微波萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用 Application of Microwave Assisted Extraction in Natural Product

Journal of Microwave Chemistry Vol.01?No.01(2017), Article ID:21665,5 pages 10.12677/mc.2017.11002

Application of Microwave Assisted Extraction in Natural Product

Xie Han1,2, Yuanxin Wu1, Kaiyuan Shao2, Wenxiang Hu1,2,3*

1School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan Hubei

2Xianghu Microwave Chemistry Union Laboratory in North China, Beijing Excalibur Space Military Academy of Medical Sciences, Beijing

3Space Systems Division, Strategic Support Troops, Chinese People's Liberation Army, Beijing

Received: Jul. 17th, 2017; accepted: Aug. 2nd, 2017; published: Aug. 10th, 2017

ABSTRACT

In this paper, the application of microwave assisted extraction in natural product in recent years has been reviewed and compared with the traditional extraction method. The natural products involved including flavonoids, alkaloids, polysaccharides, organic acids, volatile oils, polyphenols and pigment.

Keywords:Microwave Assisted Extraction, Natural Product, Active Ingredients

微波萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用

韓謝1,2，吳元欣1，邵開元2，胡文祥1,2,3*

1武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢

2北京神劍天軍醫(yī)學(xué)科學(xué)院華北祥鵠微波化學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京

3中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天系統(tǒng)部，北京

收稿日期：2017年7月17日；錄用日期：2017年8月2日；發(fā)布日期：2017年8月10日

摘 要

本文對(duì)近些年來(lái)微波萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，比較了其與傳統(tǒng)浸提法的區(qū)別，所涉及的天然產(chǎn)物包括黃酮、生物堿、多糖、有機(jī)酸、揮發(fā)油、多酚和色素等。

關(guān)鍵詞 :微波萃取，天然產(chǎn)物，有效成分

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1. 引言

微波萃取技術(shù)(microwave assisted extraction, MAE)是一種利用微波輻射從被提取物中獲得目標(biāo)成分的技術(shù)方法，由1986年Glanzler [1] 首次提出，最開始只是應(yīng)用于使種子、土壤、飼料中各種類型化合物得到分離，由于其具有試劑用量少，節(jié)能無(wú)污染，加熱均勻且加熱效率高，萃取效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前微波萃取已經(jīng)開始頻繁應(yīng)用于天然藥物提取、環(huán)境分析、化學(xué)分析以及石油化工等領(lǐng)域。其主要原理是采用頻率在300兆赫至300千兆赫的電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部，使植物細(xì)胞內(nèi)部溫度急劇上升，使其內(nèi)部壓力超過(guò)其承受壓力導(dǎo)致細(xì)胞破裂，目標(biāo)成分從細(xì)胞內(nèi)流出，溶解于萃取介質(zhì)，從而達(dá)到萃取目的。

目前，微波萃取用于天然產(chǎn)物成分提取的報(bào)道已不斷出現(xiàn)，涉及到黃酮類、生物堿、多糖、有機(jī)酸、揮發(fā)油、多酚及色素等生物活性成分。

