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真空微波技术在中草药有效成分提取中的应用研究 专业：分析化学 硕士生：张宏峰 指导教师：李攻科教授 摘要 近年来，微波辅助提取技术( m a e ) 发展迅速，因m a e 具有快速、高效、溶 剂用量少等优点被应用于中草药有效成分的提取，但m a e 提取过程中产生的高 温高压不利于中草药中热敏性物质的提取，限制了它在中草药有效成分提取中的 应用。真空微波提取技术( v m a e ) 是微波技术和真空技术有机的结合，它兼备 了微波加热快速、均匀及真空条件下低温提取的优点，特别适合于提取热敏性的 物质。本文首次采用v m a e 提取虎杖中的白藜芦醇和石蒜中的生物碱，比较了 提取前后样品微观结构的变化，初步探讨了v m a e 的机理。主要研究内容如下： 1 综述了分离提取技术的进展，介绍了微波加热的原理、m a e 装置、m a e 的 影响因素及其在中草药提取中的应用，阐述了开展v m a e 研究的意义。 2 建立了真空微波提取一气相色谱质谱联用( v m a e g c m s ) n 定虎杖中自藜 芦醇的分析方法。以丙酮为提取溶剂，采甩正交设计优化了影响v m a e 的 因素，优化的条件为：颗粒度1 2 0 1 5 0m e s h 、溶剂体积2 0m l 、提取温度 5 5 、提取时间5m i n 、初始真空度o 0 5 0m p a 、样品加水量o 3 0m l g 。与 溶剂回流法( r h ) 及m a e 法相比，v m a e 提取高效省时。分析方法的线性范 围为1 0 1 0 0r t g m l ，检出限为5 8 1 肛g m l ，r s d 为0 6 。 3 建立了真空微波提取- 反相高效液相色谱联用( v m a e h p l c ) 测定石蒜中加 兰他敏、力可拉敏及石蒜碱的分析方法。以甲醇为提取溶剂，采用正交设计 优化了影响v m a e 的因素，优化的条件为：样品颗粒8 0 1 0 0m e s h 、提取 温度7 5 、提取时间1 0m i n 、初始真空度o 0 7 0m p a 、样品提取时不加水。 v m a e 的提取率和提取时间与m a e 法相近。对加兰他敏、力可拉敏及石蒜 碱，分析方法的线性范围分别为l o 2 0 0 、1 0 5 0 0 、1 0 , 4 0 0i _ , g m l ，检出 限分别为8 1 3 、7 4 0 、4 9 3p g m l ，r s d 分别为1 0 2 、 5 2 、3 5 。 4 建立了真空微波辐射后回流提取气相色谱联用( v m i p r h g c f i d ) 测定虎杖 中自藜芦醇的分析方法。以丙酮为提取溶剂，系统研究了影响v m i p r h 的 因素，优化的条件为：样品颗粒6 0 一8 0m e s h 、样品浸泡时间4 5r a i n 、微波 辐射功率3 0 0w 、微波辐射时间1 5r a i n 、回流时间3 0r a i n 。与r h 法相比， v m i p r _ h 法所用的时间为其1 4 ，提取率是其2 - 3 倍；与v m a e 法及普通 m a e 法相比，v m i p r h 法提取率提高较大；由于在微波辐射过程中无有机 溶剂的存在，v m i p r h 法更加安全。样品量放大5 倍提取率相当。 5 采用扫描电子显微镜研究了经过v m i p r h 、m i p r h 、v m a e 、m a e 及r h 处理前后的虎杖和石蒜样品的微观结构，结合虎杖和石蒜中有效成分提取率 的差异，初步探讨了v m a e 的提取机理。结果表明：对于细胞结构致密的 虎杖样品，微波辐射使其细胞壁结构有不同程度的破坏，从而减小了溶剂进 入及化合物溶出的传质阻力，提高了提取效率，缩短了提取时间；而对于细 胞结构疏松的石蒜样品，微波辐射无法有效地破坏其细胞壁结构，提取过程 所受的传质阻力并没有较大的改变，因此各种提取方法的提取效率相差不 大。 关键词：真空微波辅助提取( v m a e ) 、真空微波辐射后回流提取( v m i p r h ) 、虎 杖、石蒜、提取机理 i i a p p l i c a t i o ns t u d y o nv a c u u mm i c r o w a v et e c h n i q u e i ne x t r a c t i o no fe f f e c t i v ec o m p o n e n t sf r o mc h i n e s e h e r b a lm e d i c i n e s m a j o r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y n a m e ： z h a n gh o n g - f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l ig o n g - k e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n ( m a e ) h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o