基本介紹
- 中文名：微波萃取
- 外文名：Microwave assisted Extraction , MAE
- 學科：物理
- 解釋：一種分離方法
- 相關領域：電磁
發展,原理,特點,影響因素,套用,食品安全分析,食品理化分析,天然藥物提取,環境檢測,臨床套用,展望,萃取方式,萃取設備,
發展
1986年，匈牙利學者Ganzler K首先提出利用微波進行萃取的方法。在微波萃取過程中，高頻電磁波穿透萃取介質，到達被萃取物料的內部，微波能迅速轉化為熱能而使細胞內部的溫度快速上升。當細胞內部的壓力超過細胞的承受能力時，細胞就會破裂，有效成分即從胞內流出，並在較低的溫度下溶解於萃取介質，再通過進一步過濾分離，即可獲得被萃取組分。
原理
微波萃取的機理可從以下3個方面來分析：
1）微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質到達物料內部的微管束和腺胞系統的過程。由於吸收了微波能，細胞內部的溫度將迅速上升，從而使細胞內部的壓力超過細胞壁膨脹所能承受的能力，結果細胞破裂，其內的有效成分自由流出，並在較低的溫度下溶解於萃取介質中。通過進一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。
2）微波所產生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內部向固液界面擴散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉動狀態轉變為激發態，這是一種高能量的不穩定狀態。此時水分子或者汽化以加強萃取組分的驅動力，或者釋放出自身多餘的能量回到基態，所釋放出的能量將傳遞給其他物質的分子，以加速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由固體內部擴散至固液界面的時間，結果使萃取速率提高數倍，並能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質量。
3）由於微波的頻率與分子轉動的頻率相關連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉動而引起分子運動的非離子化輻射能，當它作用於分子時，可促進分子的轉動運動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產生瞬時極化，並以24.5億次/s的速度作極性變換運動，從而產生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，並迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢出並擴散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質的某些區域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質從基體或體系中分離，進入到具有較小介電常數、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。
特點
加熱迅速
傳統熱萃取是以熱傳導、熱輻射等方式自外向內傳遞熱量，而微波萃取是一種“體加熱”過程，即內外同時加熱，因而加熱均勻，熱效率較高。微波萃取時沒有高溫熱源，因而可消除溫度梯度，且加熱速度快，物料的受熱時間短，因而有利於熱敏性物質的萃取。
選擇性加熱
由於微波可對萃取物質中的不同組分進行選擇性加熱，因而可使目標組分與基體直接分離開來，從而可提高萃取效率和產品純度。
高效節能
常規加熱設備的能耗主要有物料升溫的熱損失、 設備預熱及向外界散熱的損失，後兩項的熱損失占總能耗的比例很大，使常規加熱能量利用率較低。 微波加熱時，主要是物料吸收微波能，金屬材料只能反射而不能吸收微波。 因此，微波加熱設備的熱損失僅占總能耗的極少部分。 再加上微波加熱不需要高溫熱介質，絕大部分微波能量被物料吸收轉為升溫的熱量，形成能量利用率高的加熱特徵，與傳統的溶劑提取法相比，可節省50%~90%的時間。