2. 微波萃取的應(yīng)用

1) 黃酮類

黃酮類物質(zhì)廣泛存在于自然界的植物和漿果中，可以改善血液循環(huán)，降低膽固醇，也是一種很強(qiáng)的抗氧劑，可以有效的清除體內(nèi)的氧自由基，從而阻止細(xì)胞衰老退化。因此黃酮類有效成分的提取一直在天然產(chǎn)物提取中占據(jù)重要領(lǐng)地。朱沛沛等 [2] 采用乙醇為提取劑，通過(guò)正交試驗(yàn)得到最佳提取工藝：顆粒度60目、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、微波功率300 W、時(shí)間150 s、料液比40:1 (mL/g)、溫度50℃，在此條件下總黃酮提取率為17.2077%，相比采用常規(guī)醇提法所需要的2小時(shí) [3] 時(shí)間上有了大幅度的縮短。劉峙嶸等 [4] 通過(guò)微波法提取銀杏葉黃酮類化合物與傳統(tǒng)乙醇水溶液提取效果進(jìn)行對(duì)照，微波輻射5 min后抽提1.5 h即可使產(chǎn)率提升2.2倍，大大提高了提取率。韓偉等 [5] 采用表面活性劑協(xié)同微波法提取布渣葉中總黃酮，結(jié)果與傳統(tǒng)熱回流法相比，提取時(shí)間由30 min縮短為2.5 min，總黃酮得率提高了26%，此方法工藝簡(jiǎn)單提取效率高，是一種較為理想的提取工藝。張玉香等 [6] 采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化藍(lán)莓葉黃酮的微波提取工藝，得出最佳工藝條件：提取溫度72℃，乙醇體積分?jǐn)?shù)64%，微波功率456 W，此時(shí)提取率為4.232%，并確定提取液乙醇體積分?jǐn)?shù)、溫度和微波功率為黃酮提取率關(guān)鍵因數(shù)，且乙醇體積分?jǐn)?shù)為影響最大因素。鄭成等 [7] 利用微波輔助大規(guī)模提取藤茶中二氫楊梅素，相比常規(guī)熱提法、浸泡提取法以及超臨界萃取法等方法，其設(shè)備簡(jiǎn)單、適用范圍廣且效率高，是一類具有良好發(fā)展前景的萃取分離方法。

2) 生物堿類

生物堿類是一類含氮的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有機(jī)化合物，是中草藥中重要的有效成分之一，具有非常廣泛的醫(yī)用價(jià)值。趙二瑾等 [8] 利用微波法對(duì)黃連中黃連素進(jìn)行提取研究，得出最優(yōu)條件為：時(shí)間4分鐘，硫酸濃度0.06 M，輻射功率為中火，料液比1:80 (g/mL)，此時(shí)提取率為45.9%，相比傳統(tǒng)石灰乳法、索氏提取法、有機(jī)溶劑法等提高約35%左右，且提取時(shí)間短，后處理簡(jiǎn)單。施帥等 [9] 采用相應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取芋頭生物堿工藝，確定了最佳工藝為功率350 W、時(shí)間2 h、料液比1:15 (g/mL)、溫度60℃，為芋頭生物堿的進(jìn)一步分離純化及藥用研究提供了很大的科學(xué)參考。何龍等 [10] 分別采用浸漬法、微波法、浸漬與微波法聯(lián)用考察了茶葉中生物堿的提取效果，結(jié)果證明浸漬與微波輻射聯(lián)用法效果最好，所提取生物堿中的咖啡堿具有增強(qiáng)大腦皮質(zhì)興奮程度、令人愉悅、減少疲勞等生理功能。

3) 多糖類

多糖類在自然界分布廣泛，是一類分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的糖類物質(zhì)，是構(gòu)成生命的四大基本物質(zhì)之一。劉丹赤等 [11] 采用微波輔助提取雙孢菇多糖，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得到其最佳工藝條件，提取率可達(dá)到4.11%，并得出提取時(shí)間對(duì)提取率影響最大，而微波強(qiáng)度影響最小的結(jié)論。朱盛林等 [12] 采用相應(yīng)曲面法優(yōu)化微波提取附子多糖的工藝，以提取時(shí)間、提取溫度以及料液比三個(gè)因素進(jìn)行Box-Benheken中心組合設(shè)計(jì)，在提取時(shí)間為10 min時(shí)即可達(dá)到最佳產(chǎn)率，大大高于傳統(tǒng)煎煮法所能達(dá)到的提取率。分析原因認(rèn)為，由于附子多糖是一種水溶性化合物，傳統(tǒng)法會(huì)導(dǎo)致多糖部分水解，降低其產(chǎn)率，而微波萃取法不僅產(chǎn)率高，工藝復(fù)雜性降低，消耗時(shí)間也大大減少，這為未來(lái)附子多糖生物利用以及產(chǎn)業(yè)化奠定了理論基礎(chǔ)。宋海燕等 [13] 采用超聲波–微波協(xié)同萃取北五味子多糖，用正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝，結(jié)果表明：在溫度80℃，時(shí)間80 min，功率600 W，料液比1:40 (g/mL)時(shí)可以達(dá)到最大提取率11.68%，與傳統(tǒng)回流法相比，此工藝充分利用了超聲波振動(dòng)的空化作用和微波的高能作用，萃取時(shí)間短，能耗低且產(chǎn)率高，證明超聲波–微波協(xié)同對(duì)于北五味子多糖萃取有一定作用。GJ Swamy等 [14] 分別采用連續(xù)和間歇的微波輔助提取技術(shù)從香蕉果皮中提取果膠，結(jié)果表明采用不同方法下的最高產(chǎn)率有所差異。江燕等 [15] 在提取靈芝孢子粉中多糖時(shí)將微波與常規(guī)方法結(jié)合，先采用微波軟化孢子粉，破壞其堅(jiān)硬的孢子壁，再使用常規(guī)方法提取其多糖有效成分。

