王小强 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州产品质量检验所 新疆 库尔勒 841000)

微波萃取技术及其应用

王小强 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州产品质量检验所 新疆 库尔勒 841000)

对微波萃取技术的原理、特点、工艺、设备、应用等方面进行了综述。阐述了微波萃取技术的优点、工艺设备具体构成及其在环境分析、化工分析、食品分析及生化分析、天然产物提取、矿物处理、临床中的应用。

微波萃取;技术;应用

引言

萃取是分离和提纯物质的一种常用方法,是制药、食品及化工生产中广泛采用的一种单元操作。传统的萃取方法有索氏萃取、搅拌萃取和超声波萃取等,但由于具有费时、费试剂、效率低、重现性差等缺点,近年来已不能满足发展的需要,因而先后出现了超临界流体萃取(SFE)、微波萃取(MAE)和加速溶剂萃取(ASE)。因存在技术缺陷、设备复杂、运行成本高或萃取效率低等问题,超临界萃取和加速溶剂萃取的发展和应用受到了限制,而微波萃取则克服了以上缺点,表现出良好的发展前景和巨大的应用潜力。采用微波萃取法制备样品,具有时间短、节省试剂、制样精度高、回收率高等优点。微波萃取技术是微波技术与萃取技术相结合产生的新技术。

一、微波萃取介绍

微波萃取是一种很有潜力的萃取技术，它是在传统萃取工艺基础上强化传热、传质，通过微波强化，提高萃取速度、苹取效率及萃取质量的革取方式。其萃取机理有2个方面:①微波辐射过程中，高频电磁波穿透革取介质，由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，则细胞破裂，细胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下被c萃取介质溶解，通过进一步过滤和分离，便获得萃取物料。②微波所产生的电磁波加速被革取部分成分向萃取溶剂界面的扩散速率。例如用水作溶剂时，在微波场下，水分子高速转动成为激发态，水分子汽化，加强萃取组分扩散的驱动力，水分子回到基态所释放的能量传递给其他的物质分子，加速其热运动。从而使萃取速率提高数倍，同时还降低了萃取温度，保证了革取质量。

二、微波萃取技术原理及特点

微波萃取法是微波技术与萃取技术相结合产生的新技术,在萃取过程中用微波来提高萃取效率。在微波场中,由于不同物质的介电常数不同,吸收微波能的程度各不相同,其产生的热能及传递给周围环境的热能也不同,这种差异使得萃取体系中的某些组分或基体物质的某些区域受热不均衡,一类物质(如水、乙醇、某些酸、碱、盐类)可以将微波转化为热能,这类物质能吸收微波,提升自身及周围物质的温度;另一类物质(如烷烃、聚乙烯等非极性分子结构物质)在微波透过时很少吸收微波能量;第三类物质(金属类)可以反射微波,物质与微波的不同作用产生的受热不均衡性可以导致被萃取物从基体或体系中分离出来的结果。

微波萃取具有快速、节能、溶剂耗量小、污染小、多份试样可同时处理等特点;与超临界萃取相比[1],微波萃取具有以下优点:设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好以及其他特点。

三、微波萃取工艺及设备

1.微波萃取工艺过程

其常规工艺过程:将极性溶剂或极性溶剂和非极性溶剂混合物与被萃样品混合装入微波制样容器(一般为聚四氟乙烯材料制成)中,在密闭状态下,用微波制样系统加热,加热后样品过滤得到的滤液可进行分析测定,或作进一步处理。微波萃取溶剂应选用具有极性的溶剂,如乙醇、甲醇、丙酮以及水等,纯非极性溶剂不吸收微波能量,使用时可在非极性的溶剂中加入一定浓度的极性溶剂,不能直接使用纯非极性溶剂。在微波萃取中要求控制溶剂温度保持在沸腾温度以下;或使用温度在待测物分解温度以下。

2.微波萃取设备

实验室常用的微波萃取装置有多模腔体式和单模聚焦式两种。微波萃取设备主要由特别加工微波加热装置、萃取容器、控压及控温装置(根据不同要求配备)及附件构成。

四、微波萃取技术的应用

1.应用于环境分析中

农药残留的微波萃取:微波萃取法需要的萃取溶剂较少,对于分析农药残留低的样品非常有利,相当于提高了方法的灵敏度。与常规方法不同,微波萃取不同基体中的农药残留,应选择合适的萃取溶剂。微波萃取法可用于土壤、沉积物中农药残留的分析[2];还可分析生物样品农药残量。重金属、有毒元素及其化合物的微波萃取:土壤、沉积物、生物样品中存在有重金属元素及有毒元素(锡、汞、铅、砷等),利用微波萃取法分离、富集上述元素及其化合物[3],具有制样速度快、试剂消耗少、灵敏度高的优点。有机污染物的微波萃取:土壤、沉积物、灰尘及水中的有机污染物包括高聚物、多环芳烃[4]、氯化物、苯、润滑油、酚类等,用微波萃取法能快速、用较少溶剂萃取分离有机污染物。环境样品预处理的研究是微波萃取应用最主要方面。

