CN101816842A

CN101816842A - 一种远红外辐射辅助提取系统

Info

Publication number: CN101816842A
Application number: CN201010023044A
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 陈挚; 张鲁雁
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: CN101816842B

Abstract

本发明属于混合物提取分离技术领域，具体涉及一种远红外辐射辅助提取系统及其应用。该系统包括远红外线辐射源、回流冷凝装置和提取容器；回流冷凝装置和提取容器连接，远红外线辐射源置于提取容器外周或者内部。被提取的样品和提取溶剂于提取容器中混合。本发明利用远红外线辅助样品溶解和溶出，样品提取时间从传统热溶剂提取的数小时大幅缩短到10分钟以内；而且，远红外线不会破坏物体内部分子结构。本发明的远红外辐射辅助提取系统具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省溶媒、污染小和运行成本低等特点，在天然产物提取、食品和药品生产、农产品加工、食品药品分析以及环境监测等领域有良好的应用前景。

Description

一种远红外辐射辅助提取系统

技术领域

本发明属于混合物提取分离技术领域，具体涉及一种远红外辐射辅助提取系统及其应用。

背景技术

在化工生产、食品加工、药品生产、天然产物提取、食品药品分析以及环境监测等过程中样品中目标成分的提取分离是一个重要的技术步骤或工艺环节。目前较常用的样品提取方法是各种溶剂提取技术，即将提取溶剂与被提取样品充分混合后，通过冷浸或者加热回流的方法，将被提取样品中的目标成分提取到溶剂中，然后用于后续加工和测试。冷浸提取时间通常需要数天，而加热回流提取通常也需要3小时以上的时间，效率较低且能耗大。于是，开发高效快速的样品提取技术具有重要意义。

最近，超声波被引入传统溶剂提取，从而建立了超声波辅助提取技术[1.刘海洲，刘均洪，张嫒媛，肖强，乳业科学与技术，2008，(5)，244-248.]。超声波是一种震动频率高于声波的机械波，能产生并传递强大的能量。当颗粒内部接受的能量足以克服结构的束缚能时，固体颗粒被破碎，从而促内部有效成分的溶出，此外，超声波产生的空化现象可细化各种物质，加速细胞内有效成分的溶出。但其提取时间长达数十分钟乃至数小时，且噪音极大。另一个被广泛应用的样品提取新技术是微波辅助提取技术[2.李核，李攻科，张展霞，分析化学，2003，31，1261-1268.]，该技术是将被提取样品与提取溶剂混合，置于微波炉中，通过微波加热完成快速提取，提取时间通常为数是十钟。其原理是在微波场中，各种物料吸收微波能力的差异使得提取溶液的某些区域或某些组分被选择性加热，从而使得物质内部产生能量差，被萃取物质得到足够的动力从基体或体系中分离。然而，该技术在实际操作过程中需要防止微波泄露，此外，由于非极性溶剂对微波不吸收，微波辅助提取一般使用极性溶剂，如水、乙醇和甲醇等。

红外线是太阳光谱中波长为0.76微米～1000微米的不可见波，按照波长的不同可分成三个区段，即近红外(0.76～1.40微米)、中红外(1.40～3.00微米)和远红外(3.00～1000微米)[3.周健儿，张小珍，王双华，陶瓷学报，2004，25，98-101；4.君轩，红外线和远红外线，世界橡胶工业，2005，56.]。其中远红外辐射照射物体的生热效果大大超过近红外辐射，这是由于有机物的吸收光谱的波长大都处于3微米～100微米的范围之内，与远红外线的波长处于同一范围，对远红外的吸收十分强烈，所以远红外辐射十分适合作加热热源。目前，远红外辐射加热技术已广泛用于家用取暖器、烤漆、粮食干燥以及医疗保健等领域。但经检索国内外文献和专利，未发现有远红外辐射辅助提取技术的报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种远红外辐射辅助提取系统，尽量缩短加热回流所需时间。