4) 有機(jī)酸類

有機(jī)酸類主要分布于中草藥(例如烏梅、五味子、覆盆子等)的葉、根以及果實(shí)之中。郭錦棠等 [16] 研究不同方法提取甘草酸的最佳工藝，發(fā)現(xiàn)微波提取8 min可以達(dá)到普通索氏提取法3 h的效果，速率有了大大提升，證明微波對(duì)于有機(jī)酸的萃取有明顯作用。張應(yīng)鵬等 [17] 采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化微波提取甘草酸工藝研究，與傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法相比，響應(yīng)曲面法更加經(jīng)濟(jì)、試驗(yàn)次數(shù)更少、時(shí)間更短，最優(yōu)條件為：時(shí)間130 s，功率400 W，料液比1:14 (g/mL)，此時(shí)提取率可以達(dá)到5.36%，為未來(lái)甘草酸的生物利用以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供了理論基礎(chǔ)。

5) 揮發(fā)油類

揮發(fā)油又稱精油，是存在于植物中的一類具有芳香氣味的揮發(fā)性油狀物質(zhì)的總稱，其組分比較復(fù)雜，從中草藥中提取的揮發(fā)油大多具有發(fā)汗、理氣、止痛、抑菌、矯味等作用。魯建江等 [18] 首次采用微波萃取佩蘭中揮發(fā)油成分，與常規(guī)回流方法條件相同下置于微波反應(yīng)器中，反應(yīng)20 min后即可超過(guò)常規(guī)方法5 h所達(dá)到的最大收率，反應(yīng)速度大大提升，收率明顯增高，從而證明微波對(duì)于揮發(fā)油成分萃取有一定促進(jìn)作用。鄒小兵等 [19] 將單向閥應(yīng)用于微波提取中，配合真空泵使用，保證提取時(shí)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)氧環(huán)境，使揮發(fā)油避免被氧化，結(jié)果證明在無(wú)氧條件下所提取的揮發(fā)油中烯類物質(zhì)含量高于普通微波提取方法，含氧化合物含量為45.53%，低于普通微波萃取法62.38%，從而證明此優(yōu)化方法在保證提取速率的條件下對(duì)提取物品質(zhì)有了一定的提高，為將來(lái)生物利用化和大規(guī)模工業(yè)化提供了良好的理論指導(dǎo)。商學(xué)兵等 [20] 將超聲波與微波結(jié)合使用萃取白蔻豆揮發(fā)油，采用響應(yīng)面法以料液比、微波時(shí)間和微波功率因素建立數(shù)學(xué)模型，得到最佳工藝條件：料液比9.9 mL/g、微波提取時(shí)間154 s、微波提取功率286 W，此時(shí)提取得率2.67%，與理論值2.61%基本一致。

