第16卷第4期 2013年1O月 西安文理学院学报:自然科学版 Journal of Xi’an University of Arts&Science(Nat Sci Ed) V01.16 No.4 Oct.20l3 文章编号:1008-5564(2013)04-0016-06 微波萃取技术在提取黄酮类化合物中的应用 邓丽芳 (西安文理学院生物技术学院,西安710065) 摘要:黄酮类化合物是一类存在于自然界的、具有2一苯基色原酮结构的化合物,大量研究表明 黄酮类化合物具有降压、降血脂、抗衰老、提高机体免疫力等药用价值.微波萃取技术是近年来备受关注 的一种新技术,广泛应用于黄酮类化合物的提取.对微波萃取的机理、特性、方法及影响因素进行了概 述,并介绍了微波萃取在提取黄酮类化合物方面的应用情况,为进一步研究和相关产品的开发奠定一定 的理论基础. 关键词:黄酮;微波萃取技术;萃取 中图分类号:R284;0625.42 文献标志码:A The Application of Microwave-Assisted Extraction of Flavonoids DENG Li—fang (College of Biotechnology,Xihn University of Arts&Science,Xi ̄tn 7 10065,China) Abstract:Flavonoids。found in nature-are compounds with 2一benzene—chromone structure. A number of studies have shown that flavonoids are of medicinal value in lowering blood pres— sure and blood lipid,resisting aging,and enhancing immunity of the organism.Microwave ex— traction iS a new technique which has attracted much attention in recent years and iS widely used in the extraction of flavonoids.A summary iif made as to the mechanism,characteristics, and methods of microwave extraction and the factors that will affect microwave extraction.The application of microwave extraction of tlavonoids is introduced and the theoretical basis is pro・ vided for further research and development of related products. Key words:Flavonoids;microwave—assisted extraction;extraction 黄酮类化合物(flavonoids)是泛指2个具有酚羟基的苯环通过中央3碳原子相互连接而成的化合 物,又称黄酮体、黄碱素和类黄酮,是植物在长期自然选择过程中产生的一些次级代谢产物.这类化合物 广泛存在于维管植物中,有着广泛的生物活性和多种药理活性,如抗氧化、抗衰老、降血脂、抗肿瘤等,且 黄酮类物质还有低毒性的特点,故近年来黄酮类化合物成为了天然药物和功能性食品研究开发的新热 点.到目前为止已发现5 000多种植物中含有黄酮类化合物,种类已达8 000多种¨ J. 由于黄酮类化合物不能在人体直接合成,只能从食品中获得 ],因此关于黄酮类物质的提取工艺 的研究显得尤为重要.传统的提取黄酮的方法有溶剂提取法和水蒸气蒸馏法等,这些提取方法的缺点是 收稿日期:2013-05.14 作者简介:邓丽芳(1964一),女,陕西西安人,西安文理学院生物技术学院讲师,主要从事天然产物的改性研究 第4期 邓丽芳:微波萃取技术在提取黄酮类化合物中的应用 17 被提活性成分损失大、时间长、工序繁多和提取效率较低,已满足不了当下工业的发展 ].伴随着新技 术和新思想的发展,大批新方法也随之出现,如微波提取(MAE)、超声波萃取(UE)和超临界流体萃取 (SFE)方法等 引. 