微波萃取技術(shù)及其在食品化學(xué)中的應(yīng)用

◎ 任靜靜

（河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技的進(jìn)步，有機(jī)化合物的萃取和分離技術(shù)得到了長足的發(fā)展。超臨界萃取技術(shù) 、微波輔助萃取技術(shù)等已被廣泛用于有機(jī)物的分離和萃取。其中微波萃取技術(shù)的應(yīng)用可顯著提高提取的效率，在處理食物時(shí)，可以保留原料本身的有機(jī)成分[1]。

1 微波萃取技術(shù)概述

微波萃取又稱微波輔助提取 ，是指使用適當(dāng)?shù)娜軇┰谖⒉ǚ磻?yīng)器中從植物 、礦物 、動(dòng)物組織等中提取各種化學(xué)成分的技術(shù)和方法。在應(yīng)用過程中，食物中的極性分子很容易被加熱，導(dǎo)致其發(fā)生劇烈的反應(yīng)。

微波輔助提取技術(shù)是一種高效、快速、能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)提取的技術(shù)。20世紀(jì)80年代，我國首次將微波技術(shù)用于有機(jī)化合物的提取，在此期間，國內(nèi)外學(xué)者紛紛開展了大量的研究和試驗(yàn)，以證實(shí)其在有機(jī)化合物中的作用。目前，微波萃取技術(shù)已在有機(jī)化合物中得到廣泛應(yīng)用，微波技術(shù)在生物分析、環(huán)境分析、食品分析以及醫(yī)藥提取等方面的應(yīng)用也越來越廣泛。特別是在某些樣品的預(yù)處理方面的應(yīng)用中，微波輔助提取技術(shù)有著其他提取技術(shù)難以替代的優(yōu)越性[2]。

1.1 微波輔助提取技術(shù)原理

微波輔助提取技術(shù)是以微波為熱源，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接加熱的一種提取方法。因?yàn)楦鞣N材料的介電常數(shù)不同，所以它們對(duì)微波能量的吸收能力也不同，所產(chǎn)生的熱能和向周圍環(huán)境傳輸?shù)臒崃恳膊煌Ｎ⒉l件能對(duì)提取系統(tǒng)中的各成分進(jìn)行選擇性加熱，使樣品中的有機(jī)物質(zhì)被高效地分離，并進(jìn)入具有較低介電常數(shù)的萃取溶劑中，從而達(dá)到分離有機(jī)物的目的。

1.2 微波輔助提取技術(shù)特征

（1）快且高效。在高頻微波場下，樣品和溶劑中的極性分子在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，而極性分子的快速移動(dòng)會(huì)引起弱氫鍵斷裂和離子遷移，從而加快被提取物的滲入速度，大大縮短了被分離的組分的溶解率[3]。

（2）加熱均勻。微波加熱采用內(nèi)部加熱，能夠形成一種特殊的材料受熱模式，使整個(gè)試樣在沒有溫度梯度的情況下都能得到均勻加熱。

（3）選擇性。在高頻微波場中，微波輻照可以被認(rèn)為是“透明”的，因?yàn)楦鞣N材料的介電常數(shù)不同，因此它具有選擇性的加熱特性。溶質(zhì)、溶劑的極性愈大，吸收微波能量越高，加熱愈快，愈有利于萃取速率；而在非極性溶劑中，微波的加熱效果很小。

（4）生物效應(yīng)（非熱特性）。由于大部分生物都含有極性的水分子，因此，在微波電場的作用下，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的極性振動(dòng)，使細(xì)胞內(nèi)的分子發(fā)生氫鍵斷裂，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生電擊穿，從而有利于基質(zhì)的滲入和提取組分的溶解。

（5）高效性。與其他提取工藝比較，微波輔助提取技術(shù)可以降低提取試劑的使用量，如MAE在樣品分析中，提取液的用量在30～40 mL。微波輔助提取技術(shù)能在同一條件下對(duì)不同的樣品進(jìn)行連續(xù)提取，目前一次最多能提取12個(gè)樣品。

2 微波輔助提取技術(shù)的工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)

2.1 微波輔助提取技術(shù)的工藝流程

微波輔助提取技術(shù)工藝是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工序，可分為5個(gè)步驟：將目標(biāo)物質(zhì)從樣本體內(nèi)解吸附；靶材在整個(gè)樣本體內(nèi)散布；提取液中的靶材溶解；在提取溶劑中擴(kuò)散目標(biāo)物；收集靶標(biāo)[4]。

