全 文 ：Vol. 28 No. 4
2002-08
华　东　理　工　大　学　学　报　　　　　
Journal of Eas t China University of Science and Tech nology　　　　　
基金项目:化学工程联合国家重点实验室资助项目 ( 99-03)
E-mail: wh an@ ecus t. edu. cn
收稿日期: 2001-09-29
作者简介:韩　伟 ( 1968-) ,男 ,江苏扬州人 ,副教授 ,工学博士 ,研究
方向为化学工程、中药制药工程。
　　文章编号: 1006-3080( 2002) 04-0337-04
微波辐射促进阔叶十大功劳叶萃取过程的研究
韩　伟* ,　高　姗 ,　邓　修
(华东理工大学化学工程研究所 ,上海 200237)
　　摘要:研究了在间歇式微波辅助萃取装置中提取阔叶十大功劳叶中的药用有效成分小檗碱。确
定了萃取液中盐酸小檗碱的分析方法—— Al2O3柱层析 -紫外分光光度法 ;分别选取了甲醇、乙醇、
乙醇-水 ( V /V= 9∶ 1)为溶剂 ;微波辐射时间为 2min、 4min、 6min;处理比 ( g原料 /m L溶剂 )为
1∶ 40、 1∶ 60、 1∶ 80;利用正交实验设计考察了不同湿分原料的微波辅助萃取效率 ,得出了最优工
艺条件 ;拍摄了典型萃取条件下萃取基体的透射电镜照片 ;探讨了微波辐射在植物原料萃取过程中
对细胞结构破坏的机理。
关键词: 微波辅助萃取 ;阔叶十大功劳叶 ;盐酸小檗碱 ;细胞结构变化
中图分类号: TQ654. 2 文献标识码: A
Promotion by Microwave Radiation in the Extraction
of Mahonia bealei Leaves
HAN Wei
* ,　 GAO Shan ,　 DENG X iu
(Research Center of Chemical Engineering ECUST , Shanghai 200237, China )
Abstract: A study on microw ave-assisted ex traction ( MAE) for berberine in Mahonia bealei was ca r-
ried out in batch-equipment. The mechanism of the ex t raction related to st ructura l changes in the g lands
w as discussed. The ex tracts w ere analyzed a t 347nm by ult raviolet-visible spect rophotometry. The pa ram-
eters such as the solvent types, the intensi ty of microw ave energy , th e ra tio (g /mL) of material to solvent
v olume w ere studied. The efficiency of microw ave-assisted ex t raction of dif ferent humidi ty material w as
investigated and optimized by means of the three-facto r and three-level facto rial design. Elect ron micro-
g raphs show ed the mechanism of the ex t ractions w as related to st ructural change o f the cel ls.
Key words: microw ave-assisted ex traction; Mahonia bealei ; berberine hydrochlo ride; st ructural
change of th e cells
　　微波辅助萃取是利用微波能量将可溶性的目标
组分萃取到液体介质中的新方法 ,它具有萃取时间
短、效率高、设备简单、可选用溶剂种类多、适用范围
广等优点。微波辅助萃取自问世以来 ,逐渐受到重
视 ,其应用范围从最初的环境分析扩展到生物、制
药、食品、农药等领域。
