微波辅助提取技术

微波辅助提取技术

生命与科学学院食品科学专业柳佳齐201207033

一微波提取技术的基本原理

微波是指频率在300兆赫至300千兆赫的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

微波提取全称应是微波辅助提取技术。微波辅助提取又称微波萃取，是颇具发展潜力的一种新的萃取技术，是微波和传统的溶剂提取法相结合而成的一种提取方法。依据溶剂极性不同，它可以透过溶剂，使物料直接被加热，其热量传递和质量传递是一致的。

微波萃取的机理可从以下3个方面来分析：①微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离，即可获得所需的萃取物。②微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，水分子由高速转动状态转变为激发态，这是一种高能量的不稳定状态。此时水分子或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，结果使萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。③由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以24．5亿次/s的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。

二微波萃取的工艺流程

微波提取与常规提取工艺近似，仅在实施提取的关键点上有自身特点，其工艺流程：选料→清洗→粉碎→浸泡→微波提取→分离→浓缩→干燥→粉化→成品。其操作一般包括以下几步：（1）将物料切碎，使之更充分地吸收微波能；（2）将物料与适宜的萃取剂混合，置于微波设备中，接受辐照（关键性的一步）；（3）从萃取相中分离除去残渣。

在实际操作中，将切碎的干药材在溶剂中浸泡适当时间（一般为0.5～1.5 h），再进入微波提取这一步非常重要。因为经浸润后的物料，内部溶剂量增加，利于更好地吸收微波能，达到升温与细胞破壁的目的。也可使提取时间缩短，节约能源。

三微波提取设备

微波提取的设备主要分两类：一类是微波提取罐，另一类为连续微波提取线。两者主要区别：提取罐是分批处理物料，类似常规的多功能提取罐；连续微波提取线是以连续方式工作的提取设备。具体参数一般由设备生产厂根据使用厂家的要求设计。

在我国，目前应用于工业微波机使用的频率有两种：2 450 MHz和915 MHz。使用中，可根据被加热材料的形状、大小，均匀性，含水量及对物料的穿透深度来选择。

（1）微波罐式提取

微波提取罐形式与中药企业使用的多功能提取罐形式相同，只是根据微波的特点，在罐体容积与罐体材料上有很大不同，提取加热的方式不同。罐式提取的特点是间歇式生产，提取后的药渣与

有用的提取液同时被不同的管道出料，还需对料、液进行过滤分离，不适合大容量的生产。由于大多数有机溶剂具有易燃性，因此生产中应格外注意车间的通风和反应器的密闭，采用防爆电器设备。用乙醇、乙醚、石油醚做溶剂时更要倍加小心。

1）微波辐射时间

一般微波提取辐照时间在10～100 min之间。对于不同的物质，最佳提取时间不同，连续辐照时间也不可太长，否则容易引起溶剂沸腾，不仅造成溶剂的极大的浪费，而且还会带走指标产物。

2）提取罐材料

微波具有穿透、吸收、反射的特性。对于玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料之类的绝缘体，微波几乎是光穿透而不被吸收，它们常作为反应器的材料。由于这种“透明”特性，在微波工程中也常用绝缘体材料来防止污物进入某些要害部位。

对于水和湿性物料或含有极性分子的材料，会吸收微波能。而对于金属材料，微波会被反射。由于受微波特性的制约，微波提取罐的材料绝大多数选用无毒、耐高温、不与药物材料发生反应的聚四氟乙烯。在微波发生器（磁控管）外加装用于屏蔽的金属材料，保证微波设备使用安全。

对于大容量的提取罐，因罐体材料的强度所限，需要选用不锈钢材料。此时，可以采用如图1所示的发明的专利技术，利用聚四氟乙烯的穿透性和不锈钢材料的反射特性，用不锈钢做罐体材料，上嵌装聚四氟乙烯套，再用不锈钢材料做屏蔽。完成大型罐体设计。聚四氟乙烯套做成圆锥形或棱锥形与金属罐壁紧密配合，用来对溶剂的密封，防止渗漏。聚四氟乙烯套厚度的设计前提是必须保证罐体压力强度。在聚四氟乙烯套外用不锈钢板紧压，以对微波进行屏蔽。

