微波萃取技术及其在食品化学中的应用

◎ 任静静

（河南工业大学，河南 郑州 450000）

近年来，随着社会、经济、科技的进步，有机化合物的萃取和分离技术得到了长足的发展。超临界萃取技术 、微波辅助萃取技术等已被广泛用于有机物的分离和萃取。其中微波萃取技术的应用可显著提高提取的效率，在处理食物时，可以保留原料本身的有机成分[1]。

1 微波萃取技术概述

微波萃取又称微波辅助提取 ，是指使用适当的溶剂在微波反应器中从植物 、矿物 、动物组织等中提取各种化学成分的技术和方法。在应用过程中，食物中的极性分子很容易被加热，导致其发生剧烈的反应。

微波辅助提取技术是一种高效、快速、能够实现自动提取的技术。20世纪80年代，我国首次将微波技术用于有机化合物的提取，在此期间，国内外学者纷纷开展了大量的研究和试验，以证实其在有机化合物中的作用。目前，微波萃取技术已在有机化合物中得到广泛应用，微波技术在生物分析、环境分析、食品分析以及医药提取等方面的应用也越来越广泛。特别是在某些样品的预处理方面的应用中，微波辅助提取技术有着其他提取技术难以替代的优越性[2]。

1.1 微波辅助提取技术原理

微波辅助提取技术是以微波为热源，对系统进行直接加热的一种提取方法。因为各种材料的介电常数不同，所以它们对微波能量的吸收能力也不同，所产生的热能和向周围环境传输的热量也不同。微波条件能对提取系统中的各成分进行选择性加热，使样品中的有机物质被高效地分离，并进入具有较低介电常数的萃取溶剂中，从而达到分离有机物的目的。

1.2 微波辅助提取技术特征

（1）快且高效。在高频微波场下，样品和溶剂中的极性分子在短时间内会产生大量的热，而极性分子的快速移动会引起弱氢键断裂和离子迁移，从而加快被提取物的渗入速度，大大缩短了被分离的组分的溶解率[3]。

（2）加热均匀。微波加热采用内部加热，能够形成一种特殊的材料受热模式，使整个试样在没有温度梯度的情况下都能得到均匀加热。

（3）选择性。在高频微波场中，微波辐照可以被认为是“透明”的，因为各种材料的介电常数不同，因此它具有选择性的加热特性。溶质、溶剂的极性愈大，吸收微波能量越高，加热愈快，愈有利于萃取速率；而在非极性溶剂中，微波的加热效果很小。

（4）生物效应（非热特性）。由于大部分生物都含有极性的水分子，因此，在微波电场的作用下，会产生很强的极性振动，使细胞内的分子发生氢键断裂，细胞膜结构发生电击穿，从而有利于基质的渗入和提取组分的溶解。

（5）高效性。与其他提取工艺比较，微波辅助提取技术可以降低提取试剂的使用量，如MAE在样品分析中，提取液的用量在30～40 mL。微波辅助提取技术能在同一条件下对不同的样品进行连续提取，目前一次最多能提取12个样品。

2 微波辅助提取技术的工艺流程及技术要点

2.1 微波辅助提取技术的工艺流程

微波辅助提取技术工艺是一项十分复杂的工序，可分为5个步骤：将目标物质从样本体内解吸附；靶材在整个样本体内散布；提取液中的靶材溶解；在提取溶剂中扩散目标物；收集靶标[4]。

2.2 原料预处理

与其他提取工艺相同，为了增加提取液与试样的接触面积，提高提取效果，通常在微波辅助提取技术前进行破碎处理。在实验室中使用微波辅助提取技术进行定量测定时，应注重提取物的均匀度和代表性。

2.3 萃取溶剂的选择

由于各种材料的介电常数不同，在微波辅助提取技术的应用过程中，如何选取萃取溶剂十分关键。在选择提取溶剂时，要注意：在微波条件下，溶剂应为透明的或半透明的，但是要具有一定的极性；溶剂处理组分具有很好的溶解性；溶剂对提取组分的影响很小。另外，提取溶剂的沸点也要加以考虑。目前常用的萃取溶剂有正已烷、二氯甲烷、甲醇和乙醇等。提取溶剂具有一定的极性是微波辅助提取技术必需的，但如果采用甲苯、正己烷等非极性溶剂，则需要再添加一种或几种极性溶剂，以提高其介电常数。因此，萃取溶剂可以是一元体系、二元体系、多元体系，具体的萃取体系要依据样品性质、萃取对象性质、萃取前的试验结果来确定。对于提取溶剂的体积，有科研人员对试样质量分数与溶剂体积比的关系进行了探讨，发现试样质量与溶剂体积比为1∶5～1∶3时，提取物的回收率达到100%；而在试样质量分数与溶剂体积比为1∶2时，提取目标回收率仅为70%～88%。

2.4 微波辐射条件的选择

微波频率、微波功率、辐射时间等因素都会对提取效果产生影响，不同的提取目标使用的微波辐照条件不同。有学者根据不同的提取材料，对微波辅助提取技术的提取条件进行了探讨，以确定最佳的微波辅助提取技术提取工艺。以迷迭香和薄荷为例，当微波功率由200 W增加至640 W时，其他条件相同，提取率随着微波功率的增大而增大。

