天然物有效成分最新萃取技術-微波萃取/加壓溶劑萃取

2006-10-01

關鍵字:微波萃取

天然物有效成分最新萃取技術-微波萃取/加壓溶劑萃取

近幾年來已有多種不同的固相/液相萃取(SLE)技術被廣泛用於從植物體或微有機體上初步純化得到天然物成分上,然而固相/液相萃取又區分為傳統方法(traditional)與新興方法(recent)二大類。前者如索式萃取(Soxhelt)、浸泡萃取(maceration)與超音波萃取等,上述萃取方式已有數十年之久,然而他們共同的缺點有:操作非常耗時且需消耗大量的溶劑,會對環境造成較大的污染。後者如超臨界流體萃取(SFE)、微波萃取(MAE)與加壓溶劑萃取(PSE)等,相較於傳統萃取技術而言,具有較高的效益。自從 1990 年以後,許多文章甚至教科書內容中都有關於超臨界流體萃取的報導,特別是關於天然物萃取。其次,在近期發表的文章中,也有許多關於利用微波萃取及加壓溶劑萃取技術進行萃取植體中有效成分的實務應用。

微波的發展及理論

微波的應用肇始於第二次世界大戰時發展雷達技術的期間,後來首次用於商業化的設備為家用型(domestic)的微波爐。首次將微波加熱用於化學分析實驗設備_微波酸消化爐,是在西元 1975 年,至於將微波爐發展作為有機萃取則始於西元 1986 年。微波頻率範圍約在 0.3~300GHz,介於紅外線與無線電波間屬於一種安全非游離的電磁波。國際間為能有效避免與無線通訊上的干擾,舉凡家用型及工業用的微波爐,多使用 2.45GHz 的頻率。由於微波也是一種電磁波,行進中他的電場與磁場方向相互呈垂直,藉由其電場的改變而對物質加熱,主要是經由兩種機制: 偶極的轉動(dipole rotation)與離子的傳導(ionic conduction)。微波電場每秒可改變 49 億次,而具有偶極矩的分子或溶液中的陰、陽離子會隨著電場方向快速位移而與週遭的分子或離子碰撞摩擦而導致快速加熱溶液或樣品。

圖1. 電磁波譜(左);熱傳導與微波加熱(右)

微波萃取儀器之介紹

商業化的微波萃取裝置可區分為密閉瓶式(closed vessel)與常壓開放瓶式(open cells)二種。前者設備如 MES-1000 型或 MARS 型微波萃取系統(美國 CEM公司製造),其特點有:具備精密準確的壓力與光纖溫控(±2℃)、有機溶劑感應、 磁力攪拌、密閉高壓鐵弗龍反應瓶、抗高壓爐門結構等多重安全的設計。後者設備如 STAR 型或 Discover 型聚焦微波加熱系統(美國 CEM 公司製造),其具有紅外線溫控、高密度微波功率及磁力攪拌等特點。由於有機萃取實驗多使用具可燃特性的溶劑,如甲苯、甲醇等,因此本文強烈建議勿使用不具安全防護及無任何控制機制的家用微波爐作為萃取的設備,必須採用經國際間 MAE 安全認可的萃取設備,以免發生危險。另外,一般家用微波爐內的微波電場密度分布較不均勻,因此很容易使得實驗數據的再現性較差。

圖2. 密閉瓶式微波萃取裝置(左);常壓開放瓶式微波萃取裝置(右)

加壓溶劑萃取儀器之介紹

加速溶劑萃取(ASE)屬於加壓溶劑萃取(PSE)的一種,近年來亦稱為增強溶劑萃取(ESE),此一商業化設備最早是由美國 Dionix 公司所量產製造。它主要是藉由有機溶劑在增壓、增溫下,以增加萃取的效能。增溫可提高溶劑動能,以加速萃取反應進行,增壓使溶劑維持在液相,如此溶劑能擴散深入固相基質的孔隙中,進而使欲分析的標的成分較容易釋出並溶解於溶劑之中,讓固相/液相萃取的效率大為提高。

