食品检测技术--微波辅助萃取法进行食品样品预处理
微波辅助萃取法
微波辅助萃取(microwave-assisted extraction)又叫微波萃取,是一种非常具有发展潜力的新的萃取技术,即用微波能加热与样品相接触的溶剂,将所需化合物从样品基体中分离出来并进入溶剂,是在传统萃取工艺的基础上强化传热、传质的一个过程。通过微波强化,其萃取速率、萃取效率及萃取质量均比常规工艺好很多,因此在萃取和分离天然产物的应用中发展迅速。微波技术应用于天然产物萃取的公开报道始于1986年,Gedye 等将样品置于普通家用微波炉,通过选择功率挡、作用时间和溶剂类型,只需短短几分钟即可萃取出目标产物,而传统萃取方式需要几个小时。20世纪90年代初,加拿大环境保护部和加拿大 CWT2TRAN 公司合作开发了微波萃取系统,现已广泛应用于香料、调味品、天然色素、草药和化妆品等领域。在我国,微波萃取技术已经用于上百种草药的提取生产线,如葛根、三七、茶叶、银杏等。微波萃取已列为我国21世纪食品加工和中药制药现代化推广技术之一。
1、微波萃取的机理和特点
1)微波萃取的机理
微波是指波长在1mm～1m 之间、频率在300～300000MHz 之间的电磁波,它介于红外线和无线电波之间。微波萃取的机理可由以下两方面考虑:一方面,微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质,到达植物物料的内部维管束和腺细胞内,由于物料内的水分大部分是在维管束和腺细胞内,水分吸收微波能后使细胞内部温度迅速上升,而溶剂对微波是透明(或半透明)的,受微波的影响小,温度较低。连续的高温使其内部压力超过细胞壁的膨胀能力,从而导致细胞破裂,细胞内的物质自由流出,萃取介质就能在较低的温度条件下捕获并溶解,通过进一步过滤和分离,便获得萃取物料。另一方面,微波所产生的电磁场,加速被萃取部分向萃取溶剂界面扩散的速率,用水作溶剂时,在微波场下,水分子高速转动成为激发态,这是一种高能量不稳定状态,或者水分子汽化,加强萃取组分的驱动力;或者水分子本身释放能量回到基态,所释放的能量传递给其他物质分子,加速其热运动,缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到萃取溶剂界面的时间,从而使萃取速率提高数倍,同时还降低了萃取温度,最大限度保证萃取的质量。
2)微波萃取的特点及与传统热萃取的区别
传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行,即能量首先无规则地传递给萃取剂,再由萃取剂扩散进基体物质,然后从基体中溶解或夹带出多种成分出来,即遵循加热—渗透进基体—溶解或夹带—渗透出来的模式,因此萃取的选择性较差;而微波萃取是通过离子迁移和偶极子转动两种方式里外同时加热,能对体系中的不同组分进行选择性加热,使目标组分直接从基体中分离。
与传统提取方法相比,微波萃取有无可比拟的优势,主要体现在:选择性高,可以提高收率及提取物质纯度,快速高效,节能,节省溶剂,污染小,质量稳定,有利于萃取对热不稳定的物质,可以避免长时间的高温引起样品的分解,特别适合处理热敏性组分或从天然物质中提取有效成分,同时可实行多份试样同时处理,也特别适合处理大批量样品。
与超临界萃取相比,微波萃取的仪器设备比较简单,投资小,且适用面广,较少受被萃取物质极性的限制(目前超临界流体萃取难以应用于极性较强的物质)。与超声萃取法相比,微波萃取具有快速、节省溶剂、提取效率高等优点,而超声萃取一般需要重复萃取才能将有效成分萃取完全。