2.5 微波萃取温度的选择

在高压条件下，萃取溶剂的沸点较高，微波辅助提取技术能达到常压下萃取溶剂所不能达到的萃取温度，从而提高了提取速率，避免了物质的分解。随着提取温度的增加，提取目标物质的回收率也随之增加。

2.6 冷却

由于微波的热传导作用，提取系统在辐照后温度很高，通常采取一段冷却的方法来保证目标物质的质量。在冷却期间，溶剂提取还在进行，因此在每次微波照射后，要给系统一个充分的冷却时间，否则会降低提取目标物质的数量和提取速率。

2.7 萃取溶剂与萃取组分分离

在传统的萃取工艺中，通常使用溶剂蒸发（常压蒸发、减压蒸发）、色谱等，对萃取溶剂和萃取组分进行分离，使回收的溶剂能够再利用。

3 微波萃取技术在食品化学中的应用

3.1 微波萃取食品植物中的油脂

微波萃取技术被应用在油脂的提取中，能够使花生油的出油率明显高于常规提取方法，为国内农业产业的发展作出了一定的贡献。目前，利用微波萃取技术提取食品中的植物油脂，已取得了一定的应用效果。例如，国外的一次葵花油试验，就证实了微波技术对葵花油的萃取效果要优于传统技术。此外，对西番莲子油、鳗鱼骨油的提取试验也证实了微波萃取技术在食用植物油脂中的应用具有一定的优势。

3.2 微波萃取挥发性化合物

利用微波萃取技术提取挥发性物质，主要是针对食品中某些易挥发的油脂进行提取。该方法在实践中得到了有关专家的验证，且取得了良好的效果。例如，利用微波技术提取天竺葵精油可以较好地防止挥发性化合物的挥发。

3.3 微波萃取技术在食品工业中的应用

微波技术被广泛地应用在蔬菜、水果、牛奶、面包、面条、调味品以及各种食物的干燥中，还可以用于肉类的解冻、谷物的防虫、防霉、陈化催熟。经过十余年的发展，各类专用工业微波设备已发展为真空、杀菌、烘焙和热烫等多种类型。微波技术在食品中的应用，不仅提高了提取的速度，还节约了在检测过程中所消耗的能量。

国外对微波辅助萃取技术在挥发油等方面的提取中已申请了一系列专利。专利显示，在提取薄荷精油时，以乙烷为溶剂，微波诱导提取20 s，水蒸气蒸馏2 h，索氏提取6 h，提取的精油产品品质良好。除此之外，采用微波提取技术可以从漪萝籽、芜姜、菌香、甘牛至、龙篱、牛膝革、薄荷、鼠尾草、百里香以及丁香等中提取植物精油，其品质为蒸汽蒸馏的同类产品。

3.4 微波技术在焙烤与膨化中的应用

微波烘焙技术可以缩短面包的醒发时间，但由于烘焙质量差，必须与传统的烘焙方法相结合，使其表面褐变，或采用专用的容器或包材，或用容易产生褐变的添加剂。研究人员将微波技术应用在熏肉、肉饼和禽类中，发现该技术可以有效降低成本，提高生产率。法国雀巢公司用2 450 MHz、10 kW的微波装置来烘烤可可豆，烘焙时间是热风烘烤的1/2，生产能力可达70～120 kg·h-1[5]。

3.5 微波技术在微量元素测定中的应用

微波消解法是一种检测微量元素的良好方法。水是一种典型的极性分子，采用水作为溶剂和反应系统，在微波条件下进行化学反应具有以下优点。①样品和试剂的数量大幅度降低。②降低了交叉污染，降低了挥发性材料的损耗，实现了分解的自动化。研究者利用微波消解技术对食物中的砷、锰进行了化学分析，发现As的回收率在90%～115%，CV为1.7%～4.2%；Mn的回收率为94.0%～98.8%，CV为1.0%，符合分析的需要。

3.6 在其他领域的应用

有文献报道，目前已有许多学者将微波技术应用在土壤分析、环境化学和石油化学分析等领域，并进行了广泛探讨。结果发现，微波技术能够实现对土壤中难降解有机物的去除，并取得了良好的效果。此外，采用微波技术能显著减少操作时间、简化工艺，同时还能显著改善土壤中稀土的活性[6-7]。

4 微波萃取技术存在的不足

虽然微波提取技术为人们的日常生活提供了很多便利，但也存在一定的安全隐患。在实验室的微波萃取机中，通过采用抽提箱进行静态萃取，这种方式会造成后期处理烦琐、难以进行有效分离的问题。

微波萃取装置的安全问题历来备受人们的重视，其中温度控制和危险监控是影响其安全的重要因素。采用高科技、高精度的控制和在线监控系统，可以有效改善微波萃取设备的安全性。微波提取装置所用的材料必须具有防辐射、耐压、耐腐蚀等特性，而提取物除了要具有以上特性之外，还必须具有高强度和高耐热性。随着时代的发展，微波萃取设备也是未来不可或缺的一部分。

5 结语

微波提取技术在食品加工、工业应用、药物提取以及化妆品生产等方面都有着举足轻重的作用。微波辅助提取技术是一种新的萃取技术，具有设备简单、应用范围广、萃取效率高、反应迅速以及污染小等特点，已被广泛应用于各个领域。但是，目前关于微波辅助提取技术机制的研究相对较少，有待相关学者的进一步研究。食品化学作为微波辅助提取技术的一个新的应用领域，其发展必然会推动食品行业的健康发展。