【技術觀察】微波萃取技術在中藥提取中的應用

微波萃取技術是利用微波強烈的熱效應和非熱效應——具有選擇性高、操作時間短、溶劑消耗量少、有效成分得率高、不產生噪音、適合於熱不穩定成分且能在短時間內殺滅植物中的水解酶等優點，在中藥提取中有良好的應用前景。

對傳統的中藥提取技術進行改革，一直是科技工作者關注的熱點領域。利用外場(電場、磁場、超聲波、微波等)強化和輔助提取過程，是近年來發展的新技術。微波萃取是Ganzler於1986年首先提出的利用微波能進行萃取的方法。

微波萃取的原理和特點

微波是頻率在300MHz~300GHz，即波長在1mm~1m之間的電磁波。微波以直線方式傳播，並具有反射、折射、衍射等光學特性;微波遇到金屬會被反射，但遇到非金屬物質則能穿透或被吸收。

微波萃取主要是利用微波強烈的熱效應：被加熱物質的極性分子在微波場中快速轉向及定向排列、撕裂和相互摩擦，從而產生強烈的熱效應。傳統的加熱方式中，容器壁大多由熱的不良導體製成，熱由器壁傳導到溶液內部需要時間;另外，因液體表面的氣化，對流傳熱形成內外的溫度梯度，僅一小部分液體與外界溫度相當。相反，微波加熱是一個內部加熱過程，它不同於普通的外加熱方式將熱量由外向內傳遞，而是同時直接作用於內部和外部的介質分子，是整個物料同時被加熱，即「體加熱」過程。因此，克服了傳統的傳導式加熱方法—溫度上升慢的缺點，保證了能量的快速傳導和充分利用。微波加熱過程實質上是介質分子獲得微波能並轉化為熱能的過程，介質在微波場中的行為已有詳細論述。

微波加熱的特點是：1.選擇性。極性較大的分子可獲得較多的微波能，因而運動速度較快。利用這一性質可選擇性地提取一些極性成分。2.快速。被加熱的樣品往往放在微波透明且為熱的不良導體的容器中，所以微波不需要加熱容器而直接加熱樣品，使樣品迅速升溫。3.加熱均勻。若微波場是均勻的，樣品受熱也是均勻的。4.高效。由於細胞內的水等極性物質吸收微波能後產生熱量，使胞內溫度迅速上升，水氣化產生壓力使細胞膜(壁)破裂，產生微孔或裂紋，從而使細胞內物質更容易溶出。

與傳統提取方法相比，微波萃取有無法比擬的優勢。表1比較了對於分析樣品前處理等小規模萃取時MAE與其它方法的特點。

表1 與常用提取方法的比較

微波萃取的選擇性

MAE的選擇性主要取決於目標物質和溶劑性質的相似性，必須根據被提取物的性質選擇極性或非極性溶劑。極性溶劑可用水、醇等，非極性溶劑可用正己烷等。但由於非極性溶劑不能吸收微波，為加速萃取，通常的做法是在非極性溶劑中加入極性溶劑。如果樣品和溶劑兩者均不吸收微波，則MAE無法進行。

介質吸收微波的能力主要取決於其介電常數、介質損失因子、比熱和形狀等。極性較大的溶劑或目標成分，吸收微波能力強，在微波照射下能迅速升溫，沸點低的溶劑甚至有過熱現象，極性較低者吸收微波能力差，而非極性的氯仿等則幾乎不吸收微波。因此，利用不同物質在介電性質上的差異也可以達到選擇性萃取的目的。

水是吸收微波的最好的介質，任何含水的非金屬物質或各種生物體都能吸收微波。因此，樣品的含水量對提取率影響顯著。

Ganzler等用MAE法對酵母、大豆及土壤等樣品材料提取並與傳統的索氏提取法、搖瓶提取法比較，用HPLC檢測。結果發現：與傳統方法比較，MAE法可使萃取時間降低100倍;在含水溶劑中，極性分子的產率明顯高於傳統方法;在不含水的溶劑中，非極性分子的產率略低於傳統方法;溶劑的介電常數和電導率對電磁能的吸收和分布有很大的影響，並且溶質和溶劑的極性越大，提取效率越高。

