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低温微波辅助萃取天然产物中热敏性 有效成分及其机理研究 专 业：分析化学 硕士生：王家珥 指导教师：肖小华 摘要 低温微波辅助萃取技术( l o wt e m p e r a t u r em i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i o n ， l t m a e ) 结合了冷浸萃取技术和微波辅助萃取技术的特点，在低温下萃取减少 了热敏性有效成分的氧化分解损失，有利于保持天然产物的活性；同时微波场作 用强化了热敏性有效成分的萃取过程。因此，l t m a e 适合于天然产物热敏性易 氧化有效成分的萃取分离。本文开展了低温微波辅助萃取青椒中维生素c 、芦荟 中芦荟苷a 和虾中虾青素的研究，并探讨了其萃取机理。主要研究内容如下： 1 介绍了天然产物中热敏性有效成分的常用萃取技术，综述了微波辅助萃取天 然产物热敏性有效成分及其萃取机理的研究进展。 2 开展了低温微波辅助萃取青椒中维生素c ( v c ) 的研究。分析了青椒中v c 含 量及青椒萃取液的抗氧化性能，结果显示青椒中v e 的含量与萃取液抗氧化性 之间具有显著的相关性，低温少氧有利于v c 的萃取分离及保持萃取液的抗氧 化性。建立了v c 的萃取动力学模型，研究了温度、氧气和真空度等因素对 v c 萃取和分解的影响。结果表明，4 0 c 时v c 的萃取速率与2 5 相比变化不大， 但其分解速率增大了1 8 倍；而采用氮气去除体系中的氧气后，4 0 时v c 的分 解速率只比2 5 c 时增大了约2 0 ；此外，增加萃取体系的真空度也能显著地 减少v e 的分解速率；实验结果与理论模拟结果吻合。 3 开展了低温微波辅助萃取芦荟中芦荟苷a 的研究。建立了芦荟叶皮层中芦荟 苷a 的l t m a e a i p l c 分析方法，考察了萃取溶剂、固液比、微波功率、萃取 i v 温度、萃取时间和真空度等条件对芦荟苷a 萃取率的影响，并比较了l t m a e 、 m a e 与溶剂浸提的萃取效果。结果表明，l t m a e 和m a e 的芦荟苷a 萃取率 分别比溶剂浸提高3 0 和2 3 ，l t m a e 比m a e 高5 。研究了l t m a e 萃取芦 荟苷a 的动力学和热力学机理，考察了萃取温度、微波功率和固液比等因素 对芦荟苷a 的萃取速率和分解速率的影响。芦荟苷a 的萃取速率随温度升高 而增大，但其分解速率在4 0 。c 以上时随温度升高而增大，在萃取温度较低( 4 0 1 2 ) 时受温度影响较小。微波功率和固液比同样能明显影响芦荟苷a 的萃 取速率，但对其分解速率影响较小。考察了l t m a e 萃取芦荟苷a 的热力学过 程。l t m a e 萃取芦荟苷a 过程的彳和4 ，分别为3 6 5k j m o l d 和1 3 2 2j m o l 。 实验结果与理论模拟结果基本吻合。 4 开展了低温微波辅助萃取虾中虾青素的研究。建立了虾中虾青素的 l t m a e h p l c 分析方法，考察了萃取溶剂、固液比、微波功率、萃取温度、 萃取时间、萃取真空度对虾青素萃取率的影响。结果表明，萃取温度、时间 和萃取溶剂对萃取效果影响较大。虾壳、虾肉和虾头中虾青素的含量分别为 18 2 + 0 6 、9 1 4 - 0 3 、3 4 + 0 ii t g - g 。研究了萃取温度对虾青素萃取速率和分解 速率的影响。结果表明，萃取温度既影响虾青素的萃取速率，也对其分解速 率有明显影响。 关键词：低温微波辅助萃取，萃取机理，天然产物，热敏性有效成分 v s t u d y o nl o w t e m p e r a t u r e m i c r o w a v e - a s s i s t e d e x t r a c t i o na n di t se x t r a c t i o nm e c h a n i s mo f l a b i l ec o m p o u n d sf r o mn a t u r a lp r o d u c t 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 ：w a n gj i a y u e s u p e r v i s o r ：x i a ox i a o h u a a b s t r a c t l o wt e m p e r a t u r em 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 ( l t m a e ) c o m b i n e sa d v a n t a g e s o fm 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 ) a n dl o wt e m p e r a t u r ee x t r a c t i o n i tc a l l p r e v e n tt h ed e g r a d a t i o na n do x i d a t i o n o fl a