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            “藥物萃取的曙光”——微波萃取技術的原理及應用
            瀏覽次數:次   發布時間:2015-03-24 03:30:57

            摘要:微波萃取技術是食品和中藥有效成分提取的一項新技術。早在1986年以前,首篇關于微波萃取技術的文章已經被發布,Richard等用普通微波爐,只需幾分鐘就能夠萃取傳統加熱需要幾個小時的目標物質。至今,微波萃取技術越來越受到科技工作者的重視,采用該技術提取的成分已涉及生物堿類、蒽醌類、黃酮類、皂苷類、多糖、揮發油、色素等。本文簡述了微波萃取技術的原理及應用。

            一、微波萃取的原理

            微波萃取是高頻電磁波穿透萃取媒質,到達被萃取物料的內部,微波能迅速轉化為熱能使細胞內部溫度快速上升,當細胞內部壓力超過細胞壁承受能力,細胞破裂,細胞內有效成分自由流出,在較低的溫度下溶解于萃取媒質再通過進一步過濾和分離,便獲得萃取物料。在微波輻射作用下被萃取物料成分加速向萃取溶劑界面擴散,從而使萃取速率提高數倍,同時還降低了萃取溫度,最大限度保證萃取的質量。

            從原理上說,傳統的溶劑提取法,如浸漬法、滲濾法、回流提取法、連續回流提取法等,均可加入微波進行輔助提取,從而成為高效提取方法。

            二、微波萃取的特點

            • 1、高選擇性 因為微波只對極性分子進行選擇性加熱,整個萃取過程由微波輻射能穿透介質,到達物料的內部,使基質內部溫度迅速上升,增大萃取成分在介質中的溶解度,然后微波在產生的電磁場加速了目標物向溶劑的擴散,因此,對天然產物活性成分有很強的選擇性溶出,活性成分分子極性越強,選擇性越高。
            • 2、高效性 在同一對象提取中,采用傳統方法需要幾小時至十幾小時,超聲提取法也需半小時到一小時,而微波提取只需幾秒到幾分鐘即可完成,并且目標成分提取率更高,可見,微波提取速率提高了幾十至幾百倍,甚至幾千倍,大大縮短了萃取時間。
            • 3、加熱均勻 常規加熱,為提高加熱速度,就需要升高加熱溫度,容易產生外焦內生現象。微波加熱的物體各部位通常都能均勻滲透電磁波,產生熱量,因此均勻性大大改善。
            • 4、節物、節能、環保的優越性 微波萃取由于微波功率較小且輻射時間短,是傳統方法能耗的幾十分之一,甚至幾百乃至幾千分之幾。這是因為,微波浸取可以使固液浸取過程得到明顯的強化,它的浸取效率要比傳統方法的浸取效率高得多。另一方面它又由于受溶劑親和力的限制較小,可供選擇的溶劑較多,在選擇無毒或低毒溶劑的同時還可減少其用量。由此可見,該技術暨節約物耗、能耗,又做到綠色環保。
            萃取方法的比較
            方法 溶劑及用量 萃取時間(min) 溶劑回收率(%) 物料(g) 萃取率(%)
            加熱攪拌提取法 6#抽提溶劑油350ml 120 75.00 30.01 52.68
            索氏提取法 石油醚(30~60℃)350ml 720 55.71 29.01 75.24
              6#抽提溶劑油350ml 360 70.85 30.43 60.35
            超臨界CO2提取法 CO2 150 - 100.10 30.80
                120 - 100.11 33.21
            微波輔助萃取法 6#抽提溶劑油150ml 2 69.00 10.02 41.17
                4 75.00 10.02 65.50
                6 67.67 10.02 77.52
                12 66.67 10.01 92.06

            三、微波萃取的主要影響因素

            • 1、破碎度 與傳統提取方法一樣,被提取物經過適當破碎,可以增大接觸面積,有利于萃取過程的進行。
            • 2、分子極性 在微波場中,極性分子受微波的作用較強。若目標組分為極性分子,則比較容易擴散。在天然產物中,完全非極性的分子是比較少的,物質的分子或多或少會存在一定的極性,絕大多數天然產物的分子都會受到微波電磁場的作用,因而均可用微波來協助提取。
            • 3、溶劑 溶劑的選用十分重要,適宜的溶劑可提取出所需要的組分,若溶劑選用不當,則不一定能獲得理想的提取效果。
            • 4、濃度差 濃度差是被提取組分擴散與傳質的前提,沒有濃度差或濃度差很小,提取過程就不能進行。傳統提取工藝中設法提高濃度差的種種工藝手段同樣適用于微波提取過程。
            • 5、溫度 在微波提取過程中,由于存在微波作用下的分子運動,因而溫度不需要與傳統提取工藝過程中的一樣高。此外,微波提取的時間很短,因而可降低被提取成分因受熱而發生破壞的危險,并可降低能耗。
            • 6、攪拌 在微波萃取過程中,攪拌同樣可提高溶質組分由固體表面向溶劑主體擴散的速率,且微波可加快溶質組分在固體內部的遷移速度,即可提高固體內部的傳質速率,因而提取速度更快,提取效率更高。

            綜上所述,微波提取的要點:①被提取物需經適當粉碎;②必須存在一定的濃度差;③選用適當的溶劑;④保持一定的溫度;⑤給予提取過程一定的時間;⑥適當的攪拌。

            此外,微波功率和輻射時間對提取效率具有明顯的影響,功率越高,提取的效率越高。

            四、微波萃取的方法與操作流程

            微波萃取一般按以下幾個步驟進行:

            • (1) 挑選物料,然后進行預處理:清洗、切片或混合,以便充分的吸收微波能;
            • (2) 將物料和合適的萃取劑混合,放置于微波設備中,接受微波輻射;
            • (3) 從萃取相中分離濾去殘渣;
            • (4) 獲得目標產物。

            工業微波流程圖工業微波萃取流程

            目前報道的微波萃取方法一般有三種:常壓法、高壓法、連續流動法。而微波加熱體系有密閉式和敞開式兩類。

            • 1、常壓法 常壓法一般是指在敞開容器中進行微波萃取的一種方法,其設備主要是直接使用普通家用微波爐或用微波爐改裝成的微波萃取設備,通過調節脈沖間斷時間的長短來調節微波輸出能量,目前國內外大部分的研究都采用這種設備。
            • 2、高壓法 高壓法是使用密閉萃取罐的微波萃取法,其優點是萃取時間短,試劑消耗少。高壓法的裝置一般要求為帶有功率選擇,有控制溫度、壓力和時間的設備。一般由聚四氟乙烯材料制成專用密閉容器作為萃取罐,它能允許微波自由通過、耐高溫高壓且不與溶劑反應。
            • 3、連續流動法 連續流動法是指萃取溶劑連續流動而樣品隨之流動或固定不動的一種微波萃取體系。

            五、微波萃取的展望及研究方向

            盡管微波萃取技術取得了很大發展,并日趨完善,但在實際應用中仍存在一些不足之處。如微波泄漏是微波裝置普遍存在的問題而且大部分的裝置還處在實驗室研究階段或是小試或是中試。再次,由于微波萃取法是利用物質在外加電場的作用下分子發生極化,快速定向轉動而發生劇烈碰撞和相互摩擦引起發熱,短時間內產生很大的能量,從而促使有效成分的快速溶出和釋放,因此它對提取設備要求較高。這在一定程度上阻礙微波萃取技術的發展,所以對于微波裝置的研究是其方向之一。此外,可以將微波技術與其他技術如超聲技術有效的結合起來以進一步提高微波萃取設備的功能,也是今后的一個重點研究方向。

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