王小強 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所 新疆 庫爾勒 841000)

微波萃取技術及其應用

王小強 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所 新疆 庫爾勒 841000)

對微波萃取技術的原理、特點、工藝、設備、應用等方面進行了綜述。闡述了微波萃取技術的優(yōu)點、工藝設備具體構成及其在環(huán)境分析、化工分析、食品分析及生化分析、天然產(chǎn)物提取、礦物處理、臨床中的應用。

微波萃取;技術;應用

引言

萃取是分離和提純物質(zhì)的一種常用方法,是制藥、食品及化工生產(chǎn)中廣泛采用的一種單元操作。傳統(tǒng)的萃取方法有索氏萃取、攪拌萃取和超聲波萃取等,但由于具有費時、費試劑、效率低、重現(xiàn)性差等缺點,近年來已不能滿足發(fā)展的需要,因而先后出現(xiàn)了超臨界流體萃取(SFE)、微波萃取(MAE)和加速溶劑萃取(ASE)。因存在技術缺陷、設備復雜、運行成本高或萃取效率低等問題,超臨界萃取和加速溶劑萃取的發(fā)展和應用受到了限制,而微波萃取則克服了以上缺點,表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景和巨大的應用潛力。采用微波萃取法制備樣品,具有時間短、節(jié)省試劑、制樣精度高、回收率高等優(yōu)點。微波萃取技術是微波技術與萃取技術相結(jié)合產(chǎn)生的新技術。

一、微波萃取介紹

微波萃取是一種很有潛力的萃取技術，它是在傳統(tǒng)萃取工藝基礎上強化傳熱、傳質(zhì)，通過微波強化，提高萃取速度、蘋取效率及萃取質(zhì)量的革取方式。其萃取機理有2個方面:①微波輻射過程中，高頻電磁波穿透革取介質(zhì)，由于吸收微波能，細胞內(nèi)部溫度迅速上升，使細胞內(nèi)部壓力超過細胞壁膨脹承受能力，則細胞破裂，細胞內(nèi)有效成分自由流出，在較低的溫度條件下被c萃取介質(zhì)溶解，通過進一步過濾和分離，便獲得萃取物料。②微波所產(chǎn)生的電磁波加速被革取部分成分向萃取溶劑界面的擴散速率。例如用水作溶劑時，在微波場下，水分子高速轉(zhuǎn)動成為激發(fā)態(tài)，水分子汽化，加強萃取組分擴散的驅(qū)動力，水分子回到基態(tài)所釋放的能量傳遞給其他的物質(zhì)分子，加速其熱運動。從而使萃取速率提高數(shù)倍，同時還降低了萃取溫度，保證了革取質(zhì)量。

二、微波萃取技術原理及特點

微波萃取法是微波技術與萃取技術相結(jié)合產(chǎn)生的新技術,在萃取過程中用微波來提高萃取效率。在微波場中,由于不同物質(zhì)的介電常數(shù)不同,吸收微波能的程度各不相同,其產(chǎn)生的熱能及傳遞給周圍環(huán)境的熱能也不同,這種差異使得萃取體系中的某些組分或基體物質(zhì)的某些區(qū)域受熱不均衡,一類物質(zhì)(如水、乙醇、某些酸、堿、鹽類)可以將微波轉(zhuǎn)化為熱能,這類物質(zhì)能吸收微波,提升自身及周圍物質(zhì)的溫度;另一類物質(zhì)(如烷烴、聚乙烯等非極性分子結(jié)構物質(zhì))在微波透過時很少吸收微波能量;第三類物質(zhì)(金屬類)可以反射微波,物質(zhì)與微波的不同作用產(chǎn)生的受熱不均衡性可以導致被萃取物從基體或體系中分離出來的結(jié)果。

微波萃取具有快速、節(jié)能、溶劑耗量小、污染小、多份試樣可同時處理等特點;與超臨界萃取相比[1],微波萃取具有以下優(yōu)點:設備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好以及其他特點。

