微波萃取的原理、機(jī)理

微波萃取的原理是在微波場(chǎng)中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對(duì)差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省試劑、污染小等特點(diǎn)。目前，除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。

微波萃取的機(jī)理可從以下3個(gè)方面來分析：

①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。

②微波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時(shí)，在微波場(chǎng)的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動(dòng)力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運(yùn)動(dòng)，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時(shí)間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，限度地保證萃取物的質(zhì)量。

③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)而引起分子運(yùn)動(dòng)的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時(shí)，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若分子具有一定的極性，即可在微波場(chǎng)的作用下產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并以24．5億次／s的速度作極性變換運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對(duì)較差的萃取溶劑中。

微波萃取的特點(diǎn)與相關(guān)應(yīng)用

微波是指波長(zhǎng)在1～1000mm、頻率在300～300000MHz的電磁波。它介于紅外線和無線電波之間。傳統(tǒng)萃取過程中的能量的累積和滲透過程以無規(guī)則的方式發(fā)生,萃取的選擇性差。有限的選擇性只能通過改變?nèi)軇┑男再|(zhì)或延長(zhǎng)溶劑萃取的時(shí)間來獲得,前者由于同時(shí)受溶解能力和擴(kuò)散系數(shù)的限制,選擇面很窄;后者則大大降低了萃取效率和速度。

微波加熱由于其特殊性,具有以下特點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用：

1.高選擇性 因?yàn)槲⒉ㄖ粚?duì)極性分子進(jìn)行選擇性加熱，整個(gè)萃取過程由微波輻射能穿透介質(zhì)，到達(dá)物料的內(nèi)部，使基質(zhì)內(nèi)部溫度迅速上升，增大萃取成分在介質(zhì)中的溶解度，然后微波在產(chǎn)生的電磁場(chǎng)加速了目標(biāo)物向溶劑的擴(kuò)散，因此，對(duì)天然產(chǎn)物活性成分有很強(qiáng)的選擇性溶出，活性成分分子極性越強(qiáng)，選擇性越高。微波萃取過程的核心是一個(gè)解吸和擴(kuò)散的串聯(lián)控制過程，解吸和擴(kuò)散的快慢決定了萃取過程的速率。很多人把微波輔助強(qiáng)化萃取過程歸結(jié)為微波導(dǎo)致細(xì)胞破裂，實(shí)際上，細(xì)胞破裂主要是強(qiáng)化了有效成分的擴(kuò)散。在其他量不變的情況下，隨著萃取時(shí)間和微波功率的增大，萃取濃度增大，即解吸量增大，并且開始時(shí)解吸量隨時(shí)間的增大迅速增大，隨后隨時(shí)間的增大趨于不變；解吸量隨著微波功率的增大而增大。另外，在微波場(chǎng)中，如果位移極化相同或位移極化相對(duì)轉(zhuǎn)向極化忽略不計(jì)，則極性分子物質(zhì)比非極性分子物質(zhì)獲得更多的能量，微波對(duì)極性分子物質(zhì)的萃取更有效。焦淑清提到與傳統(tǒng)溶劑浸取法相比，微波技術(shù)萃取紅花羊蹄甲花中色素．具有省時(shí)、操作方便色素提取率高等特點(diǎn)；等用微波破細(xì)胞與溶劑提取相結(jié)合的方法提取高山紅景天愈傷組織中紅景天苷，將藥材經(jīng)1分鐘微波處理后，室溫下水提取10分，可將紅景天苷充分提取出來，與傳統(tǒng)提取方法相比，前者具有時(shí)間短、不需加熱、提取液中雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)；等應(yīng)用微波萃取葛根中的總黃酮、，結(jié)果表明提取效率明顯提高，提取時(shí)間明顯縮短，有效成分的得率顯著提高；等利用微波萃取技術(shù)提取山楂多糖，結(jié)果表明提取率可由傳統(tǒng)提取法的10．05％提高至16．07％ ，而提取時(shí)間則由3h縮短至20min；等利用微波萃取技術(shù)提取車前子多糖，并與水提法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明提取時(shí)間分別為65s、和30min，而提取率則分別為1．867％ 、1．764％ ，可見微波萃取法的提取時(shí)間最短，對(duì)目標(biāo)物的選擇性即提取率。以乙醇為溶劑提取土茯苓總黃酮，通過提取時(shí)間、微波功率、乙醇濃度、固液比和提取溫度對(duì)土茯苓總黃酮提取率的影響，結(jié)果表明微波輔助提取土茯苓總黃酮的提取率為93．2％ ，比傳統(tǒng)加熱提取法高17．4％。

2.高效性 在同一對(duì)象提取中，采用傳統(tǒng)方法需要幾小時(shí)至十幾小時(shí)，而微波提取只需幾秒到幾分鐘即可完成，并且目標(biāo)成分提取率更高，可見，微波提取速率提高了幾十至幾百倍，甚至幾千倍，大大縮短了萃取時(shí)間。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，與溶劑浸提法相比，微波法萃取紅花羊蹄甲花中色素的提取時(shí)間由20 h減少到30 s，色素含量接近，提取率有所提高；中提到該法與傳統(tǒng)浸取法相比，具有很大的*性，主要表現(xiàn)在節(jié)省提取時(shí)間、產(chǎn)品葉綠素提取率較傳統(tǒng)的提取方法提高20％左右。

3.節(jié)物、節(jié)能、環(huán)保的*性 微波萃取由于微波功率較小且輻射時(shí)間短，是傳統(tǒng)方法能耗的幾十分之一，甚至幾百乃至幾千分之幾。這是因?yàn)椋⒉ń】梢允构桃航∵^程得到明顯的強(qiáng)化，它的浸取效率要比傳統(tǒng)方法的浸取效率高得多。另一方面它又由于受溶劑親和力的限制較小，可供選擇的溶劑較多，在選擇無毒或低毒溶劑的同時(shí)還可減少其用量。由此可見，該技術(shù)暨節(jié)約物耗、能耗，又做到綠色環(huán)保。用微波技術(shù)萃取熊果酸，大大縮短了萃取時(shí)間，節(jié)省溶劑，并且獲得較高的萃取得率中得到結(jié)論：微波萃取法和回流提取法提取鮮姜，提取得到的6-姜酚的含量是相近的，但是用微波萃取法得到的生姜提取物中6-姜酚的純度很高，而采用回流提取法提取所用的時(shí)間長(zhǎng)、效率低、操作麻煩，得到的生姜提取物中6-姜酚的純度很低，雜質(zhì)多。說明微波萃取法在提取效率和節(jié)能方面優(yōu)于回流提取法。

4.加熱均勻 常規(guī)加熱，為提高加熱速度，就需要升高加熱溫度，容易產(chǎn)生外焦內(nèi)生現(xiàn)象。微波加熱的物體各部位通常都能均勻滲透電磁波，產(chǎn)生熱量，因此均勻性大大改善。