第四章微波協(xié)助提取技術(shù)

第四章

微輔助提取技術(shù)

波微波輔助萃取簡(jiǎn)介MAE的萃取機(jī)理MAE的影響因素及特點(diǎn)MAE的應(yīng)用及前景第一節(jié)微波提取簡(jiǎn)介微波是指波長從10-3~10-1

米,它介于紅外線和無線電波之間。頻率為300MHz-300GHz的電磁波。只有915MHz和2450MHz被廣泛使用。

MAE原理細(xì)胞破壁加速擴(kuò)散速率一、微波具有下列獨(dú)特的性質(zhì)1）似光特性2）穿透特性（反射性、穿透性、吸收性)微波遇到金屬容器后立即全部反射回去，入射角等于反射角，金屬不發(fā)熱。微波能穿透非金屬容器，對(duì)玻璃、塑料、陶瓷，如同光速通過玻璃，相當(dāng)于透明體。故也不發(fā)熱。吸收性，某些物質(zhì)能吸收微波而發(fā)熱，其中水是吸收微波最好的介質(zhì)。4）非熱特性（生物效應(yīng)）微生物體內(nèi)的水分在微波交變電磁場(chǎng)的作用下引起強(qiáng)烈的極性振蕩，導(dǎo)致電容性細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破裂、或者分子間氫鍵松弛等，使得組成生物體的最基本單元——細(xì)胞的生存環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，以致細(xì)胞死亡。（改變了醫(yī)藥食品等領(lǐng)域傳統(tǒng)的高溫消毒、滅菌方式，實(shí)現(xiàn)了低溫滅菌）。3）熱特性（加熱方式由里向外無溫度梯度，加熱均勻，熱轉(zhuǎn)換效率高）第二節(jié)微波提取原理及特點(diǎn)微波輻射高頻電磁波穿透提取介質(zhì)，到達(dá)物料的內(nèi)部維管束和腺胞系統(tǒng)。由于吸收微波能，細(xì)胞內(nèi)部溫度迅速上升，使其細(xì)胞內(nèi)部壓力超過細(xì)胞壁膨脹承受能力，細(xì)胞破裂。細(xì)胞內(nèi)有效成分自由流出，在較低的溫度條件下提取介質(zhì)捕獲并溶解。通過進(jìn)一步過濾和分離，便獲得提取物料.一、微波中藥輔助提取原理干燥的基質(zhì)通常不會(huì)吸收微波能,上面的情況便很容易理解.MAP中固有的水分是非常重要的組分,因?yàn)樗挚梢猿訜嶙罱K使細(xì)胞膜破裂并將細(xì)胞物質(zhì)擠壓到周圍不能吸收的冷卻溶劑中然后溶解.此過程的水分含量為40-90%

微波萃取和其它方法的比較

索氏提取超聲波萃取微波萃取超臨界流體萃取ASE萃取時(shí)間24-48h30-60min4-20min30-60min15min溫壓強(qiáng)度低低低高高預(yù)分離不過濾過濾和溶劑蒸發(fā)洗脫／不過濾不過濾不過濾溶劑用量大大小小大費(fèi)用低低高高高工作強(qiáng)度大大低低低污染程度大大小小小MAE的萃取機(jī)理擴(kuò)散效應(yīng)微波產(chǎn)生的場(chǎng)加速萃取溶劑界面的擴(kuò)散速率，使溶劑和被萃取物質(zhì)充分的接觸。極性溶劑能更好的吸收微波，提高溶劑的活性，所以在微波輔助萃取中一般選用極性溶劑更有利。

水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來說，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。二、微波提取特點(diǎn)用溶劑提取中草藥有效成分常用浸漬法、滲漉法、回流提取法及連續(xù)回流提取法等、從原理上來講均可以加入微波進(jìn)行輔助提取，使之成為高效中草藥有效提取設(shè)備。MAE的特點(diǎn)及影響因素快只需要幾分鐘就可以達(dá)到傳統(tǒng)方法加熱多個(gè)小時(shí)才能達(dá)到的萃取效果麻黃堿的提取率由常規(guī)煎煮法的0.183%提高到0.485%