2.2 原料預(yù)處理

與其他提取工藝相同，為了增加提取液與試樣的接觸面積，提高提取效果，通常在微波輔助提取技術(shù)前進(jìn)行破碎處理。在實(shí)驗(yàn)室中使用微波輔助提取技術(shù)進(jìn)行定量測定時(shí)，應(yīng)注重提取物的均勻度和代表性。

2.3 萃取溶劑的選擇

由于各種材料的介電常數(shù)不同，在微波輔助提取技術(shù)的應(yīng)用過程中，如何選取萃取溶劑十分關(guān)鍵。在選擇提取溶劑時(shí)，要注意：在微波條件下，溶劑應(yīng)為透明的或半透明的，但是要具有一定的極性；溶劑處理組分具有很好的溶解性；溶劑對(duì)提取組分的影響很小。另外，提取溶劑的沸點(diǎn)也要加以考慮。目前常用的萃取溶劑有正已烷、二氯甲烷、甲醇和乙醇等。提取溶劑具有一定的極性是微波輔助提取技術(shù)必需的，但如果采用甲苯、正己烷等非極性溶劑，則需要再添加一種或幾種極性溶劑，以提高其介電常數(shù)。因此，萃取溶劑可以是一元體系、二元體系、多元體系，具體的萃取體系要依據(jù)樣品性質(zhì)、萃取對(duì)象性質(zhì)、萃取前的試驗(yàn)結(jié)果來確定。對(duì)于提取溶劑的體積，有科研人員對(duì)試樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶劑體積比的關(guān)系進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)試樣質(zhì)量與溶劑體積比為1∶5～1∶3時(shí)，提取物的回收率達(dá)到100%；而在試樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶劑體積比為1∶2時(shí)，提取目標(biāo)回收率僅為70%～88%。

2.4 微波輻射條件的選擇

微波頻率、微波功率、輻射時(shí)間等因素都會(huì)對(duì)提取效果產(chǎn)生影響，不同的提取目標(biāo)使用的微波輻照條件不同。有學(xué)者根據(jù)不同的提取材料，對(duì)微波輔助提取技術(shù)的提取條件進(jìn)行了探討，以確定最佳的微波輔助提取技術(shù)提取工藝。以迷迭香和薄荷為例，當(dāng)微波功率由200 W增加至640 W時(shí)，其他條件相同，提取率隨著微波功率的增大而增大。

2.5 微波萃取溫度的選擇

在高壓條件下，萃取溶劑的沸點(diǎn)較高，微波輔助提取技術(shù)能達(dá)到常壓下萃取溶劑所不能達(dá)到的萃取溫度，從而提高了提取速率，避免了物質(zhì)的分解。隨著提取溫度的增加，提取目標(biāo)物質(zhì)的回收率也隨之增加。

2.6 冷卻

由于微波的熱傳導(dǎo)作用，提取系統(tǒng)在輻照后溫度很高，通常采取一段冷卻的方法來保證目標(biāo)物質(zhì)的質(zhì)量。在冷卻期間，溶劑提取還在進(jìn)行，因此在每次微波照射后，要給系統(tǒng)一個(gè)充分的冷卻時(shí)間，否則會(huì)降低提取目標(biāo)物質(zhì)的數(shù)量和提取速率。

2.7 萃取溶劑與萃取組分分離

在傳統(tǒng)的萃取工藝中，通常使用溶劑蒸發(fā)（常壓蒸發(fā)、減壓蒸發(fā)）、色譜等，對(duì)萃取溶劑和萃取組分進(jìn)行分離，使回收的溶劑能夠再利用。

3 微波萃取技術(shù)在食品化學(xué)中的應(yīng)用

3.1 微波萃取食品植物中的油脂

微波萃取技術(shù)被應(yīng)用在油脂的提取中，能夠使花生油的出油率明顯高于常規(guī)提取方法，為國內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。目前，利用微波萃取技術(shù)提取食品中的植物油脂，已取得了一定的應(yīng)用效果。例如，國外的一次葵花油試驗(yàn)，就證實(shí)了微波技術(shù)對(duì)葵花油的萃取效果要優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。此外，對(duì)西番蓮子油、鰻魚骨油的提取試驗(yàn)也證實(shí)了微波萃取技術(shù)在食用植物油脂中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。

3.2 微波萃取揮發(fā)性化合物

利用微波萃取技術(shù)提取揮發(fā)性物質(zhì)，主要是針對(duì)食品中某些易揮發(fā)的油脂進(jìn)行提取。該方法在實(shí)踐中得到了有關(guān)專家的驗(yàn)證，且取得了良好的效果。例如，利用微波技術(shù)提取天竺葵精油可以較好地防止揮發(fā)性化合物的揮發(fā)。