远红外辐射效率高，黑度大，几乎接近黑体黑度，不会发出如紫外线和可见光等影响被提取样品稳定性的杂光。其具有与提取溶剂(如水和各种有机溶剂)和被提取样品中有机物质吸收红外线光谱相匹配的辐射能谱，辐射能大部分被吸收，从而达到快速高效加热的目的。由于远红外辐射穿透和辐射能力强，对被提取样品和提取溶剂的加热不同于传统的面加热，而是对样品从内外同步进行立体加热，所以加热效率高。此外，远红外辐射没有热惯性，在很短时间内就可以开始工作，升温迅速，也可以在很短时间内止工作，易于实现智能控制[5.程晓燕，刘建学，河南科技大学学报(农学版)，2003，23，51-54.]。鉴于远红外辐射的这些优点，本发明将远红外线辐射源、回流冷凝装置和提取容器组装成远红外辐射辅助提取系统，开展了深入研究，成功建立了远红外辐射辅助提取技术。

本发明提出的远红外辐射辅助提取技术将样品的提取时间大幅度降低到10分钟以内，大大节约了提取时间，提高了工作和生产效率。由于该技术用远红外线辐射源代替通常溶剂提取中使用的面加热源(如水浴、电热套等)、超声波和微波，提取效率得到显著提高，与微波辅助提取相比，远红外辐射辅助提取中使用的远红外线对人体无害，操作安全，且对溶剂没有是否有否极性的要求。此外，远红外辐射辅助提取过程不会产生超声波辅助提取过程的噪音。本发明提出的远红外辐射辅助提取技术及其装置在天然产物提取、化工生产、食品和药品生产、食品药品分析以及环境监测等领域有良好的应用前景。

本发明提供了一种远红外辐射辅助提取系统，该系统包括远红外线辐射源、回流冷凝装置和提取容器；回流冷凝装置和提取容器连接，远红外线辐射源置于提取容器外周或者内部。

所述的提取容器可以视具体实验条件而定，例如采用圆底烧瓶或反应釜，等等。

如果提取容器较小或者是透明的，远红外线辐射源置于提取容器的外周。距离视提取容器的材质、远红外线辐射源的种类、功率、样品和提取溶济体积等情况而定。例如，提取容器是圆底烧瓶，外置的盘式远红外线辐射源可以距离圆底烧瓶外壁1-8厘米。如果提取容器是反应釜，远红外线辐射源可以置于反应釜内且由玻璃包被。玻璃最好使用透明无色的石英玻璃。

所述的远红外线辐射源可以是远红外电热丝石英管、远红外线碳纤维电热管、远红外灯或者远红外线卤素电热管等。

所述的远红外线波长范围可以采用2.50～1000微米，较好的采用2.5-25微米，更好的可以采用3-25微米。

相应的，本发明提供了一种远红外辐射辅助提取方法，即利用远红外线辅助样品溶解和溶出，加速样品的提取。

具体而言，首先，将样品和提取溶剂加入提取容器；随后，连接回流冷凝装置和提取容器，并将远红外线辐射源置于提取容器外周或者内部；然后，开启回流冷凝装置和远红外线辐射源；待溶液沸腾2-10分钟即可。

同常规提取方法相似，所述的远红外辐射辅助提取方法，要求样品和提取溶剂的总体积不超过提取容器的三分之二。

所述的远红外辐射辅助提取方法中，远红外线辐射源与被提取的样品和提取溶剂不直接接触，而是通过辐射出的远红外线对其照射，从而加速完成回流提取。

本发明将远红外线辐射源、回流冷凝装置和提取容器组装成远红外辐射辅助提取系统，被提取的样品和溶剂在容器中混合。用远红外线直接照射样品和溶剂使其发热，加速溶剂在样品中的渗透以及样品中有关成分的溶出，从而完成样品的快速提取。

根据实验室和工业用途的不同需要，本发明分别具体设计并组装了远红外辐射辅助提取系统。实验室少量样品的提取采用附图1所示提取系统。其由调压器、回流冷凝管、铁夹、圆底烧瓶、盘式远红外辐射源(功率100-1000W，红外线波长范围2.5-25微米)和铁架台组成。回流冷凝管和圆底烧瓶通过铁架台上的两个铁夹连接在一起构成回流系统，溶剂和被提取样品于圆底烧瓶中混合。盘式远红外辐射源置于圆底烧瓶的下方，其与圆底烧瓶底部的距离为1-5厘米。