尽管微波辅助萃取发展迅速 ,但关于机理方面
的研究并不多 ,从而限制了其推广应用及工业化 ,因
此 ,对微波辅助萃取机理的研究具有重要意义。Pare
等 [1～ 2 ]提出了微波辅助萃取天然产品成分的机理假
设 ,但还处于验证阶段 ;其他一些文献尽管也有机理
方面的报道 [3～ 4 ] ,但都未指明在萃取过程中微观结
构的变化。
本研究以药用植物阔叶十大功劳叶为原料 ,考
察溶剂种类、处理比、微波辐射量对间歇式微波辅助
萃取的影响 ;通过拍摄电镜照片 ,探讨萃取过程中微
337
DOI : 10. 1 135 /j . cnki . 1006 -3080. 2002. 04. 002
波辐射对原料微观结构破坏的机理。
1　材料、设备及方法
1. 1　材料
原料:阔叶十大功劳新鲜叶 ,由上海植物园草药
园提供 ;盐酸小檗碱对照品: w= 0. 941,自上海药品
检验所购得。
1. 2　设备
( 1)提取设备:由 ER-692型微波炉改装制得 ,
结构如图 1,产生的微波辐射频率为 2 450M Hz,功
率为 650W。
( 2) 分析仪器: 岛津 UV-3000双波长紫外-可
见分光光度仪。
图 1　间歇式微波辅助萃取装置
Fig. 1　 Batch equipment o f M AE
1— Microw av e oven; 2— Base of f lask; 3— Flask; 4— Air agitato r;
5— Tailored tube; 6— Copper tub e; 7— Air condenser; 8— Water
condenser; 9— Tatus display; 10— Microw av e ov en timer
1. 3　实验方法
( 1)精确称量 0. 5g十大功劳叶置于三口烧瓶
中 ,按处理比加入定量溶剂及 1mL的 1mo l /L盐
酸 ;
( 2)将烧瓶置于微波炉底部中心处 ,经过一定
辐射量后 ,取出烧瓶于水浴中冷却 2min;
( 3)重复步骤 ( 2)直至总辐射量达到设定值 ;
( 4)分离原料和萃取液 ,将浓缩萃取液转移至
25mL容量瓶 ,以萃取溶剂定容 ,精密量取 5mL,加
入已处理好的 Al2O3柱 ,用乙醇 25mL分次洗脱 ,收
集洗脱液于 50mL容量瓶并定容 ;
( 5)在 347nm的波长处测定其吸光度 ,根据标
准曲线回归方程计算其浓度 ,再求得单位萃取量。
1. 4　分析方法
选用 Al2O3柱层析 -紫外分光光度法。扫描波长
为 200nm～ 500nm ,在 347nm处有最大吸收峰 ,选
其为检测波长。 测量不同浓度盐酸小檗碱标准品乙
醇溶液的吸光度 ,经回归处理后得直线回归方程:
A= 0. 064 2C+ 0. 002 1, r= 0. 999 9( A为吸光度 ,C
为盐酸小檗碱浓度 , r为相关系数 )。样品在浓度 1. 0
μg /mL～ 7. 1μg /mL范围内线性关系良好。
1. 5　正交实验设计
通过考察操作条件和预实验 ,选择微波辐射时
间、溶剂种类、处理比 ( g原料 /m L溶剂 )为可变参
数 ,选择各因素水平 ,设计正交实验。因子、水平表如
表 1。不考虑交互作用 ,选 L9 ( 34 )为正交实验安排
表 ,空白列 E作为误差列。
表 1　因子 、水平表
Table 1　 Fac tor s and levels table
Lev el
Doses of microwave
radiation (A ) /min
Solvents (B )
Process
ratio (C ) 1)
( g∶mL)
1 2 Methanol 1∶ 40
2 4 Ethanol 1∶ 60
3 6 Ethanol-w ater( V /V= 9 /1) 1∶ 80
1) Th e ratio of materials quant ity to solvent volume
2　实验结果及讨论
2. 1　正交实验结果
　　正交实验结果如表 2。 由正交实验方差分析的
结果 (如表 3)可以看出: 考察的 3个工艺参数对湿
分不同原料的萃取效率影响有差异 ,溶剂种类的影
响总是最显著 ,甲醇效果最好 ;对湿分大的原料 ,微
表 2　正交实验结果表
Table 2　 Result table of o r thogona l experiments
No A B C E
Uni t ext raction quant ity / ( mg· g- 1)