易於控制
控制微波功率即可實現立即加熱和終止，而套用人機界面和PLC可實現工藝過程的自動化控制。
安全環保
微波萃取過程中，無有害氣體排放，不產生餘熱和粉塵污染。
伴隨產生生物效應
微波加熱過程中除產生熱效應外，還可伴隨產生生物效應( 非熱效應) 。 由於生物體內的水分是極性分子，在微波的交變電磁場作用下引起強烈的極性震盪，導致細胞分子間氫鍵鬆弛，細胞膜結構破裂，加速了溶劑分子對基體的滲透和待提取成分的溶劑化。
影響因素
萃取溶劑
萃取溶劑 、萃取功率和萃取時間等是影響微波萃取效率的主要工藝參數。萃取溶劑的選擇對萃取結果的影響至關重要。微波萃取中首先要求溶劑必須有一定的極性，以吸收微波能進行內部加熱；其次，所選溶劑對目標萃取物必須具有較強的溶解能力； 此外，還需考慮溶劑的沸點及其對後續測定的干擾。
溶劑的極性對於萃取率影響很大。 ①用於微波萃取的溶劑有：甲醇、丙酮 、二氯甲烷、正己烷 、苯和甲苯等有機溶劑 ；②硝酸、鹽酸 、氫氟酸等無機試劑；③己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇和水-甲苯等混合溶劑。如用正己烷作溶劑，從薄荷和大蒜等生物物料中微波萃取精油；用正己烷- 酮 (1:1) 混合溶劑從土壤和沉積物中提取多環芳烴等有機污染物。
物料中的水分或濕度
物料的含水量對回收率影響也很大。水是極性分子，因此物料中含有水分才能有效吸收微波能產生溫度差。若物料不含水分，就要採取物料再濕的方法，使其具有足夠的水分 。也可選用部分吸收微波能的半透明溶劑浸漬物料，置於微波場中進行輻射加熱的同時發生萃取作用。有研究表明，以異辛烷為萃取劑分離沉積物中的殺蟲劑時，樣品水分為15%時微波萃取效率最高。
萃取溫度
在微波密閉容器中，由於內部壓力達到十幾個大氣壓，使得溶劑沸點比常壓下要高。因此，用微波萃取可以達到常壓下使用相同溶劑所達不到的萃取溫度，從而提高萃取效率，但又不至於分解待測萃取物 。萃取率隨溫度升高而增大的趨勢僅表現在不太高的溫度範圍內，且各物質的最佳萃取溫度也不同 。
萃取時間
微波萃取時間與被測物樣品量、溶劑體積和加熱功率有關 。一般情況下，萃取時間在10～15 min內 。在萃取過程中，一般加熱1～2 min 即可達到所要求的萃取溫度 。有研究結果顯示，萃取率隨萃取時間延長而有所提高，但提高幅度不大，可忽略不計。
溶液的pH值
溶液的pH也會對微波萃取率產生一定的影響 。針對不同樣品，溶液有一個最佳的用於萃取的酸鹼度。從土壤中萃取除草劑三嗪時分別用NaOH、NH3-NH4Cl、HAc、NaAc和HCl調節溶劑pH值，發現當溶劑的pH值介於4.7～9.8時，除草劑三嗪的回收率最高。
套用
食品安全分析
A.Bouaid等用微波萃取處理了柑桔樣品並測定了柑桔中殘留的阿特拉津和4種有機磷殺蟲劑，表明在功率為475 W，溫度為90℃的條件下，以10 mL已烷-丙酮(1:1)混合物為溶劑，對1.5～2.5 g柑桔樣品萃取9 min，便可有效的萃取出樣品中的5種殺蟲劑。LeaPallaroni等設計試驗得出微波萃取小麥和玉米中的玉米烯酮的最優工藝為以甲醇-乙腈(1:1)為溶劑，於80℃萃取5 min，小麥的平均得率可達到92.33%，玉米的平均得率為96.67%。由此可見，微波萃取能夠快速的萃取出目標物質，選擇性好且得率高。此外，微波萃取還具有節省溶劑和樣品的特點。羅建波等通過微波萃取-氣相色譜法測定了果蔬中殘留農藥的含量並與國標(GB 5009.19-85)進行了比較，微波萃取僅需0.5 g樣品，而國標則要1.5 g，且國標的回收率及精確度均不如微波萃取好。
食品理化分析
高岐等分別建立了微波快速溶出法測定食品的總糖量、總酸度及單寧物質的方法。即分別稱取1，10，0.5～1.0 g樣品研碎或粉碎後，加入到100 mL容量瓶中，加50mL水，然後在微波爐中萃取8，5，6min，取出冷卻後加水至刻度線，取一定量溶液用常規方法進行測定。與經典方法相比，用t-檢驗法及F-檢驗法進行檢驗，無顯著差異，而檢測速度有大幅度提高。
