全 文 ：·药材·
新鲜银杏叶经微波辅助提取后微观结构的变化
郝金玉,韩　伟,邓　修X
(华东理工大学化学工程研究所,上海　200237)
摘　要: 目的　研究微波辅助溶剂萃取对植物微观结构的破坏, 并探讨微波辅助提取的机制。方法　以新鲜银杏叶
片为原料, 借助透射电子显微镜,观察细胞结构。结果　在微波、溶剂或热的作用下, 植物细胞的结构都会发生较为
明显的变化, 主要表现在有质壁分离现象,细胞器、淀粉粒等胞内物质被破坏。但微波辅助溶剂提取和传统的热提
取都没有使细胞壁破裂。结论　微波的作用会导致银杏叶细胞结构的松散,但不足以使细胞壁破裂。
关键词: 微波辅助提取;微波萃取; 银杏;透射电子显微镜; 机制
中图分类号: R282. 13　　　文献标识码: A　　　文章编号: 0253 2670( 2002) 08 0739 03
Changes in ultrastructure of fresh leaves of Ginkgo biloba
after microwave-assisted extraction
HAO Jin-yu, HAN Wei, DENG Xiu
　　 ( I nstitute of Chemical Eng ineer ing , East China Univer sity of Science and T echnolog y , Shanghai 200237, China )
Abstract: Object　T o study the ult rast ructure dest ruction of plants in the process o f m icrow ave-as-
sisted solvent ex tr acion and its mechanism. Methods　Cell st ructures of f resh leaves of Ginkgo biloba L.
w er e observ ed by t ransm ission elect ron micro scpoe. Results　The cell str ucture changed when the leaves
w er e under microwave radiat ion or so aked by solvents or heated, such as plasmoy sis, dest ruct ion of cell
org anellaes, disappear ance of starch g rain and so on, w hile the cell w all w as not broken both in mi-
crowave-assisted solv ent ext ract ion and in t radit ional heat ing ext raction. Conclusion　M icrow ave r adiation
could lead to the relaxat ion of the cell st ructures, but not be enough to make the cell w all br oken.
Key words: m icrow ave-assisted ext raction; m icrow ave ex tract ion; Ginkgo biloba L. ; t ransm ission
elect ron microscope; mechanism
　　微波辅助提取,又称微波萃取,是微波和传统的
溶剂萃取法相结合后形成的一种新的萃取方法。
Ganzler
[ 1]首先在分析化学制样技术中应用微波萃
取法,此后这方面的研究不断增加[ 2～4]。尽管微波萃
取发展迅速, 但关于其机制方面的研究却很少。1991
年 Par e 等 [ 5]提出了微波辅助提取天然产品成分的
机制假设:微波射线自由透过对微波透明的溶剂,到
达植物物料的内部维管束和腺细胞内,细胞内温度
突然升高,连续的高温使其内部压力超过细胞壁膨
胀的能力,从而导致细胞破裂,细胞内的物质自由流
出,传递至溶剂周围被溶解。Chen S S 也有一些类
似报道 [ 6]。本研究以药用植物银杏 Ginkgo biloba L.