Fresh materials Dried materials
1 1 1 1 1 1. 63 1. 10
2 1 2 2 2 0. 47 0. 46
3 1 3 3 3 0. 56 0. 54
4 2 1 2 3 2. 50 1. 98
5 2 2 3 1 0. 44 0. 33
6 2 3 1 2 1. 44 1. 05
7 3 1 3 2 2. 19 1. 23
8 3 2 1 3 0. 88 0. 80
9 3 3 2 1 1. 39 1. 11
338 　　 　华　东　理　工　大　学　学　报 第 28卷
表 3　十大功劳叶中盐酸小檗碱单位萃取量数据方差分析结果表
Table 3　 Effects o f th e fac tor s on unit ex traction quantity
Th e ratio of variance S2i
Fresh materials Dried materials
Test of signif icance
Fresh materials Dried m aterial s
Signif icance
Fresh materials Dried material s
A 9. 10 2. 68 9< S2i < 19 S 2i < 4 Sig ni ficant Lit t le sig ni ficant
B 44. 0 11. 25 S2i > 19 S
2
i > 9 Highly signifi cant Sig ni fican t
C 3. 0 3. 21 S2i < 4 S
2
i < 4 Lit t le signi fi cant Lit t le sig ni ficant
F 0. 75( 2, 2)= 4,F 0. 9 ( 2, 2)= 9, F0. 95 ( 2, 2)= 19[5 ]; Degrees of f reedom of factors are 2
波辐射量的影响较显著 ;而对湿分小的原料 ,处理比
和微波辐射量影响都不显著。通过方差分析 ,得到新
鲜原料最优工艺条件为: 甲醇为溶剂 ,微波辐射
6min,处理比控制在 1∶ 60;干燥原料最优工艺条件
为: 甲醇为溶剂 ,微波辐射 4min,处理比控制在
1∶ 60。
2. 2　溶剂种类的影响
( 1)对比表 4中 1号实验条件对干燥原料的数
据 ,甲醇的介电常数最大、极性最强 ,但其微波萃取
( MAE)和等温萃取的效率相当。这可能是由于甲醇
吸收了几乎全部的微波能量 ,此时的萃取机理与传
统的溶剂萃取相同 ,仅仅是溶剂温度有所差异。当采
用介电常数较小的乙醇作溶剂时 ,微波萃取又显示
了一定的优势。 而采用乙醇 -水混合溶剂 ,微波萃取
相对于传统萃取的优势最为明显。这可能是由于干
叶受水浸泡 ,含水量有所增加 ,对微波的吸收能力增
加。
( 2)根据正交实验结果 ,新鲜、干燥叶的优选溶
剂都是甲醇 ,而从安全性考虑 ,甲醇的毒性使得它不
适合作中草药有效成分的提取溶剂 ,相反利用乙醇 -
水溶液的微波辅助萃取则颇具竞争性。
2. 3　微波辐射量的影响
( 1)对湿分较大的基体 ,微波辐射量对单位萃
取量的影响较显著且随辐射量的增大而增大。 相对
于等温萃取 ,其优势也很明显 (如表 4) ,说明基体湿
分对萃取有利。从微波对物质加热的原理来看 ,基体
中含水量大 ,新鲜叶片吸收的微波能量较多 ,对植物
细胞的破坏作用更明显 ;
( 2)对于干叶 ,微波辐射量对其影响不显著 ,说
明微波能大部分被溶剂吸收 ,而对基体的作用也因
此减弱 ,此时的单位萃取量比较容易受溶剂种类的
影响。
表 4　微波辅助萃取与相应条件下等温萃取的单位提取量
比较
Table 4　 Compa rison of unit ex traction quantity between
M AE and iso th ermal solv ent ex tra ction
Fresh material s / ( mg· g- 1 )
M AE
Isoth ermal s olv en t
ex t raction
Dried materials / ( mg· g- 1)
M AE
Isothermal s olven t
ext raction
1. 63 0. 63 1. 10 1. 37
0. 44 0. 23 0. 33 0. 20