天然藥物提取
中藥的成分複雜，而提取的方法有：溶劑提取法，水蒸氣蒸餾法和升華法等，現代的提取方法有超臨界流體萃取法，酶法提取技術，膜提取分離技術，分子印跡技術， 微波萃取技術等。陳玉麗等採用正交實驗對香椿葉中總生物鹼的微波萃取條件進行最佳化設計， 確定最佳條件為微波功率50 W，70% 乙 醇，45 倍溶劑用量， 提取時間為55 min 時，微波功率對萃取的影響較大。黃冬蘭用微波法萃取靈芝中的多糖，以無水葡糖糖為參比，5% 的苯酚和硫酸為顯色劑，用分光光度法測定靈芝中的多糖含量，微波功率，時間和料液比對結果的影響大小關係為：微波功率 > 微波時間 > 料液比。曹洪斌等綜述了微波萃取在中藥提取技術中的作用，主要介紹了黃酮類、 多糖類、 苷類、 揮髮油、 蒽醌類、 有機酸類、 生物鹼類等的提取 。張岩等以微波輔助乙醇提取大豆生育酚， 考察了萃取功率、 萃取溫度、 萃取時間對萃取量的影響，從而確定以無水乙醇萃取大豆中生育酚的最佳工藝為： 料液比 1: 10( g /mL) ， 萃取時間 10min，萃取溫度 40℃ ，萃取功率 400 W。
環境檢測
在自然界中， 我們的生活離不開水、 土壤、 空氣，它們與我們的生活息息相關，而隨著科技的發展，工業廢水，廢渣，農藥的使用，使人類賴以生存的水、 大氣、 土壤受到了污染。在國家環境保護標準 HJ678-2013， HJ680-2013， HJ702-2014 中分別有水質、 土壤和沉積物以及固體廢物中的重金屬利用微波進行前處理的方法。王文波等以水為萃取劑，從刨花板中萃取甲醛， 通過甲醛與酚試劑的反應，用分光光度法，在 630 nm處測定吸光度， 確定了最佳顯色條件：10 mL，0.1 mol /L的鹽酸溶液，0.4 mL 的硫酸鐵銨，2.0 mL的酚試劑，反應溫度 30℃ ， 反應時間 40 min， 並且此方法具有較好的回收率， 達到 97.08% 以上。
臨床套用
在臨床上，有研究用微波選擇性萃取人血或血清中的藥物 ( 鎮靜劑 ) 。採用微波萃取法從血紅細胞表面分離抗體僅需 10 min，而常規法則需 80 min 。微波萃取法還可用於從血漿中分離血清和從血清中分離抗原。
展望
萃取方式
目前，微波萃取的方式主要有常壓萃取、高壓萃取、靜態萃取、流動注射動態萃取等。常壓萃取的得率相對低，而高壓萃取存在安全問題；靜態萃取後的樣品，尚需進行後期處理，才能進入分析階段，不易分離純化，流動注射萃取是目前較好的微波萃取方式。為了進一步提高微波萃取的安全性及檢測速度，可以通過添加特殊物質或與其它方法結合套用，進一步提高它的萃取效果，改善安全性能。例如，上海新拓微波溶樣測試技術有限公司生產的CW-2000型超聲-微波協同萃取/反應系統，就是將微波與超音波結合起來，充分利用了超音波的空化作用和微波的高能作用。此外，還可將微波萃取與現代分析測定方法結合，形成萃取測定分析連續進行，大力開發線上萃取分析結合套用的方式，從而簡化試樣的分析程式。
萃取設備
目前，有關微波萃取的文獻多為套用及實驗研究，而對微波萃取設備的研製相對較少。隨著微波萃取的廣泛套用及工業化，有關微波萃取設備的研製將成為今後研究的重點。
首先，在有關微波萃取的研究中，多採用家用微波爐、實驗室專用微波靜態萃取儀或自行改裝的微波連續萃取裝置作為實驗設備，其中以萃取罐作為容器的靜態萃取存在著後期處理複雜，不易分離的缺點，而連續萃取裝置易於分離提純，但大多不能帶壓萃取。因此，研製將不同萃取方式的優點結合的萃取設備是十分必要的。
其次，微波萃取設備的安全性問題一直受到關注，設備的溫壓控制系統及危害監測等都關係著其安全性。可通過研製開發高科技、精確的控制及線上監測體系，提高微波萃取儀的安全性能。上海新儀微波化學科技有限公司研製的MAS-I型常壓微波輔助合成/萃取反應儀可通過彩色液晶顯示器實時觀察反應容器內的反應變化，及時掌握反應情況。同時也要考慮危害發生時的控制，這就需要在自動泄壓及防爆等方面做出研究。