新鲜叶片为原料, 借助透射电镜,研究萃取中微波辐
射对植物物料微观结构的破坏, 并探讨微波辅助提
取的机制。
1　原料、设备及方法
1. 1　实验原料和主要试剂:银杏新鲜叶片采自华东
理工大学校园内栽培的银杏; 无水乙醇,分析纯, 上
海振兴化工一厂; 70%乙醇由无水乙醇和去离子水
配制。
1. 2　实验设备和分析仪器:微波萃取器为上海无线
电二十六厂产品经改造而成, 具有冷凝回流装置, 可
以进行时间和温度调节, 有空气鼓泡搅拌装置。日本
产透射电子显微镜 JEOL200。
1. 3　实验方法:将新鲜的银杏叶片分别进行以下处
理(方法 A～D)。然后立即用 2. 5%戊二醛溶液固
定后, 送往中国科学院植物生理研究所做脱水、包
埋、超薄切片、染色、透射电镜观察和照相。
·739·中草药　Chinese T raditional and Herbal Drug s　2002 年第 33卷第 8期
X 收稿日期: 2001-10-21基金项目:国家自然科学基金资助项目( 20006003) ;化学工程联合国家重点实验室资助项目( 99-03)作者简介:郝金玉, ( 1975-) , 女,河南郑州人, 华东理工大学博士生, 主要研究方向为传质与分离。Tel: ( 021) 64253329; E-mail: h aojinyu l
@ sohu. com
A:新鲜银杏叶不做任何处理,作为对照。
B:新鲜银杏叶加入 70%乙醇后,再放入微波辅
助提取装置中接受微波辐射 1 m in,微波功率为 650
W, 频率为 2 450 MHz。体现微波在有溶剂存在时的
影响。由于乙醇是极性溶剂,吸收微波能力强, 1 min
内已接近沸腾,温度达到 55 ℃,此温度是提取实验
筛选出的最佳温度。
C:新鲜银杏叶在 55℃ 的 70% 乙醇中浸泡 10
min。体现传统溶剂热提取的影响。
D: 新鲜银杏叶不加溶剂, 放入微波辅助提取装
置中接受微波辐射 1 m in,微波功率为 650 W, 频率
为 2 450 MHz。体现没有溶剂干扰的情况下微波的
影响。
为了保证实验结果的可靠和进一步探讨微波作
用机制, 还选用了新鲜的黄花蒿 A rtemisia annua
L. 叶做类似实验。实验中选用合适提取溶剂—6#
抽提溶剂油, 此溶剂的极性不如乙醇;采用较长微波
提取时间 10 m in, 相同微波功率 650 W,频率 2 450
MHz。
2　实验结果及讨论
图 1～4 的图片分别代表方法 A～D 处理后的
结果。图 1-a 是新鲜银杏叶片, 细胞结构完整; 图 1-
b 是放大了的叶绿体, 有明显的类囊体片层结构,其
中还含有一个淀粉粒。
a×4 000　　　　　　　　　b×10 000
图 1　新鲜银杏叶片
图 2 是新鲜银杏叶加入 70% 乙醇后,再放入
微波辅助提取装置中接受微波辐射 1 min 后的图
片。加入溶剂后, 微波对细胞破坏十分明显:不仅有
了明显的质壁分离现象 (图 2-a) , 而且细胞器被破
坏,所有的细胞内物质缩成一团 (图 2-a, b) ;叶绿体
等细胞器也面目全非, 几乎没有完整的淀粉粒。
图 3 是新鲜银杏叶在 55 ℃ 的 70% 乙醇中浸
泡 10 min 后的图片。没有微波作用,传统的溶剂热
提取,也使细胞有很明显的质壁分离 (图 3-a) ,但细
胞内物质没有象图 2 那样缩成一团; 细胞器被破坏
(图 3-b) , 还有少量淀粉粒。
图 4 是新鲜银杏叶不加溶剂,放入微波辅助提
a×4 000　　　　　　　　　b×6 000
图 2　新鲜银杏叶加入 70%乙醇后, 再微波辐射 1 min。
a×4 000　　　　　　　　　b×10 000
图 3　新鲜银杏叶片用 55 ℃的 70%乙醇浸泡 10 min
取装置中接受微波辐射 1 m in 后图片。从图 4的两
张图中都可以观察到质壁分离现象。图 4-a, b 是放
大的叶绿体,它也受到了一定程度的破坏,其结构不
象图 1-b 那样紧密, 淀粉粒周围的类囊体片层结构
变松散。
a×10 000　　　　　　　　　b×10 000
图 4　新鲜银杏叶片微波作用 1 min
a×2 000　　　b×6 000　　　c×4 000
　　图 5　新鲜黄花蒿叶经微波辅助溶剂提取后的
微观结构变化
图 5-a 是新鲜黄花蒿叶, 细胞结构完整,淀粉粒
清晰。图 5-b 是新鲜黄花蒿叶加入溶剂 6# 抽提溶