微波提取技术(Microwave—assisted extraction technique)又称微波辅助萃取法或微波萃取法,具有 提取时间短、能保持分析对象本身的化合状态、仪器简单、应用范围广、节省试剂、提取率高、产品纯度 高、污染小、耗能少等优点,被广泛运用于实验室中 J.本文综述了微波提取黄酮类化合物的机理、特 性、影响因素和微波萃取技术的应用前景. 1 微波辅助萃取黄酮的作用机理 微波是一种频率范围从0.3~300 GHz的电磁波.当微波辐射被萃取物时,施加的电场就对偶极产 生重排作用,这一作用产生的能量直接决定于被萃取物在所施加电场的频率下进行自身排列的能力.而 产生能量的多少由偶极重排时间和响应速度决定.通常介于上述两种极端之间的电场频率是2 450 MHz, 这种频率可以使分子偶极发生重排,但其响应速度却很慢.所以,当偶极在电场作用下自身重新排列时, 电场已经发生了变化,致使偶极方向和电场方向两者之间形成了相位差.分子间的摩擦和碰撞是通过此 相位差来实现的,进而可以产生大量的热量 . 在此过程中,Pare等人认为细胞内温度迅速升高,液态水气化产生的压力使细胞壁和细胞膜破裂, 从而形成了微孔,继续加热,致使细胞壁和细胞内部的水分蒸发,细胞皱缩,表面出现了裂缝.因此,细胞 外液通过微孔和裂缝进入了细胞内,溶解并释放被包埋在有表皮保护的内部薄壁细胞或液泡内黄酮类 化合物 m . 但也有研究者持不同意见,比如郝金玉等¨ 通过观察对比用微波辅助萃取新鲜银杏叶前后微观结 构的变化发现,微波作用可导致细胞内化合物的物理或化学结构、性质发生变化,也可破坏原来的细胞 结构使其变得“疏松”,致使很快溶解出活性成分,但微波辅助萃取没有冲破细胞壁. 2微波辅助萃取技术的发展历史 微波技术开始主要是用于无机分析的样品预处理即微波消化.1975年,Abu—Samra等人首次利用 微波技术对生物样品中的金属含量进行痕量分析.在随后的发展中,微波萃取被越来越多地应用于有机 分析的试样前处理方面,并有了实质性的发展.匈牙利学者Ganzler等在1986年首次运用微波对土壤、 种子 食品和饲料进行处理,结果显示出微波可以分离出各种不同类型的化合物 .到了19世纪90年 代,欧洲一些学者开始利用微波萃取技术从天然产物中提取活性成分,我国亦有学者开始陆续研究 . 近年来,随着中草药中的活性成分被国内外广泛重视,微波辅助萃取中草药中黄酮类化合物的技术也越 来越引起研究者们的关注.在我国,微波辅助萃取技术被列为新世纪中药制药现代化推广技术之一,研 究者们己经运用微波辅助萃取技术处理了100多种中药 .近些年来,大量文献对微波辅助萃取技术 进行了报道,在我国这种技术使用的范围也正在迅速扩大. 3 微波辅助萃取技术的特性及与其他萃取技术的比较 微波辅助萃取技术一方面具有仪器简单、缩短了萃取时间、萃取剂用量少、萃取率高、重现性好、环 保等优点.另一方面可选择性的对体系中的一种或几种组分进行加热,故可直接将目标组分从体系中分 离,而不使周围环境温度产生影响. 微波萃取法与其他实验室常用提取法的比较列于表1[13—14]. 索氏提取和超声萃取技术试剂用量大、耗时长、提取率低、重现性差,且提取剂大都有毒,污染环境, 并严重威胁工作人员的健康.超临界流体萃取不仅环保、萃取剂用量少,而且很明显地提高了萃取率.但 由于其体系需要高压力容器和高压泵,技术难度大,价格昂贵,所以不能很好地运用于工业化生产.微波 萃取则避免了上述技术的缺点,是一种较为理想的提取方法_l ”J. 18 西安文理学院学报:自然科学版 第l6卷 4工艺流程 微波辅助萃取技术的大致工艺流程如下:选择原料一预处理(清洗、切片或粉碎)一原料与溶剂?昆 合一微波萃取一过滤_+浓缩(减压蒸馏)一分离一真空干燥一粉化一产品¨引. 5微波辅助萃取黄酮的方法 微波辅助萃取黄酮的方法存以下几种 。 J 5.1常压萃取法 . 常压法是在敞口容器中进行微波辅助萃取的,由微波炉和传统回流抽提器两部分组成,具有原 料容量大、安全性能良好和设备便宜的优点;具有样品容易污染、挥发性成分容易损失、有时溶解不 完全的缺点. 现在实验室用于研究的常压微波萃取装置主要有两种.一种是运用 普通家用微波炉或将普通微波炉进行修改的微波萃取装置,如图1所 示.目前国内大都采用此装置进行研究工作,这种装置的微波能是通过 调节脉冲间歇时间来控制的.通常只能了解微波对于活性成分萃取的效 果,而不能获取较为可靠的工艺参数,更不能用来探索最佳工艺条件.另 种是集消解、萃取、有机合成于一体的微波体系,它的制造方是意大利 的Milestone公司和美国的CEM公司.这种设备不仅具有功率、压力、温 一度和时间的选择功能,而且适用于被萃取物中某种有效成分的分析,但 其缺点在于不能很好地适用于工业化生产,并且价格昂贵. 