微波萃取技術在三萜類化合物提取中的應用

徐逸凡 楊志空 孟煜嘉 王艷妮 韓偉

（華東理工大學中藥現代化工程中心，上海200237）

微波萃取技術在三萜類化合物提取中的應用

徐逸凡 楊志空 孟煜嘉 王艷妮 韓偉

（華東理工大學中藥現代化工程中心，上海200237）

綜述了微波萃取的原理、應用、特點以及影響因素，并對三萜類化合物的常用提取方法以及微波技術在三萜類化合物提取中的應用進行了簡述。

微波萃取；三萜類化合物；提取；影響因素

0 引言

中藥是我國的“國粹”、民族之“瑰寶”。近年來，由于全球掀起了回歸自然的狂潮，也為中藥發展帶來了機遇。

天然產物中對化學成分的提取是研究中草藥的首要步驟，是進一步測定其化學結構、研究其藥理作用和毒性的首要條件，也是進行結構改造、化學合成和研究結構療效的前提。

與傳統的中藥有效成分提取方法相比，新型提取技術具有明顯的優越性。其中，微波萃取是一項非常具有發展潛力的新型提取技術，即在天然藥物有效成分的提取過程中（或提取的前處理）加入微波場，是利用微波場的特性來強化有效成分浸出的新型提取方法。

三萜類化合物具有良好的應用價值和發展前景，然而傳統的三萜類成分提取方法存在溶劑消耗量大、提取效率低等問題。

由于微波具有很強的穿透性、極高的加熱效率和破碎植物細胞壁的能力，與傳統的溶劑提取法相比，微波萃取具有省時、節能、高效等優點，它在中藥及天然藥物的研究中發揮著極其重要的作用。

1 微波萃取的原理及影響因素

微波是指波長在1 mm～1 m之間、頻率在300～300 000MHz之間的電磁波，它介于紅外線和無線電波之間。目前915MHz和2 450MHz這兩個頻率已被微波加熱廣泛采用[1]。

微波萃取技術應用于天然產物萃取的公開報道始于1986年[2]，Gedye等將樣品置于普通家用微波爐，通過選擇功率檔、作用時間和溶劑類型，只需幾分鐘即可萃取出目標產物，而傳統萃取方式則需要幾個小時。20世紀90年代初，由加拿大環境保護部和加拿大CWT-TRAN公司合作開發的微波萃取系統M icrowave-Assisted Process，簡稱MAP[3]，現已廣泛應用于香料、調味品、天然色素、中草藥和化妝品等領域，并于1992年開始陸續在美國、墨西哥、日本、韓國和西歐等國家和地區取得了專利許可，在中國也得到了知識產權保護。在我國，微波萃取技術已經用于上百種中草藥的提取生產線，如葛根、三七、茶葉、銀杏等。微波萃取已被列為我國2l世紀食品加工和中藥制藥現代化的推廣技術之一[4]。

1.1 原理

微波萃取的原理可以從兩方面考慮：一方面，微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質，到達物料的內部維管束和腺胞系統，由于吸收微波能，細胞內部溫度迅速上升，使其細胞內部壓力超過細胞壁膨脹承受的能力，導致細胞破裂，細胞內有效成分自由流出，在較低的溫度條件下被萃取介質捕獲并溶解，通過進一步過濾和分離，便獲得萃取物料；另一方面，微波所產生的電磁場，加速了被萃取部分成分向萃取溶劑界面擴散，用水作溶劑時，在微波場下，水分子高速轉動成為激發態，這是一種高能量不穩定狀態，或者水分子汽化，加強萃取組分的驅動力，或者水分子本身釋放能量回到基態，所釋放的能量傳遞給其他物質分子，加速其熱運動，縮短萃取組分的分子由物料內部擴散到萃取溶劑界面的時間，從而使萃取速率提高數倍，同時還降低了萃取溫度，最大限度地保證了萃取的質量[5]。