（2）连续微波提取机

连续微波提取机主要指连续逆流提取机。连续提取操作是物料和溶剂在提取过程中同时作连续的逆流运动或移动，物料在运动过程中不断改变与溶剂的接触状况，并在传输机构的作用下得到充分混合接触，出料的料渣和提取液连续分离，分别排出，实现连续提取，这样可大大提高提取收率。

连续提取装置具有结构紧凑、占地面积小、操作方便及自动化程度高等优点。可有效地缩短提取时间，减少溶媒用量，改善工作条件，提高设备利用率。

连续提取装置出料的料渣和提取液是连续分离的，可在出料口端部设置压榨装置，将药

渣中含有的提取液充分榨尽，回流到提取液出口。连续提取装置内的螺旋推进器可以做成多种形式，如多孔螺旋板式、浆叶式、带式等，螺旋推进器的优点在于可以实现在连续移动物料的同时，对物料施加搅拌、搓揉、剪切等机械强化作用，提高提取效率。

四微波提取的应用

1.在蔗糖的提取方面，运用微波从甘蔗中辅助提取糖分，表明，微波辐射能使植物细胞快速改性，从而使蔗糖分更快渗出。

2.用微波从柚皮中辅助提取天然食用色素，取得了较好的提取效果。

3.微波辅助水提取银杏叶中黄酮苷类物质，并与单纯水煮提取效果进行对照。

具体实例：

1.用微波强化萃取薄荷油，将剪碎的薄荷叶放入盛有正已烷的玻璃烧杯中，经微波短时间处理后，薄荷油释放到正已烷中，显微镜观察表明，叶面上的脉管和腺体破碎，这说明微波处理有一定的选择性，因为新鲜薄荷叶的脉管和腺体中饱含水分，因此，富含水分的部位优先破壁，而含水少的细胞则比较滞后，甚至变化不大。

2.利用微波辅助方法提取桔皮果胶，显微观察发现，微波使桔皮中的细胞膨爆，加速了内部组织的崩解，崩解速度可由传统酸解-提取所需的1h 缩短到5min。

五微波提取的优点

传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行，而微波萃取是微波瞬间穿透物料里外同时加热进行萃取。传统热萃取相比，微波萃取的主要优点是：

a、质量高，可有效地保护食品、药品以及其他化工物料中的功能成分；

b、纯度高、萃取率高；

c、对萃取物具有高选择性；

d、速度快、省时，可节省50%-90%以上的时间；

e、溶剂用量少(可较常规方法少50%-90%以上)；

f、安全、节能，无污染，生产设备较简单，节省投资。

因为具有如上的特点，微波提取被叫做“绿色提取工艺”。

六微波提取的影响因素

1萃取溶剂—通常是以“相似相溶”方式进行选择

2萃取温度—不高于溶剂沸点

3萃取时间—累计辐射时间对提高萃取效率只是在刚开始是有利，经过一段时间后萃取效率不再增加，因此每次辐射时间不宜过长

4 溶液的PH—溶液的PH值也会对微波萃取的效率产生一定的影响，针对不同的萃取样品，溶液有一个最佳的用于萃取的酸碱度。

七微波提取工艺未来的发展方向和应用前景

1.进一步简化样品与处理的步骤利用、微波加热的特点和微波萃取的优点,把萃取与后续处理合起来,将简化样品与处理的步骤。这方面的研究对于进一步缩短样品处理时间,提高分析速度具有重大意义。

2.开发微波萃取新技术或其他技术联用。已有将微波萃取与液体样品顶空萃取结合的报道,也有文献报道用微波萃取代替固液萃取中的溶剂洗脱的研究，提出固相萃取—微波萃取联用技术。该研究有助于综合利用各种技术的优点,提高处理效果,扩大样品适用范围。

3.进一步探讨萃取机理，虽然Pare 等提出了从植物组织中提取天然产物时微波的作用机理,但是鉴于基体物质和萃取体系的复杂性,在微波萃取的机理方面还有大量的工作要做。

4.对原有微波萃取系统进行改进或开发新的微波萃取系统。微波萃取的缺点是不易自动化，缺乏与其他仪器在线联机的可能性，如果能在仪器设计方面取得突破，实现与检测仪器在线联机，微波萃取法将具有更光明的发展前途。