b i l ec o m p o u n d sw i t hl o we x t r a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dm i c r o w a v ee f f e c t , s h o w i n gg o o dp r e d o m i n a n c eo i lt h ee x t r a c t i o no f l a b i l ec o m p o u n d s 舶mn a t u r a lp r o d u c t s i nt h i st h e s i s ，l t m a ew a sd e v e l o p e dt o e x t r a c tl a b i l ec o m p o u n d sf r o mn a t u r a lp r o d u c t sa n di t se x t r a c t i o nm e c h a n i s mw a sa l s o s t u d i e d t h ec o n t e n to ft h et h e s i sw a sa sf o l l o w i n g ： 1 t e c h n i q u e sf o rt h ee x t r a c t i o no fe f f e c t i v ec o m p o u n d sf r o mn a t u r a lp r o d u c t sw o r e b r i e f l yr e v i e w e d ，a n dt h ee m p h a s i sw a s 0 1 1t h ee x t r a c t i o no fl a b i l ee o m p o u d sw i t h m a ea n di t se x t r a c t i o nm e e h a n i s m 2 s t u d yo l lt h ee x t r a c t i o no fv i t a m i nc ( v c ) f r o mv e g e t a b l es a m p l eb yl t m a e w a sd e v e l o p e d t h ec o n t e n to f v ei ng r e e np e p p e ra n dt h ea n t i o x i d a n ta c t i v i t yo f g r e e np e p p e re x t r a c tw e l ea n a l y z e d s i g n i f i c a n tl i n e a rc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ( f 0 9 3 5 ) w a sf o u n db e t w e e nt h ea n t i o x i d a n ta c t i v i t ya n dt h ev ec o n t e n t ， r e v e a l i n gt h a tv ew a st h em a i na n t i o x i d a n t i ng r e e np e p p e re x t r a c t a m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e df o rm a ee x t r a c t i o no fv ef r o mg r e e n p e p p e r t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，o x y g e na n ds u b p r e s s u r ei n v a c u oo nt h e e x t r a c t i o na n dd e c o m p o s i t i o no fv ew e r es t u d i e d a l t h o u g ht h et e m p e r a t u r e s h o w e dl i t t l ee f f e c to nt h ed e c o m p o s i t i o nr a t eo fv c ，t h ee x t r a c t i o nr a t eo fv ca t 4 0 cw a s18t i m e sh i g h e rt h a nt h a ta t2 5 c w h i l eu n d e rt h ep r o t e c t i o no f n i t r o g e n ，o n l y2 0 i n c r e m e n t so fe x t r a c t i o nr a t ea t4 0 cw a s o c c u r r e dc o m p r a r e t ot h a ta t2 5 。