也可以這樣解釋，由于微波的頻率與分子轉動的頻率相關聯，所以微波能是一種由離子遷移和偶極子轉動引起分子運動的非離子化輻射能。當微波能作用于分子上時，促進了分子的轉動運動，分子若此時具有一定的極性，便在微波電磁場的作用下產生瞬時極化，并以24.5億次/s的速度做極性變換運動，從而產生鍵的振動、撕裂和粒子之間的相互摩擦、碰撞，促進分子活性部分（極性部分）更好地接觸和反應，同時迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢出并擴散至溶劑中[6]。

1.2 影響因素

微波萃取操作過程中，其主要工藝參數包括：萃取溶劑、萃取功率和萃取時間。影響萃取效果的因素很多，如萃取劑的選擇、微波劑量、物料含水量、萃取溫度、萃取時間及溶劑pH值等。

1.2.1 萃取劑的選擇

在微波萃取中，應盡量選擇對微波透明或部分透明的介質作為萃取劑，也就是選擇介電常數較小的溶劑，同時要求萃取劑對目標成分有較強的溶解能力，對萃取成分的后續操作干擾較小。微波萃取要求溶劑必須有一定的極性，才能吸收微波進行內部加熱。通常的做法是在非極性溶劑中加入極性溶劑。目前常見的微波萃取劑有甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、正己烷、苯等有機溶劑和硝酸、鹽酸、氫氟酸、磷酸等無機溶劑以及己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇、水-甲苯等混合溶劑。

1.2.2 微波劑量

在微波萃取過程中，所需的微波劑量的確定應以最有效地萃取出目標成分為原則。一般所選用的微波能功率在200～1 000W、頻率20～30MHz，微波輻照時間不可過長[7]。

1.2.3 物料含水量

水是介電常數較大的物質，可以有效地吸收微波能并轉化為熱能，所以植物物料中含水量的多少對萃取率的影響很大。

另外，含水量的多少對萃取時間也有很大影響，因為水能有效地吸收微波能，因而干的物料需要較長的輻照時間[4]。

1.2.4 萃取溫度和時間

微波萃取的連續輻照時間與試樣重量、溶劑體積和加熱功率有關，通常在10～100 s。對于不同的物質，最佳萃取時間不同。連續輻照時間也不可太長，否則容易引起溶劑的溫度太高，造成不必要的浪費，還會帶走目標產物，降低產率[8]。

1.2.5 溶劑pH值

溶液的pH值也會對微波萃取的效率產生一定的影響，針對不同的萃取樣品，溶液有不同的最佳萃取酸堿度。

孔臻、劉鐘棟[9]等采用微波法從蘋果渣中提取果膠時，保持其他條件不變，而僅改變體系的pH值。實驗發現，當pH值在1.9以上時，隨著pH值的降低，果膠得率增加，但是當體系pH值小于1.7時，由于酸度過高，使得果膠質水解得到的果膠進一步脫脂裂解，造成果膠得率下降。

2 微波萃取的特點及應用

2.1 特點

2.1.1 選擇性好

由于極性較大的分子可以獲得較多的微波能，利用這一性質可以選擇性地提取極性分子，從而使產品的純度提高，質量得以改善。微波萃取還可以在同一裝置中采用兩種以上的萃取劑分別萃取所需成分，降低工藝費用[8]。

2.1.2 提取效率高

微波提取時，物料的極性物質分子在快速振動的微波電磁場中吸收電磁能，使物料快速升溫，減少了操作時間。微波萃取只需幾秒到幾分鐘的時間就能達到提取效果，而用傳統的熱提取、索氏提取法需要幾個小時甚至十幾個小時以上的時間才能達到，因此大大提高了提取效率。

2.1.3 能耗低

由于微波加熱過程是介質分子獲得微波能并轉化為熱能的過程，其能量直接作用于被加熱物質、空氣及容器，對微波基本上不吸收和反射，從根本上保證了能量的快速傳導和充分利用，既減少了溶劑用量，又縮短了操作時間，大大降低了能耗。