3.3 微波萃取技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

微波技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在蔬菜、水果、牛奶、面包、面條、調(diào)味品以及各種食物的干燥中，還可以用于肉類的解凍、谷物的防蟲、防霉、陳化催熟。經(jīng)過十余年的發(fā)展，各類專用工業(yè)微波設(shè)備已發(fā)展為真空、殺菌、烘焙和熱燙等多種類型。微波技術(shù)在食品中的應(yīng)用，不僅提高了提取的速度，還節(jié)約了在檢測過程中所消耗的能量。

國外對(duì)微波輔助萃取技術(shù)在揮發(fā)油等方面的提取中已申請(qǐng)了一系列專利。專利顯示，在提取薄荷精油時(shí)，以乙烷為溶劑，微波誘導(dǎo)提取20 s，水蒸氣蒸餾2 h，索氏提取6 h，提取的精油產(chǎn)品品質(zhì)良好。除此之外，采用微波提取技術(shù)可以從漪蘿籽、蕪姜、菌香、甘牛至、龍籬、牛膝革、薄荷、鼠尾草、百里香以及丁香等中提取植物精油，其品質(zhì)為蒸汽蒸餾的同類產(chǎn)品。

3.4 微波技術(shù)在焙烤與膨化中的應(yīng)用

微波烘焙技術(shù)可以縮短面包的醒發(fā)時(shí)間，但由于烘焙質(zhì)量差，必須與傳統(tǒng)的烘焙方法相結(jié)合，使其表面褐變，或采用專用的容器或包材，或用容易產(chǎn)生褐變的添加劑。研究人員將微波技術(shù)應(yīng)用在熏肉、肉餅和禽類中，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以有效降低成本，提高生產(chǎn)率。法國雀巢公司用2 450 MHz、10 kW的微波裝置來烘烤可可豆，烘焙時(shí)間是熱風(fēng)烘烤的1/2，生產(chǎn)能力可達(dá)70～120 kg·h-1[5]。

3.5 微波技術(shù)在微量元素測定中的應(yīng)用

微波消解法是一種檢測微量元素的良好方法。水是一種典型的極性分子，采用水作為溶劑和反應(yīng)系統(tǒng)，在微波條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。①樣品和試劑的數(shù)量大幅度降低。②降低了交叉污染，降低了揮發(fā)性材料的損耗，實(shí)現(xiàn)了分解的自動(dòng)化。研究者利用微波消解技術(shù)對(duì)食物中的砷、錳進(jìn)行了化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)As的回收率在90%～115%，CV為1.7%～4.2%；Mn的回收率為94.0%～98.8%，CV為1.0%，符合分析的需要。

3.6 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

有文獻(xiàn)報(bào)道，目前已有許多學(xué)者將微波技術(shù)應(yīng)用在土壤分析、環(huán)境化學(xué)和石油化學(xué)分析等領(lǐng)域，并進(jìn)行了廣泛探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤中難降解有機(jī)物的去除，并取得了良好的效果。此外，采用微波技術(shù)能顯著減少操作時(shí)間、簡化工藝，同時(shí)還能顯著改善土壤中稀土的活性[6-7]。

4 微波萃取技術(shù)存在的不足

雖然微波提取技術(shù)為人們的日常生活提供了很多便利，但也存在一定的安全隱患。在實(shí)驗(yàn)室的微波萃取機(jī)中，通過采用抽提箱進(jìn)行靜態(tài)萃取，這種方式會(huì)造成后期處理煩瑣、難以進(jìn)行有效分離的問題。

微波萃取裝置的安全問題歷來備受人們的重視，其中溫度控制和危險(xiǎn)監(jiān)控是影響其安全的重要因素。采用高科技、高精度的控制和在線監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效改善微波萃取設(shè)備的安全性。微波提取裝置所用的材料必須具有防輻射、耐壓、耐腐蝕等特性，而提取物除了要具有以上特性之外，還必須具有高強(qiáng)度和高耐熱性。隨著時(shí)代的發(fā)展，微波萃取設(shè)備也是未來不可或缺的一部分。

5 結(jié)語

微波提取技術(shù)在食品加工、工業(yè)應(yīng)用、藥物提取以及化妝品生產(chǎn)等方面都有著舉足輕重的作用。微波輔助提取技術(shù)是一種新的萃取技術(shù)，具有設(shè)備簡單、應(yīng)用范圍廣、萃取效率高、反應(yīng)迅速以及污染小等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是，目前關(guān)于微波輔助提取技術(shù)機(jī)制的研究相對(duì)較少，有待相關(guān)學(xué)者的進(jìn)一步研究。食品化學(xué)作為微波輔助提取技術(shù)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，其發(fā)展必然會(huì)推動(dòng)食品行業(yè)的健康發(fā)展。