c m o r e o v e r , s u b p r e s s u r ei n v a c u oi nt h el v m a es y s t e mc a na l s o p r e v e n tt h ed e g r a d a t i o na n do x i d a t i o no f v c t h em a t h e m a t i c a lm o d e ld a t aw a s s u c c e s s f u l l ya c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a 3 s t u d yo nt h ee x t r a c t i o no fa l o i na f r o ma l o ev e r ab yl t m a ew a sd e v e l o p e d t h e l t m a e h p l cm e t h o d sf o rt h ee x t r a c t i o na n da n a l y s i so fa l o i naf r o ma l o ev e r a h a v eb e e nd e v e l o p e d t h ee x t r a c t i o nm e c h a n i s mo fa l o i naf r o ma l o ev e r aw a s a l s os t u d i e d t h ee x t r a c t i o nc o n d i t i o n si n c l u d i n ge x t r a c t i o ns o l v e n t , s o l i d l i q u i d r a t i o ，e x t r a c t i o nt i m e ，m i c r o w a v ep o w e r , e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e ，e x t r a c t i o nt i m e a n dd e g r e eo fv a c u u n lw e r ei n v e s t i g a t e df o rl t m a ee x t r a c ta l o i naf r o ma l o e v e r a c o m p a r e dw i mh e a t i n gr e f l u xe x t r a c t i o n ( h r u 三) ，h i g h e re x t r a c t i o ny i e l d so f a l o i naw e r eo b t a i n e di nl t m a ea n dm a e t h ee x t r a c t i o ny i e l d so fa l o i nai n l t m a ea n dm a ew e r e3 0 a n d2 3 h i g h e rt h a nt h a ti nh r e ，r e s p e c t i v e l y t h e e x t r a c t i o ny i e l d so fa l o i nai nl t m a ew a s5 h i g h e rt h a nt h a ti nm a e t h e e f f e c t so fs o l i d l i q u i dr a t i o ，m i c r o w a v ep o w e ra n de x t r a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h e e x t r a c t i o nr a t ea n dd e c o m p o s i t i o nr a t eo fa l o h aaw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee x t r a c t i o nr a t eo fa l o i naw a sa c c e l e r a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo f e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e ，a s w e l la st h ed e c o m p o s i t i o nr a t eo fa l o i naw a s a c c e l e r a t e dw i t ht e m p e r a t u r ew h e nt e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n4 0 。