天然藥物有效成分提取長期以來一直采用熱回流這種提取率低、含量低、能耗高、物耗高、污染高、成本高的傳統(tǒng)方式，嚴(yán)重困擾中藥現(xiàn)代化的進(jìn)程。采用微波連續(xù)提取工藝不但可以節(jié)能、降耗、減排，還可以使中藥提取物生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動化、連續(xù)化，進(jìn)而使中藥實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，邁向現(xiàn)代化的新臺階。
植物的細(xì)胞含有多種成分，其中既有有益成分，也有有害或不起任何作用的成分，我們采用提取分離的方法，取其精華棄其糟粕，得到我們所需要的提取物，它可以用來制成中藥或成為合成某些西藥的中間體；它也是營養(yǎng)保健品的重要成分或作為防止食品變質(zhì)的重要添加劑；還可以成為生產(chǎn)化妝品的重要原料；甚至可以制成無毒的生態(tài)農(nóng)藥。總之，植物有效成分提取物有著非常廣泛的用途。
傳統(tǒng)的提取分離工藝存在著嚴(yán)重的弊端：首先，傳統(tǒng)提取方法(CME)能源消耗大（中藥制劑產(chǎn)品75%的能耗集中在提取物生產(chǎn)過程，此過程70%能耗又集中在提取工序）、物耗大（藥材損耗多、溶媒用量大）、由于提取范圍廣、選擇性差、易浸出大量雜質(zhì)給后續(xù)工序帶來很大困難。其次，具有主要療效的成分容易流失、有效成分容易分解，因此提取率低、有效成分轉(zhuǎn)移率低（藥渣中殘存＞30%的有效組分被丟棄）、提取物質(zhì)量差、生產(chǎn)環(huán)境不良、操作不方便、勞動強(qiáng)度大、勞動生產(chǎn)率低、生產(chǎn)周期長、設(shè)備利用率低、產(chǎn)品成本高。總之，路線長操作繁雜、提取率低質(zhì)量差、能耗高成本居高不下。因此嚴(yán)重困繞著中藥工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。
由于新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，植物活性成分的提取、分離、純化工作逐步從長周期、低效率、低收率、低含量向短周期、高效率、高收率和高質(zhì)量方向發(fā)展，活性成分的分析測定也更加迅速、微量和準(zhǔn)確。這些新技術(shù)如提取（浸提）方面有半仿生提取法（簡稱SBE法）、生物酶解、破碎提取、超臨界流體萃取（簡稱SFE法）、超聲波輔助提取、微波輔助提取等技術(shù)。又如在分離純化方面，以吸附澄清劑代替醇沉、大孔樹脂吸附分離、色譜柱分離、指紋圖譜、膜分離等技術(shù)。尤其是膜分離方法，它是利用膜孔徑大小分離不同分子量的成分，如采用超濾膜、微孔濾膜、納濾膜、半透膜、反滲透等達(dá)到純化、濃縮目的的節(jié)能技術(shù)。本文將著重介紹一種具有節(jié)能、減排、降耗、突出經(jīng)濟(jì)效益的微波輔助提取（MAE）技術(shù)。
微波輔助提取（MAE）是建立在傳統(tǒng)中藥提取（CME）的基本理論基礎(chǔ)上，利用微波(頻率：2450MHz.波長12.2cm的連續(xù)波)在傳輸過程中遇到不同的物質(zhì)產(chǎn)生反射、穿透、吸收的差異現(xiàn)象，及不同物質(zhì)的介電常數(shù)、比熱容、形狀及含水量不同，將導(dǎo)致各種物質(zhì)吸收微波能的能力不同，來得到有選擇性的提取物。它具有提取周期短、溫度低、溶劑用量少、提取率高、純度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。微波技術(shù)在中藥研究應(yīng)用方面主要涉及到提取、干燥及炮制三方面。
微波技術(shù)在植物目標(biāo)組分提取中的應(yīng)用
微波輔助提取(MAE)的基本原理
