微波辅助萃取技术原理技术材料

1、庚询 王飞 骆明川 邝允 李言 滕旭、黄蓉、王倩、林帅1技术课件 王飞 骆明川 庚询 邝允 李言2技术课件微波萃取的机理微波萃取的机理 微波辅助萃取又称微波萃取（microwave assisted extraction-mae)，是微波和传统的溶剂萃取法相结合后形成的一种新的萃取方法。 微波萃取是利用微波能来提高萃取速率的一种最新发展起来的技术。3技术课件基本原理基本原理 利用微波能来提高萃取率的一种最新发展起来的新技术。它的原理是在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对

2、差的萃取剂中4技术课件微波微波萃取的机理微波微波萃取的机理 微波微波 微波通常是指频率为310831011hz(波长1m到1mm)的电磁波。 微波具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。 微波加热能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。5技术课件微波热效应微波热效应 微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热6技术课件非热效应 微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化

3、学效应等7技术课件微波萃取的机理 2 加热方式 常规加热：由外部热源通过热辐射由表及里的传导方式加热。 微波加热：材料在电磁场中由介质吸收引起的内部整体加热。8技术课件微波萃取的机理 3 能量转换 微波加热意味着将微波电磁能转变成热能微波电磁能转变成热能，其能量是通过空间或介质以电磁波的形式来传递的，对物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。9技术课件微波萃取的机理 4 介电分子极化 根据参加极化的微观粒子种类，介电分子极化大约可分成4种介电极化： 电子极化，即原子核周围电子的重新排布； 原子极化，即分子内原子的重新排布； 转向极化(取向极化)，即分子永久偶极的重新取向； 界面极化，

4、即自由电荷的重新排布。10技术课件微波萃取的机理 微波电磁场的弛豫时间为10-910-12 s 前两种极化要快的多(弛豫时间在10-151o-16 s和10-1210-13 s之间)，所以不会产生介电加热。 后两种极化的弛豫时间刚好与微波的频率吻合后两种极化的弛豫时间刚好与微波的频率吻合，故可以产生介电加热，即可通过微观粒子的这种极化过程，将微波能转变为热能。11技术课件微波萃取的机理 5 物质材料分类 物质吸收微波能的程度可用介质损耗角正切tg来描述。 tg=介电常数/介电损耗因子 物质吸收微波能的能力随tg增大而增加。12技术课件 介质损耗角又称介电相位角。反映电介质在交变电场作用下，电位

5、移与电场强度的位相差。在交变电场作用下，根据电场频率、介质种类的不同，其介电行为可能产生两种情况。对于理想介质电位移与电场强度在时间上没有相位差，此时极化强度与交变电场同相位，交流电流刚好超前电压/2。对于实际介质而言，电位移与电场强度存在位相差。此时介质电容器交流电流超前电压的相角小于/2。由此，介质损耗角等于/2与介质电容器交流电流超差电压的相角之差。13技术课件微波萃取的机理 根据对微波的吸收程度，可将物质材料分成导体、绝缘体和介质。 导体主要为金属，如铁、铝等，微波不能进入导体，只能在其表面反射； 绝缘体是指可透过微波而对微波吸收很少的材料，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等； 介质可吸收微波

6、，吸收程度可用tg表示14技术课件微波萃取的分析 微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离，即可获得所需的萃取物。滤和分离，

7、即可获得所需的萃取物。15技术课件 微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。分子由固体内部向固液界面扩散的速率。例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，水分子由高速转动状态转变为激发态，这水分子由高速转动状态转变为激发态，这是一种高能量的不稳定状态。此时水分子是一种高能量的不稳定状态。此时水分子或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加出的能量将传递给其他

8、物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，结果使固体内部扩散至固液界面的时间，结果使萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。最大限度地保证萃取物的质量。16技术课件 由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，可

9、促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以245亿次亿次s的速度作极性变换运动，从而产生的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基某些组分被选择性加热，从而使

10、被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。17技术课件微波萃取的特点 加热迅速加热迅速 选择性加热选择性加热 体积加热体积加热 高效节能高效节能 易于控制易于控制 安全环保安全环保18技术课件微波萃取的特点 1 加热迅速 微波能穿透到物料内部，使物料表里同时产生热能，其加热均匀性好，且加热迅速。19技术课件微波萃取的特点 2 选择性加热 微波加热具有选择性，可通过选择适当的溶剂来提高萃取效率，以期达到最佳的萃取效果。20技术课件微波萃取的特点 3 体积加热 微波加热是一个内部

11、整体加热过程，它将热量直接作用于介质分子，使整个物料同时被加热，此即所谓的”体积加热”过程。21技术课件微波萃取的特点 4 高效节能 由于微波独特的加热机理，除少量传输损耗外，几乎没有其它损耗，故热效率高。22技术课件微波萃取的特点 5 易于控制 控制微波功率即可实现立即加热和终止，而应用人机界面和plc可实现工艺过程的自动化控制。23技术课件微波萃取的特点 6 安全环保 整个过程无有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。24技术课件与其它萃取方法的对比 传统的索氏萃取、搅拌萃取和超声波萃取等方法费时、费试剂、效率低、重现性差，而且所用试剂通常有毒，易对环境和操作人员造成危害。 超临界萃取虽然具有