c h o w e v e r , t e m p e r a t u r eh a sn os i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ed e c o m p o s i t i o nr a t eo fa l o i na w h e n t e m p e r a t u r el o w e rt h a n4 0 c t h es o l i d l i q u i dr a t i oa n dm i c r o w a v ep o w e rh a v e g r e a ti n f l u e n c eo nt h ee x t r a c t i o nr a t ea n dd e c o m p o s i t i o nr a t eo fa l o i na m o r e o v e r , t h et h e r m o d y n a m i cm e c h a n i s m so fl t m a ef o rt h ee x t r a c t i o no fa l o i naf r o m a l o ev e r aw e r ei n v e s t i g a t e d t h et h e r m o d y n a m i cf u n c t i o n sd 磷a n da s 0f o rt h e e x t r a c t i o no fa l o i naf r o ma l o ev e r ab yl t m a ew e r ec a l c u l a t e dt ob e3 6 5 k j m o l - l a n d1 3 2 2j m o l l ，r e s p e c t i v e l y 4 s t u d yo nt h ee x t r a c t i o no fa s t a x a n t h i nf r o ms h r i m pb yl t m a ew a sd e v e l o p e d t h el t m a e h p l cm e t h o d sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rt h ee x t r a c t i o na n da n a l y s i s v o fa s t a x a n t h i nf r o ms h r i m p t h ee x t r a c t i o nc o n d i t i o n si n c l u d i n ge x t r a c t i o n s o l v e n t , s o l i d l i q u i dr a t i o ，m i c r o w a v ep o w e r , e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e ，e x t r a c t i o n t i m ea n dd e g r e eo fv a c q l u i 1w e l ei n v e s t i g a t e df o rt h ee x t r a c t i o no fa s t a x a n t h i n f r o ms h r i m p t h er e s u l t ss h o w e dt h a te x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e , e x t r a c t i o nt i m ea n d e x t r a c t i o ns o l v e n th a v eg r e a te f f e c t s0 1 1t h ee x t r a c t i o ny i e l d so fa s t a x a n t h i n t h e e x t r a c t i o ny i e l d so fa s t a x a n t h i ni nh u s k , h e a da n dm e a to fs h r i m pw e r e18 2 4 - 0 6 ， 9 1 4 - 0 3a n d3 4 4 - 0 1 嵋9 1 ，r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h ee f f e c t so fe x t r a c t i o n t e m p e r a t u r e0 1 1t h ee x t r a c t i o nr a t ea n dd e c o m p o s i t i o nr a t eo fa s t a x a n t h i ni n s h r i m ph u s kw e r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a te x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e h a v eg r e a te f f e c tb o t h0 1 1t h ee x t r a c t i o nr a t ea n dd e c o m p o s i t i o nr a t eo fa s t a x a n t h i n f r o ms h r i m ph u s k k e y w o r d s ：l o wt e m p e r a t u r em 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 , e x t r a c t i o nm e c h a n i s m , n a t u r a lp r o d u c t s ，l a b i l ec o m p o u n d s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 南。