SS.Chen和M.Spiro對MAE法提取迷迭香和薄荷葉中的揮髮油進行了研究，考察了介電常數、葉重、微波強度、提取率等因素。結果表明：組份的介電常數決定了微波加熱的類型。在葉片+環己烷系統中，微波主要加熱葉片，而在葉片+乙醇系統中，主要是乙醇吸收微波能。在這種類型中，存在最大加樣量或固液比。在某一微波強度下，產生最有效的微波加熱率。萃取率隨植物材料的特性，微波強度以及持續時間、所用溶劑、葉重與溶劑量之比、加樣量、萃取瓶形狀而異。在一個給定系統中，葉片與溶劑的溫度升高速度並不相同。乙醇、環己烷、90%乙醇的開始升溫速度高於葉片，但最終被葉片超過。

微波萃取的設備

早先用於MAE的裝置是普通家用微波爐，現已有作為分析樣品前處理的商業化設備。世界兩大微波設備公司，美國的CEM公司和義大利的MILESTONE公司，均生產適用於消解、萃取和有機合成的系列產品，這些產品均擺脫了傳統的開關磁控管功率調整方式，實現了非脈衝連續微波調整，一般都有功率選擇和控溫、控壓、控時裝置，萃取罐由聚四氟乙烯等材料製成，既有良好的密封性能又不吸收微波，且能耐高溫高壓，不與溶劑反應，每次可處理9~12個樣品，樣品處理能力可達到100g/罐，實現了智能化。國內有中科院深圳南方大恆公司研製的WK~2000微波快速反應系統仿製國外產品，但用的是傳統的脈衝微波技術。

MAP基本流程

利用微波特性製造工業微波設備用於加熱、乾燥、消毒、化學反應和萃取等已越來越多。20世紀90年代初，由加拿大環境保護部和加拿大CWT-TRAN International公司合作開發了微波萃取系統MAP(圖)，並且於1992年開始陸續取得了美國、墨西哥、日本、西歐、韓國的專利許可。該系統針對工業應用的不同需要日處理能力從1~500t，只要設置不同的參數(微波功率、輻照時間、溶劑、流速等)，就可以選擇提取目標成分C現已應用到食用油、香料、調味品、天然色素等的提取和汙泥的處理等，國內在這方面的開發明顯滯後。

一般來講，工業微波設備必須滿足下列條件：

1.微波發生源有足夠的功率和穩定的工作狀態;2.結構合理，能夠根據不同目的任意調整，而且便於拆卸和運輸;3.一般要求有溫控附件;4.能連續工作，操作簡便;5.使用安全，微波洩漏符合要求：用大於10mW量程的漏場儀距被測處5cm檢測，漏場強度應小於5mW/cm²。

MAE在中藥提取中的應用及前景

國外用MAE提取人參、生薑、大蒜、葡萄籽、芝麻、蘆薈等。加拿大政府積極推廣微波萃取技術並應用於食用油的提取和從土壤中大規模除去汙染物等環保項目。

國內有關MAE的報導也越來越多。用MAE提取三七中的有效成分Rg1、丹參酮、重樓皂苷、丁香油、雪蓮黃酮、植物樣品中的單寧等均取得了較好效果。

採用微波破壁法從高山紅景天根莖中提取紅景天苷，在保持高提取率的同時，大大縮短了時間，顯著降低了雜質含量。MAE技術具有選擇性高、操作時間短、溶劑消耗量少、有效成分得率高、不產生噪音、適合於熱不穩定成分且能在短時間內滅活植物中的水解酶等優點，而且作為吸收微波最好介質的水也是中藥提取的主要溶劑，因此MAE技術在中藥提取中有良好的應用前景。但如何針對中藥複方的特點設計MAE方案以及工業化微波萃取設備的開發等是有待研究的主要問題。

特約作者：馮年平、範廣平來自上海中醫藥大學藥學院；吳春蘭來自上海市第八人民醫院；韓朝陽來自上海中醫藥大學藥學院。

本文來源：《製藥業》