微波辅助萃取的参数及影响因素
微波辅助萃取操作过程中,萃取参数包括萃取溶剂、萃取功率和萃取时间。影响萃取效果的因素很多,如萃取剂的选择、微波剂量、物料含水量、萃取温度、萃取时间及溶剂 pH 值等。
1)萃取剂的选择
在微波辅助萃取中,应尽量选择对微波透明或部分透明的介质作为萃取剂,也就是选择介电常数较小的溶剂,同时要求萃取剂对目标成分有较强的溶解能力,对萃取成分的后续操作干扰较小。当被提取物料中含不稳定或挥发性成分时,如中药中的精油,宜选用对微波射线高度透明的溶剂;若需除去此类成分,则应选用对微波部分透明的萃取剂,这样萃取剂可吸收部分微波能转化成热能,从而去除或分解不需要的成分。微波萃取要求溶剂必须有一定的极性,才能吸收微波进行内部加热。通常的做法是在非极性溶剂中加入极性溶剂。目前常见的微波辅助萃取剂有甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、正己烷、苯等有机溶剂和硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等无机溶剂以及己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇、水-甲苯等混合溶剂。
2)试样中水分或湿度的影响
水是介电常数较大的物质,可以有效地吸收微波能并转化为热能,所以植物物料中含水量的多少对萃取率的影响很大。另外,含水量的多少对萃取时间也有很大影响,因为水能有效地吸收微波能,因而干的物料需要较长的辐照时间。研究表明,生物物料的含水量对回收率的影响很大,正因为植物物料组织中含有水分,才能有效吸收微波能,进而产生温度差。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。
国外有人以异辛烷为萃取剂从植物中微波萃取去除有机氯杀虫剂的农药残留,不仅能得到较高的去除率,而且没有化合物分解。当样品水分为15%时效率最高。
以丙酮-正己烷为萃取剂从土壤中微波萃取 PAHs 时,试样中小于20%的水分使丙酮-正己烷的萃取能力提高。
3)微波剂量的影响
在微波辅助萃取过程中,所需的微波剂量的确定应以最有效地萃取出目标成分为原则。一般所选用的微波能功率在200～1000W,频率为2×103～3×105MHz,微波辐照时间不可过长。
4)破碎度的影响
和传统提取一样,被提取物经过适当破碎,可以增大接触面积,有利于提取的进行。但通常情况下传统提取不把物料破碎得太小,因为这样可能使杂质增加,增加提取物中的无效成分,也给后续过滤带来困难。同时,将近100℃的提取温度会使物料中的淀粉成分糊化,使提取液变得黏稠,这也增加了后续过滤的难度。在微波提取中,通常根据物料的特性将其破碎为2～10mm 的颗粒,粒径相对不是太小,后面可以方便地过滤。同时,提取温度比较低,没有达到淀粉的糊化温度,不会给过滤带来困难。
5)分子极性的影响
在微波场下,极性分子易受微波作用,目标组分如果是极性成分,会比较容易扩散。在天然产物中,完全的非极性分子是比较少的,物质分子或多或少存在一定的极性,绝大部分天然产物的分子都会受到微波电磁场的作用。在适当的条件下,微波提取一个批次可以在数分钟内完成。需要指出的是,物质离开微波场后提取过程并不会立即停止,事实上,离开微波场后由于微波持续产生的热量,以及形成的温度梯度,提取过程仍会进行。
6)溶剂 pH 值的影响
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。人们考察了从土壤中萃取除草剂时 pH 值对回收率的影响。结果表明:随着 pH 值的上升,除草剂的回收率也逐步增加,但是由于萃取出的酸性成分的增加,萃取物的颜色加深。
7)萃取时间的影响
微波萃取时间与被测物样品量、溶剂体积和加热功率有关。与传统萃取方法相比,微波萃取的时间很短,一般情况下10～15min 已经足够。研究表明,从食品中萃取氨基酸成分时,萃取效率并没有随萃取时间的延长而有所改善,但是连续的辐照也不会引起氨基酸的降解或破坏。在萃取过程中,一般加热1～2min 即可达到所要求的萃取温度。对于不同的物质,最佳萃取时间不同。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浪费,还会带走目标产物,降低产率。
8)萃取温度的影响
在微波密闭容器中内部压力可达到十几个大气压,因此,溶剂沸点比常压下的溶剂沸点高,这样微波萃取可达到常压下同样的溶剂达不到的萃取温度。此外,随着温度的升高,溶剂的表面张力和黏性都会有所降低,从而使溶剂的渗透力和对样品的溶解力增加,以提高萃取效率,而又不至于分解待测萃取物。萃取回收率随温度升高的趋势仅表现在不太高的温度范围内,且各物质的最佳萃取回收温度不同。对不同条件下溶剂沸点及微波萃取中温度对萃取回收率的影响的研究表明,在密闭容器中丙酮的沸点提高到164℃,丙酮-环己烷(1∶1)的共沸点提高到158℃,这远高于常压下的沸点,而萃取温度在120℃时可获得最好的回收率。
9)萃取剂用量的影响
萃取剂用量可在较大范围内变动,以充分提取所希望的物质为度,萃取剂与物料之比(L/kg)在(1～20)∶1范围内选择。固液比是提取过程中的一个重要因素,主要表现在影响固相和液相之间的浓度差,即传质推动力。在传统萃取过程中,一般随固液比的增加,回收率也会增加,但是在微波萃取过程中,有时回收率随固液比的增加反而降低。固液比的提高必然会在较大程度上提高传质推动力,但萃取液体积太大,萃取时釜内压力过大,会超出承受能力,导致溶液溅失。