e x t r a c tt h ee f f e c t i v ec o m p o n e n t sf r o mc h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e s c o m p a r e dw i t h o t h e rc o n v e n t i o n a la n dn o v e le x t r a c t i o nm e t h o d s ，m a ep o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sh i g hs p e e da n ds e l e c t i v i t y ，h i 曲e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , s o l v e n t s a v i n g ，e t c h o w e v e r , t h eh i s ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed u r i n gm a ep r o g r e s sw o u l dr e s u l tt h e d e c o m p o s i t i o no ft h e r m a l s e n s i t i v ec o m p o n e n t sa n dr e d u c et h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a t i o no fm a et oe x t r a c tt h ee f f e c t i v ec o m p o n e n t sf r o m c h i n e s et r a d i t i o n a lh e r b a lm e d i c i n e s v a c u u mm i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n ( v m a e ) c o m b i n e st h em i c r o w a v ea n dv a c u u mt e c h n i q u e s v m a ec a nh e a tq u i c k l ya n d h o m o g e n e o u s l yb ym i c r o w a v ea n dc a r r yo u tt h ee x t r a c t i o na tl o wt e m p e r a t u r eu n d e r v a c u u n lc o n d i t i o n ，s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h ee x t r a c t i o no ft h e r m a l s e n s i t i v e m a t e r i a l s i nt h et h e s i sv m _ a ew a so r i g i n a l l yu s e dt oe x t r a c tr e s v e r a t r o lf r o m h u z h a n ga n da l k a l o i d sf r o ml y c o r i s t h e n ，t h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g eo fp r o a n d p o s t - v m a ew a sd e s c r i b e du s i n gt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yt e c h n i q u e f i n a l l y ， t h em e c h a n i s mo f v m a ew a sb r i e f l yd i s c u s s e di nt h ew o r k t h et h e s i sc o n s i s t so f t h e f o l l o w i n gf i v ep a r t s 1 t h ec o n v e n t i o n a la n dm o d e me x t r a c t i o nm e t h o d sw e r eb r i e f l yr e v i e w e d t h e i b a s i ct h e o r yo fm i c r o w a v eh e a t i n gw a sd i s c u s s e d t h em i c r o w a v eo v e n sf o r m i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i o n ( m a e ) ，c r u c i a lp a r a m e t e r sf o rm a ea n dt h e a p p l i c a t i