，板藍(lán)根多糖的實(shí)驗(yàn)中，提取率由原來的0.81%提高到3.47%

1、傳統(tǒng)熱萃取熱傳導(dǎo)公式：熱源→器皿→樣品，因而能量傳遞效率受到了制約。微波加熱則是能量直接作用于被加熱物質(zhì)，其模式為：熱源→樣品→器皿?？諝饧叭萜鲗?duì)微波基本上不吸收和反射，從根本上保證了能量的快速傳導(dǎo)和充分利用。消除了熱梯度，從而使提取質(zhì)量大大提高，有效地藥物功能成分。多2、由于微波可以穿透式加熱，提取的時(shí)間大大節(jié)省。根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，常規(guī)的多功能萃取罐8小時(shí)完成的工作，用同樣大小的微波動(dòng)態(tài)提取設(shè)備只需幾十分鐘便可完成。3、大大簡(jiǎn)化工藝流程。微波能有超常的提取能力，同樣的原料用常規(guī)方法需兩、三次提凈，在微波場(chǎng)下可一次提凈。5、微波提取沒有熱慣性，易控制，所有參數(shù)均可數(shù)據(jù)化，和制藥現(xiàn)代化接軌。6、溶劑用量少，減少排污，污染小。7、微波提取物純度高，可水提、醇提、脂提。適用廣泛。8、提取溫度低，不易糊化，分離容易，后處理方便。節(jié)省能源.9、溶劑用量少(可較常規(guī)方法少50％～90％)；10、微波設(shè)備是用電設(shè)備，不需配備鍋爐，無污染、安全、屬于綠色工程；11、生產(chǎn)線組成簡(jiǎn)單，節(jié)省投資；目前已經(jīng)開發(fā)出來的微波提取設(shè)備完全適應(yīng)于我國各類大、中、小企業(yè)的食品和制藥工程。表1.MAD與常用提取方法的比較1.0-10微波提取的應(yīng)用由于微波技術(shù)具有設(shè)備要求較低、操作方便、提取率較高、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，微波提取法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品及生化分析、天然物提取、環(huán)境分析、化工分析等領(lǐng)域。1、萃取溶劑—通常是以“相似相溶”方式進(jìn)行選擇

2、萃取溫度—不高于溶劑沸點(diǎn)

3、微波萃取時(shí)間與被測(cè)物樣品量、溶劑的體積和加熱功率有關(guān)，一般在10一100秒之間。在微波萃取過程中，一般加熱1一2分鐘便達(dá)到所要求的溫度。

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溶液的PH—溶液的pH值也會(huì)對(duì)微波萃取的效率產(chǎn)生一定的影響，針對(duì)不同的萃取樣品，溶液有一個(gè)最佳的用于萃取的酸堿度。三、影響微波浸取的因素5基體物質(zhì)的含水基體物質(zhì)的含水量對(duì)回收率影響很大。正因?yàn)閯?dòng)植物物料中含有水分，才能有效吸收微波能并且能產(chǎn)生溫度差。若物料是經(jīng)過干燥過的，就要采取物料再濕的方法，使其具有足夠的水分，也可以選用部分吸收微波能的半透明萃取劑，用此萃取劑浸泡物料，然后置于微波場(chǎng)中進(jìn)行加熱，同時(shí)產(chǎn)生萃取作用。6、微波劑量必須謹(jǐn)慎控制，輻射時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升得很高，甚至超過萃取溶劑的沸點(diǎn)，影響提取率