極性分子接受微波輻射能量后，通過分子偶極以24.5億次/s頻率旋轉(zhuǎn)碰撞而迅速生成大量的熱能產(chǎn)生熱效應(yīng)。其加熱過程對被提取物是內(nèi)外同時加熱，其速度快、無熱損耗，從而大大提高提取速率，又大幅度降低提取溫度，使提取的目標(biāo)成分的生物活性得到充分保護(hù)。它的另一個特點(diǎn)是萃取時微波透過透明的萃取劑到達(dá)植物內(nèi)部，因其維管束和腺胞系統(tǒng)含水量高，故吸收微波快而升溫，使細(xì)胞內(nèi)壓增大。當(dāng)內(nèi)壓超過細(xì)胞壁承受能力時，細(xì)胞壁破裂，其內(nèi)部的有效成分自由流出，進(jìn)入萃取劑而被溶解，去渣存液達(dá)到提取目的。而傳統(tǒng)提取加熱是熱傳遞時物料內(nèi)外溫差大，細(xì)胞內(nèi)溫度上升慢，目標(biāo)產(chǎn)物的溶解及擴(kuò)散速度慢，造成整個提取速度減慢。因在浸提過程中溶劑進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)部要經(jīng)歷液泡和細(xì)胞器的膜透過，細(xì)胞漿中的目標(biāo)組分的擴(kuò)散也要透過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜等復(fù)雜的傳質(zhì)過程，故有效成分浸出慢。
微波的重要特性和突出特點(diǎn)
微波具有良好的穿透能力，快速進(jìn)入分子內(nèi)部而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致植物細(xì)胞因被加熱而膨脹破壁，提取時間短、效率高、目標(biāo)組分萃取更完全、提取率更高。微波具有很強(qiáng)的內(nèi)熱效應(yīng)，而生成大量熱能，可使提取時間大大縮短。微波不能穿透金屬，因此，可用作屏蔽裝置，以防止微波泄露，保護(hù)生產(chǎn)環(huán)境安全。微波具有對生物的非生物效應(yīng)：可以用于殺滅各種微生物，達(dá)到滅菌的目的。微波易控制，而且其功率密度可調(diào)、可控、因此溫度、時間、功率、流量等均可編程控制。
微波加熱所產(chǎn)生的熱量系來自極性分子內(nèi)部的內(nèi)熱效應(yīng)，無熱阻，熱擴(kuò)散與分子擴(kuò)散運(yùn)動的方向一致，所以加熱速度快，時間短，溶質(zhì)與溶劑互為滲透快，故MAE能耗僅為CME（傳統(tǒng)提取）的20%~30%。MAE所需溶媒為藥材量的6~8倍，一般可一次提凈，CME則需16~20倍，尤其是有機(jī)溶媒還需一套溶媒回收設(shè)備，并增加回收溶劑的時間，既減少溶媒消耗、又減少濃縮所耗的能量，同時大大減少有機(jī)溶媒的污染。有機(jī)溶媒用量減少與藥材利用率的提高，也降低藥渣及含有機(jī)溶媒廢水的排放量，MAE可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)密閉操作，空氣中可大大降低有害氣體濃度，防止對環(huán)境的污染。MAE具有選擇性加熱及溫度相對較低，溫度分布相對比較均勻、無溫度梯度之優(yōu)點(diǎn)，在控制條件穩(wěn)定下，它的重現(xiàn)性好，故轉(zhuǎn)移率高、質(zhì)量好。產(chǎn)品的運(yùn)行成本降低，整個提取過程完全實(shí)現(xiàn)自動化、連續(xù)化操作。
微波提取課題研究中的喜和憂
由于微波具有上述優(yōu)點(diǎn)，從事植物有效成分分離研究的藥物工作者開始探索如何將微波的穿透、吸收的特性用于植物細(xì)胞破壁以溶解出更多組分，同時，利用其選擇性加熱使熱分布比較均勻、溫度較低的另一特性來保護(hù)提取出來的有效成分不被分解。
最早從事這項(xiàng)工作的是匈牙利學(xué)者K.Ganzler，1986年首次將微波技術(shù)應(yīng)用于提取。有文獻(xiàn)記載，我國開始將微波技術(shù)應(yīng)用于中藥提取是上世紀(jì)90年代。1994年謝永榮用微波法從柑橘皮中提取天然色素獲得成功，其收率與傳統(tǒng)方法相同，但傳統(tǒng)提取方法使用時間是微波法的22倍。從此開始我國步入試驗(yàn)研究的快車道，研究范圍廣泛、研究成果累累。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，十幾年來已經(jīng)報(bào)導(dǎo)提取的種類有苷類、黃酮類、帖類、多糖、生物堿、蒽醌類、有機(jī)酸類、色素、揮發(fā)油等成分的提取。應(yīng)用的溶媒有水、有機(jī)溶媒、混合溶媒，提取物可供醫(yī)藥、化工、食品、保健品、化妝品、日用洗滌用品等行業(yè)，品種在百種以上，所發(fā)表的相關(guān)論文六、七百篇，研究工作蒸蒸日上，方興未艾，品種開發(fā)研究工作可以說是形勢一片大好。