o no f m a ei nc h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e sw e r ea l s os u m m a r i z e d t h ei n t e n t i o n o f t h es t u d yo nv m a ew a se x p a t i a t e db a s e do nt h ep r e v i o u sr e v i e w s 2t h em e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fr e s v e r a t r o l ( r e s ) i nh x , h a n g b y v m a e g c m sw a sd e v e l o p e d a e e t o n ew a sc h o s e na se x t r a c t i o ns o l v e n t a f i v e l e v e lo r t h o g o n a la r r a yd e s i g nw a su s e dt oo p t i m i z et h ev m a ep r o c e s s t h e o p t i m u mc o n d i t i o n so b t a i n e dw e r e ：1 2 0 - 1 5 0m e s hs a m p l ep a r t i c l es i z e ，2 0m ls o l v e n t v o l u m e ，o 3 0m l gr e l a t i v ew a t e rv o l u m e ，5r a i nv m a et i m e ，5 5 v m a e t e m p e r a t u r ea n do 0 5 0m p ai n i t i a lv a c u u m c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls o l v e n t r e f l u xh e a t i n ga n dm a e ，v m a ew a st i m e s a v i n ga n de f f i c i e n t t h el i n e a rr a n g eo f v m a e g c - m sm e t h o d w a sf r o m1 0t o1 0 0p g d m l ，t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s5 8 1g g m 1 a n dt l l er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n ( r s d ) w a s0 6 3t h em e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f g a t a n t h a m i n e ，l y c o r a m i n ea n dl y c o r i n ei n l y e o r i sb yv m a e h p l cw a sd e v e l o p e d m e t h a n o lw a sc h o s e na se x t r a c t i o ns o l v e n t af i v e l e v e lo r t h o g o n a la r r a yd e s i g nw a su s e dt oo p t i m i z et h ev m a e p r o c e s s t h e o p t i m u mc o n d i t i o n so b t a i n e dw e r e ：8 0 1 0 0m e s hs a m p l ep a r t i c l es i z e ，t 0m i nv m a e t i m e ，7 5 v m a et e m p e r a t u r ea n d0 0 7 0m p ai n i t i a lv a c u u m i nt h i sm e t h o dt h e e x t r a c t i o nt i m ea n dy i e l do fv m a er e m a i n e dt h es a m el e v e lw i t ht h et r a d i t i o n a lm a e t h el i n e a rr a n g ew - a sf r o m1 0t o2 0 0g g m lf o rt h eg a l a n t h a m i n e ，f r o m1 0t o5 0 0 “g m l f o rl y c o r a m i n e ，a n df r o m1 0t o4 0 0r t e d m if o rl y c o r i n e ，r e s p e c t i v e l y t h e d e t e c t i o nl i m i tw a s8 