2、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。
3、微波萃取设备的研究状况
1)微波萃取实验设备
目前,用来进行微波萃取的设备主要有两类。第一类是直接使用普通家用微波炉或用家用微波炉改装的微波萃取装置,通过调节脉冲间断时间的长短来调节微波输出能量。这种微波炉造价低、体积小,适合在实验室应用,但很难进行回流提取,反应容器只能采取封闭或敞口放置两种方法,而且由于缺乏控制设施,一般仅能大概了解微波对于成分萃取的作用,而无法得到准确的实验数据,更无法用来摸索生产工艺条件。第二类是美国 CEM 公司和意大利 Milestone 公司生产的适用于溶解、萃取和有机合成的系列微波实验设备。这些设备均摆脱了传统的开关磁控管功率调整方式,实现了非脉冲连续微波调整,一般都有功率选择和控温、控压、控时装置,萃取罐由聚四氟乙烯等材料制成,萃取罐能允许微波自由透过、耐高温高压且不与溶剂反应。由于每个系统可容纳9～12个萃取罐,因此试样的批量处理量大大提高,样品处理能力可达到100g/罐,实现了智能化,属于样品中特定成分分析用微波萃取设备,方便快捷,但价格昂贵,且不适合用于较大量天然药物成分提取及生产工艺改进等实验研究。国内中科院深圳南方大恒公司和上海新科微波技术应用研究所研制的 WK2000微波快速反应系统和 MK2Ⅲ 型光纤自动控压微波消解系统属于该类产品的仿制产品,但用的是传统的脉冲微波技术,许多单位用来进行提取分析实验。为了将微波萃取技术更好地用于天然药物的研究和开发,国内研究人员正在对连续微波萃取设备进行研制,以克服上述设备的缺点。上海华东理工大学研究人员自行设计了可用于连续微波萃取的设备,并进行了可行性研究,证明其符合连续生产时流体的流动要求,并已申请ZL。
2)微波萃取生产设备研究
利用微波特性制造工业生产用微波设备,并用于加热、干燥、消毒、化学反应和萃取等已越来越多。目前国内已开发出可用于天然药物微波萃取的生产设备,主要有两类:一类为微波萃取罐,类似于中药生产中常用的多功能提取罐;另一类为连续微波萃取线。两者的主要区别:一个是分批处理物料,另一个是以连续方式工作的萃取设备,具体参数一般由生产厂家根据使用厂家的要求进行专门设计。使用的微波频率一般有两种:2450MHz 和915MHz。已有厂家采用微波萃取设备提取葛根、甘草、板蓝根等天然药物的成分。一般来讲,工业微波设备必须满足下列条件:①微波发生源有足够的功率和稳定的工作状态;②结构合理,能够根据不同目的任意调整,而且便于拆卸和运输;③一般要求有温控附件;④能连续工作,操作简便;⑤使用安全,微波泄漏符合要求:用大于10mW 量程的漏场仪距被测处0.5cm 检测,漏场强度应小于10mW/cm2。
4、微波萃取工艺流程
准确称取一定量的待测样品置于微波制样杯内,根据萃取物情况加入适量的萃取溶剂。按微波制样要求,把装有样品的制样杯放到密封罐中,然后把密封罐放到微波制样炉里。设置目标温度和萃取时间,加热萃取直至结束。把制样罐冷却至室温,取出制样杯,过滤或离心分离,制成可进行下一步测定的溶液。
1)微波萃取的工艺流程
微波萃取主要经过以下步骤:选料、清洗、粉碎、微波萃取、分离、浓缩、干燥、粉化、产品。
2)微波萃取条件
①微波萃取装置一般要求为带有控温元件的微波制样设备。
②微波萃取用制样杯一般为聚四氟乙烯材料制成的样品杯。
③微波萃取溶剂为具有极性的溶剂,如乙醇、甲醇、丙酮或水等。因非极性溶剂不吸收微波能,所以不能用100%的非极性溶剂作微波萃取溶剂。一般可在非极性溶剂中加入一定比例的极性溶剂来使用,如丙酮-环己烷(1∶1)。
④在微波萃取中要控制溶剂温度使其不沸腾或在使用温度下不分解待测物。
