食品檢測技術--微波輔助萃取法進行食品樣品預處理
微波輔助萃取法
微波輔助萃取(microwave-assisted extraction)又叫微波萃取,是一種非常具有發展潛力的新的萃取技術,即用微波能加熱與樣品相接觸的溶劑,將所需化合物從樣品基體中分離出來并進入溶劑,是在傳統萃取工藝的基礎上強化傳熱、傳質的一個過程。通過微波強化,其萃取速率、萃取效率及萃取質量均比常規工藝好很多,因此在萃取和分離天然產物的應用中發展迅速。微波技術應用于天然產物萃取的公開報道始于1986年,Gedye 等將樣品置于普通家用微波爐,通過選擇功率擋、作用時間和溶劑類型,只需短短幾分鐘即可萃取出目標產物,而傳統萃取方式需要幾個小時。20世紀90年代初,加拿大環境保護部和加拿大 CWT2TRAN 公司合作開發了微波萃取系統,現已廣泛應用于香料、調味品、天然色素、草藥和化妝品等領域。在我國,微波萃取技術已經用于上百種草藥的提取生產線,如葛根、三七、茶葉、銀杏等。微波萃取已列為我國21世紀食品加工和中藥制藥現代化推廣技術之一。
1、微波萃取的機理和特點
1)微波萃取的機理
微波是指波長在1mm～1m 之間、頻率在300～300000MHz 之間的電磁波,它介于紅外線和無線電波之間。微波萃取的機理可由以下兩方面考慮:一方面,微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質,到達植物物料的內部維管束和腺細胞內,由于物料內的水分大部分是在維管束和腺細胞內,水分吸收微波能后使細胞內部溫度迅速上升,而溶劑對微波是透明(或半透明)的,受微波的影響小,溫度較低。連續的高溫使其內部壓力超過細胞壁的膨脹能力,從而導致細胞破裂,細胞內的物質自由流出,萃取介質就能在較低的溫度條件下捕獲并溶解,通過進一步過濾和分離,便獲得萃取物料。另一方面,微波所產生的電磁場,加速被萃取部分向萃取溶劑界面擴散的速率,用水作溶劑時,在微波場下,水分子高速轉動成為激發態,這是一種高能量不穩定狀態,或者水分子汽化,加強萃取組分的驅動力;或者水分子本身釋放能量回到基態,所釋放的能量傳遞給其他物質分子,加速其熱運動,縮短萃取組分的分子由物料內部擴散到萃取溶劑界面的時間,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。
2)微波萃取的特點及與傳統熱萃取的區別
傳統熱萃取是以熱傳導、熱輻射等方式由外向里進行,即能量首先無規則地傳遞給萃取劑,再由萃取劑擴散進基體物質,然后從基體中溶解或夾帶出多種成分出來,即遵循加熱—滲透進基體—溶解或夾帶—滲透出來的模式,因此萃取的選擇性較差;而微波萃取是通過離子遷移和偶極子轉動兩種方式里外同時加熱,能對體系中的不同組分進行選擇性加熱,使目標組分直接從基體中分離。
與傳統提取方法相比,微波萃取有無可比擬的優勢,主要體現在:選擇性高,可以提高收率及提取物質純度,快速高效,節能,節省溶劑,污染小,質量穩定,有利于萃取對熱不穩定的物質,可以避免長時間的高溫引起樣品的分解,特別適合處理熱敏性組分或從天然物質中提取有效成分,同時可實行多份試樣同時處理,也特別適合處理大批量樣品。
與超臨界萃取相比,微波萃取的儀器設備比較簡單,投資小,且適用面廣,較少受被萃取物質極性的限制(目前超臨界流體萃取難以應用于極性較強的物質)。與超聲萃取法相比,微波萃取具有快速、節省溶劑、提取效率高等優點,而超聲萃取一般需要重復萃取才能將有效成分萃取完全。
2、微波輔助萃取的參數及影響因素
微波輔助萃取操作過程中,萃取參數包括萃取溶劑、萃取功率和萃取時間。影響萃取效果的因素很多,如萃取劑的選擇、微波劑量、物料含水量、萃取溫度、萃取時間及溶劑 pH 值等。
1)萃取劑的選擇