7、物料的粉碎度8、中藥的不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)花類藥材高，種子類最低。應(yīng)用舉例1微波提取茶多酚茶多酚的提取溶劑有水和有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑提取較水浸提成本高，產(chǎn)品安全性低;傳統(tǒng)的水浸提耗時(shí)長，溫度高，嚴(yán)重影響茶多酚制品的組成。采用微波萃取技術(shù)可以大幅度改變以上不足。以水為介質(zhì)，對(duì)綠茶進(jìn)行微波處理，結(jié)果表明料液比1:20，時(shí)間三分鐘，微波浸提兩次，再用50℃水浸提一次十分鐘，茶多酚浸出率高達(dá)90%以上，與傳統(tǒng)水煮法及溶劑提取法相比，此法提取率高，溶劑用量少。微波萃取大蒜中的有效成分取蒜泥裝入燒杯中，加入二氯甲烷作為提取劑，蓋上表面皿，浸泡十分鐘，在微波爐中萃取30秒，然后分離提取物，得到黃色物質(zhì)，通過氣象色譜法和薄層掃描法檢驗(yàn)，證明所得的成分相同，提取率為3.1%。用水蒸氣蒸餾法2小時(shí)提取率為0.9%，用索氏提取法6小時(shí)提取率為3.4%。可見，微波萃取法具有省時(shí)、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)。微波提取的溶劑選擇、溶劑體積對(duì)樣品質(zhì)量比、加熱的溶劑壓力和微波輻射時(shí)間，用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了考察。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，綜合經(jīng)濟(jì)因素和實(shí)驗(yàn)過程的方便性，在70%

微波功率（微波爐的最大功率850瓦）下，微波最佳提取條件為30%乙醇作溶劑，溶劑倍量30，控制壓力0.10Mpa，加熱時(shí)間1分鐘。在微波提取和超聲波提取方法的最佳提取條件下，微波法提取不僅所需時(shí)間短，而且提取率比超聲波法高近二成。

金銀花中有效成分氯原酸和異氯原酸類化合物的微波提取研究。多糖的微波提取黃芪多糖的微波萃取，結(jié)果表明提取時(shí)間僅為常規(guī)法的1/12，提取的多糖含量為6.55%。天花粉中提取天花粉多糖，結(jié)果表明提取時(shí)間僅為常規(guī)法的1/12，而多糖收率則由常規(guī)法的0.8409％提高至18.3012％。利用微波萃取技術(shù)提取山楂多糖，結(jié)果表明提取率可由傳統(tǒng)提取法的10.05％提高至16.07％，而提取時(shí)間則由3h縮短至20min。利用微波萃取技術(shù)提取車前子多糖，并與水提法和超聲提取法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明提取時(shí)間分別為65s、1h和30min，而提取率則分別為1.867％，1.243％，1.764％。生物堿提取從羽扇豆種子中提取金雀花堿，與傳統(tǒng)的振搖提取法比較，微波法提取物中含量比振搖法高20%，而且速度快，溶劑消耗量也大大減少。從可可葉中提取可卡因和苯甲酰芽子堿，所得提取物與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，但只用時(shí)30秒。有學(xué)者研究微波技術(shù)對(duì)麻黃中麻黃堿浸出量的影響，比較了微波提取與常規(guī)煎煮方法的優(yōu)劣，結(jié)果微波法對(duì)麻黃堿的浸出量明顯優(yōu)于煎煮法，并且半量麻黃粗粉浸出量明顯優(yōu)于全量麻黃飲片，與中醫(yī)藥理論“煮散減半”相符。另有學(xué)者用微波法提取黃連中的小檗堿，以干固物和小檗堿含量測(cè)定結(jié)果為指標(biāo)，比較微波和回流兩種方法。干固物測(cè)定結(jié)果顯示，在單位時(shí)間內(nèi)微波處理較回流提取具有明顯優(yōu)勢(shì)；以小檗堿含量為指標(biāo)，結(jié)果顯示回流提取小檗堿含量高于微波提取。其它物質(zhì)微波提取利用微波萃取技術(shù)從紫荊花中提取色素，結(jié)果表明提取時(shí)間可由溶劑浸提法的24h縮短至30s，而提取率則從90.2％提高至92.1％。利用微波萃取技術(shù)提取甘草中的甘草酸，并與超聲提取法、室溫冷浸提取法和索氏提取法進(jìn)行了對(duì)比，微波萃取54min與室溫冷浸44.3h、索氏提取4h的甘草酸得率相當(dāng)。微波技術(shù)對(duì)大黃游離蒽醌浸出量的影響，采用正交實(shí)驗(yàn)考察了微波輸出功率、物料粒徑、浸出時(shí)間三個(gè)因素對(duì)提取率的影響，優(yōu)選最佳浸出方案。結(jié)果物料粒徑對(duì)蒽醌成分浸出影響極顯著，功率對(duì)浸出影響顯著，時(shí)間對(duì)浸出有一定影響。微波提取法對(duì)大黃游離蒽醌的提取率明顯優(yōu)于常規(guī)煎煮法，同乙醇回流法相當(dāng)。沈嵐等以大黃、決明子中不同極性的蒽醌類為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別考察提取率，結(jié)果顯示微波萃取法對(duì)大黃、決明子中不同極性成分提取選擇性并不明顯，而同一溫度條件下，根莖類中藥大黃中大黃素、大黃酚、大黃素甲醚的提取率明顯高于種子類中藥決明子中相同成分的提取率。黃酮類