圖3. 加速溶劑萃取裝置

微波萃取與加速溶劑萃取之應用

早期雖有一些關於微波萃取天然物上的報導,然而它仍主要用在環境污染物的萃取,直到近幾年在環境分析的應用已趨成熟後,才又重回天然物萃取的研究上,其方法內容歸納如表 1,由表列方法數據中可知它具有時間短及溶劑量少的優勢。截至目前為止,加速溶劑萃取大多用於環境研究上,它在對於萃取不同的環境樣品基質中的不同污染物成分已有相當成功的應用。將加速溶劑萃取結果與傳統標準方法比較後可發現,兩者之回收率及準確度大致相同,前者的萃取結果甚至更好。目前微波萃取(MAE)與加速溶劑萃(ASE)取皆已列為美國環保署公告實施的方法,前者如 US EPA SW-846 3546 環境廢棄物中非揮發及半揮發性有機污染物的萃取方法; 後者如 US EPA SW-846 3545A 環境基質中重點污染物(priority pollutants)的萃取

表1. 微波萃取於天然物萃取之應用
CompoundsMatrixSystemExtraction conditionReference
Vicine, convicine (pyrimidine glycosides)Faba beans (Vicia faba)Domestic ovenMethanol:water (1:1); two successive irradiations (30s) with an intermediate cooling stepGanzler et al.(1986a, 1986b); Ganzler and Salgo (1987)
GossypolCotton seedsDomestic ovenThree cycles of irradiation (30s) with cooling steps in betweenGanzler et al.(1986a); Ganzler and Salgo (1987)
Sparteine (alkaloid)Lupine seedsDomestic ovenFour cycles (30s) with cooling steps in betweenGanzler et al. (1986b, 1990)
Terpenes (linalool, terpineol, citronellol, nerol and geraniol)Must (Vitis vinifera)Closed vessels10 mL dichloromethane; 475W; 10min; 90℃Carro et al. (1997)
Essential oilsMonarda fistulosa, Allium sp.Modified domestic ovenHexaneParé (1990)
Volatile oilsMentha piperita, Thuja occidentalisModified domestic ovenHexane, alkanes (transparent solvents)Paré (1994)
Essential oilsRosemary and peppermint leavesDomestic ovenHexane, carbon tetrachloride, toluene; 750W; <60 sChen and Spiro (1994)
Essential oilsPlant leavesDomestic ovenHexane; <60 sCollin et al. (1991)
Essential oilsFresh leaves of Lippia sidoidesDomestic oven"High cooking level"; 5 minCraveiro et al. (1989)
CarotenoidsPaprika powderClosed vessels50W; 120s; <60℃Csiktunadi Kiss et al. (2000)
Taxanes (paclitaxel)Needles of Taxus sp.Closed vessels5g fresh needles pre-soaked with 5mL water prior to extraction with 10mL of 95% ethanol; 100%power; 54s;85℃Incorvia Mattina et al. (1997)
ErgosterolFungal contaminationsDomestic oven375W; 35 sYoung (1995)
Withanolideslochroma gesnerioides leavesOpen cell, focused100mg material pre-soaked with 0.6 mL water prior to extraction with 5 mL methanol; 25W; 40sKaufmann et al. (2001a)
Cocaine and benzoylecgonineErythroxylum coca leavesOpen cell, focusedMethanol; 125W; 30 sBrachet et al. (2002)
AlkaloidsSenecio sp.Closed vessels65-100℃Bicchi et al. (1992)

微波萃取與加壓溶劑萃取為高效率且環保的新興萃取技術

微波萃取為目前較新興的萃取技術,應用範圍廣涵蓋了環境、生物與地質性等多種樣品。天然物萃取的操作影響因子主要包括有: 溶劑選擇、溶劑體積、萃取時間以及樣品粒徑大小等。近年來,微波萃取與加壓溶劑萃取等新興的技術,已逐漸取代了傳統的萃取方法。已有許多實驗報導證實了這兩種新興的萃取技術不但可大幅縮短時間,也明顯降低了有機溶劑用量,非常符合現今綠色環保的要求,且其分析數據回收率與準確性和傳統萃取所得大致上相同,甚至更佳。

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

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參考文獻

  • Recent Extraction Techniques for Natural Products:Microwave-Assisted Extraction and Pressurised Solvent Extraction – Beatrice Kaufmann and Philippe Christen ; PHYTOCHEM. ANAL. 13, 105-113(2002)