在微波輔助萃取中,應盡量選擇對微波透明或部分透明的介質作為萃取劑,也就是選擇介電常數較小的溶劑,同時要求萃取劑對目標成分有較強的溶解能力,對萃取成分的后續操作干擾較小。當被提取物料中含不穩定或揮發性成分時,如中藥中的精油,宜選用對微波射線高度透明的溶劑;若需除去此類成分,則應選用對微波部分透明的萃取劑,這樣萃取劑可吸收部分微波能轉化成熱能,從而去除或分解不需要的成分。微波萃取要求溶劑必須有一定的極性,才能吸收微波進行內部加熱。通常的做法是在非極性溶劑中加入極性溶劑。目前常見的微波輔助萃取劑有甲醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、正己烷、苯等有機溶劑和硝酸、鹽酸、氫氟酸、磷酸等無機溶劑以及己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇、水-甲苯等混合溶劑。
2)試樣中水分或濕度的影響
水是介電常數較大的物質,可以有效地吸收微波能并轉化為熱能,所以植物物料中含水量的多少對萃取率的影響很大。另外,含水量的多少對萃取時間也有很大影響,因為水能有效地吸收微波能,因而干的物料需要較長的輻照時間。研究表明,生物物料的含水量對回收率的影響很大,正因為植物物料組織中含有水分,才能有效吸收微波能,進而產生溫度差。若物料是經過干燥(不含水分)的,就要采取物料再濕的方法,使其具有足夠的水分。也可選用部分吸收微波能的半透明萃取劑,用此萃取劑浸漬物料,置于微波場中進行輻射加熱的同時發生萃取作用。
國外有人以異辛烷為萃取劑從植物中微波萃取去除有機氯殺蟲劑的農藥殘留,不僅能得到較高的去除率,而且沒有化合物分解。當樣品水分為15%時效率最高。
以丙酮-正己烷為萃取劑從土壤中微波萃取 PAHs 時,試樣中小于20%的水分使丙酮-正己烷的萃取能力提高。
3)微波劑量的影響
在微波輔助萃取過程中,所需的微波劑量的確定應以最有效地萃取出目標成分為原則。一般所選用的微波能功率在200～1000W,頻率為2×103～3×105MHz,微波輻照時間不可過長。
4)破碎度的影響
和傳統提取一樣,被提取物經過適當破碎,可以增大接觸面積,有利于提取的進行。但通常情況下傳統提取不把物料破碎得太小,因為這樣可能使雜質增加,增加提取物中的無效成分,也給后續過濾帶來困難。同時,將近100℃的提取溫度會使物料中的淀粉成分糊化,使提取液變得黏稠,這也增加了后續過濾的難度。在微波提取中,通常根據物料的特性將其破碎為2～10mm 的顆粒,粒徑相對不是太小,后面可以方便地過濾。同時,提取溫度比較低,沒有達到淀粉的糊化溫度,不會給過濾帶來困難。
5)分子極性的影響
在微波場下,極性分子易受微波作用,目標組分如果是極性成分,會比較容易擴散。在天然產物中,完全的非極性分子是比較少的,物質分子或多或少存在一定的極性,絕大部分天然產物的分子都會受到微波電磁場的作用。在適當的條件下,微波提取一個批次可以在數分鐘內完成。需要指出的是,物質離開微波場后提取過程并不會立即停止,事實上,離開微波場后由于微波持續產生的熱量,以及形成的溫度梯度,提取過程仍會進行。
6)溶劑 pH 值的影響
溶液的 pH 值也會對微波萃取的效率產生一定的影響,針對不同的萃取樣品,溶液有一個最佳的用于萃取的酸堿度。人們考察了從土壤中萃取除草劑時 pH 值對回收率的影響。結果表明:隨著 pH 值的上升,除草劑的回收率也逐步增加,但是由于萃取出的酸性成分的增加,萃取物的顏色加深。
7)萃取時間的影響
微波萃取時間與被測物樣品量、溶劑體積和加熱功率有關。與傳統萃取方法相比,微波萃取的時間很短,一般情況下10～15min 已經足夠。研究表明,從食品中萃取氨基酸成分時,萃取效率并沒有隨萃取時間的延長而有所改善,但是連續的輻照也不會引起氨基酸的降解或破壞。在萃取過程中,一般加熱1～2min 即可達到所要求的萃取溫度。對于不同的物質,最佳萃取時間不同。連續輻照時間也不可太長,否則容易引起溶劑沸騰,不僅造成溶劑的極大浪費,還會帶走目標產物,降低產率。
8)萃取溫度的影響
在微波密閉容器中內部壓力可達到十幾個大氣壓,因此,溶劑沸點比常壓下的溶劑沸點高,這樣微波萃取可達到常壓下同樣的溶劑達不到的萃取溫度。此外,隨著溫度的升高,溶劑的表面張力和黏性都會有所降低,從而使溶劑的滲透力和對樣品的溶解力增加,以提高萃取效率,而又不至于分解待測萃取物。萃取回收率隨溫度升高的趨勢僅表現在不太高的溫度范圍內,且各物質的最佳萃取回收溫度不同。對不同條件下溶劑沸點及微波萃取中溫度對萃取回收率的影響的研究表明,在密閉容器中丙酮的沸點提高到164℃,丙酮-環己烷(1∶1)的共沸點提高到158℃,這遠高于常壓下的沸點,而萃取溫度在120℃時可獲得最好的回收率。