1 3b g m lf o rg a l a n t h a m i n e ，7 4 0b g m lf o rl y c o r a m i n ea n d4 9 3 i _ t e g m if o rl y c o r i n e ，r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n 限s d ) w a s1 0 2 f o rt h eg a l a n t h a m i n e ，5 2 f o rl y c o r a m i n ea n d3 5 f o r l y c o r i n e r e s p e c t i v e l y 4 t h ea p p l i c a t i o no f v a c u u mm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n p o s tr e f l u xh e a t i n g ( v m i p r h ) w a sd e v e l o p e dt oe x t r a c tt h er e sf r o mh u z h a n g t h e p a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h e v m i p r hw e r es t u d i e di n d e t a i lw i t ht h eo p t i m i z e de x t r a c t i o ns o l v e n ta c e t o n e t h e l v r e f l u xa n dv a c u u mm i c r o w a v ei r r a d i a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d t h eo p t i m a l c o n d i t i o n sw e r e ：a c e t o n ea sr e f l u xs o l v e n t ，6 0 - 8 0m e s hs a m p l ep a r t i c l es i z e ，4 5m i n w a t e rs o a k i n gt i m e ，3 0r a i nr e f l u xt i m e ，o 0 5 5m p ai n i t i a lv a c u n m ，1 5m i ni r r a d i a t i o n t i m e ，3 0 0wm i c r o w a v ep o w e r t h ey i e l do fv m i p r hw a sa s 2 3t i m e sa sr h w h e r e a st h ee x t r a c t i o nt i m er e d u c e d7 5 c o m p a r e dw i t hv m a ea n dm a e t h e y i e l do fv m i p r ha l s oi n c r e a s e dg r e a t l y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ev m i p r hw a sp r o v e d t ob es a f e rt h a nt h eo t h e rm e t h o d sd u ot ot h ea b s e n c eo f t h eo r g a n i cs o l v e n td u r i n gt h e i r r a d i a t i o n t h ee n l a r g e de x p e r i m e n t ( 5t i m e se n l a r g e d ) g e n e r a t e dt h es i m i l a ry i e l da s t 1 1 en o n t l a lv m i p r h p r o c e d u r e 5t h em i c r o s t r u c t u r e so fh u z h a n ga n dl y c o r i sc e i l sw e r ei n v e s t i g a t e db e f o r ea n d a f t e rt h et r e a t m e n t so f v m i p r h ，m i p r h ，v m a e ，m a ea n dr hb ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y t h em e c h a n i s mo fv a c u u mm i c r o w a v ee x t r a c t i o nw a sa t t e m p t e dt ob e d i s c u s s e dc o m b i n e dt h ed i f f e r e n ty i e l do ft h o s ee x t r a c t i n gm e t h o d s