对于工业生产中大量样品的提取采用附图2所示提取系统，其由回流冷凝装置、反应釜11、搅拌器、搅拌器驱动电机、管式远红外辐射源和透明石英玻璃护套组成。其中回流冷凝装置和反应釜(5-250升)构成回流系统，管式远红外辐射源插于浸在反应釜中溶剂中的透明石英玻璃护套，其表面不直接接触溶剂，其发出的远红外辐射可以穿过透明石英玻璃护套从而对溶剂和被提取样品进行非接触加热，起到防爆的作用。管式远红外辐射源通过的功率由外接的调压器调节。由于样品量大，提取系统配备了搅拌器，用于溶剂和被提取样品的混合。本发明使用的远红外线辐射源可以是远红外电热丝石英管、远红外线碳纤维电热管、远红外灯和远红外线卤素电热管等，这些远红外辐射发生器件目前市场上均有销售，且功率和外形可定制。

本发明提出的远红外辐射辅助提取方法，具体步骤为：

将被提取样品粉碎，准确称取其质量。如使用附图1的装置，可将计量的已粉碎的样品加入圆底烧瓶中，然后加入计量的提取溶剂，要求溶剂和被提取样品的总体积不超过圆底烧瓶体积的2/3，摇动混合，然后按附图1将提取系统安装好，开启回流冷凝管冷凝水，调节调压器设定加热功率(100-1000W)，然后开启盘式远红外辐射源，进行远红外辐射辅助提取，待溶液沸腾回流一段时间后，关闭远红外辐射源，冷却后可分出提取溶液，从而完成提取。如使用附图2的提取设备，先将计量的已粉碎的样品加入反应釜中，然后加入计量的提取溶剂，要求总体积不超过反应釜体积的2/3，开启搅拌器混合，然后按附图2将设备安装好，启动回流冷凝装置冷凝水，然后开启管式远红外辐射源，进行远红外辐射辅助提取。对于远红外辐射辅助提取，每100克被提取样品使用的溶剂体积为0.2-2.5升。一般提取时间为溶液沸腾后2-3分钟即可停止提取，提取过程中溶液沸腾的时间决定于远红外辐射源的功率，在实际提取过程中需根据溶剂种类、提取溶剂和被提取样品的总量确定远红外辐射源的功率，控制提取溶液沸腾时间为3-10分钟。

本发明提出的远红外辐射辅助提取技术，具体原理为：

由于被提取样品中的大多数物质以及提取溶剂(如水和各种有机溶剂)分子振动引起的吸收光谱的波长大都处于3微米～100微米的范围之内，恰好落在远红外辐射的波长范围(3.00～1000微米)内，由于样品和溶剂吸收红外线光谱和远红外辐射能谱相匹配，辐射能大部分被样品和溶剂分子吸收。在接受辐射后分子振动加剧，并产生共振和摩擦热效应，被提取样品和溶剂所吸收的能量全部或大部分转变成热能，导致温度的升高，直至溶液沸腾。由于分子振动和温度升高，样品中部分分子挣脱了原来物质对它的束缚，增大了样品中提取成分的溶解速度，加快了提取过程的进行。同时，远红外辐射引起的分子振动和热效应加速了溶剂分子对样品基体的渗透。由于远红外辐射穿透力强，可使渗透到样品颗粒内部的溶剂汽化而破坏样品颗粒结构，使其中的有关成分快速溶出，从而提高了提取率。远红外线是波长为3-1000微米的红外线，其能量较低，主要引起被照物体分子的伸缩振动、弯曲振动、扭曲振动以及分之间的碰撞和摩擦等，并产生热量，但不会破坏物体内部分子结构，因此，将其用于样品的加热回流提取，被提取成分不会被破坏。

本发明提出的远红外辐射辅助提取系统，利用远红外线辐射和被提取样品及提取溶剂红外吸收的能量匹配，加速溶剂在样品中的渗透以及样品中有关成分与的溶出，从而显著提高了样品的提取效率。远红外辐射辅助提取技术具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省溶媒、污染小和运行成本低等特点。在天然产物提取、食品和药品生产、农产品加工、食品药品分析以及环境监测等领域有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明涉及的实验用远红外辐射辅助提取系统示意图。