9)萃取劑用量的影響
萃取劑用量可在較大范圍內變動,以充分提取所希望的物質為度,萃取劑與物料之比(L/kg)在(1～20)∶1范圍內選擇。固液比是提取過程中的一個重要因素,主要表現在影響固相和液相之間的濃度差,即傳質推動力。在傳統萃取過程中,一般隨固液比的增加,回收率也會增加,但是在微波萃取過程中,有時回收率隨固液比的增加反而降低。固液比的提高必然會在較大程度上提高傳質推動力,但萃取液體積太大,萃取時釜內壓力過大,會超出承受能力,導致溶液濺失。
3、微波萃取設備的研究狀況
1)微波萃取實驗設備
目前,用來進行微波萃取的設備主要有兩類。第一類是直接使用普通家用微波爐或用家用微波爐改裝的微波萃取裝置,通過調節脈沖間斷時間的長短來調節微波輸出能量。這種微波爐造價低、體積小,適合在實驗室應用,但很難進行回流提取,反應容器只能采取封閉或敞口放置兩種方法,而且由于缺乏控制設施,一般僅能大概了解微波對于成分萃取的作用,而無法得到準確的實驗數據,更無法用來摸索生產工藝條件。第二類是美國 CEM 公司和意大利 Milestone 公司生產的適用于溶解、萃取和有機合成的系列微波實驗設備。這些設備均擺脫了傳統的開關磁控管功率調整方式,實現了非脈沖連續微波調整,一般都有功率選擇和控溫、控壓、控時裝置,萃取罐由聚四氟乙烯等材料制成,萃取罐能允許微波自由透過、耐高溫高壓且不與溶劑反應。由于每個系統可容納9～12個萃取罐,因此試樣的批量處理量大大提高,樣品處理能力可達到100g/罐,實現了智能化,屬于樣品中特定成分分析用微波萃取設備,方便快捷,但價格昂貴,且不適合用于較大量天然藥物成分提取及生產工藝改進等實驗研究。國內中科院深圳南方大恒公司和上海新科微波技術應用研究所研制的 WK2000微波快速反應系統和 MK2Ⅲ 型光纖自動控壓微波消解系統屬于該類產品的仿制產品,但用的是傳統的脈沖微波技術,許多單位用來進行提取分析實驗。為了將微波萃取技術更好地用于天然藥物的研究和開發,國內研究人員正在對連續微波萃取設備進行研制,以克服上述設備的缺點。上海華東理工大學研究人員自行設計了可用于連續微波萃取的設備,并進行了可行性研究,證明其符合連續生產時流體的流動要求,并已申請ZL。
2)微波萃取生產設備研究
利用微波特性制造工業生產用微波設備,并用于加熱、干燥、消毒、化學反應和萃取等已越來越多。目前國內已開發出可用于天然藥物微波萃取的生產設備,主要有兩類:一類為微波萃取罐,類似于中藥生產中常用的多功能提取罐;另一類為連續微波萃取線。兩者的主要區別:一個是分批處理物料,另一個是以連續方式工作的萃取設備,具體參數一般由生產廠家根據使用廠家的要求進行專門設計。使用的微波頻率一般有兩種:2450MHz 和915MHz。已有廠家采用微波萃取設備提取葛根、甘草、板藍根等天然藥物的成分。一般來講,工業微波設備必須滿足下列條件:①微波發生源有足夠的功率和穩定的工作狀態;②結構合理,能夠根據不同目的任意調整,而且便于拆卸和運輸;③一般要求有溫控附件;④能連續工作,操作簡便;⑤使用安全,微波泄漏符合要求:用大于10mW 量程的漏場儀距被測處0.5cm 檢測,漏場強度應小于10mW/cm2。
4、微波萃取工藝流程
準確稱取一定量的待測樣品置于微波制樣杯內,根據萃取物情況加入適量的萃取溶劑。按微波制樣要求,把裝有樣品的制樣杯放到密封罐中,然后把密封罐放到微波制樣爐里。設置目標溫度和萃取時間,加熱萃取直至結束。把制樣罐冷卻至室溫,取出制樣杯,過濾或離心分離,制成可進行下一步測定的溶液。
1)微波萃取的工藝流程
微波萃取主要經過以下步驟:選料、清洗、粉碎、微波萃取、分離、濃縮、干燥、粉化、產品。
2)微波萃取條件
①微波萃取裝置一般要求為帶有控溫元件的微波制樣設備。
②微波萃取用制樣杯一般為聚四氟乙烯材料制成的樣品杯。
③微波萃取溶劑為具有極性的溶劑,如乙醇、甲醇、丙酮或水等。因非極性溶劑不吸收微波能,所以不能用100%的非極性溶劑作微波萃取溶劑。一般可在非極性溶劑中加入一定比例的極性溶劑來使用,如丙酮-環己烷(1∶1)。
④在微波萃取中要控制溶劑溫度使其不沸騰或在使用溫度下不分解待測物。