t h er e s u l t s s u g g e s t e dt h a tt h er i g i dc e l lw a l l sw e r er u p t u r e dt os o m ee x t e n tw h e nm i c r o w a v e i r r a d i a t e dh u z h a n gw i mt h ec e l l c o m p a c ts t r u c t u r e t h es o l v e n tw o u l dt r a n s f e ri n t o t h ec e l la n de a r l yo u tt h ea n a l y t e sm o r ee a s i l yt h a nb e f o r ew i t ht h e d e c r e a s i n g t r a n s m i s s i o nm a s sr e s i s t a n c e t h e r e f o r e ，t h ee x t r a c t i o ny i e l dw o u l db ei m p r o v e da n d t h ee x t r a c t i o nt i m ew o u l db es h o r t e r h o w e v e gm i c r o w a v ei r r a d i a t i o nc o u l d l l t e f f e c t i v e l yd e s t r o yt h ec e l l w a l ls t r u c t u r eo ft h o s e s a m p l e sw i t l lt h ec e l l 1 0 0 s e s t r u c t u r es u c ha sl y c o r i s ，a n dt h et r a n s m i s s i o nm a s sr e s i s t a n c ed i dn o tv a r yv e r ym u c h d u r i n gt h i sp r o c e d u r e t h e r e f o r e ，t h ed i f f e r e n te x t r a i o nm e t h o dp o s s e s s e dt h es i m i l a r e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s v a c u u mm i c r o w a v ea s s i s t e d e x t r a c t i o n ( v m a e ) ，v a c u u m m i c r o w a v ei r r a d i a t i o np o s tr e f l u x h e a t i n g ( v m i p r h ) , h u z h a n g ，l y c o r i s ， m e c h a n i s mo f e x t r a c t i o n v 中山大学硕士学位论文真空微波技术在中草药有效成分提取中的应用研究 1 1 引言 第1 章绪论 中草药具有药效好、毒副作用小等优点，因此从古至今受到国人的青睐，但 是中草药成分复杂，甚至还含有有毒成分，因此如何提取中草药的有效成分，去 除无效及有毒成分受到广泛的关注。中草药有效成分提取常用的方法主要为溶剂 法、水蒸气蒸馏法等，分离精制方法有酸碱法、大孔树脂法、凝胶过滤法、离子 交换法、层析法等。近年来，新的提取分离技术不断被应用于中草药有效成分的 提取，如微波辅助提取技术、超声提取技术、半仿生提取技术、超临界流体提取 技术、膜分离技术等，这些新技术的使用不但提高了有效成分的提取率和纯度， 而且使中药制剂更加有效和稳定。 传统的中药有效成分的提取方法主要采用溶剂提取法提取，也有采用水蒸汽 蒸馏法和升华法提取的。按照溶剂种类，传统提取方法分为水提法、醇提法及其 他溶剂提取法；按照具体操作来分，又分为浸渍法【“、煎煮法嘲、渗漉法 3 3 、回 流提取法h 】和水蒸汽蒸馏法5 1 。各种传统提取方法比较见表1 1 。 传统的提取方法都不同程度的存在着耗时、效率低、操作繁琐、不适用于热 不稳定性和挥发性组分等缺点，不能满足中药生产现代化的要求，因此产生了一 些新的提取技术。 现代分离提取技术主要包括半仿生提取技术( s b e 严7 1 、超临界流体提取技术 ( s f e ) 舡9 1 、加速溶剂提取技术( a s e ) i l o 】、超声波提取技术( u a e ) 【11 1 以及微波辅 助提取技术( m a e ) 【1 2 】等。各种现代分离提取方法的比较见表1 2 。 