2.1.4 設備簡單，操作簡便

不同于超臨界流體萃取所需的復雜設備，微波萃取的設備簡單、操作便捷。

目前絕大部分利用微波萃取進行的提取都是在家用微波爐內完成的，其造價低、體積小，適用于實驗室研究及應用[10]。

2.2 在天然產物提取中的應用

微波萃取具有選擇性好、提取效率高、能耗小、設備簡單、操作簡便且符合環境保護要求的特點，可廣泛應用于中草藥、香料、食品和化妝品等領域。近年來，研究工作主要聚焦于天然產物的提取方面，提取的成分涉及多糖、生物堿類、黃酮類、葸醌類等。

2.2.1 多糖類

付志紅[11]等采用微波技術提取車前子多糖。通過正交試驗確定了微波提取的最佳工藝參數，得到車前子多糖在固液比為1∶15、微波強度為60%的條件下提取65 s，多糖提取率為1.867%，為傳統提取方法提取率的1.5倍。結果表明，微波萃取在用于某些生物材料的多糖提取中可明顯提高提取率。

2.2.2 生物堿類

Ganzler[12]等從羽扇豆種子中提取金雀花堿（斯巴丁），與傳統的振搖提取法比較，微波法提取物中的斯巴丁含量比振搖法高20%，且速度快，溶劑消耗量也大大減少。

2.2.3 黃酮類

張夢軍[13]等采用微波輔助提取法和水提法提取甘草黃酮，并用四因素、十六水平的均勻設計考察并優化微波提取甘草酮的實驗條件，發現微波輔助提取甘草黃酮的最佳條件為：當固液比1∶8、乙醇濃度為38%、加熱功率為288W、加熱時間為1min時，微波輔助提取法（24.6 mg/g）明顯優于水提法（11.4 mg/g），提取率高，且提取時間大大縮短，是一種適合甘草黃酮的提取法。

2.2.4 蒽醌類

郝守祝[14]等采用正交試驗法研究微波技術對大黃游離蒽醌浸出量的影響，并與傳統提取方法做比較。考察了微波輸出功率、藥材粒徑、浸出時間3個因素對提取效率的影響，優選了大黃游離蒽醌的最佳浸出方案。

結果表明，微波浸提法對大黃游離蒽醌的提取效率明顯優于常規煎煮法，同乙醇回流提取法相當。由此說明微波法是一種提取效率高、操作簡便、省時的新型提取方法。

3 微波萃取在三萜類化合物提取中的應用

3.1 三萜類化合物

三萜類化合物（triterpenoids）是由30個碳原子構成的萜類化合物，由6個異戊二烯單位連接而成，是類異戊二烯代謝途徑的重要產物之一[15-16]。三萜類化合物的生物合成途徑從生源來看，是由鯊烯（squalene）通過不同的環化方式轉變而來，而鯊烯是由焦磷酸金合歡酯（farnesyl pyrophosphate，FPP）尾尾縮合而成。

一般根據三萜類化合物碳環的有無和多少進行分類，目前已發現的三萜類化合物，多數為四環三萜和五環三萜，少數為鏈狀、單環、雙環和三環三萜。近幾十年來還發現了許多由于氧化、環裂解、甲基轉位、重排及降解等而產生的結構復雜的高度氧化的新骨架類型的三萜類化合物。

藥理研究證明，三萜類化合物具有廣泛的生理活性，傅乃武[17]等人對甘草中三萜類化合物的抗氧化作用進行了研究，得出其對抗H2O2的溶血作用明顯，而對超氧陰離子自由基（O2-）和HpD光溶血無明顯對抗作用。李薇[18]利用小鼠體內移植的瘤模型，測定白樺三萜類物質（TBP）對小鼠黑色素瘤B16、肉瘤S180、Lweis肺癌和艾氏腹水癌等腫瘤的抑瘤率，結果表明TBP有抗腫瘤作用。此外，三萜類化合物還有抗炎、抗菌、抗病毒、降低膽固醇、殺軟體動物等活性。