5.2高压法 高压微波辅助萃取通常是由微波炉和多个用以提取的密闭提取罐 组成的,原料在密闭提取罐中进行消解.由于消解罐为密闭容器,所以消图1常压微波回流装置示意图 解时产生的高压提高了酸的沸点,密闭时产生的高温加快了反应速率,缩短了反应时间,酸的损失量少, 减少了酸的用量,降低了酸雾对其他容器的腐蚀. (a) (h) 图2高压式微波萃取体系(a)和萃取罐(b) 第4期 邓丽芳:微波萃取技术在提取黄酮类化合物中的应用 19 5.3连续流动式微波辅助萃取法 样品通道 连续流动式微波辅助萃取也称动态微波辅助萃取,其原 理就是将微波在线消解与流动注射联用.连续流动式萃取法 简化了萃取工序,很大程度上减少了萃取时间,其设备装置 如图3所示. 6影响因素 接收容器 影响微波萃取的主要因素如下 加1圳. 图3连续流动萃取体系 6.1萃取剂的种类 微波萃取的最基本要求是选择合适的萃取剂.微波萃取的选择性主要由被萃取物质和萃取剂性质 的相似性来决定,目标物质在所选的萃取剂中具有较大的溶解度,并且萃取剂要有助于其提纯.所以溶 剂极性的选择必须依赖于被萃取物的性质.通常,极性萃取剂萃取极性物质,非极性萃取剂萃取非极性 物质.萃取时只有极性萃取剂才能吸收微波能产生温度差,所以一般的做法是在萃取过程中必须加入一 些极性萃取剂. 常用于萃取黄酮类化合物的微波萃取剂有:乙醇、甲醇和丙酮等. 即使是一样的原料,采取的方法不同,得到的效果也不尽相同.陈伟等 运用微波对杜仲进行处理 来提取黄酮的实验中,将乙醇和正已烷等比例混合的实验结果和单一逐步萃取实验结果进行对比,显示 出混合使用的优点在于能够萃取或分离所需活性成分,缺点在于萃取效果相对较差. 6.2萃取剂用量 料液比对传质推动力(固液两相之间的浓度差)会产生一定的影响,曰 所以在萃取过程中是一个不容 忽视的因素.通常情况下萃取剂和物料之比(v/V)一般在l:1和2O:l的范围内选择.潘道东、吕丽爽 等[2 对芦篙叶进行微波处理来萃取黄酮类化合物,正交试验表明:随着料液比的不断增大,萃取率增 大,但到一定程度时,得率反而有所降低.最佳料液比为l g:25 mL. 在微波萃取时不仅要考虑料液比、萃取设备及容器的大小,还要考虑在获得更大得率的前提下尽可 能减少萃取剂用量.一般而言,萃取剂的用量大都选择在1O一30 mL之间. 6.3萃取温度和时间 影响微波萃取率有两个重要因素:萃取温度和时间.因此在提取黄酮类化合物的实验中,对这两个 因素均应加以考察优化. 对于不相同的被萃取物,最佳萃取时间大都不同.对于高压密闭环境萃取温度是通过调节容器中的 压力来控制的.当萃取剂和萃取压力被选定后,最佳萃取温度取决于对萃取时间的控制,这样既保持了 活性成分的原有形态,又使萃取产率达到最大.微波加热的速度非常快,在萃取过程中,一般加热1—2 min即可达到要求的萃取温度,萃取时间取33 s一15 min为宜.曾星等 对银杏叶进行微波处理来提取 黄酮类化合物.结果表明:总黄酮得率与微波时间并不是简单的正比关系.45 min内随着微波时间的延 长,黄酮得率越高,但超过45 min时,继续延长时问,黄酮得率反而有所下降. 通常萃取率随着萃取温度的升高而增大,但有时由于温度过高使得活性成分降解而造成萃取率降 低.陈菁菁等【2’ 萃取桑白皮中黄酮类物质时,随着萃取时间的延长,活性成分有所降解.在实际操作时, 萃取温度应低于萃取溶剂的沸点,一般取60—80℃为宜. 6.4微波功率 微波功率的选择原则是得到活性成分的最大萃取量.通常功率控制在200~l 000 W,频率在2 000 ~3O万MHz.微波功率要适中,以免沸腾造成活性成分降解和损失.段蕊等 副运用单因素试验确定最 佳银杏叶黄酮的萃取参数.结果表明:175 W内随着微波的功率升高,黄酮得率越高,但超过175 w后, 继续增大功率,黄酮得率反而有所下降. 6.5原料的水分或湿度 水的电容率较大,可以有效地吸收微波能从而产生温度差,因而萃取率在很大程度上依赖于被萃取 西安文理学院学报:自然科学版 第16卷 物中含水量的多少.所以在萃取过程中我们采取往被萃取物中加人少量水的方法来吸收微波能.此外, 萃取时间也与被萃取物中的含水量的有很大关系. 6.6原料的粒度 与传统方法类似,可通过适当粉碎原料来增大比表面积,提高与萃取剂的接触几率,有助于萃取向 正反应方向进行.但是也不能使被萃取物粉碎得过小,否则会增加杂质和萃取体系中的无效成分.在一 般操作中,通常依据被萃取物的特性将其粉碎至2~10 1TUTI的颗粒,这样可以使后续过滤很容易操作. 