微波萃取

华安

1 微波萃取机理
微波萃取的机理可从两方面考虑，一方面微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部维管束和腺胞系统。由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，细胞破裂。细胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下萃取介质捕获并溶解。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成分向萃取溶剂界面扩散速率，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。
还有的文献是这样描述的：由于微波的频率与分子转动的频率相关连，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生瞬时极化，并以2.45亿次/秒的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性部分）更好 地接触和反应，同时迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出来并扩散到溶剂中。
2 微波萃取优点
传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行，而微波萃取是通过偶极子旋转和离子传导两种方式里外同时加热。传统热萃取和传统热萃取相比，微波萃取具有以下特点：
ａ、质量高，可有效地保护食品、药品以及其他化工物料中的功能成分 ；
ｂ、产量大 ；
ｃ、对萃取物具有高选择性 ；
ｄ、省时，可节省 50 ％～90％ 的时间；
ｅ、溶剂用量少 （ 可较常规方法少 50％～90％）；
ｆ、低耗能 。
微波辐射技术在食品萃取工业和化学工业上的应用研究虽然起步只有短短几年的时间，但已有的研究成果和应用成果已足以显示其以下优越性 ：
ａ、反应或萃取快；
ｂ、产率高，产品质量好；
ｃ、后处理方便；
ｄ、安全；
ｅ、无污染，属于绿色工程；
f 、生产线组成简单，节省投资；
微波萃取技术是食品和中药有效成分提取的一项新技术。据报道微波萃取较超临界萃取起步晚， 微波技术应用于有机化合物萃取的第一篇文献发表于1986年，R.NGEDYE 等人将样品放置于普通家用微波炉里通过选择功率档、作用时间和溶剂类型，只需短短的几分钟就可萃取传统加热需要几个小时甚至十几个小时的目标物质。1987年 G ANGLER 曾从棉籽中提取棉实糖，从豆类中提取豆碱。 九十年代初，由加拿大环境保护部和加拿大 CWT-TRA N 公司 携手开发了微波萃取系统 Microwave Assisted Process 简称 MAP ） 现已广泛应用到香料、调味品、天然色素、中草药、化妆品和土壤分析等领域，并且于1992年 开始陆续取得了美国、墨西哥、日本、西欧、韩国的专利许可。 并用大生产线在薄荷、海藻中提取有效物质均获得成功。
微波萃取效率高、純度高、能耗小、產生廢物少、操作費用少、符合環境保護要求。可廣泛用于中草藥、香料、保健食品、化妝食品、化妝品、茶飲料、調味料、果膠、高粘度殼聚糖等行業，目前在我国微波萃取已经用于多项中草药的侵取生产线之中，如葛根、茶叶、银杏等。微波萃取已列为我国二十一世纪食品加工和中药制药现代化推广技术之一。某中药研究机构的科研工作者，已经用微波萃取方法处理上百种中药。无论是萃取速度、萃取效率还是萃取质量均取比常规工艺优秀得多的结果。
3 微波萃取与其它萃取方法的比较
微波萃取技术与现有其他的萃取技术相比有明显的优势。化学溶剂萃取法耗能大、耗材多，耗时长，提取效率低，工业污染量大。超临界流体提取在提取效率上得到大大提高，但其方法要求的装备复杂，溶剂选择范围窄，需高压力容器和高压泵，故投资成本较高，建立大规模提取生产线有工程难度。
国外有关科研人员研究了从植物样品中微波辅助提取多种杀虫剂的适用性。在 10min 微波照射， 50% 最大功率的优化条件下，微波萃取与传统的超临界萃取 (SFE) 杀虫剂的回收率无多大差别，但明显节省溶剂和时间，且可同时处理多个样品。同时研究表明，微波提取的最佳回收率与提取温度，植物样品的基体及杀虫剂类型密切相关，针对不同的样品，不同的杀虫剂，采用相应的提取温度及时间，获得比超临界萃取高的回收率是完全可行的。
传统方法与微波辅助提取的回收率和时间的比较
化合物     回收率 /%     所需时间
    传统     微波     传统     微波
天然脂肪 ( 食物 )     100     98     ＞ 3h     ＜ 5min
antinutritives     40     100     ≥3h     ＜ 5min
杀虫剂 ( 土壤 )     90     100     ＜ 1.5h     ＜ 1min
微波萃取粗略工艺流程：
选料——清洗——粉碎——微波萃取——分离——浓缩——干燥——粉化——产品
4 微波萃取设备概况简介
从 用于微波萃取的设备分两类：一类为微波萃取罐，另一类为连续微波萃取线。两者主要区别一个是分批处理物料，类似多功能提取罐，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要求设计。使用的微波频率一般有两种： 2450MHz 915MHz
目前南京三乐微波技术发展有限公司已经研制出用于微波萃取的系列产品。微波 功率从 1KW～100KW，容积从0.1立方到3立方。萃取溶剂可以是水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、丙酮等强极性溶剂。根据不同物料与工艺也可以使用用弱极性溶剂。经多家食品生产厂家和制药厂家应用，效果良好。该系列产品性能稳定，自动化程度高，环境适应性强，操作简单，并符合GMP标准。该系列设备微波泄漏指标低于1mw/cm 2 ,与欧美指标接轨。

