鄒小兵， 陶進(jìn)轉(zhuǎn)， 夏之寧*， 蔣宏貴

（1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400030;2.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030）

揮發(fā)油，又稱精油，存在于植物的特殊分泌組織中（如薄荷的腺毛、小茴香的油管、橘皮和丁香的油室等），主要含脂肪族、芳香族和萜類三大類化合物。由于揮發(fā)油的獨(dú)特性、合成香料無(wú)法代替的天然芳香氣味和藥理作用，在食品、化妝品和醫(yī)療等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用［1-5］。

傳統(tǒng)的揮發(fā)油提取技術(shù)（如水蒸氣蒸餾、壓榨、溶劑萃?。┠芎母摺⑻崛r(shí)間長(zhǎng)、提取效率低、后處理過(guò)程復(fù)雜。新型的提取技術(shù)如超臨界流體萃取、超聲波萃取、微波輔助提取得到迅速發(fā)展。

2004年Chemat根據(jù)微波輔助提取植物成分的機(jī)理［6］，結(jié)合水蒸氣蒸餾 （Hydro-distillation，HD）的提取原理，提出了一系列微波輔助提取揮發(fā)油技術(shù)［7-10］。此后不斷有新的改進(jìn)型微波輔助提取揮發(fā)油技術(shù)［11，12］的報(bào)道。微波輔助提取揮發(fā)油技術(shù)的最大特點(diǎn)在于微波的能量利用率高、提取速率快、得率高。由于微波的提取時(shí)間短，降低了揮發(fā)油的熱降解、氧化的可能性，所得的揮發(fā)油氣味芳香逼真。本文從提取機(jī)理、特點(diǎn)、技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用等四個(gè)方面對(duì)微波輔助提取揮發(fā)油進(jìn)行綜述。

1 提取機(jī)理

微波可以透過(guò)細(xì)胞壁，而直接作用于細(xì)胞內(nèi)極性分子，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部溫度升高，使揮發(fā)性物質(zhì)迅速汽化，細(xì)胞膨脹。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)部壓力大于細(xì)胞膨脹系數(shù)時(shí)，細(xì)胞壁發(fā)生破裂，揮發(fā)油從細(xì)胞內(nèi)逸出。微波的這種內(nèi)加熱的方式，使細(xì)胞內(nèi)傳熱和傳質(zhì)方向一致——同為由內(nèi)向外，具有協(xié)同效應(yīng)，加快了提取速率、縮短了提取時(shí)間［7，13］。

植物的腺細(xì)胞以內(nèi)外兩種腺體形式存在，外腺體皮薄容易被破壞。在微波作用下，外腺體的揮發(fā)油一般先于內(nèi)腺體而被提取。微波提取動(dòng)力學(xué)速率與時(shí)間關(guān)系研究表明，在植物中提取揮發(fā)油可分為三個(gè)階段［14］。第一階段:恒速提取外腺體的揮發(fā)油;第二階段:提取速率下降，原因是外腺體的揮發(fā)油逐漸被提取，而內(nèi)腺體揮發(fā)油由內(nèi)向外擴(kuò)散至植物表皮層;第三階段:提取速率先逐漸升高后降低直至為零，此階段提取已擴(kuò)散至表皮層的揮發(fā)油。

電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)微波輔助提取后的植物細(xì)胞收縮、形態(tài)干癟，說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)部成分已被有效提?。?，13］。Iriti等［15］利用微波輔助提取熏衣草葉子的揮發(fā)油，考察了提取后的植物細(xì)胞形態(tài)。研究結(jié)果表明微波輔助提取的熏衣草葉子外腺體揮發(fā)油排空，且有少量的揮發(fā)油黏附在細(xì)胞的外壁。

