微波萃取技術及其在食品化學中的應用

◎ 任靜靜

（河南工業大學，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著社會、經濟、科技的進步，有機化合物的萃取和分離技術得到了長足的發展。超臨界萃取技術 、微波輔助萃取技術等已被廣泛用于有機物的分離和萃取。其中微波萃取技術的應用可顯著提高提取的效率，在處理食物時，可以保留原料本身的有機成分[1]。

1 微波萃取技術概述

微波萃取又稱微波輔助提取 ，是指使用適當的溶劑在微波反應器中從植物 、礦物 、動物組織等中提取各種化學成分的技術和方法。在應用過程中，食物中的極性分子很容易被加熱，導致其發生劇烈的反應。

微波輔助提取技術是一種高效、快速、能夠實現自動提取的技術。20世紀80年代，我國首次將微波技術用于有機化合物的提取，在此期間，國內外學者紛紛開展了大量的研究和試驗，以證實其在有機化合物中的作用。目前，微波萃取技術已在有機化合物中得到廣泛應用，微波技術在生物分析、環境分析、食品分析以及醫藥提取等方面的應用也越來越廣泛。特別是在某些樣品的預處理方面的應用中，微波輔助提取技術有著其他提取技術難以替代的優越性[2]。

1.1 微波輔助提取技術原理

微波輔助提取技術是以微波為熱源，對系統進行直接加熱的一種提取方法。因為各種材料的介電常數不同，所以它們對微波能量的吸收能力也不同，所產生的熱能和向周圍環境傳輸的熱量也不同。微波條件能對提取系統中的各成分進行選擇性加熱，使樣品中的有機物質被高效地分離，并進入具有較低介電常數的萃取溶劑中，從而達到分離有機物的目的。

1.2 微波輔助提取技術特征

（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間內會產生大量的熱，而極性分子的快速移動會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。微波加熱采用內部加熱，能夠形成一種特殊的材料受熱模式，使整個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，微波輻照可以被認為是“透明”的，因為各種材料的介電常數不同，因此它具有選擇性的加熱特性。溶質、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（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，會產生很強的極性振動，使細胞內的分子發生氫鍵斷裂，細胞膜結構發生電擊穿，從而有利于基質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。微波輔助提取技術能在同一條件下對不同的樣品進行連續提取，目前一次最多能提取12個樣品。

2 微波輔助提取技術的工藝流程及技術要點

2.1 微波輔助提取技術的工藝流程

微波輔助提取技術工藝是一項十分復雜的工序，可分為5個步驟：將目標物質從樣本體內解吸附；靶材在整個樣本體內散布；提取液中的靶材溶解；在提取溶劑中擴散目標物；收集靶標[4]。

2.2 原料預處理

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前進行破碎處理。在實驗室中使用微波輔助提取技術進行定量測定時，應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不同，在微波輔助提取技術的應用過程中，如何選取萃取溶劑十分關鍵。在選擇提取溶劑時，要注意：在微波條件下，溶劑應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；溶劑對提取組分的影響很小。另外，提取溶劑的沸點也要加以考慮。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。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樣品性質、萃取對象性質、萃取前的試驗結果來確定。對于提取溶劑的體積，有科研人員對試樣質量分數與溶劑體積比的關系進行了探討，發現試樣質量與溶劑體積比為1∶5～1∶3時，提取物的回收率達到100%；而在試樣質量分數與溶劑體積比為1∶2時，提取目標回收率僅為70%～88%。

2.4 微波輻射條件的選擇

微波頻率、微波功率、輻射時間等因素都會對提取效果產生影響，不同的提取目標使用的微波輻照條件不同。有學者根據不同的提取材料，對微波輔助提取技術的提取條件進行了探討，以確定最佳的微波輔助提取技術提取工藝。以迷迭香和薄荷為例，當微波功率由200 W增加至640 W時，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，萃取溶劑的沸點較高，微波輔助提取技術能達到常壓下萃取溶劑所不能達到的萃取溫度，從而提高了提取速率，避免了物質的分解。隨著提取溫度的增加，提取目標物質的回收率也隨之增加。

