谈谈微波萃取技术在中药有效成分提取中

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目前中药有效成分的提取方法多采用室温浸泡、索氏提取法、回流加热以及近年发展起来的超声波强化提取等方法,热回流法提取时间长,杂质溶出率高,操作量大。索氏提取法由于保持较高的浓度差,所以提取率高,浸液杂质少,但提取时间长,溶剂用量较大。室温浸泡提取虽不需要加热,但提取时间长效率低,尤其用水作溶剂时易发霉变质。超声提取法虽然可大大缩短提取时间,但提取率并未显著提高。80年代发展起来的微波提取有效提高了收率,它具有穿透力强,选择性好,加热效率高等特点。现就微波萃取技术在中药有效成分中的应用作个简单的介绍。

1微波萃取的原理

微波是一种频率介于300MHz-300GHz之间的电磁波,波长在1mm～1m,因其波长介于远红外线和短波之间,故称微波。常用的加热频率为2450MHz,吸收微波能的程度不同,由此产生的热量和传递给周围环境的热量也不相同。对天然药物来讲,有效成分多包埋在有坚硬柔软表皮保护的内部薄壁细胞或液泡中,所以有效成分的提取实际上是目标成分从细胞内释放,克服细胞壁、内部基质、固液界面、流体膜阻力扩散到溶剂中的非稳态过程。微波萃取技术的原理就是利用不同组分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,从而使得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,并达到较高的产率(从细胞破碎的微观角度看,微波加热导致细胞内的极性物质,尤其是水分子吸收微波能,产生大量的热量,使胞内温度迅速上升,液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破,形成微小的孔洞;进一步加热,导致细胞内部和细胞壁水分减少,细胞收缩,表面出现裂纹。孔洞或裂纹的存在使胞外溶剂容易进入细胞内,溶解并释放出胞内产物)。在含水的溶剂萃取极性化合物,微波辅助萃取显示出较大优势,因被萃取物胞内含水及极性有效成分的存在,在微波场中吸收大量能量,从而在内部产生热效应,被萃取物的细胞结构因产生的热效应而破裂。非极性溶剂则很少或不吸收微波能,没有自热现象,它可以起到冷却和溶解双重作用。细胞内部的物质因细胞破裂直接于相对冷的溶剂接触,由于内外温差加速目标产物由胞内转移至萃取剂中,从而强化有效成分的提取。

2微波萃取的特点及应用

微波萃取技术在中药有效成分提取领域中的优势在于:

对萃取物有较好的选择性

微波萃取过程中由于可以对萃取物质中不同组份进行选择性的加热,因而能使目标物质直接从基体分离。根茎类中药大黄中大黄素、大黄酚和大黄素甲醚的提取率明显高于种子类中药决明子中相同成分的提取率。沈岚等认为结构上的差异导致各种中药吸收微波的能力各不相同,花类>根茎类>种子类,造成微波萃取有明显的选择性。

微波具有极强的穿透力,能使天然植物的细胞壁和细胞膜快速破碎,使萃取剂容易进入细胞内

例如微波干燥的新鲜人参与普通烘干人参相比,外观浑圆,饱满,横截面呈蜂窝状,这无疑是细胞胀裂,组织疏松的结果。

提取质量高,有利于萃取不稳定物质

我们知道SOD是含有铜和锌的金属酶,锌是维持酶的三维结构,铜是酶的活性中心,两者的含量对酶的热稳定性有直接的影响,另外pH也是重要的影响因素,酸性较强或碱性较强都能导致酶的构象发生不可逆转变,从而使酶失活原因是SOD中的锌在酸碱性条件下极易脱落,修志龙等用微波加热破膜法提取猪血中的SOD,不仅提高了SOD的比活,而且去除了许多杂蛋白。酵母细胞内的海藻糖在海藻糖酶作用下很容易失活,而海藻糖酶在微波场下60s后活性完全丧失,提高了海藻糖的收率和稳定性。

仪器设备简单、低廉、适应面广

用于微波萃取的设备分两类:一类为微波萃取罐;另一类为连续微波萃取线。两者主要区别:一个是分批处理物料,类似多功能提取罐,另一个是以连续方式工作的萃取设备,具体参数一般由生产厂家根据使用厂家要求设计。使用的微波频率一般有两种:2450MHz和915MHz。萃取罐结构。与微波萃取相比,尽管超临界流体提取在提取效率上得到大大提高,但其方法要求的装备复杂,溶剂选择范围窄,需高压力容器和高压泵,故投资成本较高,建立大规模提取生产线有工程难度。