噼 日期：加f 1 7 年6 月c 7e l 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学化学与化学工程学院，受国家知识 产权法保护在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专 利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以 任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名：丑高日 日期：州萨6 月f ( 7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非盈利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编 入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论 文。 学位论文作者签名：1 芬飘导师签名 日期： 功f 。年6 月坫日日期：。年c 月矿e l m 中山大学硕士论文低温微遮镄助萃取天然产翅皇垫墼丝宣塑盛坌垦基塾! ! 翌堕 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代分析技术和分析仪器的不断发展和完善，快速高效的萃取分离技术 已成为天然产物有效成分分离分析过程的关键。特别是在热敏性易氧化天然产物 有效成分萃取过程中，分析物容易受光照、压力、温度、氧气等条件的影响而分 解氧化损失，所以快速高效、且能有效防止分析物氧化分解的萃取分离技术，已 成为研究热敏性易氧化天然产物有效成分的瓶颈问题 减少热敏性天然产物有效成分在萃取过程中分解损失，目前主要有两种方 法：( 1 ) 降低萃取温度。使整个萃取过程在较低温度下进行，以降低热敏性有效 成分的分解损失，从而获到较高萃取率，如传统的冷浸法。( 2 ) 加快萃取速率。 使萃取过程在短时间内完成，以减少热敏性有效成分的分解损失。这可通过声场、 压力场或微波场等外场作用强化萃取，如采用加速溶剂萃取、超声波辅助萃取、 微波辅助萃取等；也可通过改变萃取体系的组成加快萃取速率，如采用酶法萃取、 超临界流体萃取等。这些萃取分离技术各有优缺点，其应用的范围也有所不同。 其中微波辅助萃取技术是微波加热和传统的溶剂萃取法相结合后形成的一种新 的萃取技术，它主要是利用微波能强化溶剂萃取效率，促进固体或半固体试样中 有机物成分与基体物质有效分离的过程。与传统方法相比，具有快速高效、操作 简便、节省溶剂的特点。目前，微波辅助萃取技术已广泛应用于食品【、农药残 留分析圆、天然产物有效成分分离分析【3 垮领域。 本章介绍了天然产物中熟敏性有效成分的常用萃取技术，重点介绍了微波辅 助萃取技术在热敏性有效成分萃取中的应用进展，以及微波辅助萃取机理的研究 进展。 第l 章绪论 1 2 天然产物有效成分的萃取方法 1 2 1 冷浸法 冷浸法是在室温或更低温度下，利用溶质在溶剂中的溶解性能差异将目标成 分从天然产物中分离出来，在鉴别天然产物有效成分的种类和组成时应用较多。 同时，在较低温度下萃取能有效减少热敏性化合物的分解氧化。 周欣等【4 】以甲醇为溶剂，采用冷浸法萃取了蓬莪术的有效成分，并建立了其 液相色谱质谱指纹图谱( l c - m s - f p s ) 。张伟敏等【5 】采用乙醚冷浸法萃取诺丽籽中 的成分，用气相色谱质谱联用法分析了其化学成分，共鉴定出4 5 个峰中的3 5 个 化合物，占萃取物总含量的9 6 5 2 。唐睿等【6 】比较了冷浸法、温浸法、热回流 法、超声辅助萃取法、微波辅助萃取法等方法对穿心莲中主要有效成分萃取率的 影响。结果表明以内酯总量为指标时，冷浸法的萃取率最高，而冷浸法和微波辅 助萃取法时总黄酮的萃取率均较高。魏永燕等【7 】比较了回流法、渗漉法、冷浸法 萃取仙鹤复方中总鞣质，其中冷浸法的萃取效果最佳。为了减少梨中抗坏血酸和 脱氢抗坏血酸在萃取过程中的损失，a n n ar i z z o l o 等【8 】在避光和室温2 c 下以6 偏磷酸为溶剂冷浸萃取抗坏血酸和脱氢抗坏血酸，萃取率高、方法简单。 冷浸法虽然能有效减少热敏性有效成分的分解，萃取率高、能耗少，适于工 业生产使用，但其萃取时间过长、溶剂消耗量较大、萃取选择性较差、萃取的杂 质较多。所以冷浸法现在主要是作为一种参照方法，用于评价其他萃取方法的萃 取效果。 1 2 2 酶萃取法 酶萃取法是利用酶反应的高度专一性，根据天然产物成分选择合适的酶，破 坏细胞壁，提高有效成分萃取率的萃取方法。它具有反应条件温和、萃取时间短、 萃取率高等优点【9 】。