第1 章绪论 浸渍法中草药粉碎后用适当溶 简单易行、适于热不效率低、时间长、耗溶剂、 剂浸渍以溶出有效成分稳定成分的提取 以水为溶剂时易霉变 煎煮法将药材加适量的水煮沸 简便易行、能提出的提取液杂质多、易霉变、 2 3 次以提取有效成分成分较多 热不稳定及挥发性成分 易损失 渗漉法 将药材粗粉装入渗漉器简单易行、适于热不 时间长、耗溶剂、以水为 中不断添加新溶剂，渗透稳定成分的提取、效溶剂时易霉变 药材率比浸渍法高 回流提取法 以有机溶剂加热回流进提取效率高、s o x h l e t时间长、耗溶剂、热不稳 行连续提取，常用s o x h l e t 提取无需过滤、可实 定的成分易因加热时间 提取器 现自动化 长而分解 水蒸汽蒸馏法根据道尔顿原理将水与 不混溶的挥发性物质混 合蒸馏，后者可在低于沸 点的温度下沸腾蒸出，避 免了单独蒸馏时因高温 引起的分解 适于提取挥发性、能 随水蒸汽蒸馏而不被 破坏、与水不发生反 应、且难溶或不溶于 水的成分 时间长、被提取物需干 燥、易损失 主些奎兰塑主兰垡笙兰塞皇丝垫照查垄苎垫壹塑壁坌堡壑塑窒旦墅塞 表l - 2 现代提取技术的比较 提取方法 基本原理优点 缺点 1 2微波辅助提取技术 微波辅助提取技术( m i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i o n ，m a e ) 是通过选用适 当溶剂，根据化合物不同的物理化学性质及对微波吸收能力的差异性，利用微波 能来加快目标化合物与基体分离而溶出到溶剂中的速度，从而达到提高从基体中 提取目标化合物的提取效率的一种新的提取技术。 1 2 1 微波加热原理 1 3 - 1 4 】及特点 第1 章绪论 微波加热原理： 微波是频率介于3 0 0 3 0 0 ，0 0 0m h z ，即波长在1m m 至lm 范围内的电磁波。 工业和家庭常用的微波频率为2 4 5 0m h z 。微波是非电离辐射能，它的能量不足 以破坏化学键，但却可以引发分子转动或离子的移动，从而产生热能。其加热机 理目前认为： ( 1 ) 离子传导机理在电磁场中可离解的离子发生导电移动，形成电流且因介 质对离子流的阻碍产生热效应。溶液中所有的离子均起导电作用，但作用大小与 介质中离子的浓度和迁移率有关。因此，离子迁移产生的微波能量损失依赖于离 子大小、电荷量和导电性，并受离子与溶剂分子之间相互作用的影响。 ( 2 ) 偶极子转动机理介质是由许多一端带正电，一端带负电的偶极子组成。 在2 4 5 0m h z 电场的作用下，偶极予以4 9 1 0 9 次s 的速度快速摆动。由于分子热 运动和相邻分子问相互作用，偶极子随外加电场方向的改变而作规则摆动时受到 干扰和阻碍，产生了类似摩擦的作用，使杂乱无章运动的分子获得能量，以热的 形式表现出来，温度也随之升高。 微波场中介质的加热依赖于溶剂和基体体系本身的特性，即介质的损耗因子 ( t 9 6 ) 及穿透深度d p l l5 1 。其中 留万= 占f f ( 1 一1 ) 式中为物质的介电常数，表征了物质吸收微波的能力，”为物质的介电损失因 子，反映了物质耗散被吸收能量，即转化微波能为热能的能力。姆6 越大，物质 吸收微波并转化为热能的能力越强，微波加热速度越快，效率越高，反之亦然。 d p 常用给定频率下从介质表面到内部功率衰减到原来的l e 时距离截面的距 离来表示【2 ”。 d p 2 0 9 2 7 r e ”= 2 02 庀t 9 6 ( 1 2 ) 式中k 是微波辐射的波长。由式( 1 2 ) 可见，介质的损耗因子越大，一定频率 下介质的穿透深度越小，因此金属等反射微波的材料穿透深度为0 。 微波加热特点： ( 1 ) 加热速度快常规的加热方式将热量从被加热物外部传入内部，逐步使物 中山大学硕士学位论文真空微波技术在中草药有效成分提取中的应用研究 体中心温度升高，存在温度外高内低的温度差。要使中心部位达到所需的温度， 需要的时间较长。而微波加热能在瞬间渗透到被加热物体中，无需热传导过程， 内外同时加热，是一个“体加热”过程，因此能在短时间内达到加热效果。 ( 2 ) 加热均匀为提高加热速度，常规加热需要升高加热温度，因此容易产生 外焦内生现象。微波加热时，物体各部位通常都能均匀渗透电磁波，产生热量， 里外同时加热，因此均匀性大大改善。 ( 3 ) 高效节能在微波加热中，微波能只对吸收微波的物体进行加热，室内的 空气与相应的容器都不会发热，所以加热效率极高。而在常规加热中，容器壁大 多由热的不良导体制成，热量由容器壁传导到溶液内部需要较长的时间，不仅要 给加热物料提供热能，而且盛放物料的容器也需要加热，因此能量利用率低。 ( 4 ) 选择性微波在加热介电性质不同的物料时具有选择性。介质在微波场中 存在三种情况，一是对微波不吸收也不透过，而是产生反射的介质，如金属导体： 二是微波能完全穿透但不吸收微波能的介质，如聚四氟乙烯；三是能吸收微波能 的介质，如水、丙酮等。通常溶质和溶剂的介电常数越大，对微波能的吸收能力 越强，升温越快，促进了提取速度。而对于不吸收微波的非极性溶剂，微波几乎 不能加热。 ( 5 ) 生物效应( 非热效应) 大多数生物体内含有水分，由于水具有大的介电 常数和低的介质损失因子，因此，在微波的作用下，容易产生局部过热现象，破 坏细胞结构，加速了细胞内化合物的提取。 1 2 2m a e 的装置 实验室使用的最早的微波提取装置是普通的家用微波炉。上世纪七十年代末 期，美 雪c e m 公司推出了世界上第一套实验室微波样品处理装置，奠定了微波 化学精确控制的雏形【托】。经过几十年的发展，耳前国内外市场出现了各种各样的 微波样品处理设备。从无实时温度和压力的监测及无自动微波功率控制显示的初 级型产品发展到采用专业型变频磁控管自动改变发射功率，有温度和压力显示、 控制和自动温压控制方式转换的智能型高级产品。