微波萃取技術在天然產物提取中的應用
2025年07月05日 13:31:11
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1. 引言微波萃取技術(microwave assisted extraction, MAE)是一種利用微波輻射從被提取物中獲得目標成分的技術方法，由1986年Glanzler提出，最開始只是應用于使種子、土壤、飼料中各種類型化合物得到分離，由于其具有試劑用量少，節能無污染，加熱均勻且加熱效率高，萃取效率高等優點，目前微波萃取已經開始頻繁應用于天然藥物提取、環境分析、化學分析以及石油化工等領域。其主要原理是采用頻率在300兆赫至300千兆赫的電磁波穿透萃取介質到達物料內部，使植物細胞內部溫度急劇上升，使其內部壓力超過其承受壓力導致細胞破裂，目標成分從細胞內流出，溶解于萃取介質，從而達到萃取目的。目前，微波萃取用于天然產物成分提取的報道已不斷出現，涉及到黃酮類、生物堿、多糖、有機酸、揮發油、多酚及色素等生物活性成分。2. 微波萃取的應用1) 黃酮類黃酮類物質廣泛存在于自然界的植物和漿果中，可以改善血液循環，降低，也是一種很強的抗氧劑，可以有效的清除體內的氧自由基，從而阻止細胞衰老退化。因此黃酮類有效成分的提取一直在天然產物提取中占據重要領地。朱沛沛等采用乙醇為提取劑，通過正交試驗得到提取工藝：顆粒度60目、乙醇體積分數60%、微波功率300 W、時間150 s、料液比40:1 (mL/g)、溫度50℃，在此條件下總黃酮提取率為17.2077%，相比采用常規醇提法所需要的2小時時間上有了大幅度的縮短。劉峙嶸等 通過微波法提取銀杏葉黃酮類化合物與傳統乙醇水溶液提取效果進行對照，微波輻射5 min后抽提1.5 h即可使產率提升2.2倍，大大提高了提取率。韓偉等采用表面活性劑協同微波法提取布渣葉中總黃酮，結果與傳統熱回流法相比，提取時間由30 min縮短為2.5 min，總黃酮得率提高了26%，此方法工藝簡單提取效率高，是一種較為理想的提取工藝。張玉香等采用響應面分析法優化藍莓葉黃酮的微波提取工藝，得出工藝條件：提取溫度72℃，乙醇體積分數64%，微波功率456 W，此時提取率為4.232%，并確定提取液乙醇體積分數、溫度和微波功率為黃酮提取率關鍵因數，且乙醇體積分數為影響因素。鄭成等 利用微波輔助大規模提取藤茶中二氫楊梅素，相比常規熱提法、浸泡提取法以及超臨界萃取法等方法，其設備簡單、適用范圍廣且效率高，是一類具有良好發展前景的萃取分離方法。2) 生物堿類生物堿類是一類含氮的復雜結構有機化合物，是中草藥中重要的有效成分之一，具有非常廣泛的價值。趙二瑾等利用微波法對黃連中黃連素進行提取研究，得出條件為：時間4分鐘，硫酸濃度0.06 M，輻射功率為中火，料液比1:80 (g/mL)，此時提取率為45.9%，相比傳統石灰乳法、索氏提取法、有機溶劑法等提高約35%左右，且提取時間短，后處理簡單。施帥等采用相應面法優化微波輔助提取芋頭生物堿工藝，確定了工藝為功率350 W、時間2 h、料液比1:15 (g/mL)、溫度60℃，為芋頭生物堿的進一步分離純化及藥用研究提供了很大的科學參考。何龍等分別采用浸漬法、微波法、浸漬與微波法聯用考察了茶葉中生物堿的提取效果，結果證明浸漬與微波輻射聯用法，所提取生物堿中的咖啡堿具有增*腦皮質興奮程度、令人愉悅、減少疲勞等生理功能。3) 多糖類多糖類在自然界分布廣泛，是一類分子結構復雜的糖類物質，是構成生命的四大基本物質之一。劉丹赤等 采用微波輔助提取雙孢菇多糖，通過單因素實驗和正交實驗得到其工藝條件，提取率可達到4.11%，并得出提取時間對提取率影響，而微波強度影響最小的結論。朱盛林等采用相應曲面法優化微波提取附子多糖的工藝，以提取時間、提取溫度以及料液比三個因素進行Box-Benheken中心組合設計，在提取時間為10 min時即可達到產率，大大高于傳統煎煮法所能達到的提取率。分析原因認為，由于附子多糖是一種水溶性化合物，傳統法會導致多糖部分水解，降低其產率，而微波萃取法不僅產率高，工藝復雜性降低，消耗時間也大大減少，這為未來附子多糖生物利用以及產業化奠定了理論基礎。宋海燕等采用超聲波–微波協同萃取北五味子多糖，用正交試驗優化工藝，結果表明：在溫度80℃，時間80 min，功率600 W，料液比1:40 (g/mL)時可以達到提取率11.68%，與傳統回流法相比，此工藝充分利用了超聲波振動的空化作用和微波的高能作用，萃取時間短，能耗低且產率高，證明超聲波–微波協同對于北五味子多糖萃取有一定作用。GJ Swamy等 分別采用連續和間歇的微波輔助提取技術從香蕉果皮中提取果膠，結果表明采用不同方法下的產率有所差異。江燕等在提取靈芝孢子粉中多糖時將微波與常規方法結合，先采用微波軟化孢子粉，破壞其堅硬的孢子壁，再使用常規方法提取其多糖有效成分。