有機前處理—萃取技術有哪些？該如何選擇？

對分析實驗來說，開始分析樣品前，常需要進行一系列的處理程序，以提高分析靈敏度、準確度或選擇性等，這樣的處理程序便稱為前處理，因此乾燥、切割、秤重、降低背景值、酸化、萃取、消化、純化、過濾、除水與濃縮等程序，都算是前處理，前處理可說是一門包山包海的技術。

在過去的文章中，我已經分享過數種前處理技術，像是微波消化與降低背景值等，今天要探討的主題則是「萃取」，接下來我會說明何謂萃取，以及常見的萃取技術有哪些，希望未來各位想進行萃取實驗時，這篇文章能幫你快速選擇適當的萃取技術。

何謂萃取？

萃取是一種分離過程，能將有興趣的物質(或待測物)從原始樣品裡提取出來，且過程中並不會造成物質被改變或破壞，因此可以視為一種物理過程，而非化學反應。 這樣說可能很模糊，所以我換個例子。相信各位有喝過茶或咖啡，其實茶與咖啡都是萃取的產物；如果把泡茶當作是萃取實驗，那茶葉就是樣品，水則是萃取試劑，最終產物就是富含各種芳香分子與咖啡因的茶；為了泡上一壺好茶，茶種、茶葉量、水量、水溫以及浸泡時間等等都必須相互搭配，這邏輯跟萃取實驗完全相同。

當然，萃取不只是用來泡茶跟泡咖啡，它的功用可多了。以食品檢驗來說，台灣食藥署(Taiwan FDA)開發了許多萃取方法，能檢驗食品中的有害物質或添加物，例如農藥、抗生素、動物用藥、戴奧辛、多氯聯苯或萊克多巴胺(瘦肉精)等物質；若以環境檢測來說，環保署環境檢驗所(NIEA)也開發了許多萃取方法，可從水、土壤、廢棄物、沉積物等樣品中萃取戴奧辛、除草劑、柴油、半揮發性有機物、有機磷/有機氯農藥等有害物質。

除此之外，萃取實驗還可用於商品開發與品質管制；以塑膠或聚合物的應用來說，塑膠/聚合物中的塑化劑、添加劑、油類含量、有機酸、阻燃劑(PBDE)或六價鉻(IEC Method 62321-7-2:2017)等歐盟RoHS管制項目，都是研發或品質管制部門非常在意的項目；精油萃取、天然物萃取或科學中藥生產等，也都會用到萃取技術。

講了這麼多，到底要怎麼進行萃取實驗呢？因為篇幅問題，我今天的內容會著重於實驗室級別的固體樣品萃取，至於製程等級的萃取、或是液體樣品與氣體樣品萃取，未來再跟各位探討這個議題。

索氏萃取法(Soxhlet Extraction)：

說到固體樣品的萃取，索氏萃取法是經典中的經典，於1879年由德國農業化學家Franz von Soxhlet所開發，所以被稱為索氏萃取(Soxhlet Extraction)，取名方式非常直覺！

此種萃取法被廣泛用於固體樣品萃取，其設備歷史悠久、構造簡單、原理易懂、價格低廉、且被多種公告方法選用，所以你可以輕易找到實驗參考資料，是值得信賴的基礎萃取技術，只要你想做萃取實驗，實驗室裡一定要放個幾台。

不過呢，索氏萃取的缺點相當顯而易見：

1. 萃取時間長：需時數小時甚至數十小時，嚴重拉低實驗效率，並增加實驗室營運成本(耗電)。此外，因為萃取時間長，常需要overnight加熱，但萃取試劑常為可燃性有機溶劑，在無人看顧下進行overnight加熱是一大工安疑慮。

2. 溶劑用量高：索氏萃取的試劑用量動輒數百毫升，除了溶劑成本高之外，還有後續廢液處理的問題，會把成本更進一步墊高。此外，溶劑用量高，代表萃取結束後萃取液必須進行濃縮，以提高目標物的濃度，這又會多出一道手續，且大量的溶劑經過濃縮後，其中的不純物也會一起被濃縮，增加干擾分析結果的風險。

3. 空間使用效率較低：單台索氏萃取器並不大，但因萃取速度慢(動輒十多小時)，一旦樣品多起來，一台索氏萃取器根本不夠用，所以實驗室買個三五台很正常，但這樣的裝置放個一排，抽風櫃就滿了，十分浪費寶貴的抽風櫃空間。