2 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾（Hydro-distillation，HD）相比，微波輔助提取的揮發(fā)油特點(diǎn)見表1。從表1可以看出，兩種方法提取的成分相同、得率約相等，不同的是成分的相對(duì)含量。微波輔助提取得到的揮發(fā)油中含氧化合物的相對(duì)含量高于HD提取的［16，17］。原因微波在較短的時(shí)間內(nèi)提取揮發(fā)油，減少了揮發(fā)油在高溫下經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間提取而導(dǎo)致含氧化合物發(fā)生熱解［18］、水解［19］、氧化［11］等反應(yīng)，從而保持了揮發(fā)油的天然品質(zhì)。而HD的提取溫度較高，提取時(shí)間較長(zhǎng)，致使揮發(fā)油外觀與氣味發(fā)生了顯著變化［20］。

表1 微波輔助提取與水蒸氣蒸餾提取比較

3 提取技術(shù)

根據(jù)提取時(shí)是否添加溶劑，微波輔助提取揮發(fā)油技術(shù)可分為添加溶劑的微波輔助提取與無(wú)溶劑的微波輔助提取兩大類。其中，無(wú)溶劑的微波輔助在提取過(guò)程中避免提取植物與溶劑的直接接觸，有效降低了揮發(fā)油水解的機(jī)率，極大地改進(jìn)了微波輔助提取揮發(fā)油的效果。

3.1 添加溶劑的微波輔助提取技術(shù) 添加溶劑的微波輔助提取技術(shù)包括微波輔助萃?。∕icrowave Assisted Extraction，MAE）與微波輔助水蒸氣蒸餾（Microwave Assisted Hydro-distillation，MAHD）。在微波作用下，腺細(xì)胞破壁后，細(xì)胞內(nèi)揮發(fā)油逸出并擴(kuò)散至溶劑中。另外，在熱的作用下，溶劑分子滲進(jìn)細(xì)胞內(nèi)萃取胞內(nèi)揮發(fā)油。

3.1.1 微波輔助萃?。∕icrowave Assisted Extraction，MAE）

MAE的提取揮發(fā)油工藝一般為:微波輻射植物→分離植物與溶液→分離溶劑與揮發(fā)油→得揮發(fā)油。隨著提取的進(jìn)行，細(xì)胞內(nèi)外揮發(fā)油濃度達(dá)到平衡，不利于提取。改善此狀態(tài)可通過(guò)更換溶劑建立新的提取體系［21，22］。MAE的提取體系包括敞開體系和密閉體系。在敞開體系中，為了防止因蒸汽壓過(guò)大而使溶劑揮發(fā)、濺出，而實(shí)行間歇性的微波輻射［23］或采用回流提取方式。密閉體系的提取體系，可連續(xù)地接受微波輻射，操作較簡(jiǎn)單。

溶劑的極性影響提取效果［24］。具有一定介電常數(shù)的極性溶劑能較好地吸收微波能，但同時(shí)也減弱微波的穿透性，降低微波對(duì)細(xì)胞的作用，從而影響細(xì)胞破壁的效果［25］。對(duì)微波透明的非極性溶劑不僅能較好地溶解極性較弱的揮發(fā)油促進(jìn)提?。?6］，還能冷卻揮發(fā)油從而降低提取體系的蒸汽壓。張寒琦小組［27，28］選用密閉體系，在非極性溶劑中加入一種能夠吸收微波的固體介質(zhì)保證提取所需的溫度。結(jié)果表明此方法溶劑用量少，得率較高。Paré等［29，30］提出了一種在密閉體系中利用非極性溶劑提取，提取后的溶劑將分離再循環(huán)使用。

MAE設(shè)備簡(jiǎn)單、提取完全［31］，但主要的缺點(diǎn)來(lái)源于揮發(fā)油與其它提取組分以及提取溶劑的分離。因?yàn)檫@種方法容易提取植物中的蠟質(zhì)、色素和類脂等物質(zhì)，溶劑與揮發(fā)油難以完全分離而使揮發(fā)油難以純化;操作復(fù)雜，容易損失低沸點(diǎn)的成分而降低得率。