但同時又不能不看到存在的隱憂，筆者曾詢問多個部門多位研究人員，你們的成果有多少個轉(zhuǎn)讓出去形成生產(chǎn)力，回答是極少或還沒有。為什么？主要原因有兩個：一是小試驗(yàn)?zāi)壳八吹降亩际菃畏剑叶际且钥藶閱挝唬桃罕确浅４螅缬械?:100、1:200、1:300，如此大的固液比，后續(xù)能耗必然相當(dāng)高。此外，有的使用有機(jī)溶媒種類多、濃度高，甚至需用酸堿，小實(shí)驗(yàn)看不出環(huán)保問題，規(guī)模化大生產(chǎn)卻造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，雖然試驗(yàn)可獲得目標(biāo)成分的產(chǎn)品，但實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化帶來的利弊，需要做可行性分析。應(yīng)該指出：微波提取最適合非熱敏成分的提取，對于含有熱敏成分的提取，必須控制適當(dāng)?shù)慕轀囟龋⒉üβ室残柽m當(dāng)選擇。它不適用于非極性成分提取和動物細(xì)胞包容物的提取。二是，小實(shí)驗(yàn)通常是在玻璃燒瓶及燒杯里進(jìn)行，工業(yè)裝置對小實(shí)驗(yàn)所得到的工業(yè)技術(shù)參數(shù)往往需要修正，它必須更多地考慮傳熱、傳質(zhì)、流體輸送、環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)品成本、操作易難等一系列與生產(chǎn)相關(guān)的問題，到目前為止，除了華東理工大學(xué)對微波提取的傳質(zhì)、傳熱機(jī)理有些實(shí)驗(yàn)研究外，尚未見到裝置研究的系統(tǒng)報(bào)導(dǎo)，由于產(chǎn)品開發(fā)與裝置配套研究脫節(jié)，所以研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力嚴(yán)重滯后。目前，有一些單位相繼推出多種形式的微波加熱干燥設(shè)備，在國內(nèi)此類設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用正走向成熟。微波提取設(shè)備大體上分為兩大類，一類是間歇釜罐式，另一類是連續(xù)式，此又可分為管道流動式和連續(xù)滲漉微波提取裝置。不論哪一類，其設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列基本條件。
工業(yè)微波提取設(shè)備的基本條件
微波發(fā)生功率足夠大，工作狀態(tài)穩(wěn)定，一般應(yīng)配備功率選擇、控制溫度、壓力、時間相關(guān)元件。控制系統(tǒng)應(yīng)有超載報(bào)警裝置。
設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)合理、嚴(yán)格依照微波三大特性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)與精度符合GMP要求并可靈活調(diào)整。
安全屏蔽可靠，微波泄漏量安全衛(wèi)生要求，用大于10mW量程的漏場儀在距離被測處5cm處檢測，漏場強(qiáng)度應(yīng)小于5mW/cm2。
技術(shù)上與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，控制操作系統(tǒng)盡可能優(yōu)化。
產(chǎn)業(yè)化的微波連續(xù)提取裝置