4. 萃取溫度高：由於索氏萃取法使用溶劑蒸氣進行萃取，因此溶劑必須加熱至沸點，若萃取的目標物質對熱敏感，索氏萃取法可能就不適用。

儘管有上述缺點，由於索氏萃取器的價格極具優勢，並被用於多種公告方法及參考文獻，所以這個具一百多年歷史的老技術，至今在固體樣品萃取應用上仍佔一席之地。

加壓流體萃取(Pressurized Fluid Extraction/ Pressurized Liquid Extraction, PFE/PLE)：

用於固體樣品萃取的技術，會將樣品與萃取試劑一起加熱至高溫高壓，藉由高溫提升反應速率，高壓則使試劑在高溫下維持液相，讓試劑深入固體樣品的孔隙中，使待測物更易釋放出來，讓萃取效率大幅提高。

為了確保溶劑達到高壓，加壓流體萃取設備通常需要外接氮氣，這增加了設備建置的難度與成本；此外，為確保樣品不外洩，反應瓶結構會相當複雜，但這會拉高組裝與清洗的難度，而且反應瓶往往使用多個O-ring來保證密閉，這又進一步增加實驗成本，並降低實驗穩定性。

近年市面上出現了改良款的加壓流體萃取設備，不需外接氮氣，並大幅簡化反應瓶的組裝(僅三個元件，無O-ring)，甚至能取代QuEChERS萃取技術，在不使用任何淨化試劑的情況下進行食品中農藥萃取，且不會有QuEChERS技術易受油脂干擾實驗結果的問題，可產出更穩定且準確的數據。

加壓流體萃取法的萃取速度快(10mins)，且溶劑用量低(<40ml)，但價格明顯高過索氏萃取設備，因此難以像索氏萃取器一樣人手一台。雖然加壓流體萃取裝置的初置成本較高，不過後續運轉成本卻較索氏萃取器減少許多，因此建議在選擇萃取技術時，除了評估初置成本、亦要將長期的運轉成本納入進行通盤考量。

微波輔助萃取法(Microwave Assisted Extraction, MAE)：

主要用於固體樣品的萃取技術，只需要將樣品與試劑放入反應瓶中、鎖好反應瓶並放入微波萃取裝置中啟動加熱，在試劑產生出高溫與高壓後，便會造成類似加壓流體萃取的效果，增進待測物萃取的效率。

因為是使用微波作為加熱手段，所以加熱效率高過其他萃取技術，可於一小時內完成數十支樣品的萃取，每個樣品也僅需不到50ml的溶劑便能完成萃取，不只快，溶劑用量還低，所以自從美國環境保護局(USEPA)推出Method 3546後，越來越多國家採用微波輔助萃取技術。此外，微波輔助萃取系統往往也能進行微波消化/合成實驗，一機多用，所以這種萃取技術正逐漸成為主流。

由於微波加熱原理與傳統電熱加熱不同，除了具有更高的加熱效率外，還具有穿透性與選擇性，因此可以帶來全然不同的萃取效果，例如用於萃取微藻(Microalgae)中的脂質、蛋白質、碳水化合物、維生素、甚至是生質燃料等，可帶來更好的產量與純度，並減少萃取時間¹。更多微波原理與加熱效率細節歡迎參閱「用物理技術突破化學瓶頸 — 為什麼微波能提高反應速率？」

微波輔助萃取的效率高、可一機多用、並具有獨特加熱效果，但它也有一大限制就是同一批次的樣品必須使用相同溶劑進行萃取，因此微波萃取技術通常較適用於進行樣品性質較為相似的萃取。

超音波輔助萃取法(Ultrasound Assisted Extraction, UAE)：

無論是探針式(probe)或槽式(bath)的超音波萃取設備，都是利用超音波在試劑中瞬間產生的「增壓」或「減壓」，而造成空穴效應(cavitation)，進而製造微小真空氣泡，真空氣泡破裂時會產生衝擊力與局部熱點，增強溶劑穿透力並加速萃取效率，現在已經廣泛運用於各類樣品萃取，例如土壤中非揮發或半揮發有機物(農藥或PCB等)、天然蔬果類樣品中的抗氧化劑、寡糖、多酚、精油、脂質、類胡蘿蔔素等萃取；另有研究表明，超音波輔助萃取法在精油萃取上可減少熱敏感物質的降解²。