劉傳斌等把微波破細(xì)胞與溶劑提取相結(jié)合的方法提取高山紅景天愈傷組織中紅景天苷。將藥材經(jīng)1分鐘微波處理后，室溫下水提取10分鐘，可將紅景天苷充分提取出來，與傳統(tǒng)提取方法相比，前者具有時(shí)間短、不需加熱、提取液中雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)。段蕊等也用此方法提取銀杏葉中的黃酮成分。用微波處理5分鐘后，以70%乙醇回流提取1小時(shí)，得到提取物中黃酮類物質(zhì)的量比未用微波處理的高出18.8%，紙層析表明在使用的微波溫度下，黃酮類物質(zhì)性質(zhì)不發(fā)生改變。郭振庫等對(duì)黃芩中黃芩苷微波提取作了研究，用正交設(shè)計(jì)優(yōu)選了最佳工藝為70%微波功率（最大功率850瓦）下，以35%乙醇作溶劑，溶劑30倍量，比超聲法高出近10%。提取揮發(fā)油提取物分析結(jié)果表明，微波法在以下方面優(yōu)于傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法：提取率、提取物質(zhì)量、提取時(shí)間、所需費(fèi)用以及操作步驟。用微波技術(shù)可萃取香薄荷、茴香、牛膝草葉、百里香葉及鼠尾草屬植物中的精油。國內(nèi)學(xué)者也較多用微波萃取揮發(fā)油，新疆石河子大學(xué)藥學(xué)院魯建江等人從藿香、魁蒿葉、新疆黨參、新疆孜然果實(shí)、紅花、紅景天根莖葉中用微波提得揮發(fā)油，結(jié)果均比水蒸氣蒸餾提取率高且用時(shí)短。另外尚有香葉天竺葵和山蒼子揮發(fā)油微波萃取的報(bào)道。微波水黃芪苷提方案設(shè)計(jì)選用L9(34)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因素水平安排見表1。微波萃取法對(duì)大黃游離蒽醌的提取正交試驗(yàn)篩選出的較佳微波萃取方案為實(shí)驗(yàn)組，與常規(guī)煎煮法及95％乙醇回流提取法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明微波萃取法對(duì)大黃游離蒽醌的提取效率要明顯優(yōu)于常規(guī)煎煮法，而與95％乙醇回流提取法的相同，但提取時(shí)間由回流提取法的2h縮短為20min。

