第四章 生物产品萃取技术(8)

萃取溶剂也各不相同。微波萃取机理有2个方面：①高频电磁波穿透萃取介质，由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，则细胞破裂，细胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下被萃取介质溶解，通过进一步过滤和分离，便获得萃取物质。②微波所产生的电磁波加速被萃取部分成分向萃取溶剂界面的扩散速率。例如用水作溶剂时，在微波场下，水分子高速转动成为激发态，水分子汽化加强了萃取取组分扩散的驱动力，水分子回到基态所释放的能量传递给其他的物质分子，加速其热运动。从而使萃取速率提高数倍，同时还降低了萃取温度．保证了萃取质量。

也有理论认为：由于微波的频率与分子转动的频率相关连，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生瞬时极化，并以2.45亿次/秒的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性部分）更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出来并扩散到溶剂中。

从用于微波萃取的设备分两类：一类为微波萃取罐，另一类为连续微波萃取线。两者主要区别一个是分批处理物料，类似多功能提取罐，另一个是以连续方式工作的萃取设备，具体参数一般由生产厂家根据使用厂家要求设计。使用的微波频率一般有两种：2450MHz ,915MHz

一般实验室用来作研究的设备为未经改着或是改造过的家用微波炉，其微波频率为2450MHZ。现在市场上已有成型的微波萃取设备，频率一般也有一定的选择范围。目前南京三乐微波技术发展有限公司已经研制出用于微波萃取的系列产品。微波功率从1KW～100KW，容积从0.1立方到3立方。萃取溶剂可以是水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、丙酮等强极性溶剂。根据不同物料与工艺也可以使用用弱极性溶剂。经多家食品生产厂家和制药厂家应用，效果良好。该系列产品性能稳定，自动化程度高，环境适应性强，操作简单，并符合GMP标准。该系列设备微波泄漏指标低于1mw/cm2欧美指标。 6．2．2 微波萃取的特点

与传统萃取相比，微波萃取具有以下：质量高、产量大，对萃取物料具有较高选择性，反应或萃取快、省时，能耗低，安全、无污染，可以避免长时间的高温引起物质的分解,特别适合于处理热敏性组分或从天然物质中提取有效成分。与其他现有的萃取技术相比，微波萃取有明显的优势，如化学溶剂萃取法耗能大，耗时长，提取效益低，工业

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污染大；超临界流体萃取，虽然在提取效率上有很大的提高，但其要求的装置复杂，溶剂选择范围窄，投资成本高，目前超临界流体萃取难以应用于极性较强的物质。微波的设备简单，高效成型的微波萃取设备也已出现，较少受被萃取的仪器物极性的限制。表一给出了从Artemisia annua L中用不同方法萃取artemisinin的比较[22]。

表一 不同萃取方法的比较

序号

萃取方法

萃取时间

1

常规萃取

2h

6#Extaction solvent oil 350ml

2

索氏萃取

3

索氏萃取

4

CO2超临界萃取extraction group 1 5

CO2 超临界萃取extraction group 2 6

微波萃取

12min 2h 2.5h 6h 12h

石油醚(30－60℃)

350ml 6#Extaction solvent oil 350ml CO2 0.75 kg

CO2 0.6 kg

6＃ Extraction solvent oil 150 ml

66.7

92.1

/

33.2

/

30.8

70.9

60.4

55.7

75.2

溶剂

溶剂回收率 (%) 75.0

52.7 萃取率 （％）

表二 传统方法与微波辅助提取的回收率和时间的比较

化合物

回收率/% 传统

天然脂肪(食物) antinutritives 杀虫剂(土壤)