若以小量樣品的萃取應用來看，超音波萃取時間明顯短於索氏萃取(僅需30-60分鐘)，試劑用量也更少(100mL)，因此在部分的應用已經逐漸取代傳統索氏萃取；若要考慮到大型設備，市面上已經有數十甚至百公升以上體積的大型超音波萃取設備，能一口氣進行高量的天然物樣品萃取。

超臨界流體萃取(Supercritical Fluid Extraction, SFE)：

物質在超過特定的臨界溫度與壓力後，其性質會介於液體與氣體之間，具有氣體般的可壓縮性，亦具有液體般的流動性，而被稱為超臨界流體(Supercritical Fluid)。與一般液體相比，超臨界流體的萃取效率更高，且在萃取完成後，只要降低壓力，超臨界流體便會蒸發成氣體，所以殘留的溶劑量會非常少，甚至可以完全無殘留，而二氧化碳便是最常用的超臨界流體，十分符合現今的綠色化學潮流。

以二氧化碳作為超臨界流體溶劑，常用於去除咖啡豆中的咖啡因(decaffeination)、萃取植物中的藥物成分或精油，或是應用於環境分析上，以超臨界流體萃取法進行土壤或沉積物中的總可回收性石油碳氫化合物(TRPHs)及多環芳香族碳氫化合物(PAHs)萃取。不只如此，二氧化碳超臨界流體的溫度僅約31°C，可避免樣品或待測物熱分解，萃取時間需約1小時，亦優於索氏萃取。

超臨界流體有缺點嗎？使用二氧化碳進行萃取固然好處多多，但它對高極性物質的萃取效果差，必須加入修飾劑(modifier)以提升萃取效能，像是加入一些甲醇或乙醇，但這勢必影響萃取試劑的毒性、萃取溫度或是移除萃取試劑的便利性；另外，生質燃料(biofuel)是近年來相當熱門的一個議題，但已有研究表明，二氧化碳對於這類物質的萃取效率不佳，建議改用丙酮、甲醇或乙醇等試劑作為超臨界流體，而這當然也會失去原本使用二氧化碳萃取的一些優勢¹。

除了萃取適用性上的限制，超臨界流體設備需要在高壓下操作，除了耗能外，對於安全的要求也更加嚴格，因此設備價格較昂貴，限制了此技術的推廣。

分散式固相萃取(Dispersive Solid-phase Extraction)：

又名QuEChERS，為 Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged與Safe六個英文字所組合而成，讀音為「catchers」，最早於2002年由美國農業部所提出，經改良後，於2007年被AOAC與CEN公告為食品中多重農藥殘留檢測之依據，目前已經廣泛用於食品中殘留農藥的檢驗。

QuEChERS的萃取加淨化時間僅需約40分鐘，且樣品不需要經過加熱，不需擔心待測農藥熱分解，但這項技術目前僅適用於食品的農藥萃取，且對於高油脂含量樣品(例如堅果或咖啡豆)會有干擾問題，造成回收率偏低。

結論

本次的技術分享中我們提到了六種不同的萃取方式，每種方式都有其特點，也有其缺點，沒有哪一種技術是真的完全無用或是被淘汰的。

若要下個簡單的結論，在預算極度有限的情況下，索氏萃取法是最經濟、且簡單易學的技術，但缺點就是耗時、有潛在危險性、溶劑使用量大等。

若要談到效率，能夠一次進行數十支樣品萃取的微波萃取法仍是效率之王，在環境樣品的萃取應用上也越來越常見，而且此技術不只可以用於萃取，還能同時用於消化或合成實驗，可以大幅增加設備使用率；但若您想追求的是極大樣品量(如數十公斤的樣品萃取)，超臨界流體萃取與超音波萃取會是你可以考慮的做法。

加壓流體萃取儘管效率不如微波萃取，但勝在單一樣品萃取僅需10分鐘，且每個樣品都能分別設定不同的萃取試劑與條件，彈性最高，最適合用於萃取方法開發，或是每日樣品分析量較低的實驗室。

• Microwave-Assisted Extraction for Microalgae: From Biofuels to Biorefinery
• A Review on Extraction Techniques and Its Future Applications in Industry