智能化控制、自动化和连续在 线的微波化学仪器的出现，可以对微波辅助化学反应进行精确控制和获取动力学 及热力学的准确数据，促进微波辅助技术理论和应用的进步发展【1 6 1 。 第1 章绪论 根据样品处理罐的不同，微波提取装置可以分为开罐聚焦微波提取装置 ( f m a e ) 、密闭高压微波提取装置( p m a e ) 。 f m a e 装置1 7 】 f m a e 提取过程在开放( 常压) 条件下进行，其装置是微波加热与s o x h l e t 提取相结合的系统。通常是将样品及溶剂置于一个开放的提取罐中，将该提取罐 置于微波场中，同时在该提取罐上方接泠凝管进行回流。它的优点是既利用了微 波快速加热的优点，又充分发挥了索氏抽提的循环提取的优势，从而可以提高了 提取效率。但通常同时提取的样品数不能太多。与s o x h l e t 提取不同，f m a e 须 使用极性溶剂。其仪器基本结构如图1 1 所示。 图1 - 1 开耀聚焦微波仪器示意图 目前，商品化的f m a e 提取系统主要有美国c e m 公司的s t a r 系列以及意 大利m i l e s t o n e 公司的e t h o sm o d 等。s t a r 系列仪器是这类仪器的典型代表 ( 图1 - 2 ) 。磁控管发射的微波经非金属晶体聚焦后沿图中所示方向传播，为六个 独立的样品罐提供微波能进行样品处理。该装置样品罐可以使用玻璃、石英等材 料。在处理过程中，可独立控制每个样品罐的微波开关，因此可同时对六个不同 或相同样品进行相同或者不同处理方法的操作。该仪器在处理过程中可以自动添 加四种不同的试剂，同时还可以对处理后的样品进行自动试剂蒸发等操作。 6 中山大学硕士学位论文 真空微波技术在中草药有效成分提取中的应用研究 蕾控f 图1 2s t a r 系列微波样品处理装置结构示意图 g a r c i a a y u s o 等 1 9 1 报道了一种微波聚焦提取装置测定干酪中的脂肪含量。研 究发现，与索氏提取相比，应用该装置可以大大缩短干酪的水解及提取时间，同 时节省了8 0 8 5 的溶剂。 p m a e 装置口o 】 p m a e 提取过程需在密闭提取罐中进行。当施加微波能时，提取罐中的溶剂 和样品吸收微波能并产生很高的温度和压力，目标提取物与样品基体之间的价键 发生断裂，并迫使溶剂进入样品内部，或目标提取物被样品中极性组分所形成的 蒸汽带到样品的外部，促使溶剂与目标提取物之间的充分接触，从而达到高效提 取的目的。提取温度可高于溶剂沸点，温度越高，溶剂和目标物在基体中扩散迁 移速率越快，达到提取平衡的时间也越短，因而提取速度快。国产m k 系列和 c e m 公司的m a r s 系列均属于p m a e 系统，这种系统一次可制备多个样品，易 于控制提取条件，但价格偏高。 由于在样品处理过程中，样品罐内温度和压力上升速度很快，因此，罐体材 料的选择就至关重要。在微波场中，耐高温高压的金属材料由于会与微波作用产 生火花且不能被微波穿透而不能用作罐体材料，因此，一般选用p t f e 、高温玻 璃、石英、p f a 或强化t f m 作为样品罐材料。 c e m 公司的m a r s 系列仪器【2 l 】是p m a e 装置的典型代表。将适量样品以 及试剂置于样品罐内衬中，盖好密封盖及压力弹片，然后将样品罐安装于支持架 上，旋紧固定螺丝( 图1 - 3 ) 。之后将装好的样品罐及支架置于m a r s 系列微波 第1 章绪论 仪器中( 图1 4 ) ，按照一定的条件进行样品处理。 m a r s 系列仪器采用t f m 做样品罐内衬的材料，可以耐高温及高压；内衬 的外壳采用宇航超强聚合纤维材料制作，强度较大且可以耐高温高压，不易变形。 排气螺帽里安装有防爆膜，当样品罐内压力超过安全值时可以自动释放压力，防 止爆炸。系统中的温度传感器采用光纤材料，不受微波场的影响，可以准确的测 定样品罐中的绝对温度，保证处理过程的完成。 图1 - 3m a r s 系列仪器提取罐结构示意圈 圈l - 4m a r s 系列仪器结构示意图 此外，m a g n u se r i c s s o n - 等口2 1 还报道了一种微波在线提取技术测定空气中的 中山大学硕士学位论文 真空微波技术在中草药有效成分提取中的应用研究 有机磷酸酯。该在线微波提取系统( d m a e ) 与固相提取( s p e ) 联用，其后接 大容量注射气相色谱。运用该仪器所提取的磷酸酯的回收率在9 7 以上。 1 2 3m a e 的影响因素 目前，微波用于分离提取的技术主要有m a e 芹h 微波辐射后回流提取( m i p r h ) 两种技术。m a e 就是根据化合物不同物理化学性质，对微波的吸收能力差异性， 利用微波能来加速目标化合物的提取技术。而m i p r h 主要是利用细胞内水分对 微波吸收的特殊性质，强烈吸收而在短时间内积聚大量的热量，形成局部过热现 象，从而使得细胞内压力急剧增大，导致细胞破裂，有利于在回流的过程中提取 剂进入细胞内，从而使得包含在细胞内的有效成分得以快速释放出来。影响微波 提取的因素主要有提取剂的性质、基体的形态以及样品含水量、提取温度、微波 辐射的功率以及时间等。 