12、节省试剂、无污染等优点，但是回收率较差；为了获得超临界条件，设备的一次性投资大，运行成本高，而且难于萃取强极性和大分子质量的物质。25技术课件微波萃取的优点 微波萃取则克服了上述方法的缺点，具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试剂、污染小等特点。26技术课件微波萃取设备 微波萃取体系根据萃取罐的类型可分为两大类:密闭型微波萃取体系开罐式萃取体系根据微波作用于萃取体系(样品) 的方式可分为:发散式微波萃取体系聚焦式微波萃取体系。李核，李攻科，张展霞，微波辅助萃取技术的进展，分析化学，20032003，10（31）：1261-126827技术课件密闭式微波萃取体系akik

13、o tannabe , shiperu suzuki. anal . chem. , 1999 , 1999 , 48 (10) :939944这类微波萃取体系是由一个磁控管、一个炉腔、监视压力和温度的监视装置及一些电子器件所组成。其中在炉腔中有可容放12 个密闭萃取罐的旋转盘,其结构如上图所示。该体系有自动调节温度、压力的装置,可实现温2压可控萃取。该体系的优点是:待分析成分不易损失,压力可控。当压力增大时,溶剂的沸点也相应增高,这样有利于待分析成分从基体中萃取出来。该类型商品化的仪器有:cem公司生产的mes1000和mds2000及上海申科的mk-1 型微波炉等28技术课件开罐式聚焦微波

14、萃取系统该体系与密闭微波萃取系统基本相似,只是其微波是通过一波导管将其聚焦在萃取体系上,其萃取罐是与大气连通的,即在大气压下进行萃取(压力恒定) ,所以只能实现温度控制。该系统将微波与索氏抽提结合起来,既采用了微波加热的优点,又发挥了索氏抽提的长处,同时免去了过滤或离心等分离的步骤。但该体系不足之处在于一次处理的样品数不能太多。该类商品化的仪器有:porlabo soxwave 100budzinski h , letellier m, garrigues , menach l k. j . chromatogr. a , 1999 , 1999 , 837 (122) :18720029技术

15、课件在线微波萃取系统cresswell 等在研究测定沉积物中pahs时首先应用了了一种微波在线萃取技术，该体系在萃取过程中可以不断的让新鲜的溶剂进入萃取罐,而萃取物可以通过hplc或gc/ms进行实时监测cresswell s l , haswell s j . analyst , 1999 , 1999 , 124 (9) :1361136630技术课件微波萃取的影响因素 萃取溶剂 萃取温度和萃取时间 溶液ph值 试样中的水分或湿度 基体物质骆健美，卢学英，张敏卿，微波萃取技术及其应用，化工进展， 20012001，20(12)：46-4931技术课件微波萃取的主要影响因素 1 萃取溶剂 萃

16、取溶剂的选择对萃取结果的影响至关重要。微波萃取中首先要求溶剂必须有一定溶剂必须有一定的极性的极性，以吸收微波能进行内部加热；其次，所选溶剂对目标萃取物必须具有较强溶剂对目标萃取物必须具有较强的溶解能力的溶解能力；此外，还需考虑溶剂的沸点及其对后续测定的干扰。32技术课件微波萃取的主要影响因素 用于微波萃取的溶剂： 有机溶剂：甲醇、丙酮、二氯甲烷、正己烷、苯和甲苯等； 无机试剂：硝酸、盐酸、氢氟酸等； 混合溶剂：己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇和水-甲苯等。33技术课件微波萃取的主要影响因素 例如 正己烷作溶剂，从薄荷和大蒜等生物物料中微波萃取精油； 用正己烷-丙酮(1：1)混合溶剂从土壤和沉积物中提

17、取多环芳烃等有机污染物。34技术课件微波萃取的主要影响因素 2 物料中的水分或湿度 物料的含水量对回收率影响也很大。水是极性分子，因此物料中含有水分才能有效含有水分才能有效吸收微波能产生温度差吸收微波能产生温度差。若物料不含水分，就要采取物料再湿物料再湿的方法，使其具有足够的水分。也可选用部分吸收微波能的半透半透明溶剂明溶剂浸渍物料，置于微波场中进行辐射加热的同时发生萃取作用。35技术课件微波萃取的主要影响因素 例如 有研究表明，以异辛烷为萃取剂分离沉积物中的杀虫剂时，样品水分为15时微波萃取效率最高。36技术课件微波萃取的主要影响因素 3 萃取温度 在微波密闭容器中，由于内部压力达到十几个大

18、气压，使得溶剂沸点比常压下要高。因此，用微微波萃取可以达到常压下使用相同溶剂所达不到的波萃取可以达到常压下使用相同溶剂所达不到的萃取温度，从而提高萃取效率，但又不至于分解萃取温度，从而提高萃取效率，但又不至于分解待测萃取物待测萃取物。萃取率随温度升高而增大的趋势仅表现在不太高的温度范围内，且各物质的最佳萃取温度也不同。37技术课件微波萃取的主要影响因素 4 萃取时间 微波萃取时间与被测物样品量、溶剂体积和加热功率有关。一般情况下，萃取时间在1015 min内。在萃取过程中，一般加热12 min即可达到所要求的萃取温度。有研究结果显示，萃取率随萃取时间延长而有所提高，但提高幅度不大，可忽略不计。38技术课件微波萃取的主要影响因素 5 溶液的ph值 溶液的ph值也会对微波