图2为本发明涉及的工业用远红外辐射辅助提取系统示意图。

图3为用甲醇提取槐米过程中不同时间点提取液稀释40倍后的毛细管电泳图谱。提取时间：(A)1分钟；(B)2分钟；(C)3分钟；(D)4分钟；(E)5分钟；(F)6分钟；(G)9分钟；(H)12分钟；(I)15分钟。测试条件：熔融石英毛细管，长40厘米，直径25微米；分离和进样电压，12kV；进样时间，6秒；运行缓冲溶液，50mM硼酸盐缓冲溶液(pH9.2)；检测电极为300微米直径的石墨圆盘电极；检测电位，0.9V。

图4为提取时间对远红外辐射辅助提取槐米过程中提取液中芦丁含量的影响。

图5(AA)为采用80℃水浴回流提取槐米1小时获得的提取液稀释40倍后的毛细管电泳图谱；(BB)为采用80℃水浴回流提取槐米3小时获得的提取液稀释40倍后的毛细管电泳图谱。提取溶剂均为甲醇。

图6(AAA)为远红外辐射辅助秦皮提取液稀释10倍后的毛细管电泳图谱(提取时间为6分钟)；(BBB)为采用80℃水浴回流提取秦皮3小时获得的提取液稀释10倍后的毛细管电泳图谱；(CCC)为采用80℃水浴回流提取秦皮1小时获得的提取液稀释10倍后的毛细管电泳图谱。提取溶剂均为甲醇。

图中标号：1为调压器，2为回流冷凝管，3为铁夹，4为提取溶剂，5为圆底烧瓶，6为被提取样品，7为远红外线；8为盘式远红外辐射源，9为铁架台，10为回流冷凝装置，11为反应釜，12为搅拌器，13为搅拌器驱动电机，14为管式远红外辐射源，15为透明石英玻璃护套。

具体实施方式

下面通过实施例和附图进一步描述本发明。

实施例1、中药有效成分的远红外辐射辅助提取和测定

在中药有效成分的分离分析中，首先需要根据被提取成分的化学性质选择提取溶剂，将有关成分提取出来，然后用于后续分析测试。

实验室少量中药样品的提取采用附图1所示装置，其由1000W调压器1、回流冷凝管2、铁夹3、100毫升圆底烧瓶5、盘式石英管远红外辐射源8(220V，900W，波长范围2.5-25微米)和铁架台9组成。回流冷凝管2和圆底烧瓶5通过铁架台9上的两个铁夹3连接在一起构成回流系统，提取溶剂4和被提取样品6于圆底烧瓶5中混合。盘式石英管远红外辐射源8置于圆底烧瓶5的下方，其与圆底烧瓶底部的距离为3厘米。

1)中药槐米中有效成分的远红外辐射辅助提取和测定

槐米采用附图1的装置所示装置提取，先将槐米烘干后用粉碎机粉碎，准确称取2克样品，置于圆底烧瓶5中，然后加入50毫升甲醇作为提取溶剂4，摇动混合，然后按附图1将装置安装好，开启回流冷凝管冷凝水，调节调压器1设定输出电压为150V，对应的盘式石英管远红外辐射源8的加热功率约为600W。然后开启盘式石英管远红外辐射源8，进行远红外辐射辅助提取，并开始计时，大约3分钟后溶液开始沸腾，继续回流提取3分钟后，关闭远红外辐射源8，冷却到室温后，可将甲醇提取溶液分出，从而完成提取。获得的提取液用50mM的硼酸盐缓冲溶液(pH 9.2)稀释40倍后用毛细管电泳分离安培检测技术分析，获得的毛细管电泳图谱见附图3(F)，通过与0.2mM芦丁标准溶液的毛细管电泳图谱比较，槐米其主要成分是芦丁，甲醇提取液中芦丁含量为8.08mg/mL，计算得到的被测试的中药槐米样品中的芦丁的含量为202.0mg/g。其中毛细管电泳测试条件为：熔融石英毛细管，长40厘米，直径25微米；分离和进样电压，15kV；进样时间，6秒；运行缓冲溶液，50mM硼酸盐缓冲溶液(pH 9.2)；检测电极为300微米直径的石墨圆盘电极；检测电位，0.9V。