100 40 90

微波 98 100 100

传统 ＞3h ≥3h ＜1.5h

所需时间

微波 ＜5min ＜5min ＜1min

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4. 6．2．3 微波萃取的影响因素

影响微波萃取的主要工艺参数包括萃取溶剂、萃取功率和萃取时间。其中萃取溶剂的选择对萃取结果的影响至关重要。

（1）溶剂

溶剂的极性对于微波萃取的效率有很大的影响。利用微波萃取进行分离不仅要考虑溶剂的极性，而且还要求溶剂对于分离成分有较强的溶解能力和选择能力，要求对于后续的操作干扰小。常用于微波萃取的溶剂有：甲醇，乙醇，异丙醇，石油醚，丙酮等或者是几种萃取剂的混合。郝金玉等人[2]在分析对于微波萃取除虫菊酯的研究中比较了几种溶剂，发现三氯甲烷和二氯甲烷不是合适的溶剂,因为它们将许多杂质溶解,造成以后分离精制困难，正己烷是较好的溶剂。基体的不同对于萃取剂的选择也有可能不太一样。

（2）温度和处理时间

温度对于萃取速率的影响很大。在密闭的容器中由于内部压力可以达到十几个大气压，可以达到常压下同样溶剂不能达到的萃取温度，从而提高反应速度，而又不至于分解待分离组分。萃取回收率随温度的升高的趋势仅表现于不太高的温度范围内，且最佳的温度各不相同。

微波萃取的时间与被测物样品量，溶剂体积和加热的功率有关，一般的情况下，萃取时间在10min-15min内。在萃取的过程中，一般加热开始1-2min即可以达到萃取温度。萃取时间的延长萃取回收率会有所提高，但是增长的幅度不大，可以忽略不计。

（3）水分与湿度

生物物料的含水量对回收率影响很大,正因为动植物物料组织中含有水分,才能有效吸收微波能产生温度差。若物料是经过干燥,不含水分的,就要采取物料再湿的方法,使其具有足够的水分。也可选用部分吸收微波能的半透明萃取剂,用此萃取剂浸渍物料,置于微波场中进行辐射加热的同时发生萃取作用。欧光南研究结果表明在用有机溶剂微波萃取鳗鱼油时，原料中的水分过高与过低都会会降低萃取的效率[3]。

（4）基体物质的影响

基体物质对微波萃取结果影响的原因可能是因为基体物质中含有对微波吸收较强的物质，或是几种物质的存在导致微波加热过程中发生化学反应。

（5）微波强度和处理方式

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微波的强度不同对于达到萃取温度加热时间和萃取的时间有很大的影响。连续或间隙加热方式的不同对于萃取的结果和萃取的速度都有很大的影响。许多研究都表明微波的强度越高其萃取速度越快；连续加热的方式的萃取速度较快，但是其温度上升太快不易控制，一般用间歇加热的方式，控制加热与冷却速度来得到较好的结果。

采用封闭式萃取器和敞开式的萃取器的作用效果也有区别，封闭萃取器可以达到较高的气压，可以达到较高的萃取温度，提高萃取率，萃取剂有机溶剂的回收率也高；敞开式萃取器就比较适合于萃取热不稳定物质。 4. 6．2．4微波萃取在分离中的应用

微波萃取大量应用于分析土壤、种子、食品、饲料中各类化合物，特别对于微量化学成分得分析效果更为明显。由于其高效快速的分离和选择性加热等优点，微波萃取也逐渐开始应用于生产制备之中。在天然产物的分离提取，矿物提炼等方面的应用备受关注。微波萃取技术已列入我国十一世纪食品加工和中药制药现代化的推广技术之一。 4. 6．2．4．1微波萃取在食品和生化分析中的应用