提取溶剂的极性溶剂的极性对于提取效率有很大的影响。利用微波能进行提 取分离时，除了要考虑溶剂的极性，还要求溶剂对分离成分有较强的溶解能力， 对提取成分的后续操作干扰较小。用于m a e 的溶剂有：正已烷、二氯甲烷、丙 酮、甲醇、乙醇、异丙醇、异辛烷、乙腈、苯、甲苯、乙醚等。正己烷、苯、甲 苯、乙醚为非极性溶剂，接收微波辐射的能力很弱；丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇 为极性溶剂，易于接收微波辐射：二氯甲烷为弱极性溶剂，接收微波辐射的能力 比甲醇等极性溶剂弱一些；同时有大量文献【2 3 】证明在非极性溶剂中掺加极性溶 剂，可大大地改善接收微波辐射的性能。 g i r i j ar a m a n 等报道了分别采用乙醇、二氯甲烷、甲苯、正己烷以及石油 醚来提取胡椒中的胡椒素，研究发现利用纯的石油醚提取，将得到最高的提取率。 提取两分钟，胡椒素的提取率可以达到9 5 左右。 戴永东等【2 5 j 报道了采用非极性溶剂从米糠油皂脚中提取谷维素的研究。采用 乙醚、苯以及己烷作为提取剂，研究后发现采用乙醚所得的提取率最高，达到 7 0 3 。不过需采用5 的n a o h 将p h 控制在8 9 的范围内。 溶剂p h 值对于某些具有酸、碱特性的化合物来说。溶剂的p h 值也会影响其 提取效率。戴永东等1 2 s 报道了用乙醚从米糠油皂脚中提取谷维素的研究，发现用 9 第1 章绪论 5 的n a o h 将溶剂的p h 控制在8 9 时所得提取率最高。林棋等1 2 6 j 报道了从花 生壳种提取天然黄色素的研究，发现控制p h 为3 时所得提取率最高。 基体中水分含量 水是介电常数较大的物质，可以有效的吸收微波能转化为热 能，所以天然物料中含水量的多少对提取率的影响很大。 王娟等2 7 1 采用均匀设计方法设计试验，通过微波提取来提取刺五加中的有效 成分，发现当含水量达到1 5 时所的提取率最大，湿度低于或高于1 5 所得的 提取率均有所下降。 郝金玉等1 2 8 1 研究了水分对西番莲籽提取的影响。他们选取了自然风干的、自 然风干后水浸泡2 4h 、自然风干后4 0 干燥2 4h 以及自然风干后粉碎水浸泡2 4 h 等四种西番莲籽样品，结果发现第4 种方法行不通，因为细胞并没有将水分完 全吸收，加入与水不完全互溶的溶剂，会出现两相，多余的水分会粘附在西番莲 籽颗粒的表面，形成膜，使物料结块，增大了扩散阻力。溶剂必须扩散到水相以 后，才能进步扩散到物料颗粒表面。实验中结块等传质过程受阻现象也说明了 这一点。但是浸泡种子的方法是可取的，提取率和溶剂回收率有所增加，所得产 品的色泽、气味和有效成分禽量都没有大的变化。 基体形态微波提取天然物样品时，样品的形态对所得提取率也有定影响。沈 岚等1 2 9 】研究了大黄( 根茎类中药) 和决明子( 种子类中药) 中大黄素、大黄酚、 大黄素甲醚等相同成分的同等条件下的微波提取的提取率。研究结果表明，根茎 类中药的提取率明显高于种子类中药。d a ij a n m i n g 等1 3 0 1 研究了印楝的种子、 种壳、叶以及茎中印楝素的提取。研究发现，在同等条件下，种壳所得的提取率 最高，其次是种子，而叶和茎的提取率相当。 微波功率在m a e 过程中，所需的微波功率的确定应以最有效的提取出目标成 分为原则。一般所选用的微波功率在2 0 0 1 0 0 0w ，微波辐射时间不可过长。 g 删ar a m a n 等【2 4 j 报道了用石油醚提取胡椒中的胡椒素。当辐射功率由1 5 0 w 增加到4 5 0w 时，提取率随时间的增大丽逐渐增大，功率越大，提取率越大 且增加幅度越小。当时间达到2m i n 时，所得提取率相当。但是溶剂的损失量也 随功率的增大而增大。因此，选择功率为1 5 0w ，提取时间为2v a i n 。 d a ij i a n m i n g 等【3 0 】报道了微波提取印楝叶及果仁中的印楝素。当提取果仁中 的印楝素时，随着微波功率的增大，提取率逐渐增大，当功率为1 5 0w 时得到 l o 中山大学硕士学位论文 真空微波技术在中草药有效成分提取中的应用研究 最大提取率，再增大功率，提取率又下降；而提取印楝叶中的印楝素时，随着功 率的增大，提取率也随之增大，在功率为2 5 0w 时得到最大提取率。 微波提取时间一般提取时间在1 0s 2 0 m i n 之间，对于不同的物质，其最佳提 取时间不同。在其他条件固定时，提取率随提取时间的增大而增大。到达最佳提 取时间时，提取达到平衡，提取率也最大。再增大提取时间，提取率不会增大， 还会有可能减小，这可能是因为溶剂挥发或者目标物分解所致。 g i r i j a r a m a n 等 2 4 1 中采用石油醚提取胡椒中的胡椒素，当功率为4 5 0w 时， 提取lr a i n 就已经接近平衡，之后提取率保持不变；而采用1 5 0w 的功率时，提 取2 m i n 达到平衡。 提取温度选择合适的提取温度是m a e 的重要步骤。在m a e 中，提取温度往往 超过溶剂的沸点，可加快目标物的解吸，增加溶剂溶解能力，降低溶剂表面张力 和粘度，从而增加样品被浸润的程度，有利于提高提取效率。另外基体本身的特 性也影响提取温度的选择口”。因此选择提取温度时不仅要考虑提取效率，还要注 意目标物