微波連續(xù)提取裝置與動態(tài)連續(xù)相結(jié)合，采用傳感、氣動、變頻與程控技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用直觀的觸摸屏控制，使參數(shù)的控制更靈活、準(zhǔn)確、方便。筆者與溫州神華共同研制的“管道式微波連續(xù)提取裝置”，通過至今已完成的22個產(chǎn)品（其中14個單方、8個復(fù)方）反復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)合作單位采用定性、定量對有效成分進(jìn)行分析測定，提取液（物）有效成分不低于相同產(chǎn)物或超過30%，提取率比傳統(tǒng)方法高出30%，能源消耗節(jié)省70%，成本可降低40%以上，此裝置既可以用于水提、也可以用于醇提。更可貴的是，整個生產(chǎn)過程可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，可以實(shí)現(xiàn)中藥提取生產(chǎn)的規(guī)模化、產(chǎn)品生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化。
工藝流程說明
溶媒儲罐（T1101）內(nèi)的溶媒由溶媒泵（T1102）打入溶媒計(jì)量罐（T1103），再分次計(jì)量加進(jìn)混溶罐T1104，隨后將配方稱過的藥粉加入、啟動攪拌、緩慢升溫、浸透后開啟底閥，由調(diào)頻螺桿泵T1108打入輻射腔T1109經(jīng)輻射加熱、含揮發(fā)油蒸汽進(jìn)入冷凝器T1105后凝液流入冷卻器T1107后入分層、油層進(jìn)入受罐，另提取液打入下出料離心機(jī)T1110藥渣卸入藥渣車。藥液流入儲罐T1112。
浸提工藝過程簡述
將粉碎至所需細(xì)度的藥材粉末投入浸泡罐，然后加入所需溶媒量1/2攪拌，浸泡一定時間后加入另1/2的熱水(或藥材粉末與定量溶劑加入后逐漸升穩(wěn))，繼續(xù)攪拌浸泡到規(guī)定時間，用泵打入微波輻射腔，循環(huán)數(shù)十秒后啟動微波輻射裝置，循環(huán)至規(guī)定次數(shù)(此方法乃試驗(yàn)裝置，大型設(shè)備則由經(jīng)微波輻射腔時間而定)，關(guān)閉循環(huán)閥，開啟中間罐閥門，同時，開啟通往離啟動微波輻射裝置沉降罐沉淀、分層，分棄沉淀物清液抽入濃縮器進(jìn)行真空濃縮至規(guī)定體積。
微波提取的影響因素
微波提取的影響因素主要有：溶劑的性質(zhì)與選用、固液比、提取時間與溫度、微波的劑量、溶劑的pH值等。
提取物生產(chǎn)規(guī)模化的必由之路
自動控制連續(xù)操作是提取物生產(chǎn)規(guī)模化的必由之路。目前，國內(nèi)微波提取裝置基本上都是間歇式，其消耗微波功率比連續(xù)式高，提取率及有效成分含量也比它低，其原因是不同頻率的微波有相應(yīng)的波長，2450MHz波長為12.2cm，在透明液體中，其穿透深度僅4cm左右，釜罐式瓷控管是呈罐的周邊布置，而微波對浸泡液的輻射是靠流體在周邊的流動，由此可知，需要的微波功率隨著罐徑增大而增加，而且整罐接受到的輻射不可能是均勻的，故消耗功率大而提取率及有效成分含量也比它低。此外，其出渣方式仍然沿用勞動量大、環(huán)境差傳統(tǒng)出渣方式，更重要的是整個生產(chǎn)過程依然是間歇方式，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。而“管道式微波連續(xù)提取裝置”則浸泡液接受的微波輻射是均勻的，微波功率可根據(jù)物料對微波吸收功率的大小而調(diào)整。其次，生產(chǎn)過程的操作參數(shù)如溫度、流量、時間、液位、攪拌轉(zhuǎn)速、閥門開閉等都通過傳感元件、執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，參數(shù)設(shè)定后通過PLC進(jìn)行控制，整個生產(chǎn)過程由顯示屏直觀表達(dá)。其三，由于提取溫度較低，不需要加熱蒸汽僅用熱水加熱，而且熱水可以循環(huán)利用，加上提取時間短、溫度低，所以能耗節(jié)約70%以上。更重要的是整個生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動化、連續(xù)化操作，因此，使中藥提取物生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化成為現(xiàn)實(shí)。