1. 44 0. 77 1. 05 0. 43
2. 4　处理比的影响
前已述及 ,这里所采用的溶剂极性较大 ,如果溶
剂量过多、对微波能量的吸收量很大 ,从而削弱了微
波能量对基体的作用 ;如果溶剂量过小 ,溶剂对目标
成分的溶解量较小 ,为保证一定的产量 ,新鲜、干燥
叶的优选处理比都为 1∶ 60( g∶ mL)。
表 5　拍摄透射电镜的样品的处理条件及结果
Table 5　 Operational conditions and results o f samples being taken elec tron microg r aphs
Sample Solvent
Doses of microwave
radiation /min
Remark Cel l organ
Th e ex tend of separation of
cytoplasm and cell w all
Amylum
particle
1 Methanol 6 — Fragm entary Great ly, cel l mem brane was
des troyed serious ly
Few
2 Methanol 2 — Fragm entary Sligh tly, cell m emb rane w as
des t royed sligh tly
Few
3 Methanol — Is oth ermal
ex t raction 90 min
Li t tl e des t royed Less greatly Massiv e
4 Eth anol-water 2 — Fragm entary Great ly, cel l mem brane was
des t royed sligh tly
Few
5 — — Fresh leav es Integ rated Li t tl e Massiv e
339第 4期 韩　伟等:微波辐射促进阔叶十大功劳叶萃取过程的研究　　　
图 2　原料基体电镜照片
Fig . 2　 Elect ron microg r aphs o f th e sam ples and magnifications
2. 5　透射电镜的观测结果及分析
结合正交实验结果 ,选择以下几种工艺条件 (处
理比均为 1∶ 60)对新鲜叶片进行微波辅助萃取 (如
表 5) ,取萃取后的基体样品 ,拍摄透射电镜照片 (如
图 2) ,与新鲜叶片电镜照片进行比较。
　　 ( 1) 相对于新鲜叶片 ,经过微波照射或等温萃
取样品的海绵组织细胞壁、栅栏组织细胞壁、表皮组
织细胞壁均无明显破坏。说明在本系统的微波辅助
萃取过程中 ,细胞壁并未破裂。结合植物学的有关知
识 ,细胞壁对各类溶剂溶质分子选择性较弱 [6 ] ,细胞
壁内外体系近似相通 ,都有含水量较大且组成相同
的体液。当微波加热含水量较大的体液时 ,细胞壁内
外始终处于压力平衡 ,即使体液汽化 ,细胞壁也不会
破裂。
( 2)细胞膜较容易被破坏。这是因为细胞膜是
一种选择性半透膜 ,植物细胞内所保持的各离子浓
度与细胞外部环境中的离子浓度不同 [7 ]。正是由于
这种差异 ,才引起了微波的选择性作用。另外 ,对于
有液泡结构的细胞 ,细胞膜内外溶质浓度差产生的
渗透压导致细胞质壁分离。 质壁分离的程度可以在
一定意义上表示细胞内有效成分被抽提的程度。
( 3)微波辐射对淀粉颗粒及细胞器的破坏也很
明显 ,尽管淀粉的极性并不大 ,但微波却对其有如此
明显的作用 ,可见不仅仅是微波的热效应引起的 ,还
可能存在微波的非热效应。
3　结　论
( 1)溶剂种类对单位萃取量的影响显著。 3种
溶剂单位萃取量的顺序为:甲醇> 乙醇-水 (V /V=
9∶ 1)> 乙醇 ;
( 2)对于湿分含量较大 ( 54% )的原料 ,微波辐
射量的影响较显著 ,单位萃取量随辐射量的增加而
增大 ,优选辐射量为 6min;对于湿分含量较小
( 10% )的原料 ,微波辐射量的影响不显著 ,优选辐射
量为 4min。
( 3)处理比的影响不显著 ,两种原料单位萃取
量随处理比的变化规律相同 ,优选处理比为 1∶ 60
( g∶ mL);
( 4)透射电镜观测结果显示: 萃取过程中的微
波辐射对十大功劳叶的细胞壁没有显著的破坏作
用 ,但对细胞内的细胞器、细胞膜、淀粉颗粒有显著
的破坏作用。
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