此外，还测试了提取时间对远红外辐射辅助提取中药槐米获得的提取液中芦丁含量的影响，附图3为用附图1装置用甲醇提取槐米过程中不同时间点提取液稀释40倍后的毛细管电泳图谱。通过与0.2mM芦丁标准溶液的毛细管电泳图谱比较，当提取时间为1、2、3、4、5、6、9、12和15分钟时，获得的甲醇提取液中芦丁的含量分别为1.08、2.23、3.89、5.27、6.62、8.08、8.04、8.11和8.38mg/mL，附图4显示当提取时间在1到6分钟时间范围内甲醇提取液中芦丁的含量直线上升。当提取时间高于6分钟，样品提取液中芦丁浓度变化不大，继续延长提取时间将增加提取能耗，所以在选定的提取条件下，优化的提取时间为6分钟。

作为对照，还采用80℃水浴代替盘式石英管远红外辐射源8进行中药槐米回流提取，其它提取和测试条件不变。附图5为采用80℃水浴回流提取槐米1小时和3小时获得的甲醇提取液稀释40倍后的毛细管电泳图谱，与0.2mg/mL芦丁标准溶液的毛细管电泳图谱比较，可计算得到水浴回流提取槐米1小时和3小时获得的甲醇提取液中的芦丁含量分别为5.06和7.44mg/mL，说明对于水浴回流提取可以通过延长提取时间来提高提取率，但水浴回流提取3小时获得的甲醇提取液中的芦丁含量(7.44mg/mL)仍低于用远红外辐射辅助提取6分钟获得的提取液中芦丁的含量(8.08mg/mL)，该结果说明远红外辐射能显著提高中药槐米中芦丁的提取效率，将提取时间大幅降低到6分钟。

2)中药秦皮中秦皮甲素和秦皮乙素的远红外辐射辅助提取和测定

中药秦皮采用附图1的装置所示装置提取。先将秦皮烘干后用粉碎机粉碎，准确称取2克样品，置于圆底烧瓶5中，然后加入50毫升甲醇作为提取溶剂4，摇动混合，然后按附图1将装置安装好，开启回流冷凝管冷凝水，调节调压器1设定输入电压为150V，对应的盘式石英管远红外辐射源8的加热功率约为600W。然后，开启盘式石英管远红外辐射源8，进行远红外辐射辅助提取，同时开始计时，大约3分钟后溶液开始沸腾，继续回流提取3分钟后，关闭远红外辐射源8，冷却到室温后，可将甲醇提取溶液分出，从而完成提取。

获得的提取液的用50mM的硼酸盐缓冲溶液稀释10倍后用毛细管电泳分离安培检测技术分析，获得的毛细管电泳图谱见附图6(A)，通过与0.2mg/mL秦皮甲素和0.2mg/mL秦皮乙素混合标准溶液的毛细管电泳图谱比较，中药秦皮中主要成分是秦皮甲素和秦皮乙素，提取液中秦皮甲素和秦皮乙素的含量分别为1.03和0.37mg/mL，计算得到的中药秦皮样品中的秦皮甲素和秦皮乙素的含量分别为25.69和9.26mg/g。其中毛细管电泳测试条件为：熔融石英毛细管，长40厘米，直径25微米；分离和进样电压，12kV；进样时间，6秒；运行缓冲溶液，50mM硼酸盐缓冲溶液(pH 9.2)；检测电极为300微米直径的石墨圆盘电极，检测电位为0.9V。

作为对照，还采用80℃水浴代替盘式石英管远红外辐射源8进行回流提取中药秦皮中秦皮甲素和秦皮乙素，其它提取和测试条件不变，附图6(B)和附图6(C)分别为采用80℃水浴回流提取秦皮粉末样品3小时和4小时获得的甲醇提取液稀释10倍后的毛细管电泳图谱，与0.2mg/mL秦皮甲素和0.2mg/mL秦皮乙素标准溶液的毛细管电泳图谱比较，可计算得到水浴回流提取秦皮提取液中秦皮甲素和秦皮乙素的含量，其中提取3小时，提取液中秦皮甲素和秦皮乙素的含量分别为0.97和0.35mg/mL；提取1小时，提取液中秦皮甲素和秦皮乙素的含量分别为0.53和0.21mg/mL，结果说明秦皮成分水浴回流提取可以通过延长提取时间来提高提取率，但水浴回流提取3小时获得的甲醇提取液中的秦皮甲素(0.97mg/mL)和秦皮乙素(0.35mg/mL)的含量仍低于用远红外辐射辅助提取6分钟获得的提取液中皮甲素(1.03mg/mL)和和秦皮乙素(0.37mg/mL)的含量，该结果进一步说明远红外辐射能显著提高中药有效成分的提取效率。