3.1.2 微波輔助水蒸氣蒸餾（Microwave Assisted Hydro-distillation，MAHD）MAHD是利用微波輔助加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱的水蒸氣蒸餾技術(shù)［7］（如圖1所示），它先從細(xì)胞內(nèi)提取揮發(fā)油至細(xì)胞外的水相中。根據(jù)水蒸氣蒸餾提取的原理，揮發(fā)油與水形成共沸物，被水蒸氣夾帶至揮發(fā)油測(cè)定器。這種通過(guò)回流收集揮發(fā)油除了直接把揮發(fā)油從提取物中與脂類物質(zhì)分離外，還易于實(shí)現(xiàn)油水分離，解決了MAE溶劑萃取的操作復(fù)雜、溶劑殘留等問(wèn)題，后續(xù)分離純化過(guò)程簡(jiǎn)單。

圖1MAHD提取裝置示意圖

Taghi［7］利用MAHD與HD的提取百里香揮發(fā)油，兩種技術(shù)提取的成分并無(wú)差異，說(shuō)明微波輻射不改變揮發(fā)油的成分。但MAHD的提取時(shí)間是HD的一半，只提高了提取速率。Presti等［32］采用 MAHD、HD、超臨界流體萃取、有機(jī)溶劑正己烷-丙酮（70:30）萃取等技術(shù)提取迷迭香揮發(fā)油。結(jié)果表明MAHD得到的含氧化合物居多。

Flamini等人［33］對(duì)MAHD技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，將微波輻射源直接置于提取瓶?jī)?nèi)部，通過(guò)攪拌，植物能均勻地受到微波輻射。這種MAHD技術(shù)具有通用性強(qiáng)和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

采用MAHD的不足之處有:（1）極性水分子與揮發(fā)油的相容差，難于完全提取揮發(fā)油至水相中，導(dǎo)致提取效率降低;（2）揮發(fā)油的熱敏性強(qiáng)，一些不穩(wěn)定成分易發(fā)生水解或酯化反應(yīng)生成二次產(chǎn)物，改變揮發(fā)油品質(zhì)。

3.2 無(wú)溶劑的微波輔助提取技術(shù)

3.2.1 無(wú)溶劑微波輔助提取技術(shù)（Solvent Free Microwave Extraction，SFME）Chemat于2004年提出了常壓下的無(wú)溶劑微波提?。⊿olvent Free Microwave Extraction，SFME）［8］，其提取裝置與MAHD相同。SFME在提取過(guò)程中，無(wú)需加任何溶劑，微波直接輻射植物細(xì)胞并使其破壁，由植物自身的水分作為夾帶劑進(jìn)行提取。因此，SFME提取的植物須含一定水分，對(duì)于提取干植物則需將植物浸泡或噴水等預(yù)處理。

影響SFME的參數(shù)主要有微波輻射功率、提取時(shí)間和植物的含水量，3個(gè)因素均影響成分的相對(duì)含量。微波輻射功率決定達(dá)到水的沸點(diǎn)所需要的時(shí)間和蒸氣的速率，但功率過(guò)高不利于揮發(fā)油的收集;提取時(shí)間是影響揮發(fā)油熱解、氧化的重要因素;植物的含水量是破壞細(xì)胞壁快慢的關(guān)鍵，但植物含水量越多，導(dǎo)致提取體系的含水量也越多，增大揮發(fā)油的水解機(jī)率。Lucchesi等［34］在提取干豆蔻的揮發(fā)油實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在功率為250 W、豆蔻含水量為52.00%的條件下，揮發(fā)油的主要成分1，8-桉油素的含量與提取時(shí)間成正比，而另一成分α-萜品醋酸酯的含量與提取時(shí)間成反比;在功率為340 W、豆蔻含水量為38.00%的情況下，1，8-桉油素的含量與提取時(shí)間成反比，而α-萜品醋酸酯含量與提取時(shí)間成正比。

