第八节　微波辅助萃取技术

微波辅助萃取（microwave-assisted extraction，MAE）是将被萃取的原料浸于一定的溶剂中，利用微波能使原料中的化学成分迅速溶出萃取的方法。与传统的萃取方法相比，微波辅助萃取技术具有操作简便、设备简单、重现性好、适用范围广、经济、省时等优点，广泛用于食品加工、卫生检验、制药工业等领域。

一、微波辅助萃取的机制

微波辅助萃取是利用物质吸收微波能力的差异，使基体物质中的某些区域和萃取体系中某些组分被选择性加热，从而使物质从基体中分离，进入到介电常数较小、吸收微波能力相对较差的萃取剂中。

微波辅助萃取的机制可从以下三方面考虑：①热效应，微波加热是通过分子极化和离子传导两种效应对物质直接加热，加热具有选择性，分子极性越大，加热越快；而非极性分子不受微波的影响；②扩散效应，微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由物料内部向萃取溶剂界面扩散的速率；③生物效应，微波对有机物萃取的辅助作用主要来源于对细胞膜的生物效应。微波辐射是高频电磁波可穿透萃取介质到达细胞内部，使细胞内温度迅速升高，内部压力增大，导致细胞破裂，细胞内的成分流出，溶解于萃取介质中。

二、微波辅助萃取的试验技术

微波辅助萃取所用的装置主要有微波炉、转动装置和样品容器。样品容器分为敞口容器和密闭罐。敞口萃取器适用于热不稳定物质，密闭式萃取器可以达到较高的气压和萃取温度，提高萃取率。微波萃取一般在密闭的聚四氟乙烯罐中进行，提取罐允许微波能自由穿透，本身耐高温、高压，且不与溶剂发生反应。为使样品升温均匀，一般需要转动样品。

实验室用微波萃取装置有多模腔体式和单模聚焦式两种，工作频率均为2450MHz。微波萃取设备的主要部件有微波加热装置、萃取容器和控压、控温装置。多模腔体式微波萃取系统一次可制备多个样品，易于控制萃取条件，萃取速度快。单模聚焦式微波萃取装置不用控压、控温，制样量大，缺点是一次只能制备一个样品，萃取时间较长。

常规的微波萃取方法是把溶剂与被萃取样品混合，装入萃取容器中，在密闭状态下放入微波系统中加热。根据被萃取组分的性质，控制萃取压力或温度和时间。加热结束，萃取罐冷却，样品过滤，滤液直接进行测定，或作相应处理后进行测定。萃取溶剂和样品总体积一般不超过容器体积的三分之一。

微波在线萃取方法采用长约20m、内径1mm的聚四氟乙烯管作为样品萃取容器，把样品与溶剂预先混合，利用流动注射泵把样品送到微波炉内的萃取管中，样品在流动中经微波加热处理，然后进入色谱富集柱，将待测组分富集，再用洗脱液将其洗下带到检测器进行测定。

三、微波辅助萃取的影响因素

1.溶剂的选择

不同物质的介电常数不同，吸收微波能也不相同。溶剂的选择主要从以下几个方面考虑：①溶剂应有一定的极性，非极性溶剂不能吸收微波能，选用非极性溶剂必须在其中加入一定比例的极性溶剂，以增加萃取体系的介电常数。因此，萃取体系可以是一元体系，也可以是多元体系。②溶剂对萃取组分有较强的溶解能力和选择性。③溶剂对萃取组分的后续测定干扰较少。

此外，还应考虑萃取溶剂的沸点、被萃取组分基体的性质、样品量与溶剂体积的比例等因素对萃取回收率的影响。

2.萃取温度

微波萃取通常是在密闭容器中进行，高压下萃取溶剂沸点升高，有利于提高萃取率而萃取组分又不至于分解。但萃取温度应低于萃取溶剂的沸点。最佳萃取温度与样品基体、萃取组分性质有关。

3.萃取时间

萃取时间与样品量、溶剂体积和微波输出功率有关，一般萃取时间为10～15分钟。萃取过程中，加热1～2分钟即可达到要求的萃取温度。萃取时间对萃取效率的影响并不显著，萃取回收率随萃取时间增加幅度可忽略不计。

4.溶液的酸度

溶液的酸度对微波萃取效率有一定的影响。不同的萃取样品须采用不同的酸碱度，萃取所需最佳pH应通过实验来确定。

5.样品基体的性质及状态

基体物质对微波萃取结果的影响可能是由于基体物质中含有对微波吸收较强的物质，或是由于某种物质的存在，在微波加热过程中可发生某些化学反应。

6.微波辐射条件的选择

微波辐射频率、功率和时间等对萃取效率具有明显的影响。常用频率一般为915MHz和2450MHz。微波功率对于达到萃取温度所需时间和萃取时间有较大影响，一般在选定萃取溶剂和压力后，通过控制萃取功率和时间来确定最佳萃取温度，以获得最大萃取产率。

7.试样含水量的影响

水分能有效吸收微波能而产生温度差，所以样品含水量的多少对萃取回收率的影响较大，对于不含水分的物料，要采取再湿的方法，使其具有适宜的水分。

四、微波辅助萃取技术的应用

目前，微波萃取已广泛用于土壤分析、食品化学、农药提取、中药有效成分提取、环境化学及矿物冶炼等方面。由于微波萃取具有选择性加热的特点，已逐渐由一种分析方法向生产制备方向发展。

1.微波萃取在环境分析中的应用

微波萃取在环境样品分析中主要集中在土壤、河泥、海洋沉积物及水中各种有机污染物、重金属及有毒元素（锡、汞、铅、砷等）的萃取分离和富集。用微波萃取的基体中有机污染物时，溶剂用量很少，只须常规萃取方法的十分之一，萃取5～20分钟。

2.微波萃取在食品分析中的应用

食品中含有水、蛋白质、脂类、碳水化合物、维生素、矿物质等，其中大部分为极性分子，在微波场中能够被加热，由于不同物质的介电常数不同，因此，可采用微波萃取的方法提取食品中的营养成分、香料、色素和添加剂，如油脂类、氨基酸、香精油、番茄红素、果胶、壳聚糖等。微波萃取还可用于粮食、蔬菜及水果中农药残留的萃取、测定。

3.微波萃取在天然产物提取中的应用

微波萃取可用于天然产物中黄酮类、苷类、挥发油、多糖及生物碱等化学有效成分的提取，且具有选择性高、重现性好、节能环保、萃取效率高、不破坏被提取成分的生物活性和化学结构等优点。

五、微波辅助萃取技术的特点

与其他萃取方法相比，微波萃取具有以下特点：①高度选择性，微波只对极性分子进行选择性加热，因此，对天然产物活性成分有较强的选择性溶出，分子极性差异越大，选择性越高。②高效性，微波加热是利用离子传导和分子极化效应直接对物质进行加热，热效率高，加热均匀，在同一样品提取中，传统方法需要几小时甚至十几小时，而微波提取只需几分钟即可完成，缩短了萃取时间。另外，微波萃取可以在相同条件下同时萃取多个或多种样品。③节能、节物、环保，微波功率较小，辐射时间短，因此，能耗是传统方法的几十分之一甚至几百分之一。另外，微波萃取可选用的溶剂多，在使用无毒、低毒溶剂的同时，溶剂用量少，节省试剂，减少污染，绿色环保。

与微波消解不同的是，微波萃取不是将试样消化分解，而是保持了分析对象原来的形态。