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超声提取技术的应用
  
        超声波是频率大于20KHZ以上的声波，具有频率高，波长短，功率大，穿透力强等特点。它在介质（液体）中传播时，能产生空化作用及一系列特殊效应（如力学效应、热效应、化学效应、生物效应等），具有搅拌、分散成雾、凝聚、冲击破碎和疲劳损坏、加热、促进氧化、还原、促进高分子物质的聚合或解聚等作用，由于具备许多特殊的物理性能，超声波技术应用愈来愈广泛，越来越受到人们的重视。
超声提取技术是利用超声波特殊的强纵向振动，高速冲击破碎，空化效应，搅拌及加热等物理性能。破坏提取物细胞结构，使溶媒能渗入细胞内部，从而加速有效成份的溶解，提高有效成份的提出率，实验对比分析证明超声提取可大大缩短提取时间，提高提取率，并且不改变有效成份的结构。
超声波技术已广泛应用于工业、农业、医药、卫生、国防等领域，尤其在提取中草药成份方面的应用正受到越来越多的重视。

超声提取技术在中草药成份提取中的应用
中草药原料所含成份相当复杂，不仅有有效成份，还含有无效成份，原料提取的好坏直接关系到成品药的治疗效果。目前，中草药有效成份提取的常见方法有浸渍（常温浸渍、温浸，煎煮）提取法、渗浸提取法、回流提取法等，提取时间长，提出率也低；多年实验研究证明，使用超声提取技术所需设备简单，操作方便，提取时间短，提取率高，节能、节约药材，无需加热，具有很多常规提取方法无法比拟的优点。

1.1在提取皂甙类成份中的应用
皂甙类成份常用水煎煮法或有机溶剂浸泡提取，超声提取可大大缩短提取时间，提高提取率，例如：
◆从党参中提取党参皂甙    以浸渍法对照，超声提取40分钟党参皂甙的提出率高出浸渍法（乙醇冷浸48H）1倍多，且超声提取的党参皂甙得到的粗品量是常规提取方法的近2倍，纯度也高。
◆从穿山龙根茎中提取薯蓣皂甙    以70%乙醇浸泡48小时作对照，超声提取30分钟，提出率是乙醇浸泡的12倍，并且可大大节约药材（23%以上）。
◆从天麻中提取天麻素和天麻甙元    超声提取10分钟比冷浸泡提取48小时的提出率还高。
◆从肉苁蓉提取肉苁蓉甙    甲醇提取时，超声提取30分钟与常规浸提24小时和80℃回流5小时肉苁蓉提取率相当。

1.2在提取生物碱中的应用
常规法提取生物碱一般采用水溶液或碱性水溶液浸泡、煎煮，但是提取时间长，收率低；用超声提取时间短，提出率高，例如：
◆从黄柏中提取小檗碱    超声提取30分钟的提出率比用饱和石灰水浸泡24小时的提出率高18.26%。
◆从黄连根茎中提取黄连素    超声提取30分钟，提出率可达到8.12%，与用浸泡法提取24小时提出率相同。
◆从曼佗罗叶中提取曼佗罗碱    以煎煮法作对照，超声提取30分钟，比常规煎煮提取3小时的提前样品含碱量高9%。
◆从萝芙木跟中提取生物碱    用常规浸渍需要8小时才能将其中的生物碱全部提出，超声提取只需15分钟就可把生物碱全部提出。
◆从吐根中提取生物碱    以索氏提取法对照，超声提取30分钟比用索氏提取5个小时所提取的生物碱量还多。
◆从黄连中提取小檗碱    以常规碱性浸泡作对照，超声提取30分钟所得到的小檗碱提取率比常规浸泡24小时高50%以上。
◆从肉苁蓉提取甜菜碱    水提取时，超声提取20分钟与常规浸提24小时和100℃回流7小时甜菜碱提取率相当。

1.3在提取黄铜类成份中的应用
黄铜类成份提取常用水煎煮法、碱提酸沉法或乙醇、甲醇浸泡提取，用超声提取方法可缩短提取时间，提高提取率，例如：
◆从黄芩根茎中提取黄芩甙    以水煎煮法对照，超声提取10分钟所得到的提出率就高于水煎煮提取3小时的提出率。
◆从槐木中提取芦丁    超声提取40分钟，其提出率可达22.53%，是目前大生产得率的1.7～2倍，节约药材30～40%。