因为细胞壁是由半纤维素、糖蛋白和果胶质等成分构成的致 密结构，阻碍溶剂的渗透和有效成分的释放。因此纤维素酶、半纤维素酶、蛋白 酶、果胶酶等在天然产物中的应用研究比较广泛。根据天然产物的有效成分及其 植物细胞的特点可以选择合适的一种酶或几种酶复合萃取。c s o t o 等【l o 】研究了 2 ! ! ! ! ! ! j ! j ! ! 。一 纤维素酶对琉璃苣油中的抗氧化性物质萃取率的影响。结果表明，采用酶处理后， 琉璃苣脱脂粉中的抗氧化性物质的萃取率提高了3 倍。j i a n g 等t 1 1 】采用碱性蛋白酶 和中性蛋白酶复合萃取了花生中的游离油和蛋白水解产物。结果表明，单采用碱 性蛋白酶时，游离油和蛋白水解产物的萃取率分别为7 9 3 2 和7 1 3 8 ，而用中 性蛋白酶对萃取残渣和乳状液进一步萃取后，游离油和蛋白水解产物的萃取率可 分别达$ 1 j 9 1 9 8 和8 8 2 1 。 酶萃取法仅在传统萃取方法基础上增加了酶解过程，却能极大的缩短萃取时 间、提高萃取效率，且酶反应条件温和，有利于保持天然产物中热敏性易氧化有 效成分原有的立体结构和生物活性。但酶是具有特殊生物活性的蛋白质，需要在 适宜的条件下才能发挥其作用。酶萃取法的实验条件较苛刻，影响因素较多，酶 的浓度、底物的浓度、温度、p h 值、抑制剂、激动剂等对目标物的萃取效果都 有影响。此外，酶萃取法相对于微波辅助萃取法、超声波辅助萃取法而言，其萃 取时间较长，有报道【1 2 - 1 4 】将酶萃取法与超声波辅助萃取法或微波辅助萃取法相结 合，可以进一步缩短天然产物有效成分的萃取时间和提高萃取率。 1 2 3 超临界流体萃取法 超临界流体是温度及压力均处于临界点以上的流体。超临界流体萃取法是以 超临界流体( c 0 2 、h 2 0 、n 0 2 、n 2 、低链烷烃) 为萃取剂，利用其既有气体的 高渗透性和低黏度，又有与液体相近的密度和优良溶解能力的特性，从固体或液 体中快速萃取目标组分的一种分离方法。超临界流体萃取法的萃取温度一般较 低，可以减少和防止热敏性易氧化和易挥发物质的高温分解、氧化和散逸，有利 于萃取天然产物中的不稳定有效成分。 目前应用最多的是超临界c 0 2 萃取法，因为c 0 2 的临界温度佃萨3 1 3 ) 和 临界压力( p c = 7 3 8m p a ) 较低，可在接近室温条件下萃取，有利于生物活性物质 和热敏性物质的萃取。c i u r l i a 等o s 】采用超临界c 0 2 同时萃取番茄中的番茄红素和 榛实中的榛实油，其萃取率分别为7 2 5 和8 0 ，且该方法能把顺式番茄红素和 全反式番茄红素分离开。c a r l a 等t t 6 1 采用超临界c 0 2 萃取了神菊树中的多酚类化合 物，实验结果表明在萃取温度6 0 ( 2 、萃取压力4 0m p a 时，三种多酚类化合物的 萃取率都显著高于传统萃取方法。此9 b c 0 2 还具有低沸点、低粘度、低表面张力、 3 第1 章绪论 无毒无害、不易燃易爆等优点。 超临界c 0 2 萃取技术适合萃取天然植物中亲脂性、极性较小的天然产物活性 成分，而对亲水性、极性大、分子量大的活性成分，萃取率较低；虽然在萃取过 程中使用适当夹带剂【1 7 1 9 域在较高的压力和温度下进行，可以在一定程度上提高 萃取率，但所选择的夹带剂种类有限，较高温度则会破坏热敏性活性物质；对于 质地坚硬、有效成分与周围介质结合紧密的天然产物，超临界c 0 2 萃取法不太适 合。此外，超临界c 0 2 萃取的工作压力一般在1 0 3 0m p a ，相当于几百个大气压， 对设备和操作的安全性要求较高。而且，萃取过程消耗c 0 2 气体量较大，如果不 能回收反复利用，则萃取成本较高 2 0 i 。 1 2 4 超声波辅助萃取法 超声波辅助萃取法是近年发展起来的一种天然产物有效成分分离方法。它是 利用超声波产生的强烈振动、高加速度、强烈空化效应、热效应、搅拌作用等加 速天然产物有效成分的萃取分离，提高萃取率、缩短萃取时间。 目前超声波辅助萃取法已广泛应用于蛋白质2 1 , 2 2 、黄酮类2 3 之8 1 、糖类【2 9 3 4 】、 皂苷【3 5 , 3 6 1 、色素 3 7 - 4 1 1 、多酚类【4 2 , 4 3 、萜樊删以及生物碱【4 5 , 4 6 1 等天然产物有效成 分的分离分析中。近年来还发展了一种新的超声波萃取技术超声波雾化萃取技 术( u n e ) ，周新等【4 7 】将该技术用于萃取高良姜中的槲皮素，与普通超声波辅助 萃取法相比，l i n e 具有溶剂用量较少、萃取时间较短的优势。w a n g 等 4 s j 采用 u n e g c 在线联用分析t a 角茴香果实中的茴香烯。结果表明，采用l i n e 方法时， 茴香烯的萃取率较加热回流法高，但与普通超声波辅助萃取法的萃取率相当。 超声波辅助萃取法中溶剂和目标物的性质( 如极性) 关系不大，可供选择的 萃取溶剂种类多。与浸提法、加热回流法等传统萃取方法相比，具有萃取时间短， 效率高、操作温度较低等特点，利于天然产物中热敏性成分的萃取分离。但由于 超声波作用能断开两碳原子之间的键，所以在超声波辅助萃取过程中会产生很多 具有较强活性的自由基，能与许多抗氧化性物质反应，破坏活性成分m 。 