萃取技术的原理及应用

萃取技术的原理及应用

化学工程

机械化工3013

赵金秋

萃取技术的原理及应用

1.微波萃取技术

1.1微波萃取机理

微波加热不同于一般的常规加热方式,常规加热是由外部热源通过热辐射由表及里的传导方式加热。微波加热是材料在电磁场中由介质吸收引起的内部整体加热。微波加热意味着将微波电磁能转变成热能,其能量是通过空间或介质以电磁波的形式来传递的,对物质的加过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。

根据参加极化的微观粒子种类,介电分子极化大约可分成4种介电极化:①电子极化,即原子核周围电子的重新排布;②原子极化,即分子内原子的重新排布;③转向极化(取向极化),即分子永久偶极的重新取向;④界面极化,即自由电荷的重新排布。在这四种极化中,与微波电磁场的弛豫时间(10-9～10-12ｓ)相比,前两种极化要快的多(其弛豫时间在10-15～10-16ｓ和10-12～10-13ｓ之间),所以不会产生介电加热。后两种极化的弛豫时间刚好与微波的频率吻合,故可以产生介电加热,即可通过微观粒子的这种极化过程,将微波能转变为热能。

1.2微波萃取的应用

微波萃取法自问世以来,因其众多优点而受到美国、加拿大等国家环保研究部门的重视。尽管最初它是作为固体样品的萃取方法提出的,但是研究表明,该法同样适用于液体样品的萃取。目前微波萃取技术的应用主要包括:提取有效成分、临床应用以及在物质检测领域中的应用。

1.2.1微波萃取技术在提取有效成分中的应用

目前,微波萃取技术在提取油脂类化合物、色素类化合物、多糖类化合物和黄酮类化合物等方面研究较多。在国外,Ｓｚｅｎｔｍｉｈａ1ｙｉ等利用微波萃取技术从废弃的蔷薇果种子中提取具有医用价值的野玫瑰果精油,通过超声波、微波、超临界萃取3种方法的对比,发现萃取率分别为16.25%～22.11%,35.94%～54.75%和20.29%～26.48%。由此看出,微波萃取具有良好的效果。姚中铭等用微波提取栀子黄色素,色素的提取率达到98.2%,色价56.94。周志等用微波水提茶多糖,得率为1.56%,茶多糖含糖量为30.93%。经紫外和红外光谱分析证

实,微波辐射对茶多糖制品的化学结构无影响。

1.2.2微波萃取技术在临床上的应用

在临床上,有研究用微波选择性萃取人血或血清中的药物(镇静剂)。采用微波萃取法从血红细胞表面分离抗体仅需10min,而常规法则需80min。微波萃取法还可用于从血浆中分离血清和从血清中分离抗原。

1.2.3微波萃取技术在物质检测上的应用

在物质检测中往往需要将目标产物或待测物质从固体或黏稠状原料中萃取出来以便进行检测。一些微量成分、农药残留等的分析可以使用微波萃取制样,提取率高,需样量少。杨云等利用微波萃取与气相色谱-质谱联用,分析蔬菜中的有机磷农药,与传统的机械振荡萃取法相比,两者的萃取效率相当,但微波萃取省时省溶剂。郎春燕等以HNO3-HCLO4为消解试剂,MgO为外层吸收剂,用CCl4萃取、微波溶解光度法快速测定茶叶中痕量锗,测量效果好。

2.超声波萃取技术

2.1超声波萃取原理

超声对萃取的强化作用最主要的原因是空化效应即存在于液体中的微小气泡,在超声场的作用下被激活,表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程,及其引发的物理和化学效应.气泡在几微秒之内突然崩溃,可形成高达5 000 K以上的局部热点,压力可达数十乃至上百个兆帕,随着高压的释放,在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速射流(非均相),其速度可以达100 m/s.

伴随超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应加剧了体系的湍动程度,加快相相间的传质速度.同时,冲击流对动植物细胞组织产生一种物理剪切力,使之变形、破裂、并释放出内含物,从而促进细胞内有效成分的溶出.

2.2超声波萃取的应用

2.1 油脂浸取

超声场强化提取油脂可使浸取效率显著提高,还可以改善油脂品质,节约原料,增加油的提取量.植物油脂的提取目前使用最多的是溶剂浸出法.将超声技术作为一种辅助手段应用到溶剂

浸出法中,会使含油细胞更容易破裂,油脂分子更容易释放出来,提高了提取效率,而且还可使植物油中的生理活性成分得以保持,提高了油脂的营养价值.

2.2 蛋白质提取

超声波提取蛋白质方面也有显著效果.袁道强等人研究发现,与普通的碱溶酸沉法相比,超声波法提取小麦胚芽蛋白的提取率提高了26.99%,超声处理没有改变蛋白质的一级结构.崔志芹等考察了超声波对棉籽蛋白萃取的强化作用.发现超声波对棉籽蛋白进行萃取时,白质萃取率可提高10%～20%,且萃取时间大为缩短.随着超声波强度的提高,蛋白质萃取率增大,当声强超过3 W/cm2时,声强的作用不明显,萃取率趋于稳定.超声波的影响程度与棉籽粕的粒径有关,随着粒径的减小,超声波的影响随之减弱.

2.3 多糖提取

张桂等人研究了利用超声波萃取枸杞多糖的提取工艺,实验证明,超声波萃取枸杞多糖是可行的,最佳萃取条件为50℃,1∶60的料水比,超声波前浸泡2.5 h,超声波萃取5 min.影响萃取率首要的因素是料水比,其次是浸泡时间和浸泡温度,最高提取率为50.36%,比传统法的结果要高30%左右.靳胜英等利用超声波热水浸提银耳多糖,提取率比酶法高出5%,且浸提时间大大缩短.超声可能会导致可溶性多糖发生降解,并溶解在乙醇溶液中,但超声并不影响水溶性多糖的生物性能.

2.4 天然香料提取中的应用

杨海燕等用超声波萃取宽叶缬草天然香料,在试验中,他们将用超声波萃取与不用超声波萃取的结果进行了对比,结果表明采用超声波的滤液吸光度比不用超声波的滤液吸光度高12%～24%.有文献报道,从桔皮中萃取桔皮精油,以二氯甲烷为溶剂,用超声波萃取10 min的精油提出率比水蒸汽蒸馏2 h,索氏提取2 h的提出率高2倍以上.将各种方法所得桔皮精油直接进入气相色谱分析,发现超声提取法所增加的提取物重量是不挥发性成分的重量,这可能是由于超声空化作用使得不挥发组分进入溶剂,使提出率增加.

2.5 天然药物活性成分提取中的应用

由于天然产物和活性成分常用的提取方法存在有效成分损失大、周期长、提取率不高等缺点,而超声波提取可缩短提取时间,提高有效成分的提出率和药材的利用率,并且可以避免高温对提取成分的影响.近年来,国内在这方面的工作取得了显著的进展.