1.4在提取蒽醌类成份中的应用
蒽衍生物在植物体内存在形式复杂，常规都采用乙醇或稀碱性水溶液提取，长时间受热会破坏其中的有效成份，影响成品药的疗效；使用超声提取技术，在提高提出率的同时，还可避免蒽醌类物质因久煎破坏有效成份而失效（如何首乌，大黄，番污叶等），例如：从大黄中提取大黄蒽醌类成份    以常规烈煮法对照，超声提取10分钟比煎煮法提取3小时的提出率还高，提出的有效成份结构没有改变。

1.5在提取有机酸类成份中的应用
有机酸广泛存在于植物各部位，使用超声提取技术可以得到较好的效果。如用当归制备当归浸膏时，同传统制备方法相比较，使用超声制备不仅提高了制备效率，还提高了总固体含量，有效成份阿魏酸的含量也得到了提高。

1.6在提取多糖类成份中的应用
多糖类成份具有抗肿瘤、增强免疫的作用，一般采用浸泡或水煮法提取，提出率低，费用高；使用超声提取可以缩短提取时间，提高提出率，例如：
◆从茯芩中提取水蓉性多糖    以冷浸12小时和热浸1小时作用对照，超声提取1小时，提出率比对照的两种方法高30%以上。
◆从海带中提取硫酸酯多糖    以从海带中提取硫酸酯多糖（一种海洋生物活性多糖，可用于制备爱滋病治疗药物、抗肿瘤药物、抗病毒药物等）为例，常用的水煮法（100℃）提取时间4小时至6小时，而采用循环超声提取机在30℃下提取时间仅为20分钟，即可达到相同的硫酸酯多糖提取率。
◆从肉苁蓉提取多糖    水提取时，超声提取10分钟高于常规浸提24小时和100℃回流7小时多糖提取率。

1.7在海洋藻类植物提取中的应用
藻胆体研究必须得到完整的藻胆体，采用化学及机械粉碎法均不能得到完整的藻胆体，采用超声提取技术可以解决这一难题，例如：采用超声波对盐藻进行破碎10分钟，盐藻破碎率可达87%，使β-胡萝卜素能快速高效的进入水溶液介质中，同时避免了因采用化学破碎方法造成的被提取物结构性质变化而失去活性。

1.8萜类、酯类物质提取
萜类和酯类物质常用溶剂提取，提取时间往往很长，而提取率较低。青蒿素是我国具有自主知识产权，并得到国际承认的抗疟特效药，是世界卫生组织推荐药品，它是一种含过氧基团的倍半萜内酯，由于过氧基团预热易分解，从而使青蒿素失去药性，因此一般在50℃以下采用的石油醚冷浸或搅拌提取，提取率一般在60%左右，提取时间一般在24—48小时；而采用循环超声提取，青蒿素提取率可达到90%，较常规提取法青蒿素回收率提高25%以上，提取时间缩短为30min。石油醚回收率达到90%，较常规提取方法显著降低。

1.9其他应用
研究表明，超声波作用可激活某些酶与细胞参与的生理生化过程，从而提高酶的活性，加速细胞新陈代谢；超声波用于降解壳多糖，速度快，成本低，氨基酸含量不变；用于提取真菌多糖（如虫草多糖，香菇多糖，猴头多糖等）与传统工艺相比，提出率高，反而过程无物料损失和副作用；超声波还可以降解提取多葡萄糖等，灵芝多糖是一种实体木质化的真菌多糖，通过超声波处理，可使其相对结晶度从23.4降为0，使表面积增加85.5%，水解速度显著增加。

1.10小结
“弘祥隆”循环超声提取装置是经过对超声提取特性的系统研究，根据生化工程理论和方法，采用了物料循环，超声场固定分布，物料与超声场之间进行模拟移动，从而最大限度地提高了超声场的利用率，同时解决了静止物料超声提取时作用范围有限，提取原料有限的问题，通过采用循环流动和超声场的合理设计，极大地增加了超声场的物料处理量。从而解决了超声提取的工程放大难题，这在超声提取研究中是一次革命性的突破。申请了相关专利，并获批准。
由于超声提取工程放大难题的解决，大大拓宽了超声提取的应用范围。循环超声提取设备不但适用于陆地、海洋各种天然产物提取，而且还可以用于超声分散、乳化制备、缓解药物超微胶囊和纳米胶囊制备等。  

  
信息来源：北京弘祥隆生物技术开发有限公司

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