试剂用量少、节能、污染小

省时

沈岚等用微波萃取大黄有效成分中发现,微波对大黄的提取率是超声提取法的倍,是索氏提取法的倍,是水煎法的倍;微波提取5min的提取率已超过超声提取法6min的提取率,15min已达到或接近索氏提取法2h和水煎法的提取效果。王威等〔5〕采用微波破壁-浸提联合工艺从高山红景天根茎中提取红景天苷,用70%乙醇溶液回流提取2h与微波处理、水提10min的含量相当,而乙醇溶液回流提取液中杂蛋白的浓度是微波萃取液的倍。另外用此工艺从刺五加茎和喜树果中分别提取黄酮和喜树碱都取得了令人满意的成果。

产量大

孙志萍用微波萃取大车前叶中黄酮含量由文献报道的%～%(常规方法提取)提高到%。

3微波提取的影响因素

微波辐射时间的影响

韩伟等辅助提取青蒿素中,选用黄花蒿全草粉末,加入抽提溶剂油,在微波萃取器中进行处理。采用空气鼓泡搅拌,每次1min,处理8组样品,其总提取时间分为2,4,6,8,10,12,14,18min。结果表明:随着微波辐射时间的增加,青蒿素的提取率也随之增大,但最终趋向于恒定。在前10min内增加趋势明显,10min以后增大趋势缓慢,并在12min以后有微弱的下降。可能是青蒿素在高温下有分解,引起提取率微弱下降。所以微波辐射时间以12min为宜。

液固比的影响

液固比是提取过程中的一个重要因素,从传质速率的角度讲,主要表现在影响固相主体和液相主体之间的浓度差,即传质推动力。液固比小,两相间的浓度差小,从而传质推动力小。其次,液固比的大小会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。液固比的提高必然会在较大的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,所以液固比不宜太高。韩伟在提取黄花蒿粉中的青蒿素,分别用120号溶剂油100,150,180,220,240,250,300,350mL提取其有效成份,微波辐射时间为8min,实验结果随着溶剂比的增大,青蒿素的提取率有明显的提高。溶剂比大于,结果较好。实验中也观察到,当溶剂比较大时,空气鼓泡搅拌的状态明显好于溶剂比较小时。通过空气鼓泡搅拌,可以改善提取的产物从固相表面扩散进入液相主体过程的两相传质,即可以减小外扩散阻力的影响,提高提取率。

微波功率对提取率的影响

随微波功率的提高,多糖提取率迅速上升。20%微波功率时,多糖提取率仅为100%微波功率时的60%;80%微波功率时也仅为100%微波功率时的70%。随着微波的功率的升高,茶叶多糖的提取率不断提高。微波功率越大,对物料细胞的破坏作用也就越大,有利于物料有效成分的浸出,但是温度太高,工艺成本增加,而且可能使提取物中杂质含量增加。功率的提高到一定的值,会使提取液沸腾,并出现提取液溢出的现象,这导致了提取物产率降低。所以综合考虑能源最佳利用和提取率的关系,选择最佳功率对于大工业生产有指导意义。

溶剂的选择

选择好的提取溶剂对于提高提取率和效率都有较大的意义。杨丽飞〔8〕测得叶黄素在水,乙醇,石油醚,6号溶剂油,氯仿中的吸光度值分别为,,,,。所以叶黄素在6号溶剂油,石油醚,氯仿中的浸提效果较好,考虑到石油醚易挥发,易燃易爆;氯仿毒性很大,价格较高,故采用6号溶剂油作提取液。用纯水、无水乙醇,60%乙醇溶液、60%乙醇溶液-微波处理4种方法荷叶黄酮的实验显示,60%乙醇溶液-微波处理提取荷叶黄酮为好。

提取级数的选择黎海彬等用微波提取罗汉果皂甙,二级提取,罗汉果皂甙的提取率达到%,考虑到浸提次数增加,工艺操作复杂,水溶剂用量增加,浓缩困难,故以二级浸提为宜。

药材粒度对萃取的影响

药材粉碎得越细,芦丁收率也越高,但粒度在40目以上时,产率增大的幅度宜很小,而且过度粉碎,会导致过滤困难和提取液混浊不清,为便于操作,药材粉碎粒度选择40目(

4微波提取技术的应用

黄酮类

刘忠英等在刺五加中黄酮类化合物的微波辅助提取研究中以50%乙醇为提取溶剂时提取率最高;随着微波提取压力增大提取率提高;微波辐射时间在10min之前,随着时间的增加,微波提取率提高;当提取时间超过30min后,提取率开始下降。因此,在利用微波辅助提取法提取中药中黄酮类化合物时,不宜时间过长,以免样品中有效成分受到破坏。余红英等人对千层塔茎黄酮类物质的微波提取工艺进行了探讨。结果表明,微波提取的影响因素顺序为乙醇浓度>微波功率>辐射时间>料液比。