实施例2、油桐种子中桐油的远红外辐射辅助提取

使用附图2的装置提取油桐种子中的桐油，该提取系统由回流冷凝装置10、5升反应釜11、搅拌器12、搅拌器驱动电机13、远红外电热丝石英管14(功率2000W，波长范围2.5-25微米)和透明石英玻璃护套15组成。其中回流冷凝装置10和反应釜11构成回流系统，远红外电热丝石英管14插于浸在反应釜11中溶剂中的透明石英玻璃护套15，其表面不直接接触提取溶剂4，其发出的远红外辐射可以穿过透明石英玻璃护套15从而对提取溶剂4和被提取样品6进行加热提取，远红外电热丝石英管14通过的功率由外接的调压器调节。

将0.5公斤油桐果仁用粉碎机器粉碎，加入容量为5升的反应釜11中，然后加入2升提取溶剂石油醚(沸程60-90℃)，然后开启搅拌器12慢速搅拌使其混合，然后按附图2将装置安装好，启动回流冷凝装置10的冷凝水，然后开启管式远红外辐射源14(功率为2000W)，进行远红外辐射辅助提取，大约6分钟后溶液开始沸腾和回流。继续回流3分钟后，关闭管式远红外辐射源14，待样品冷却到45℃，分离出石油醚提取液，提取后的油桐果仁渣子用2升石油醚按同样的方法再提一次，合并石油醚提取液，旋转蒸发除去石油醚，可得桐油249克。

作为对照，用100℃水浴代替管式远红外辐射源14进行回流提取，其它提取条件同远红外辐射辅助，但提取时间由9分钟增加到1小时，从0.5公斤油桐果仁中可提得桐油225克，低于远红外辐射技术，可见远红外辐射对油桐种子中桐油的溶剂提取有明显的促进作用。

Claims

1.一种远红外辐射辅助提取系统，其特征在于，该系统包括远红外线辐射源、回流冷凝装置和提取容器；回流冷凝装置和提取容器连接，远红外线辐射源置于提取容器外周或者内部。

2.根据权利要求1所述的远红外辐射辅助提取系统，其特征在于，提取容器是圆底烧瓶或反应釜。

3.根据权利要求1所述的远红外辐射辅助提取系统，其特征在于，远红外线辐射源是远红外电热丝石英管、远红外线碳纤维电热管、远红外灯或者远红外线卤素电热管。

4.根据权利要求1所述的远红外辐射辅助提取系统，其特征在于，远红外线波长范围2.5-25微米。

5.根据权利要求1所述的远红外辐射辅助提取系统，其特征在于，提取容器是圆底烧瓶，远红外线辐射源置于圆底烧瓶外周。

6.根据权利要求1所述的远红外辐射辅助提取系统，其特征在于，提取容器是反应釜，远红外线辐射源置于反应釜内且由玻璃包被。

7.一种远红外辐射辅助提取方法，其特征在于，利用远红外线辅助样品溶解和溶出。

8.根据权利要求7所述的远红外辐射辅助提取方法，其特征在于，首先，将样品和提取溶剂加入提取容器；随后，连接回流冷凝装置和提取容器，并将远红外线辐射源置于提取容器外周或者内部；然后，开启回流冷凝装置和远红外线辐射源；待溶液沸腾2-10分钟即可。

9.根据权利要求7所述的远红外辐射辅助提取方法，其特征在于，样品和提取溶剂的总体积不超过提取容器的三分之二。

10.根据权利要求7所述的远红外辐射辅助提取方法，其特征在于，远红外线辐射源与被提取的样品和提取溶剂不直接接触，而是通过辐射出的远红外线对其照射，从而加速完成回流提取。