6) 多酚類

植物多酚(Plant Polyphenol)是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的多元酚化合物，在維管植物中的含量?jī)H次于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，廣泛存在于植物的皮、根、葉、果中，目前發(fā)現(xiàn)多酚的抗氧化作用可以對(duì)于一些例如心血管病、癌癥等慢性病具有一定的預(yù)防作用。李志洲等 [21] 采用微波萃取提子皮中多酚類物質(zhì)，用正交試驗(yàn)分析其結(jié)果發(fā)現(xiàn)料液比對(duì)提取率影響最大，其次是提取時(shí)間，微波功率對(duì)于實(shí)驗(yàn)影響最小，最佳提取條件為：料液比1:7.5 (g/mL)，微波功率500 W，提取溫度50℃，提取時(shí)間6 min，在此最佳條件下，提取率可達(dá)到0.8214 GAEmg/g，此實(shí)驗(yàn)證明微波對(duì)于植物多酚的提取有一定應(yīng)用價(jià)值。武啟騫等 [22] 將超聲波與微波結(jié)合使用，原料加入酸化后提取劑，首先置入超聲波提取10~120 min，分離出產(chǎn)物再置于微波下輻射1~3 min，得到最終產(chǎn)物。此方法與原先傳統(tǒng)回流法相比，增大了植物多酚的提取率，溶劑用量更少，且優(yōu)化了提取液配方，通過(guò)結(jié)合超聲波與微波創(chuàng)造了一種新的提取植物多酚的方法。

7) 色素類

天然色素是一類從動(dòng)物和植物組織以及微生物中提取的色素，其中植物性著色劑占大多數(shù)。天然色素不僅具有給食品著色的作用，而且相當(dāng)部分具有生理活性，例如來(lái)源于葡萄皮中花青素可以降低心臟病風(fēng)險(xiǎn)，來(lái)源于接骨木果中花青素可以抵抗流感病毒，類胡蘿卜素則是一種人類必需攝入營(yíng)養(yǎng)。姚中銘等 [23] 對(duì)梔子黃色素提取工藝進(jìn)行了研究，比較改進(jìn)后的傳統(tǒng)浸提工藝與微波法工藝發(fā)現(xiàn)：在微波功率210 W時(shí)，提取80 s后產(chǎn)率即可達(dá)到98.2%，高于常規(guī)浸提法2 h所達(dá)到的產(chǎn)率92.1%。相比常規(guī)法耗時(shí)多，效率低，品質(zhì)低，作復(fù)雜的諸多缺點(diǎn)和不便，微波法具有色素產(chǎn)率高、色價(jià)高、節(jié)省溶劑、節(jié)省時(shí)間、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在天然色素的提取中具有廣闊的應(yīng)用前景。黎彧等 [24] 采用表面活性劑協(xié)同微波提取紫背天葵色素，在微波功率464 W時(shí)，提取200 s產(chǎn)率即可達(dá)到94.8%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)溶劑浸提法產(chǎn)率。作者在萃取劑中加入一定濃度表面活性劑，可降低固–液相界面張力，增加大分子有機(jī)物質(zhì)的溶解滲透能力，在提取過(guò)程中，可提高浸潤(rùn)時(shí)間，提高產(chǎn)率。

3. 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)浸提法相比，微波萃取具有提取時(shí)間短、提取率高、消耗溶劑少且安全等優(yōu)點(diǎn)，使用微波萃取時(shí)常常需要考慮影響其提取率的一些因素：① 微波功率和微波萃取時(shí)間，② 提取液種類以及料液比，③ 提取溫度，④ 物料含水量，⑤ 物料粒度，⑥ 溶劑pH等 [25] 。目前微波技術(shù)對(duì)于大多數(shù)天然產(chǎn)物的萃取都有一定促進(jìn)作用，但也存在一些不足：微波很難應(yīng)用于某些熱穩(wěn)定性差的物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)、多肽、酶等；某些含水量多的天然產(chǎn)物可能在微波下更容易水解；需要開發(fā)更多微波搭配現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)儀器。同時(shí)，隨著采用不同方法優(yōu)化其萃取工藝，組合超聲波或其他技術(shù)聯(lián)合使用，加入額外表面活性劑等方法的研究進(jìn)展，微波萃取將作為一種綠色工藝在天然產(chǎn)物的醫(yī)用、食用、化妝品、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域中發(fā)揮更大作用。

文章引用

韓 謝,吳元欣,邵開元,胡文祥. 微波萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用Application of Microwave Assisted Extraction in Natural Product[J]. 微波化學(xué), 2017, 01(01): 3-7. http://dx.doi.org/10.12677/mc.2017.11002

參考文獻(xiàn) (References)