剂油后, 再放入微波辅助提取装置中接受微波辐射
2 m in 后的图片。图 5-c 是新鲜黄花蒿叶加入溶剂
6# 抽提溶剂油后,再放入微波辅助提取装置中接受
微波辐射 10 m in 的图。结果与图 2类似。加入溶剂
后,微波对细胞破坏大大加强了,有了明显的质壁分
离现象。微波辐射时间为 10 m in 时,所有的细胞内
物质缩成一团、细胞器面目全非,几乎没有完整的淀
粉粒 (图 5-c)。
·740· 中草药　Chinese T raditional and Herbal Drug s　2002 年第 33卷第 8期
综上所述, 方法 B 中细胞的破坏程度最严重,
其次是方法 C, 再次是方法 D。质壁分离的程度可以
从一定程度上表示细胞内有效成分被抽提的程度,
见表 1。这说明用溶剂浸取植物叶片,在加热或有微
波作用的条件下,植物细胞的结构都会发生明显的
变化,且微波对植物细胞的破坏作用更为迅速。方法
B和 C 的最大区别是微波辅助溶剂提取, 会使细胞
内物质紧紧缩成一团,细胞器完全变形,周围似乎没
有细胞质;而传统的溶剂热提取 (方法 C) , 作用时
间虽然是前者的 10 倍, 但细胞内物质并没有完全
不可辨认,例如淀粉粒还存在。方法 D 对细胞的破
坏较小。仅有微波作用的条件下,存在着轻度的质壁
分离现象,细胞结构松散。
表 1　银杏叶的微观结构变化
处理方法 质壁分离 细胞壁 细胞器 淀粉粒
A:新鲜银杏叶片 无 完整 完整 完整,清晰
B:新鲜银杏叶加入 70%乙醇后,再微波辐射 1 min 显著 完整 破坏严重,缩成一团 无法辨认
C:新鲜银杏叶片用 55 ℃的 70% 乙醇浸泡 10 min 显著 完整 破坏严重,无法辨认 不完整
D:新鲜银杏叶片微波作用 1 min 轻度 完整 结构松散 不完整
　　另外,还有一点十分明显, 那就是微波、加热和
溶剂 3 种作用均未使细胞壁破裂。在透射电镜观察
过程中,并没有发现银杏或黄花蒿的细胞壁发生了
破裂。细胞壁不具备选择透过的能力,对于不带电荷
的小分子,如蔗糖, 某些植物生长物质,它们穿过细
胞壁受到的阻力是很小的。从分子水平上说,纤维素
微纤丝的骨架作用,半纤维素的隅撑作用, 果胶的粘
合作用,结构蛋白的网络作用等等,使得细胞壁在各
个方向上都具有很好的机械强度[ 7]。所以细胞没有
破裂是完全可以理解的。
也就是说与 Par e的细胞壁破裂假说相悖。可能
是微波的作用,导致细胞内物质的物理或化学结构、
性质发生改变,原有的细胞结构就遭到破坏变得“疏
松”,从而使有效成分快速溶出。微波的作用应该包
括微波使细胞内水分汽化;微波使一些蛋白质和酶
失活;微波提高了溶剂的活性,例如其溶解性大大增
强。微波一方面使细胞内的一些极性分子高速转动
成为激发态, 或者使极性分子变性, 细胞结构不再
“正常”,变得“疏松”,或者极性分子本身释放能量回
到基态,所释放的能量传递给其它物质分子,加速其
热运动,缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到萃
取溶剂界面的时间,从而提高萃取速率;另一方面微
波作用于溶剂,不仅加热了溶剂,而且提高了溶剂的
活性,使其更多的溶解有效成分,并高效率传递入溶
剂主体。正是微波的这些热效应和非热效应加速了
提取。
3　结论
( 1)在微波、溶剂或热的作用下,植物细胞的结
构都会发生较为明显的变化, 主要表现在有质壁分
离现象, 细胞器、淀粉粒等胞内物质被破坏,但微波
辅助溶剂提取和传统的热提取都没有使细胞壁破
裂。微波的作用会导致细胞结构的松散,但不足以使
细胞壁破裂。
( 2)微波辅助溶剂提取 1 m in 对银杏叶细胞的
破坏程度比传统热提取 10 min 还要大,说明微波的
热效应和非热效应加速了溶剂的提取速率,而且这
种加速效应明显大于传统热提取。
( 3)微波的作用,一方面导致细胞内物质的物理
或化学结构、性质发生改变,原有的细胞结构就遭到
破坏变得“疏松”, 缩短萃取组分的分子由物料内部
扩散到萃取溶剂界面的时间; 另一方面,提高了溶剂
的活性, 增大其溶解度, 传质阻力大大降低,从而使
有效成分快速溶出。
参考文献:
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·741·中草药　Chinese T raditional and Herbal Drug s　2002 年第 33卷第 8期