3.2 三萜類化合物的提取方法

三萜類化合物包括三萜烯及三萜皂苷，在自然界中分布很廣，菌類、蕨類、單子葉和雙子葉植物、動物及海洋生物中均有分布，尤以雙子葉植物分布最多。它們以游離形式或者以與糖結合成苷或成酯的形式存在[19]，幾乎都不溶或難溶于水。

將三萜類化合物從天然植物中提取出來，是研究此類化合物的前提。三萜類化合物常見的提取方法有溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、半仿生提取法、微波萃取法、超聲循環提取法等。

3.2.1 溶劑萃取法

溶劑萃取法是最常見的提取三萜類化合物的方法。一般根據其溶解性，采用不同的溶劑進行提取分離。其中，應用最廣的為有機溶劑萃取法，常用的有機溶劑為乙醇等。該方法需要消耗大量的溶劑，易造成醫藥污染且提取的成分不高，使制得的藥物劑型單一，多為湯劑或者丸劑、散劑等，服用量大且攜帶不便，不利于中藥的現代化。

3.2.2 超臨界流體萃取法（SFE）

SFE將傳統的蒸餾和有機溶劑萃取結合于一體，利用超臨界CO2優良的溶劑力，將基質與萃取物有效分離、提取和純化。崔星明[20]等采用SFE得到的蘆筍提取物，用甲醇溶解，采用液相色譜-質譜聯用儀檢測得到了56個組分。發現有保留時間和熊果酸基本一致的峰，其質譜分子離子峰和特征碎片峰都與熊果酸的一致。雒廷亮[21]等采用SFE對山茱萸中的熊果酸進行了提取研究，結果表明，在熊果酸提取率基本相同的前提下，SFE不僅可以實現清潔生產，而且易于實現工業化。SFE具有速度快、效率高、操作簡單等特點，且產品中沒有殘留有機溶劑，與傳統的萃取分離工藝相比具有明顯的優勢。

3.2.3 半仿生提取法

半仿生提取法模擬口服給藥，為經消化道給藥的中藥制劑設計了一種新的提取工藝，即將藥材先用一定pH值的酸水提取，繼以一定pH值的堿水提取，提取液分別濾過、濃縮，制成制劑。據報道此種方法經濟實用，可保證療效[22]。龔慕辛[23]等通過比較水、不同濃度的乙醇、半仿生法及堿水提取法研究了對齊墩果酸提取量的影響，結果顯示，半仿生提取齊墩果酸的提取量遠高于一般水提法；以pH＝12的堿液提取女貞子可以使齊墩果酸提取量大于75%乙醇的提取量，并且齊墩果酸不是以游離的形式存在，吸收利用率提高，提取成本也大大降低。

3.2.4 微波萃取法

微波是一種電磁波，具有電磁波的通性，如加熱速度快、受熱體系溫度均勻、選擇精確、穿透力強等。微波可直接作用于分子，加劇分子熱運動，從而引起體系溫度的升高，促使植物中有效成分快速溶出。蕢霄云[24]等使用該法提取靈芝中的三萜類化合物，其平均提取率達1.043%，比未使用微波工藝的三萜提取率高150%，且實驗操作穩定性高。

3.2.5 超聲循環提取法

超聲波對各種成分提取分離的強化作用主要源于其空化作用，同時超聲波產生的振動作用加強了胞內物質的釋放、擴散和溶解，可顯著提高提取效率。

黃書銘[25]等研究靈芝三萜類化合物的提取工藝時，在常規提取方法的基礎上，增加了超聲循環的處理步驟。通過實驗對比，超聲循環提取所需各種溶劑用量減少，提取時間縮短，目的產物提取率提高了40%。

3.3 微波萃取三萜類化合物的研究

正如前文所述，微波萃取是利用產生的高頻電磁波穿透植物組織外層結構而迅速到達組織內部。由于吸收微波能使組織內部溫度和壓力迅速上升，導致細胞破裂，有效成分自由流出，所以能夠迅速、有效地提取植物類的有效成分。