2.6 冷卻

由于微波的熱傳導作用，提取系統在輻照后溫度很高，通常采取一段冷卻的方法來保證目標物質的質量。在冷卻期間，溶劑提取還在進行，因此在每次微波照射后，要給系統一個充分的冷卻時間，否則會降低提取目標物質的數量和提取速率。

2.7 萃取溶劑與萃取組分分離

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

3 微波萃取技術在食品化學中的應用

3.1 微波萃取食品植物中的油脂

微波萃取技術被應用在油脂的提取中，能夠使花生油的出油率明顯高于常規提取方法，為國內農業產業的發展作出了一定的貢獻。目前，利用微波萃取技術提取食品中的植物油脂，已取得了一定的應用效果。例如，國外的一次葵花油試驗，就證實了微波技術對葵花油的萃取效果要優于傳統技術。此外，對西番蓮子油、鰻魚骨油的提取試驗也證實了微波萃取技術在食用植物油脂中的應用具有一定的優勢。

3.2 微波萃取揮發性化合物

利用微波萃取技術提取揮發性物質，主要是針對食品中某些易揮發的油脂進行提取。該方法在實踐中得到了有關專家的驗證，且取得了良好的效果。例如，利用微波技術提取天竺葵精油可以較好地防止揮發性化合物的揮發。

3.3 微波萃取技術在食品工業中的應用

微波技術被廣泛地應用在蔬菜、水果、牛奶、面包、面條、調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。經過十余年的發展，各類專用工業微波設備已發展為真空、殺菌、烘焙和熱燙等多種類型。微波技術在食品中的應用，不僅提高了提取的速度，還節約了在檢測過程中所消耗的能量。

國外對微波輔助萃取技術在揮發油等方面的提取中已申請了一系列專利。專利顯示，在提取薄荷精油時，以乙烷為溶劑，微波誘導提取20 s，水蒸氣蒸餾2 h，索氏提取6 h，提取的精油產品品質良好。除此之外，采用微波提取技術可以從漪蘿籽、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，其品質為蒸汽蒸餾的同類產品。

3.4 微波技術在焙烤與膨化中的應用

微波烘焙技術可以縮短面包的醒發時間，但由于烘焙質量差，必須與傳統的烘焙方法相結合，使其表面褐變，或采用專用的容器或包材，或用容易產生褐變的添加劑。研究人員將微波技術應用在熏肉、肉餅和禽類中，發現該技術可以有效降低成本，提高生產率。法國雀巢公司用2 450 MHz、10 kW的微波裝置來烘烤可可豆，烘焙時間是熱風烘烤的1/2，生產能力可達70～120 kg·h-1[5]。

3.5 微波技術在微量元素測定中的應用

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系統，在微波條件下進行化學反應具有以下優點。①樣品和試劑的數量大幅度降低。②降低了交叉污染，降低了揮發性材料的損耗，實現了分解的自動化。研究者利用微波消解技術對食物中的砷、錳進行了化學分析，發現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 在其他領域的應用

有文獻報道，目前已有許多學者將微波技術應用在土壤分析、環境化學和石油化學分析等領域，并進行了廣泛探討。結果發現，微波技術能夠實現對土壤中難降解有機物的去除，并取得了良好的效果。此外，采用微波技術能顯著減少操作時間、簡化工藝，同時還能顯著改善土壤中稀土的活性[6-7]。

4 微波萃取技術存在的不足

雖然微波提取技術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。在實驗室的微波萃取機中，通過采用抽提箱進行靜態萃取，這種方式會造成后期處理煩瑣、難以進行有效分離的問題。

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監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控系統，可以有效改善微波萃取設備的安全性。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，還必須具有高強度和高耐熱性。隨著時代的發展，微波萃取設備也是未來不可或缺的一部分。

5 結語

微波提取技術在食品加工、工業應用、藥物提取以及化妝品生產等方面都有著舉足輕重的作用。微波輔助提取技術是一種新的萃取技術，具有設備簡單、應用范圍廣、萃取效率高、反應迅速以及污染小等特點，已被廣泛應用于各個領域。但是，目前關于微波輔助提取技術機制的研究相對較少，有待相關學者的進一步研究。食品化學作為微波輔助提取技術的一個新的應用領域，其發展必然會推動食品行業的健康發展。