1 2 5 微波辅助萃取法 微波是一种频率在3 0 0m h z 3 0 0g h z 的电磁波，具有波动性、高频性、热 4 第1 章绪论 特性和非热特性。微波辅助萃取法( 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 ) 是在 传统萃取方法的基础上通过微波强化传热和传质的一种具有发展潜力的样品预 处理技术，它最早主要应用于环境样品前处理【5 0 1 ，测定微量元素和有机污染物f s l 5 2 1 。1 9 8 6 年g a n z l e r 掣5 3 】开始将微波技术应用于种子、食品及饲料中各种化合物 的萃取。迄今未止，m a e 已经广泛应用于天然产物中各种有效成分的萃取分离。 表1 1 列出了近年来m a e 在天然产物有效成分萃取分离应用的一些代表性例子。 表1 1 近年来m a e 在天然产物萃取中的应用 t a b l el - 1a p p h c a f i o no f m a et ot h ea n a l y s i so f e f f e c t i v ec o n s t i t u e n t sf r o mn a t u r a lp r o d u c t s 目标物样品萃取条件实验结果文献 麝香草酚藏茴香3 5 ( v v ) 乙醇，4 5 ，4 5r a i n ，固液与溶剂浸提相比，萃取效率【5 4 比( g ：m l ) 1 ：3 0 高，传质速度快。 黄芪皂贰黄芪8 0 ( v v ) 乙醇，7 0 ，7 0 0w ，5r a i n 与索氏，超声和加热回流萃取【5 5 】 ( 萃取3 次) ，固液比( g ：m l ) 1 ：2 5 相比，快速，萃取选择性好。 绿原酸金银花7 0 e ( v v ) 乙醇，4 0 0w ，4r a i n 与超声和加热回流萃取相比，【5 6 】 萃取率高，快速 多酚类 番石榴离子液体，番石榴7 0 c ，菝葜6 0 c ，1 0 与普通m a e 和传统萃取方法【5 7 菝葜 r a i n ，固液比( g ：n 1 l ) 1 ：2 0 相比，萃取率高，快速。 异味气体成分虹鳟鱼 微波辅助蒸馏溶剂萃取，超纯水，3 9 0 能萃取出样品中的大部分挥【5 8 】 w ，3 5m i n ，氮气流量1 5 0m l m i n - 1发性成分，快速、经济 千里光碱，款冬5 0 ( v v ) 甲醇，1 5m i n ，固液比( g ：m l ) 与加热回流萃取相比，高效 【5 9 1 千里光宁 l ：4 0 水飞蓟素蓟种子8 1 5 ( v v ) 乙醇，11 2 ( 2 ，6 0m i n ，圃水飞蓟素萃取高【6 0 】 液比( g ：m l ) 1 ：3 8 白沙蒿多糖白沙蒿水，5 2 3w ，6 0 c ，7 0m i n ， 与热水浸提相比，快速、高效，【6 l 】 固液比( w ：v ) 1 ：3 2 8抗氧化性更高 黄酮淫羊麓 动态微波辅助萃取，7 0 ( v v ) 乙醇，与密闭m a e 、超声，索氏和加【6 2 】 8 0w ，6r a i n ，流速为0 7m l m m - ! ，熟回流萃取相比，快速、高效 生物碱黄连 非离子型表面活性剂，1 0 0 c ，1 0r a i n ，与普通m a e 和传统萃取方法 6 3 1 固液比( g ：m l ) 1 ：2 0相比，萃取率高，快速。 与传统的冷浸法、酶萃取法、超声波辅助萃取法相比，眦具有加热均匀、 萃取效率高、选择性好、节省溶剂、可同时萃取多个目标成分等优点。但微波剧 烈的热效应容易造成天然产物中热敏性有效成分如多酚类和色素类以及易氧化 5 第l 章绪论 性化合物分解氧化。z h a o 等啷6 5 】研究了微波和超声波对全反式虾青素的影响， 发现微波作用易使全反式虾青素发生异构化，且随着微波功率和微波时间的增加 全反式虾青素的异构化程度增加，所以他们在用微波辅助萃取雨生红球藻中虾青 素时进行短时多次萃取( 总共萃取四次，每次萃取8 3s ) ，以减少微波辅助萃取 过程中全反式虾青素的异构化。杨屹等【删采用微波辅助法萃取新鲜芦荟叶中的 芦荟苷，微波作用4r a i n 时，芦荟苷萃取率最高，但其作用时间超过6m i n 时， 芦荟苷萃取率反而下降，说明m a e 萃取过程中易导致芦荟苷分解，不利于萃取。 为了减少易氧化性天然产物有效成分在m a e 萃取过程中的氧化损失，张宏 峰等【f 7 】提出了初始真空微波辅助萃取法。萃取前将萃取罐内抽真空，然后放入 密闭式微波炉中进行初始真空微波辅助萃取。他用该装置萃取了虎杖中自藜芦 醇，并与m a e 和传统加热回流萃取比较，结果表明初始真空微波辅助萃取法能 有效防止白藜芦醇的降解，提高其萃取率。然而密闭式微波辅助萃取法的萃取温 度一般较高，不利于热敏性有效成分的萃取，相对于密闭式微波辅助萃取，开罐 式微波辅助萃取方法的萃取温度和压力较低，更有利于萃取热敏性天然产物活性 成分，且其操作简单、使用安全。但因该方法在常压下萃取，萃取过程中，萃取 目标物可与空气中的氧气接触，可能导致易氧化热敏性目标物的氧化分解。所以 汪军霞等( 6 8 】发展了一种开罐式真空微波辅助萃取装置，一方面，整个萃取过程 在真空下进行，可有效去除萃取体系的氧气，减少易氧化成分的氧化损失；另一 方面，真空下溶剂的沸点比常压下低，因此可在较低的温度下回流萃取，促进样 品和溶剂的充分混合接触，有利于热敏性有效成分的萃取分离。