第三節(jié)微波提取設(shè)備與工藝微波提取技術(shù)在食品工業(yè)、制藥工業(yè)和化學(xué)工業(yè)上的應(yīng)用研究雖然起步只有短短幾年的時(shí)間，但已有的研究成果和應(yīng)用成果已足以顯示其優(yōu)越性：在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)完成香料、調(diào)味品、天然色素、中草藥、化妝品、保健食品、飲料制劑等產(chǎn)品微波萃取工藝的研究。目前微波萃取已經(jīng)用于多項(xiàng)中草藥的提取生產(chǎn)線之中，如葛根、茶葉、銀杏、和甘草等。微波輔助提取已列為我國二十一世紀(jì)食品加工和中藥制藥現(xiàn)代化推廣技術(shù)之一。研究機(jī)構(gòu)用微波提取方法處理了上百種天然植物。無論是提取速度、提取效率還是提取品質(zhì)均取比常規(guī)工藝優(yōu)秀得多的結(jié)果。

美國的CEM公司和意大利的Milestone公司，均生產(chǎn)適用于消解、萃取和有機(jī)合成的系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品均擺脫了傳統(tǒng)的開關(guān)磁控管功率調(diào)整方式，實(shí)現(xiàn)了非脈沖連續(xù)微波調(diào)整，一般都有功率選擇和控溫、控壓、控時(shí)裝置，萃取罐由聚四氟乙烯等材料制成，既有良好的密封性能又不吸收微波，且能耐高溫高壓，不與溶劑反應(yīng)。微波提取設(shè)備天然藥物微波萃取的生產(chǎn)設(shè)備,主要有二類:一類為微波萃取罐,類似于中藥生產(chǎn)中常用的多功能提取罐;另一類為連續(xù)微波萃取線,可根據(jù)生產(chǎn)工藝進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。常用的微波頻率有兩種:2450MHz和915MHz。葛根、甘草、板蘭根等天然藥物的生產(chǎn)提取已有廠家采用了微波萃取設(shè)備。微波萃取罐結(jié)構(gòu)框圖微波萃取罐結(jié)構(gòu)組成:內(nèi)萃取腔、進(jìn)液口、回流口、攪拌裝置、微波加熱腔、排料裝置、微波源、微波抑制器。

在線微波萃取系統(tǒng)

Cresswell

等報(bào)道了一種微波在線萃取技術(shù)(圖3)測(cè)定沉積物中PAHs，其中進(jìn)行了兩種流動(dòng)體系的研究;一種是將沉積物樣品在水中攪成漿狀，通過微波萃取，用C18柱富集萃取物，洗脫成分直接進(jìn)行HPLC分析；第二種方法是樣品在丙酮中被攪成漿狀，通過微波萃取，用10mL

正己烷富集從微波爐流出液中待分析成分，然后用GC、MS進(jìn)行定性、定量分析。此外，Ericsson等采用了動(dòng)態(tài)微波輔助萃取(dynamicmicrowave2assistedextraction:DMAE)，該體系在萃取過程中可以不斷的讓新鮮的溶劑進(jìn)入萃取罐，而萃取物可以通過HPLC進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

一般來講，工業(yè)微波設(shè)備必須滿足下列條件：（1）微波發(fā)生源有足夠的功率和穩(wěn)定的工作狀態(tài)；（2）結(jié)構(gòu)合理，能夠根據(jù)不同目的任意調(diào)整，而且便于拆卸和運(yùn)輸；（3）一般要求有溫控附件；（4）能連續(xù)工作，操作簡(jiǎn)便；（5）使用安全，微波泄漏符合要求：用大于10mW(量程的漏場(chǎng)儀距被測(cè)處5cm檢測(cè)，漏場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)小于5mW/cm2。微波的產(chǎn)生微波能通常由直流電或50MHz交流電通過一特殊的器件來獲得。可以產(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速戰(zhàn)速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在目前微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。WT3-10升微波動(dòng)態(tài)提取設(shè)備主機(jī)

應(yīng)用在微波萃取和微波化學(xué)液態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)者可以方便地、直接地、毫無障礙地觀察物料變化，添加物料或溶劑，并隨機(jī)提取樣品，測(cè)量溫度，攪拌物料，適用于各種物料的實(shí)驗(yàn)。

微波逆流