三、微波萃取工藝及設備

1.微波萃取工藝過程

其常規(guī)工藝過程:將極性溶劑或極性溶劑和非極性溶劑混合物與被萃樣品混合裝入微波制樣容器(一般為聚四氟乙烯材料制成)中,在密閉狀態(tài)下,用微波制樣系統(tǒng)加熱,加熱后樣品過濾得到的濾液可進行分析測定,或作進一步處理。微波萃取溶劑應選用具有極性的溶劑,如乙醇、甲醇、丙酮以及水等,純非極性溶劑不吸收微波能量,使用時可在非極性的溶劑中加入一定濃度的極性溶劑,不能直接使用純非極性溶劑。在微波萃取中要求控制溶劑溫度保持在沸騰溫度以下;或使用溫度在待測物分解溫度以下。

2.微波萃取設備

實驗室常用的微波萃取裝置有多模腔體式和單模聚焦式兩種。微波萃取設備主要由特別加工微波加熱裝置、萃取容器、控壓及控溫裝置(根據(jù)不同要求配備)及附件構成。

四、微波萃取技術的應用

1.應用于環(huán)境分析中

農(nóng)藥殘留的微波萃取:微波萃取法需要的萃取溶劑較少,對于分析農(nóng)藥殘留低的樣品非常有利,相當于提高了方法的靈敏度。與常規(guī)方法不同,微波萃取不同基體中的農(nóng)藥殘留,應選擇合適的萃取溶劑。微波萃取法可用于土壤、沉積物中農(nóng)藥殘留的分析[2];還可分析生物樣品農(nóng)藥殘量。重金屬、有毒元素及其化合物的微波萃取:土壤、沉積物、生物樣品中存在有重金屬元素及有毒元素(錫、汞、鉛、砷等),利用微波萃取法分離、富集上述元素及其化合物[3],具有制樣速度快、試劑消耗少、靈敏度高的優(yōu)點。有機污染物的微波萃取:土壤、沉積物、灰塵及水中的有機污染物包括高聚物、多環(huán)芳烴[4]、氯化物、苯、潤滑油、酚類等,用微波萃取法能快速、用較少溶劑萃取分離有機污染物。環(huán)境樣品預處理的研究是微波萃取應用最主要方面。

2.應用于化工分析中

在石油化工中,微波萃取可用于聚合物及其添加物進行過程監(jiān)控和質(zhì)量控制。微波萃取可用于萃取PET薄膜中的低聚物;聚烯烴添加劑等過程中,還可用于從聚烯烴產(chǎn)品中分離穩(wěn)定劑。微波萃取法產(chǎn)生于分析化學的研究中,用于化工分析的更多方面是其發(fā)展的重要方向。

3.應用于食品分析及生化分析中

用微波萃取法處理食品樣品,可用于天然食品中微量組分的分析。文獻已報導的結(jié)果有:用微波萃取法萃取蔬菜樣品中的痕量金屬;萃取熟肉中的鹽霉素;萃取咖啡、飲料、口香糖中的調(diào)味劑;牛奶和谷類樣品中的核黃素和黃素單核苷酸。在生化分析方面,微波萃取可用于萃取蘋果葉中的痕量金屬;萃取豬體中的有機酸物質(zhì);萃取海生動物脂肪中的有機氯化合物等過程中,還可用于形態(tài)分析中[5]。

4.應用于天然產(chǎn)物提取中

在天然產(chǎn)物提取過程中,微波萃取可從植物物料中提取精油及其他有效成分。

5.應用于礦物處理中

微波萃取可用于鎳黃鐵礦的萃取過程等方面[6]。

6.應用于臨床中

在臨床中,微波萃取可用于萃取人血(或血清)這種萃取法已成功地用于幾個案例的偵破。從血紅細胞表面分離抗體的微波萃取法僅需10 min,而常規(guī)法需60～90 min。微波萃取法也已用到了從血漿中分離血清及從血清中分離抗原[7]。