6.7萃取剂pH值 在微波辅助萃取过程中,除以上几个影响因素外,有时萃取剂的pH值也会影响到萃取产率. 7微波萃取法在黄酮类化合物提取中的应用 由于微波辅助萃取法取得了较好的效果,因此目前该方法广泛应用于黄酮类化合物的萃取. 孙萍等 首次运用微波对肉苁蓉进行处理来萃取黄酮,结果很大程度上提高了萃取效率,节省了 萃取所需能量,为以后肉苁蓉的研究奠定了基础.阎欲晓等 3叫采用微波萃取方法萃取生姜中的抗氧化 物质,结果表明微波辅助萃取能明显提高萃取率.吴雪辉等 l_通过研究证实用微波与溶剂萃取相结合 能在不加热的情况下有效缩短萃取时间,并且萃取的专一性强.段蕊等 运用微波对银杏叶进行处理 来萃取黄酮.实验表明微波处理能提高产率l8.8%,纸层析表明微波温度没有改变黄酮类物质性质.李 敏晶等人运用微波对槐花和黄芩进行处理,探讨了黄酮类化合物的萃取方法和工艺参数 卜 ,并对专 用微波炉法、家用微波炉法和微波谐振腔法等几种微波萃取方法进行了比较和评价. 微波在中草药中黄酮类物质的萃取也有较多的文献报道.张梦军等 用均匀设计法进行分析表 明,甘草黄酮的最佳萃取条件为料液比为1:8,乙醇浓度为38%或78%,微波功率288 W或388 W,萃取 时间1 min或3 min,萃取率为24.6g/L,明显高于水提法的l1.4 g/L_李芙蓉等 刮采用比色法测定葛根 中总黄酮的含量为0.34%,平均回收率为97.6%.王娟等 副通过均匀设计考察各参数对葛根中总黄酮 萃取效果的影响,实验表明微波功率255 W、微波时间15 min、料液比为1:9、破碎度为4O目、浸泡时间 l h条件下干浸膏产率最高,并且葛根素的分子结构并未被微波作用所破坏. 8发展前景 与传统萃取方法相对比,微波法具有很好的专一性,很高的萃取效率,很少的萃取剂使用量,活性成 分得率高,可应用于遇热易挥发、易分解等活性成分的萃取,能快速使原料中的水解酶失去活性等优点. 但由于萃取系统和萃取方法具有一定的局限性,因此微波萃取技术尚未广泛应用,比如针对黄酮类化合 物的特性设计微波萃取方法以及开发工业化微波萃取设备等 引.可以通过以下方面来改善微波萃取技 术,使其具有更广泛的应用前景_2 3I ]. (1)改进或开发新的微波萃取系统.即如果能把检测系统运用于萃取设备中,该技术将能更广泛地 应用到工业化生产当中. (2)把其他萃取方法和微波提取结合,比如和超声波进行协同萃取 J. (3)精简处理原料的方法.由于微波萃取具有自身的特点,因此可将微波萃取和之后的操作联系起 来,为缩短原料的处理时间、提高分析效率奠定基础. (4)深入研究微波萃取机理,虽然Pare等提出的微波作用机理被大多数学者所认可,但也有相悖的 例子出现.并且由于复杂的基体物质和萃取体系,在探讨机理方面仍需继续研究. 综上所述,微波萃取技术虽然在实验工作中具有较好的应用价值,但由于其自身特性,不能广泛应用 于各个领域,只停留在小试水平.如果能将这项技术用于工业化生产,则可大大提高其产率.另外,若能在 多个生物层次上用实验证实微波萃取的一般陛、普遍陛,可操作性、可重复I生,则机理问题将有待解决. c参考文献] [1] 唐浩国.黄酮类化合物研究[M].北京:科学出版社,2009:328—334 第4期 邓丽芳:微波萃取技术在提取黄酮类化合物中的应用 21 [2] 罗艺萍.黄酮类化合物的药理活性研究进展[J].亚太传统医药,2010,6(4):126—128 [3] 王慧.黄酮类化合物生物活性的研究进展[J].食品与药品,2010,12(9):347—350. [4] 刘成梅,游海.天然产物有效成分的分离与应用[M].北京:化学工业出版社,2003:170—176 [5] 姜红波.黄酮类物质的提取和含量测定方法研究进展[J].化工时刊,2010,24(11):45—49. [6] 王俊儒.天然产物提取分离与鉴定技术[M].杨凌:西北农林科技大学出版社,2005:14—22 [7] C.O卡帕,A.斯塔德勒.微波在有机和医药化学中的应用[M].麻远等译.北京:化学工业出版社,2007:7—10 [8] BEATRICE K,PHILIPPE C.Recent Extraction Techniques for Natural Products:Microwave—assisted Extraction and Pressurised Solvent Extraction[J].Phytochemical Analysis,2002,13:105—113. 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