4) 有機酸類有機酸類主要分布于中草藥(例如烏梅、五味子、覆盆子等)的葉、根以及果實之中。郭錦棠等研究不同方法提取甘草酸的工藝，發現微波提取8 min可以達到普通索氏提取法3 h的效果，速率有了大大提升，證明微波對于有機酸的萃取有明顯作用。張應鵬等采用響應曲面法優化微波提取甘草酸工藝研究，與傳統數理統計法相比，響應曲面法更加經濟、試驗次數更少、時間更短，條件為：時間130 s，功率400 W，料液比1:14 (g/mL)，此時提取率可以達到5.36%，為未來甘草酸的生物利用以及經濟價值提供了理論基礎。5) 揮發油類揮發油又稱精油，是存在于植物中的一類具有芳香氣味的揮發性油狀物質的總稱，其組分比較復雜，從中草藥中提取的揮發油大多具有發汗、理氣、止痛、抑菌、矯味等作用。魯建江等采用微波萃取佩蘭中揮發油成分，與常規回流方法條件相同下置于微波反應器中，反應20 min后即可超過常規方法5 h所達到的收率，反應速度大大提升，收率明顯增高，從而證明微波對于揮發油成分萃取有一定促進作用。鄒小兵等將單向閥應用于微波提取中，配合真空泵使用，保證提取時系統內無氧環境，使揮發油避免被氧化，結果證明在無氧條件下所提取的揮發油中烯類物質含量高于普通微波提取方法，含氧化合物含量為45.53%，低于普通微波萃取法62.38%，從而證明此優化方法在保證提取速率的條件下對提取物品質有了一定的提高，為將來生物利用化和大規模工業化提供了良好的理論指導。商學兵等將超聲波與微波結合使用萃取白蔻豆揮發油，采用響應面法以料液比、微波時間和微波功率因素建立數學模型，得到工藝條件：料液比9.9 mL/g、微波提取時間154 s、微波提取功率286 W，此時提取得率2.67%，與理論值2.61%基本一致。6) 多酚類植物多酚(Plant Polyphenol)是一類廣泛存在于植物體內的多元酚化合物，在維管植物中的含量僅次于纖維素、半纖維素和木質素，廣泛存在于植物的皮、根、葉、果中，目前發現多酚的抗氧化作用可以對于一些例如心血管病、癌癥等慢性病具有一定的預防作用。李志洲等 采用微波萃取提子皮中多酚類物質，用正交試驗分析其結果發現料液比對提取率影響，其次是提取時間，微波功率對于實驗影響最小，提取條件為：料液比1:7.5 (g/mL)，微波功率500 W，提取溫度50℃，提取時間6 min，在此條件下，提取率可達到0.8214 GAEmg/g，此實驗證明微波對于植物多酚的提取有一定應用價值。武啟騫等將超聲波與微波結合使用，原料加入酸化后提取劑，首先置入超聲波提取10~120 min，分離出產物再置于微波下輻射1~3 min，得到最終產物。此方法與原先傳統回流法相比，增大了植物多酚的提取率，溶劑用量更少，且優化了提取液配方，通過結合超聲波與微波創造了一種新的提取植物多酚的方法。7) 色素類天然色素是一類從動物和植物組織以及微生物中提取的色素，其中植物性著色劑占大多數。天然色素不僅具有給食品著色的作用，而且相當部分具有生理活性，例如來源于葡萄皮中花青素可以降低心臟病風險，來源于接骨木果中花青素可以抵抗流感病毒，類胡蘿卜素則是一種人類必需攝入營養。姚中銘等 對梔子黃色素提取工藝進行了研究，比較改進后的傳統浸提工藝與微波法工藝發現：在微波功率210 W時，提取80 s后產率即可達到98.2%，高于常規浸提法2 h所達到的產率92.1%。相比常規法耗時多，效率低，品質低，操作復雜的諸多缺點和不便，微波法具有色素產率高、色價高、節省溶劑、節省時間、設備簡單等優點，在天然色素的提取中具有廣闊的應用前景。黎彧等采用表面活性劑協同微波提取紫背天葵色素，在微波功率464 W時，提取200 s產率即可達到94.8%，遠高于傳統溶劑浸提法產率。作者在萃取劑中加入一定濃度表面活性劑，可降低固–液相界面張力，增加大分子有機物質的溶解滲透能力，在提取過程中，可提高浸潤時間，提高產率。3. 結語與傳統浸提法相比，微波萃取具有提取時間短、提取率高、消耗溶劑少且安全等優點，使用微波萃取時常常需要考慮影響其提取率的一些因素：① 微波功率和微波萃取時間，② 提取液種類以及料液比，③ 提取溫度，④ 物料含水量，⑤ 物料粒度，⑥ 溶劑pH等。目前微波技術對于大多數天然產物的萃取都有一定促進作用，但也存在一些不足：微波很難應用于某些熱穩定性差的物質，例如蛋白質、多肽、酶等；某些含水量多的天然產物可能在微波下更容易水解；需要開發更多微波搭配現代檢測技術儀器。同時，隨著采用不同方法優化其萃取工藝，組合超聲波或其他技術聯合使用，加入額外表面活性劑等方法的研究進展，微波萃取將作為一種綠色工藝在天然產物的、食用、化妝品、環境檢測等領域中發揮更大作用。
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