w a n g 等 6 9 7 0 1 用 该装置萃取了蔬果类、中草药中的维生素类、多酚类和色素类有效成分，实验结 果表明真空微波辅助萃取法既保持了眦快速高效的特点，又减少了热敏性易 氧化有效成分的降解氧化，适合天然产物中热敏性易氧化有效成分的萃取分离。 虽然真空条件能降低天然产物中有效成分的萃取温度，但其降温幅度较小， 对于热敏性特别强的有效成分，真空微波辅助萃取的萃取温度还是相对较高。所 以宋伟【7 l 】发展了一种内冷式低温真空微波辅助萃取技术，它结合了冷浸萃取技 术和微波辅助萃取技术的特点，可进一步降低萃取温度，减少热敏性有效成分的 分解速率，同时微波场的作用加快了其萃取速率。将该技术用于维生素c 、羟基 红花黄色素a 以及儿茶素类等热敏性易氧化天然产物有效成分的萃取结果表明， 6 第l 章绪论 该技术能有效防止样品中热敏性易氧化天然产物有效成分的氧化及分解。 1 2 6 协同萃取 上述的各种天然产物萃取技术均已广泛应用于天然产物有效成分的萃取中。 其中冷浸法和酶法萃取温度较低，萃取条件温和，能有效减少热敏性天然产物有 效成分的分解。但其萃取时间过长。而微波辅助萃取技术和超声波辅助萃取技术 具有快速、高效的优点，但微波加热剧烈的热效应和超声波的强空化作用可能造 成热敏性有效物质分解损失。近年来，许多研究者将各种萃取技术相结合，以弥 补各种萃取技术自身的缺点并拓宽其应用范围。 z h a n g 等【7 2 】采用超声波协同微波辅助萃取了( u m a e ) 番茄中的番茄红素， 并与普通超声波辅助萃取法( u a e ) 进行了比较。结果表明，u m a e 和u a e 的番 茄红素萃取率分别为9 7 4 和8 9 4 。y 黝g 等【1 4 】采用微波辅助酶法萃取了鼠掌老 鹳草中的多酚类物质鞣料云实素( c g ) 和老鹳草鞣质( c e ) ，c g 和c e 的萃取率 比传统超声波辅助萃取法分别提高了6 4 0 1 和7 2 9 5 。g a o 等【7 m 则采用超声波强 化超临界c 0 2 萃取金盏菊中的叶黄素酯，实验结果表明，超声波能加强超临界c 0 2 萃取过程的传质速率，显著提高叶黄素酯的萃取率。此外，超声波辅助萃取与酶 法协同萃取【7 4 , 7 5 1 、超声波辅助萃取与浊点协同萃取【7 6 1 、酶法与冷浸法协同萃取 法【7 7 】等在天然产物有效成分中的应用越来越广泛。 通过超声波、微波、酶等方法协同强化萃取，可以有效缩短萃取时间、提高 萃取率，有利于天然产物中热敏性有效成分的萃取分离。 1 3 微波辅助萃取机理研究 因为m a e 是微波场与化学介质之间一个非常复杂的过程，影响微波萃取速 率的因素较复杂。微波辅助萃取机理的研究可为萃取影响因素的控制以及工艺条 件的优化和设计提供指导，具有理论和现实意义。然而目前微波辅助萃取法 ( m a e ) 虽然已经广泛应用于天然产物中各种有效成分的萃取。但大部分研究 者只对微波辅助萃取过程中的主要影响因素进行简单优化，而有关m a e 过程机 制和数理模型的研究较少。 7 第1 章绪论 1 3 1萃取过程机制研究 现在有关m a e 过程机制的研究主要是通过表征基质材料的显微结构及其变 化，说明微波作用能够导致细胞壁破裂或细胞结构松散，从而加速目标成分在基 质内部的扩散。1 9 9 1 年，p a r e 等【7 8 】采用扫描电子显微镜研究了m a e 与其它方 法萃取后的样品显微结构变化。他们认为在微波辅助萃取过程中，植物细胞中所 含水分能有效地吸收微波能，导致样品内部温度突然升高，且植物维管束和腺细 胞内的温度升高尤其显著，当温度持续升高到细胞内压力超过细胞壁的承受能力 时，细胞破裂，细胞内的物质自由流出而被萃取。 n g 等【7 9 】研究了索氏萃取和m a e 萃取烟草中尼古丁时，烟草中水分含量对 尼古丁萃取率的影响。结果表明，m a e 萃取时，尼古丁的萃取率随着烟草中水 分含量的提高而提高，进一步证明了p a r e 的观点。李核等【8 0 】在考察不同参数对 微波辅助萃取虎杖中白藜芦醇的影响时，用电子显微镜观察了虎杖未经微波加热 和微波加热至6 0 后细胞壁破裂的情况。结果表明，未处理前，虎杖样品的结 构完整，各纤维束排列整齐，细胞结构紧密排列。而加热至4 0 c 后虎杖细胞壁 结构已部分受到破坏，继续加热至6 0 c 后，细胞壁破坏得更严重，这成为白藜 芦醇萃取率随温度升高而增大的原因之一。此外，z h o u 8 1 1 、g a o 8 2 】、z h a n g l s 3 1 等的研究结果也表明微波萃取后样品结构被破坏、细胞壁破裂。 然而，c h e m a t 等【8 4 】的研究却表明，经微波辅助萃取与普通溶剂萃取后的香 菜籽细胞壁并没有明显不同。只是m a e 萃取后的样品细胞壁更厚，他们认为是 微波快速加热使得细胞脱水，加速了萃取过程。g a o 等嗍在研究微波辅助萃取 十大功劳叶和秋菊花瓣的萃取机制时，采用电子显微镜和光学显微镜研究了十大 功劳叶和秋菊花瓣细胞结构变化。结果发现十大功劳的细胞壁在微波萃取和等温 溶剂萃取后都没有破裂，而秋菊花瓣在经微波萃取后，