微波萃取技术在中药提取中的应用

作者:冯年平 范广平 吴春兰 韩朝阳 文章来源:制药业 发布时间:2015-12-02

对传统的中药提取技术进行改革,一直是科技工作者关注的热点领域。利用外场(电场、磁场、超声波、微波等)强化和辅助提取过程,是近年来发展的新技术。微波萃取是Ganzler于1986年首先提出的利用微波能进行萃取的方法。

微波是频率在300 MHz~300 GHz,即波长在1 mm~1 m之间的电磁波。微波以直线方式传播,并具有反射、折射、衍射等光学特性;微波遇到金属会被反射,但遇到非金属物质则能穿透或被吸收。

微波萃取主要是利用微波强烈的热效应:被加热物质的极性分子在微波场中快速转向及定向排列、撕裂和相互摩擦,从而产生强烈的热效应。传统的加热方式中,容器壁大多由热的不良导体制成,热由器壁传导到溶液内部需要时间;另外,因液体表面的气化,对流传热形成内外的温度梯度,仅一小部分液体与外界温度相当。相反,微波加热是一个内部加热过程,它不同于普通的外加热方式将热量由外向内传递,而是同时直接作用于内部和外部的介质分子,是整个物料同时被加热,即“体加热”过程。因此,克服了传统的传导式加热方法—温度上升慢的缺点,保证了能量的快速传导和充分利用。微波加热过程实质上是介质分子获得微波能并转化为热能的过程,介质在微波场中的行为已有详细论述。

微波加热的特点是:1.选择性。极性较大的分子可获得较多的微波能,因而运动速度较快。利用这一性质可选择性地提取一些极性成分。2.快速。被加热的样品往往放在微波透明且为热的不良导体的容器中,所以微波不需要加热容器而直接加热样品,使样品迅速升温。3.加热均匀。若微波场是均匀的,样品受热也是均匀的。4.高效。由于细胞内的水等极性物质吸收微波能后产生热量,使胞内温度迅速上升,水气化产生压力使细胞膜(壁)破裂,产生微孔或裂纹,从而使细胞内物质更容易溶出。

与传统提取方法相比,微波萃取有无法比拟的优势。表1比较了对于分析样品前处理等小规模萃取时MAE与其它方法的特点。

微波萃取的选择性

MAE的选择性主要取决于目标物质和溶剂性质的相似性,必须根据被提取物的性质选择极性或非极性溶剂。极性溶剂可用水、醇等,非极性溶剂可用正己烷等。但由于非极性溶剂不能吸收微波,为加速萃取,通常的做法是在非极性溶剂中加入极性溶剂。如果样品和溶剂两者均不吸收微波,则MAE无法进行。

介质吸收微波的能力主要取决于其介电常数、介质损失因子、比热和形状等。极性较大的溶剂或目标成分,吸收微波能力强,在微波照射下能迅速升温,沸点低的溶剂甚至有过热现象,极性较低者吸收微波能力差,而非极性的氯仿等则几乎不吸收微波。因此,利用不同物质在介电性质上的差异也可以达到选择性萃取的目的。水是吸收微波的最好的介质,任何含水的非金属物质或各种生物体都能吸收微波。因此,样品的含水量对提取率影响显著。

Ganzler等用MAE法对酵母、大豆及土壤等样品材料提取并与传统的索氏提取法、摇瓶提取法比较,用HPLC检测。结果发现:与传统方法比较,MAE法可使萃取时间降低100倍;在含水溶剂中,极性分子的产率明显高于传统方法;在不含水的溶剂中,非极性分子的产率略低于传统方法;溶剂的介电常数和电导率对电磁能的吸收和分布有很大的影响,并且溶质和溶剂的极性越大,提取效率越高。

SS.Chen和M.Spiro对MAE法提取迷迭香和薄荷叶中的挥发油进行了研究,考察了介电常数、叶重、微波强度、提取率等因素。结果表明:组份的介电常数决定了微波加热的类型。在这种类型中,存在最大加样量或固液比。在某一微波强度下,产生最有效的微波加热率。萃取率随植物材料的特性,微波强度以及持续时间、所用溶剂、叶重与溶剂量之比、加样量、萃取瓶形状而异。在一个给定系统中,叶片与溶剂的温度升高速度并不相同。乙醇、环己烷、90%乙醇的开始升温速度高于叶片,但最终被叶片超过。

微波萃取的设备

早先用于MAE的装置是普通家用微波炉,现已有作为分析样品前处理的商业化设备。世界两大微波设备公司,美国的CEM公司和意大利的MILESTONE公司,均生产适用于消解、萃取和有机合成的系列产品,这些产品均摆脱了传统的开关磁控管功率调整方式,实现了非脉冲连续微波调整,一般都有功率选择和控温、控压、控时装置,萃取罐由聚四氟乙烯等材料制成,既有良好的密封性能又不吸收微波,且能耐高温高压,不与溶剂反应,每次可处理9~12个样品,样品处理能力可达到100 g/罐,实现了智能化。国内有中科院深圳南方大恒公司研制的WK~2000微波快速反应系统仿制国外产品,但用的是传统的脉冲微波技术。利用微波特性制造工业微波设备用于加热、干燥、消毒、化学反应和萃取等已越来越多。20世纪90年代初,由加拿大环境保护部和加拿大CWT-TRAN International公司合作开发了微波萃取系统MAP(图)

MAE在中药提取中的应用及前景

国外用MAE提取人参、生姜、大蒜、葡萄籽、芝麻、芦荟等。加拿大政府积极推广微波萃取技术并应用于食用油的提取和从土壤中大规模除去污染物等环保项目。国内有关MAE的报道也越来越多。用MAE提取三七中的有效成分Rg1、丹参酮、重楼皂苷、丁香油、雪莲黄酮、植物样品中的单宁等均取得了较好效果。

MAE技术具有选择性高、操作时间短、溶剂消耗量少、有效成分得率高、不产生噪音、适合于热不稳定成分且能在短时间内灭活植物中的水解酶等优点,而且作为吸收微波最好介质的水也是中药提取的主要溶剂,因此MAE技术在中药提取中有良好的应用前景。但如何针对中药复方的特点设计MAE方案以及工业化微波萃取设备的开发等是有待研究的主要问题。

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