寧洪良等［35］采用SFME與MAHD兩種提取技術(shù)提取了干花椒揮發(fā)油，考察了提取體系的含水量對(duì)得率的影響。在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)于含水量為60.00%花椒，SFME的得率是MAHD的1.43倍。說(shuō)明提取體系含水量過(guò)大，不僅減弱微波的穿透性影響提取，還會(huì)增大揮發(fā)油在水中的擴(kuò)散，造成提取體系的氣液相達(dá)到平衡時(shí)難以提取揮發(fā)油。

SFME的提取還與植物的形態(tài)有關(guān)。Lucchesi等［36］提取了三種植物形態(tài)不同的印度藏茴香、小茴香和八角茴香的揮發(fā)油。研究表明:顆粒較小的印度藏茴香和小茴香揮發(fā)油的得率較高，說(shuō)明SFME有利于提取顆粒較小植物中的揮發(fā)油。

3.2.2 改進(jìn)型的無(wú)溶劑微波輔助提取技術(shù) （Improve-SFME，I-SFME） 張寒琦小組［11，37，38］在 SFME 技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種有利于提取干植物的揮發(fā)油的改進(jìn)型無(wú)溶劑微波輔助提取技術(shù)（Improve-SFME，I-SFME），其加入一種能夠吸收微波的固體作為加熱介質(zhì)，在短時(shí)間內(nèi)使提取體系達(dá)到提取所需的溫度。目前，采用的微固體介質(zhì)有石墨（GP）、羰基鐵粉（CIP）、活性碳（ACP）。在同樣的提取條件下，GP在45 s內(nèi)達(dá)到提取體系所需溫度，CIP需55 s，ACP需65 s［37］。

SFME與I-SFME通過(guò)減少提取體系的含水量降低揮發(fā)油水解反應(yīng)的機(jī)率，但與此同時(shí)提取體系中的水又可阻止揮發(fā)油與氧接觸使成分氧化的機(jī)率變?。?8］。汪子明等［11］以I-SFME（30 min）、SFME（50 min）、MAHD（90 min）和HD（180 min）四種技術(shù)提取干孜然芹和干花椒的揮發(fā)油。研究結(jié)果表明提取體系含水量最少的I-SFME，得到孜然芹揮發(fā)油中的長(zhǎng)葉薄荷酮和花椒揮發(fā)油中的β-萜品醇兩種氧化產(chǎn)物的含量最高;孜然芹揮發(fā)油中的水解產(chǎn)物α-丙基-苯丙醇隨提取時(shí)間和提取體系的含水量的增高而增大。

3.2.3 水?dāng)U散-重力沉降微波輔助提?。∕icrowave Hydrodiffusion and Gravity，MHG）SFME在沒(méi)有一定水蒸氣作為攜帶劑，收集時(shí)需額外消耗能量使揮發(fā)油至冷卻裝置，在較低功率難以收集揮發(fā)油。Viana［12］于2008年提出的水?dāng)U散-重力沉降微波輔助提取（Microwave Hydro-diffusion and Gravity，MHG）可改善此問(wèn)題。MHG的收集裝置在微波反應(yīng)器的下方（如圖2所示）。揮發(fā)油通過(guò)重力作用順著提取瓶口往下流并及時(shí)被冷卻、收集。與其它微波輔助提取技術(shù)相比，MHG的特殊收集方式使其在15～20 min內(nèi)可完成提取［39，40］。

MHG提取的揮發(fā)油在氣味和成分的相對(duì)含量上與壓榨法提取較相近，證明了MHG不改變揮發(fā)油的成分。Bousbia等［39］還用相同的方法提取迷迭香揮發(fā)油，成分的相對(duì)含量表明MHG更易提取迷迭香中極性較高的含氧化合物。

