏伟等运用微波技术从荆芥叶中提取挥发油并对其含量进行测定.结果反应时间由原来的5h缩短为20min,荆芥叶挥发油含量由0.89%提高到1.10%.新疆石河子大学药学院鲁建江等人从藿香、魁蒿叶、红花、佩兰、新疆孜然果实、新疆党参根茎叶、红景天等植物中用微波技术提取挥发油,均得到了较好的效果,提取率均高于水蒸气蒸馏法且时间短.其他微波技术不仅用于以上化学成分的提取,用此技术也可以提取萜类化合物、有机酸、香料、色素、植物油、氨基酸、维生素等等.宗乾收等。用微波技术分别提取了印楝叶、种壳、种仁中的印楝素,结果表明印楝素微波提取的最佳工艺是以甲醇为萃取溶剂、微波功率280W、辐射时间100s、溶剂用量120mL.周志等用微波从茶叶中提取茶多酚，并研究了微波对茶多酚及儿茶素组成的影响,结果茶多酚的化学结构无变化,儿茶素组成发生变化.郭振库等应用自行设计的具较高压力控制精度的专用微波制样系统,对金银花中有效成分绿原酸和异绿原酸类化合物的提取条件进行了分析,并与超声波提取进行了比较,结果提取率提高了近2成.邵海等微波萃取核桃油工艺,用Mars微波萃取系统对微波萃取山核桃仁油的影响因素,包括溶剂类型、提取温度、提取时间、萃取溶剂体积进行单因素的考察.实验结果表明,正己烷是萃取核桃仁油的较佳溶剂,在单因素的试验基础上通过正交实验设计得出优化的微波萃取核桃仁油的工艺条件:提取温度为60°C,提取时间为12min，每克核桃仁用萃取溶剂7mL.将萃取方法进行了比较•结果表明，微波萃取时间明显的缩短（是磁力搅拌法的）1/12、索氏提取法的1/20），萃取温度也比传统方法下降5°C,微波萃取法所用溶剂体积较磁力搅拌法低,而且提油率也比传统方法高.利用气相色谱分析核桃油中的脂肪酸的组成,微波萃取法得到的核桃仁油与传统方法相比在脂肪酸组成上有了明显的变化,其中不饱和脂肪酸的质量分数由82.94%上升到90.25%,而亚油酸的质量分数由43.49%上升到48.23%.前景从以上的分析中我们可以看出,微波萃取技术已广泛应用于各种化学成分的提取中,因其具有速度快、时间短、提取率高、安全环保等优点使得该技术将获得更大的发展前景.但由于微波提取技术要求被处理的药材具有良好的吸水性,而且仅适用于对热稳定的成分如生物碱、黄酮、昔类等,对热敏感的物质如蛋白质、多肽等,微波加热则会导致其变性、失活.因此,如何强化和优化微波传质机制以及寻找一种特殊的微波辅助提取设备等都有待进一步研究.现已有将微波萃取与液体样品顶空萃取相结合、固相萃取一微波萃取联用技术等相关报道,这将助于综合利用各种技术的优点,提高处理效果,扩大样品适用范围.另外,在仪器设计上也实现突破,将萃取与后续处理结合起来,使微波萃取像超临界萃取那样与检测仪器实现在线联机,这对于进一步缩短样品预处理的时间,提高分析速度具有重大的意义,同时也使该方法获得了更强大的生命力.参考文献:刘志伟，文南，郑梦云.微波萃取在食品化学中的应用J].武汉工业学院学报,2002,184:18.[2]GanzlerK.MicrowaveExtractionAnovalSamplePreparationMethodforChromatography[J].ChromatogrJ,1986,371:299.⑶郝金玉，韩伟，邓修•鲜银杏叶经微波辅助提取后微观结构的观察[J].中药草，2002,338:739.⑷范志刚，张玉萍，孙燕•微波技术对麻黄中麻黄碱浸出量影响J].中成药,2000,227:520.⑸邓远辉，杨柳，周蓓.微波用于中药黄连的提取[J].数理医药学杂志,2002,151:88.⑹张梦军，金建锋，李伯玉•微波辅助提取甘草黄酮的研究[J]•中成药,2002,245:334.⑺王鲁石，刘志勇，王莉•荆芥叶中总黄酮的微波提取及含量测定[J]•农垦医学，2002,24:12.⑻刘志勇，王莉，鲁建江.荆芥中总黄酮的微波提取及含量测定[J].武汉植物学研究,2002,203:243.⑼李芙蓉，吕博•葛根中总黄酮的微波提取及含量测定新疆中医药[J].,2002,206:9〜10.[10]陈斌，南庆贤，吕玲•微波萃取葛根总异黄酮的工艺研究J].农业工程学报，2001,176:123.王娟，沈平，沈勇泰•葛根中有效成分的微波辅助萃取研究[J].中国医药工业杂志,2002,338:382.段蕊，王蓓，时海峡•微波法提取银杏叶中黄酮最佳工艺的研究J]