2.应用于化工分析中

在石油化工中,微波萃取可用于聚合物及其添加物进行过程监控和质量控制。微波萃取可用于萃取PET薄膜中的低聚物;聚烯烃添加剂等过程中,还可用于从聚烯烃产品中分离稳定剂。微波萃取法产生于分析化学的研究中,用于化工分析的更多方面是其发展的重要方向。

3.应用于食品分析及生化分析中

用微波萃取法处理食品样品,可用于天然食品中微量组分的分析。文献已报导的结果有:用微波萃取法萃取蔬菜样品中的痕量金属;萃取熟肉中的盐霉素;萃取咖啡、饮料、口香糖中的调味剂;牛奶和谷类样品中的核黄素和黄素单核苷酸。在生化分析方面,微波萃取可用于萃取苹果叶中的痕量金属;萃取猪体中的有机酸物质;萃取海生动物脂肪中的有机氯化合物等过程中,还可用于形态分析中[5]。

4.应用于天然产物提取中

在天然产物提取过程中,微波萃取可从植物物料中提取精油及其他有效成分。

5.应用于矿物处理中

微波萃取可用于镍黄铁矿的萃取过程等方面[6]。

6.应用于临床中

在临床中,微波萃取可用于萃取人血(或血清)这种萃取法已成功地用于几个案例的侦破。从血红细胞表面分离抗体的微波萃取法仅需10 min,而常规法需60～90 min。微波萃取法也已用到了从血浆中分离血清及从血清中分离抗原[7]。

7.微波萃取农药残留

一般样品中的农残含量很低(ppm-ppt),等样品量用微波法萃取只需较少的萃取溶剂(约1/10)即可,实际上提高了分析方法的灵敏度。但微波萃取不同基体中的农药残留,需要选用与常规法不同的萃取溶剂,以使溶剂不仅能较好地吸收微波能,而且可有效地从样品中把农药残留成分萃取出来。Silgoner和其同事的研究表明[8],用异辛烷、正己烷/丙酮、苯/丙酮(2∶1)、甲醇/乙酸、甲醇/正己烷、异辛烷/乙腈等作溶剂,在土壤或沉积物有一定湿度的条件下,微波萃取方法仅用3 min,就可获得与Soxhlet提取法用6 h才能取得的相同的有机氯农药残留回收率。已应用微波法萃取农药残留的其他样品有肉类、鸡蛋和奶制品[9],土壤、砂子、吸尘器所得灰尘、水和沉积物,猪油[10],蔬菜(甜菜、黄瓜、莴苣、辣椒和西红柿)[11],大蒜和洋葱[12]。

8.有机污染物的微波萃取

土壤、河泥、海洋沉积物、环境灰尘以及水中的有机污染物一般指高聚物、多环芳烃、氯化物、苯、除草剂、润滑油和酚类等。微波萃取不同基体中有机污染物的优点是只需常规萃取方法十分之一的溶剂,约萃取5～20 min即可。应用微波萃取有机污染物的技术有二种,一种是采用多模腔体,此法的特点是一次可以制备多达14个样品,萃取时间短。已用于土壤样品中多环芳烃[13],酚类化合物[14],河泥、海洋沉积物、环境灰尘中有机污染物[15],水中的多氯联苯[16]和其他有机污染物[17]。张展霞等人[18]用水和有机溶剂的混合物作微波萃取试剂,进一步降低了试剂的消耗。

9.金属及其化合物的微波萃取

土壤、河泥、沉积物、海洋生物和一些植物样品中重金属元素及有毒元素(如锡、汞、铅、锌、砷、锑等)都是需要经常检测的项目。微波萃取法富集和分离这些元素或其化合物,不仅试剂消耗少,制样快,而且检测灵敏度高。影响微波萃取不同基体中金属及其化合物的主要因素为萃取温度、溶剂中酸的量、萃取时间和溶剂(甲苯)量。微波萃取土壤、海洋沉积物、矿物和矿渣中的金属元素或其化合物,然后用发射光谱或质谱仪器等进行测定[19],结果令人满意。不同基体中元素的微波萃取研究,有海洋生物中甲基汞和砷[20],生物和植物样品中铜、镁、锌和铅,河泥中有机砷、有机锡和重金属元素(Cu,Cr,Ni,Pb和Zn),土壤中的汞、铅、锌和铜,煤中砷和硒。天然植物中有效成分的萃取是化学研究的重要内容,这方面微波萃取法也显示了独特的优点,已见于文献的研究报告有:迷迭香和薄荷中含有迷迭香或薄荷油混合物的提取;蔬菜类植物中吡咯双烷基生物碱,不同植物中的嘧啶糖甙、棉子酚和生物碱等的提取,粮食和牛奶中维生素B的提取;植物中的香精香料,中药中的重楼皂甙的提取。经微波处理后的油菜籽、橄榄籽和葡萄籽可以提高出油率,这种用微波加快和提高植物油产率的成套装置已由加拿大的CWT-TRAN国际有限公司生产和销售。这种设备已被应用于大蒜、浆果、姜、香菜、蛇麻子、薄荷、欧芹、人参、红辣椒、玉米、芹菜等产品,用以提取香精香料和油脂等。

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王小强(1987—)，男，汉族，安徽涡阳人，助理工程师，新疆巴音郭楞蒙古自治州产品质量检验所，研究方向：化学分析。