7.微波萃取農(nóng)藥殘留

一般樣品中的農(nóng)殘含量很低(ppm-ppt),等樣品量用微波法萃取只需較少的萃取溶劑(約1/10)即可,實際上提高了分析方法的靈敏度。但微波萃取不同基體中的農(nóng)藥殘留,需要選用與常規(guī)法不同的萃取溶劑,以使溶劑不僅能較好地吸收微波能,而且可有效地從樣品中把農(nóng)藥殘留成分萃取出來。Silgoner和其同事的研究表明[8],用異辛烷、正己烷/丙酮、苯/丙酮(2∶1)、甲醇/乙酸、甲醇/正己烷、異辛烷/乙腈等作溶劑,在土壤或沉積物有一定濕度的條件下,微波萃取方法僅用3 min,就可獲得與Soxhlet提取法用6 h才能取得的相同的有機氯農(nóng)藥殘留回收率。已應用微波法萃取農(nóng)藥殘留的其他樣品有肉類、雞蛋和奶制品[9],土壤、砂子、吸塵器所得灰塵、水和沉積物,豬油[10],蔬菜(甜菜、黃瓜、萵苣、辣椒和西紅柿)[11],大蒜和洋蔥[12]。

8.有機污染物的微波萃取

土壤、河泥、海洋沉積物、環(huán)境灰塵以及水中的有機污染物一般指高聚物、多環(huán)芳烴、氯化物、苯、除草劑、潤滑油和酚類等。微波萃取不同基體中有機污染物的優(yōu)點是只需常規(guī)萃取方法十分之一的溶劑,約萃取5～20 min即可。應用微波萃取有機污染物的技術有二種,一種是采用多模腔體,此法的特點是一次可以制備多達14個樣品,萃取時間短。已用于土壤樣品中多環(huán)芳烴[13],酚類化合物[14],河泥、海洋沉積物、環(huán)境灰塵中有機污染物[15],水中的多氯聯(lián)苯[16]和其他有機污染物[17]。張展霞等人[18]用水和有機溶劑的混合物作微波萃取試劑,進一步降低了試劑的消耗。

9.金屬及其化合物的微波萃取

土壤、河泥、沉積物、海洋生物和一些植物樣品中重金屬元素及有毒元素(如錫、汞、鉛、鋅、砷、銻等)都是需要經(jīng)常檢測的項目。微波萃取法富集和分離這些元素或其化合物,不僅試劑消耗少,制樣快,而且檢測靈敏度高。影響微波萃取不同基體中金屬及其化合物的主要因素為萃取溫度、溶劑中酸的量、萃取時間和溶劑(甲苯)量。微波萃取土壤、海洋沉積物、礦物和礦渣中的金屬元素或其化合物,然后用發(fā)射光譜或質(zhì)譜儀器等進行測定[19],結(jié)果令人滿意。不同基體中元素的微波萃取研究,有海洋生物中甲基汞和砷[20],生物和植物樣品中銅、鎂、鋅和鉛,河泥中有機砷、有機錫和重金屬元素(Cu,Cr,Ni,Pb和Zn),土壤中的汞、鉛、鋅和銅,煤中砷和硒。天然植物中有效成分的萃取是化學研究的重要內(nèi)容,這方面微波萃取法也顯示了獨特的優(yōu)點,已見于文獻的研究報告有:迷迭香和薄荷中含有迷迭香或薄荷油混合物的提取;蔬菜類植物中吡咯雙烷基生物堿,不同植物中的嘧啶糖甙、棉子酚和生物堿等的提取,糧食和牛奶中維生素B的提取;植物中的香精香料,中藥中的重樓皂甙的提取。經(jīng)微波處理后的油菜籽、橄欖籽和葡萄籽可以提高出油率,這種用微波加快和提高植物油產(chǎn)率的成套裝置已由加拿大的CWT-TRAN國際有限公司生產(chǎn)和銷售。這種設備已被應用于大蒜、漿果、姜、香菜、蛇麻子、薄荷、歐芹、人參、紅辣椒、玉米、芹菜等產(chǎn)品,用以提取香精香料和油脂等。

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王小強(1987—)，男，漢族，安徽渦陽人，助理工程師，新疆巴音郭楞蒙古自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，研究方向：化學分析。