糖类

运用微波能对红景天根用石油醚、乙醚除去脂溶性杂质,用80%乙醇提取除去所含单糖,低聚糖及甙类等干扰性成分后,再运用微波能用水提醇沉法制得红景天根粗多糖,并采用酚-硫酸比色法对其多糖含量进行测定,取得了令人满意的结果。微波提取党参多糖,与传统得方法相比,使提取时间缩短了12倍,多糖含量由传统方法得到的%提高了%。

挥发油

运用乙醚冷浸-微波提取-水蒸汽蒸馏的方法测定新疆党参中挥发油的含量,反应时间由传统方法的5h减为20min,缩短了15倍的时间。挥发油的含量由%提高到%。但挥发油的各种成分,脂肪酸类,萜类成分的测定有待进一步的研究。

生物碱

千层塔中含有石杉碱甲和石山碱乙,石山碱甲具有很好的抗胆碱脂酶的活性,经临床实验证明石杉碱甲治疗早老性痴呆有显著疗效,但传统的提取方法如酒石酸浸泡,盐酸渗漉等耗时,得率低以及杂质较多。由于微波提取具有较好的选择性,查圣华等首先从8种溶剂中筛选出硫酸作为微波协助提取的浸提溶剂,然后用正交试验确立了千层塔生物碱的最佳提取条件。以石杉碱甲和石杉碱乙回收率为指标,考察了溶剂倍数,溶剂浓度,微波处理时间等因数。结果表明,在室温下微波协助提取的最优条件为:酸浓度%,液固比例25∶1,微波处理时间90s。与传统的回流提取工艺相比,过程时间从2h缩短为90s,回收率提高了10%以上。

苷类

银杏被称为活化石,是开发医药,保健品和绿色化学品的重要资源。金美芳等人利用微波效应,以水为溶剂来提取银杏黄酮甙,对微波功率,微波的萃取时间,溶剂用量,浸提时间等因素做了研究,结果表明:微波水提取的黄酮甙平均提取率为%,比常规水提法黄酮甙高出40%,而时间缩短了一半,并确定了工艺条件:微波功率:中档,作用时间:30min,固液比1∶30,水浴时间:1h。

色素

杨丽飞用正交设计试验考察了用微波提取叶黄素的最佳方案:提取溶剂用6#溶剂油,功率为680w,萃取时间为30s,液固比(mL·g-1)=25∶1,二级提取,此条件下的叶黄素的提取率为%。与传统的提取工艺相比,提取时间大大缩短,提取率较大提高,微波提取在天然色素的提取中具有广阔的应用前景。以水为介质,对密蒙花进行微波处理,有利于黄色素浸出。微波法提取密蒙花黄色素方法简单,操作时间短,提取率高(%)。

有机酸

微波预处理法与传统法比具有提取时间短(从120s提高到20s),绿原酸提取率高(从%提高到%),粗产品中的杂质少等优点。

酶

SOD用酸碱提取中都极易失活,修志龙等用微波加热破膜提取SOD,此方法实际是将溶血和热变性结合起来操作,在破碎红细胞膜的同时借助热变性除去许多杂蛋白,起到一定的纯化作用,为SOD的快速,高效提取开辟了一条新途径。很多文献报道说微波提取不能用于蛋白,酶,多肽的预处理,因为蛋白类在高温下很容易失活,修志龙等认为SOD虽然随时间的延长,收率逐渐降低,10s以前红细胞基本已经破裂,但对于SOD的比活而言,在微波处理15s以前变化不是很大;但当微波时间增至20s,胞内液体开始沸腾,许多杂蛋白变性,使SOD比活比水溶胀法提高5倍左右,但收率仅为水溶胀的35%左右,说明在这种情况下也有相当多的SOD失活。

蒽醌

微波对大黄的提取率最高时超声提取法的倍,是索氏提取法的倍,是水煎法的倍。微波提取速度最快,用微波萃取大黄5min