天然食品和天然生物物质中微量成分的分析是微波萃取的一大应用领域。通过微波萃取快速准确的得到样品中待测成分，一般作为分析工作的前期工作，可以简时化分析处理过程。在分析检测农作物中的21种有机氯农药的残留量的研究中，Barrid等人用正己烷－丙酮（V:V＝1：1）为溶剂进行萃取，用正己烷－醋酸乙脂（80：20）为流动相作气相色谱分析，和索氏萃取同样效果下，微波萃取的时间和萃取得率均好于索氏萃取[14]。M. Ramil Criado,[19]等人借助微波萃取分析了植物灰分中PCBs的含量，其萃取率可以达到70%。也有学者研究从土壤中分析微生物稀土元素利用效率，有机氯农药在水和水沉淀物中含量，土壤中N-methylcarbamates的含量，微波萃取结果比其他萃取方法的效果好

[27]

。

4. 6．2．4．2 微波萃取在天然产物及生物活性成分提取中应用

微波萃取法的萃取速度和萃取产物的质量使得该技术成为天然产物提取的有力工具，最早该技术成为天然产物提取的有力工具。最早利用微波萃取法从羽扇豆中提取了鹰爪豆生物碱。

天然植物中有效成分的萃取是化学研究的重要内容，而微波萃取在植物成分分离中也显示了独特的优点。许多的文献已经对微波萃取植物有用成分做了分析。Joong-Ho Kwona等人利用微波萃取从高丽参中分离人参皂角苷，萃取时间由常规萃取的12 h缩

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短为5min,而且得到产品的稳定性也优于常规萃取方法[20]。其一些见于文献的微波萃取植物天然产物技术有：从茴香茶中萃取油类[29] ，从烟草中萃取烟碱类物质[45] ，从植物中萃取artemisia[22] ,从花生壳中萃取天然黄色素[37，40] ，从甘草中萃取甘草酸[34]，从茶叶中萃取茶多酚[35] ，从微波萃取印楝叶中的印楝素[33] 等。

微波萃取技术是食品和中药有效成分提取的一项新技术。目前微波萃取已经用于多项中药的萃取生产工艺中。国内外均有关于微波萃取中草药中有用成分的研究，得到的结果都优于常规萃取[39，43] 。

现在对从动物材料中萃取天然物质的研究工作也有见于报道。欧光南研究了从烤鳗的副产物鳗骨中以氯仿－丙酮（体积比2：1）为溶剂萃取鱼油[3] 。国外也有人比较了不同萃取方法萃取羊毛洗刷的固体废物中的羊毛脂，采用丙酮/己烷（1：1）为萃取剂，微波萃取的时间从常规萃取的42小时降为8分钟[11] 。 4. 6．2．5微波萃取设备

近年来,微波萃取以其快速、低溶剂消耗、污染小、设备简单及萃取效率高等优点受到不同领域研究人员的重视。但到目前为止,它主要还是作为一种分析试样预处理的手段和一种提取精油等有用物质的方法,其研究处于初期阶段。萃取机理似乎更依赖于被提取的基体,许多提取过程的参数如物理形状及尺寸,自由水或结合水的含量等对提取率的影响,基础物化参数的收集,特殊微波辅助提取设备的研发等都有待于进一步的研究。鉴于微波能对萃取过程中传质传热的促进作用,将其应用于天然产物所含有效成分的提取和浓缩必会产生很好的效果。同时,如果能在仪器设计上实现突破,使微波萃取象超临界流体萃取那样与检测仪器实现在线联机,则该方法会获得更强大的生命力。

参考文献

[1] [2] [3] [4]

孙美琴, 彭超英. 微波萃取技术 广州食品工业科技 2003 （02 ） pp 96-97 郝金玉, 黄若华., 王平艳 , 邓修 . 微波萃取除虫菊酯 2001 （02） pp15-16 欧光南. 微波萃取鳗骨油的研究 2001 6（3） 2 pp210-213

Chen, Syr-Song; Chou, Shin-Shou; Hwang, Deng-Fwu .Determination of methylmercury in fish using focused microwave digestion following by Cu2+ addition, sodium tetrapropylborate derivatization, n-heptane extraction, and gas chromatography--mass . Journal of Chromatography A Volume: 1024, Issue: 1-2, January 23, 2004, pp. 209-215

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