圖2 MHG提取裝置示意圖

圖3 MASD提取裝置示意圖

3.2.4 微波快速蒸汽提?。∕icrowave Accelerated Steam Distillation，MASD）MASD在于提取瓶中增加了聚四氟乙烯網(wǎng)孔隔板把水和植物分開（如圖3所示），避免了水與植物直接接觸。水蒸氣穿過(guò)植物，對(duì)揮發(fā)油起到攜帶作用。MASD與普通蒸氣蒸餾（Steam Distillation，SD）提取技術(shù)相比，具有快速高效等特點(diǎn)。Chemat等［9］以MASD和SD兩種技術(shù)提取了熏衣草的揮發(fā)油，而MASD提取10 min與SD提取90 min的得率相當(dāng)。

MHG與MASD通過(guò)外力的作用使揮發(fā)油在較短時(shí)間內(nèi)與提取體系分離，降低了揮發(fā)油的熱解反應(yīng)。

3.3 其它 在無(wú)溶劑微波輔助提取中，通入氣流可加快揮發(fā)油的導(dǎo)出［41］。以氣體作溶媒，通過(guò)改變氣體的種類、極性、壓力可提取不同植物中揮發(fā)油［42］。但常規(guī)的冷凝收集不完全，導(dǎo)致氣體的排放帶走部分揮發(fā)油。芳香捕獲劑吸附揮發(fā)油，能達(dá)到使揮發(fā)油與氣體分離的目的。鄭福平等［43-44］使用聚焦微波通入氣體提取，以活性碳吸附收集揮發(fā)油。這種無(wú)溶劑微波輔助提取稱為微波加熱吹氣吸附提取技術(shù)。

表2 不同種微波輔助提取揮發(fā)油技術(shù)在提取同一種植物揮發(fā)油的應(yīng)用

SFME技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Υ?，與其他萃取技術(shù)聯(lián)用在線提取、富集揮發(fā)油更加簡(jiǎn)單快速［45，46］，可收集到更多成分。郁穎佳等［47］結(jié)合SFME與頂空固相微萃取（HS-SPME）兩種技術(shù)提取干紅花的揮發(fā)油。GC/MS分析結(jié)果表明，HS-SPME/SFME比HD技術(shù)多提取了14種成分。

（續(xù)表2）

4 應(yīng)用

微波輔助提取技術(shù)廣泛應(yīng)用于揮發(fā)油的提取，目前報(bào)道的提取植物涵蓋唇形科、蕓香科、木蘭科、姜科、傘形科、菊科和樟科等富含芳香油的植物。

不同微波輔助提取技術(shù)提取同一植物揮發(fā)油的主要成分見表2。不同的微波輔助提取技術(shù)提取相同產(chǎn)地、相同植物揮發(fā)油，得到的成分基本相同;但由于植物的產(chǎn)地不同或植物干濕狀態(tài)（在干燥過(guò)程中損失了部分的揮發(fā)油）等因素，導(dǎo)致采用相同的微波輔助提取技術(shù)得到揮發(fā)油的主要成分和成分含量也不盡相同。另外，由于提取技術(shù)的顯著差異性，也會(huì)導(dǎo)致不同種提取技術(shù)得到不同的主要成分。

5 結(jié)論與展望

微波輔助提取作為一種節(jié)能、高效、提取植物高品質(zhì)揮發(fā)油的新技術(shù)，在植物開發(fā)與中藥現(xiàn)代化中仍有很大的發(fā)展空間。無(wú)溶劑的微波輔助提取技術(shù)有向多元化發(fā)展的趨勢(shì)，像裝置的自動(dòng)化、與其他前處理技術(shù)在線聯(lián)用等，如與固相微萃取或液相微萃取聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)油提取和成分分析的連續(xù)操作。這種聯(lián)用技術(shù)亦用于提取食品中的農(nóng)藥，環(huán)境污染物等具有揮發(fā)性的痕量物質(zhì)，擴(kuò)大了微波輔助提取揮發(fā)油技術(shù)的應(yīng)用范圍。

另外，如何避免揮發(fā)油在提取過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng);發(fā)揮微波在加熱原理和提取機(jī)制上的優(yōu)勢(shì)，研究和開發(fā)新的提取技術(shù)和裝置等，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，仍然是天然產(chǎn)物提取、乃至分離科學(xué)與技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

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