該技術具有穿透力強、選擇性好、提取效率高、能耗低、設備簡單、操作簡便等優點，可適用于三萜類化合物的提取過程。

林倩倩[26]等人在提取樹舌靈芝中的三萜化合物時，確定的微波最佳提取條件為：提取溫度75℃、提取時間15m in、料液比1∶20（g/m L）。在此條件下，樹舌靈芝三萜類化合物的平均提取率為0.747%，高于傳統的浸提法、回流法和超聲法。

易醒[27]等人將微波預處理技術應用在澤瀉三萜總組分的提取中，所用時間只有傳統提取法的一半，三萜總組分的提取率提高了0.6%左右。經過微波預處理后，后續提取時間縮短，提取速度大大加快，此方法具有可行性。

梁佳[28]等利用響應曲面法考察了微波提取桑黃茵絲體中三萜的優化工藝，研究了乙醇濃度、微波功率、微波時間對微波提取桑黃三萜工藝的影響。結果表明，微波法提取的最佳工藝條件為乙醇濃度80%、提取時間10m in、微波功率600W，提取液中三萜類化合物的提取量達到1.48mg/g。相對其他提取工藝而言，微波提取操作時間短，提取含量高，可以降低生產成本，提高提取效率，且較環保，具有明顯的優勢。另外，微波提取細粉不會出現傳統提取方法存在的糊化、堵塞等問題，適宜大規模生產。

蕢霄云[24]等人以靈芝為原料，采用微波技術提取其中的三萜化合物。試驗結果表明，微波法提取靈芝三萜具有明顯優勢，其平均提取率達1.043%，比未使用微波的工藝三萜提取率高150%，且試驗操作穩定性高，同樣證明了微波技術的高效性。

宗乾收[29]等人應用微波輻射對印楝種仁進行了萃取，提取了其中的印楝素（處理樣品量5 g，印楝素含量0.41%），他們對影響微波萃取的條件，如微波功率、輻射時間和萃取溶劑進行了篩選，得到最終的優化條件：以甲醇為萃取溶劑，微波功率280W，輻射時間l00 s，溶劑用量120m L，此時印楝素提取率為94.15%。同時，將微波誘導萃取與常用的甲醇室溫浸提法和加熱回流法進行了比較，結果表明微波萃取時間最短，印楝素提取率最高。

4 結語

三萜類化合物具有廣泛的生理活性，因而具有很強的研究和開發價值。而三萜類化合物的提取一般多采用傳統的溶劑萃取法，傳統方法提取時間較長、工藝繁瑣而且純度較低，難以滿足中藥現代化發展的需求。

微波萃取作為新型提取技術，與傳統的萃取技術相比，具有選擇性好、提取效率高、能耗小、安全無污染等諸多優點。與超臨界萃取法等新型提取方法相比，也顯示出其獨特的優越性，具有設備簡單、操作方便、投資小、適用面廣等優勢。該技術在天然產物的提取中，尤其是在三萜類化合物的提取中，將大大簡化樣品成分提取的前處理過程，提高提取效率，具有良好的發展前景。但該技術同時也存在一定的局限性，如僅適用于熱穩定的物質，易使熱敏性物質變性失活；工業化微波萃取設備較少，多停留在實驗室的提取及分析應用中。因此，在應用與發展過程中，仍需不斷改進和完善微波萃取技術，以便在更廣闊的領域內釋放其巨大的潛力。

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（常州市武進區橫山橋鎮廣播電視站

胡祖福供稿）

2015-08-19

徐逸凡（1995—），女，江蘇吳江人，研究方向：制藥工程與技術。

韓偉（1968—），男，江蘇揚州人，博士，教授，從事中藥制藥工程、藥物分離工程的研究。

上海市大學生創新創業訓練計劃資助項目，項目編號：S15039