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萃取文献大综述

萃取技术的发展和应用

作者：

xxx

指导老师：

xxx

（xxx）

摘要：

萃取技术在工业上的应用是非常广泛也非常重的，课本上已经介绍了传统萃取的原理以及一些基本应用例如超临界萃取、膜萃取等，本文讲粗浅地介绍目前萃取技术的发展以及一些课本没有介绍但近年来兴起的新型技术。

关键词：

萃取、萃取技术、萃取应用、新进展

一、萃取的定义

萃取（Extraction）指利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。

经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来的方法。

萃取又称溶剂萃取或液液萃取（以区别于固液萃取，即浸取），亦称抽提（通用于石油炼制工业），是一种用液态的萃取剂处理与之不互溶的双组分或多组分溶液，实现组分分离的传质分离过程，是一种广泛应用的单元操作。

利用相似相溶原理，萃取有两种方式：

液-液萃取，用选定的溶剂分离液体混合物中某种组分，溶剂必须与被萃取的混合物液体不相溶，具有选择性的溶解能力，而且必须有好的热稳定性和化学稳定性，并有小的毒性和腐蚀性。

如用苯分离煤焦油中的酚；用有机溶剂分离石油馏分中的烯烃；用CCl4萃取水中的Br2.

固-液萃取，也叫浸取，用溶剂分离固体混合物中的组分，如用水浸取甜菜中的糖类；用酒精浸取黄豆中的豆油以提高油产量；用水从中药中浸取有效成分以制取流浸膏叫“渗沥”或“浸沥”。

虽然萃取经常被用在化学试验中，但它的操作过程并不造成被萃取物质化学成分的改变（或说化学反应），所以萃取操作是一个物理过程。

萃取是有机化学实验室中用来提纯和纯化化合物的手段之一。

通过萃取，能从固体或液体混合物中提取出所需要的化合物。

二、萃取技术的发展

随着科学的发展,溶剂萃取已成为一项得到广泛应用的分离提纯技术。

这一技术的实质是利用溶质在两种不相溶或部分互溶的液相之间的分配不同,来实现溶质之间的分离或提纯。

由于它具有选择性高,分离效果好,易于实现大规模连续化生产的优点,所以早在二次世界大战期间就颇为先进国家所重视。

经过50多年的科研与应用实践,现在它已成熟地在有色金属湿法冶金、化工、原子能等领域中得到大规模的应用。

例如,在有色重金属的铜、镍、钴;稀有高熔点金属的锆铪、铌钽、钨、钼、钒;稀有轻金属的铍、铷、铯;贵金属的铂、钯、锇、铱、钌;稀散金属的铟、锗、镓、铊、铼以及稀土金属的分离提纯;化工产品的分离与提纯;核燃料的前后处理上均有应用,而且在工业应用中获得了非常好的效果。

尽管在应用中人们也发现,溶剂萃取存在溶剂损失、二次污染、易燃、有气味等缺点,但在专家们始终不懈的努力下,溶剂萃取在不断完善中,得到了迅速发展。

在国际上,每3年举行1次国际溶剂萃取会议（ISEC）。

我国建国以来,也召开了4次溶剂萃取会议,开展学术交流及探讨未来的发展,以求在理论、工艺及设备上有新的突破。

21世纪溶剂萃取的发展,深为人们所关注。

在1999年的ISEC会议上,有关学者阐述了这一重要问题,为21世纪溶剂萃取工作提出了指导意见。

作者认为:

针对溶剂萃取学科,在新方向、新课题,前沿工作,工艺及理论发展等各国目标一致的情况下,每个国家根据其具体需要,也有自己的重点,所以若想对21世纪的溶剂萃取发展方向做一全面完整的说明是困难的。

溶剂萃取法具有选择性高、分离效果好的优点。

三、萃取技术新进展

1、反胶团萃取

反胶团萃取（reversedmicellarextraction）的研究始于20世纪70年代，是一种发展中的生物分离技术。

反胶团萃取的本质仍是液-液有机溶剂萃取，但与一般有机溶剂萃取所不同的是，反胶团萃取利用表面活性剂在有机相中形成的反胶团（reversedmicelles），从而在有机相内形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中，消除了生物分子，特别是蛋白质类生物活性物质难于溶解在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现象。

这种技术既利用了溶剂萃取的优点，又实现了生物物质的有效分离，作为一种新型的生物分离技术应用于蛋白质、氨基酸及药物、农药等物质的分离分析中，显示了巨大的应用潜力。

正向胶团（normal micelle）是表面活性剂分子在极性溶剂，如水中形成的一种亲水基团（头）朝外，而疏水基团（尾）朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。

洗涤剂中的表面活性剂分子在水中形成的就是这种胶团，其非极性内棱可以溶解各种油污。

从而达到去污的效果。

与此相反，表面活性剂在非极性溶剂如某些有机溶剂中就会形成亲水头向内和疏水尾向外的具有极性内核（polar core）的多分子聚集体（aggregates），由于其表面活性剂的排列方向与一般的正向胶团相反，因此，称为反胶团。

示意图如图

（1）。

图1 表面活性荆分子在非极性溶荆中形成的反胶目

反胶团的极性内核可以溶解某些极性物质，而且在此基础上还可以溶解一些原来不能溶解的物质，即所谓二次加溶原理。

例如，反胶团的极性内核在溶解了水后，在内核形成了“水池”（water pool），可以进一步溶解蛋白质、核酸、氨基酸等生物活性物质。

由于胶团的屏蔽作用，使这些生物物质不与有机溶剂直接接触，而水池的微环境又保护了生物物质的活性，达到了藩解和分离生物物质的目的。

图2是解释此过程的一种常用的模型一“水壳模型”的示意图。

图2 利用反胶团特蛋白质溶解于有机溶荆中的水壳模型

这种技术既利用了溶剂萃取的优点，又实现了生物物质的有效分离，成为一种新型的生物分离技术。

反胶团是表面活性剂溶解在有机溶剂中形成的纳米级聚集体，是一种透明、稳定的热力学体系。

反胶团中表面活性剂非极性头向外与有机溶剂接触，极性头向内形成极性核，极性核溶入水后形成微“水池”。

反胶团的一个重要参数是它的含水量（“水池” 中溶入的水与表面活性剂的摩尔比，W0），它决定反胶团的尺寸。

在W0<10时，水分子被束缚在反胶团的壁上，它的凝固点下降、共价键参数改变、氢键破坏；只有在W。

较大时，才存在自由水。

当含反胶团的有机溶剂和蛋白质水溶液接触时，蛋白质在某种作用力（静电、亲和、疏水）下进入“水池”中，水和表面活性剂分子在蛋白质周围形成一个保护层，使蛋白质避免与有机溶剂接触，不致失活。

蛋白质的萃取受很多因素影响，这些因素包括原料液的pH值、离子强度、表面活性剂和有机溶剂种类等：

蛋白质等电点、亲水性、电荷密度及分布也是影响其萃取的重要因素以及反萃取液的PH值、盐的种类和浓度。

2、微波萃取

微波萃取是利用微波能来提高萃取率的一种最新发展起来的新技术。

自Ganzler等人报道用微波加热促进溶剂萃取污染土壤中的有机化合物以来,分析样品的微波萃取法由于萃取时间短、选择性好、回收率高、试剂用量少、污染低、可用水作萃取剂的优点和可自动控制制样条件等而得到了分析工作人员的认同。

因而在设备研究、应用开发、机理探讨方面均有研究报道。

虽然微波萃取土壤中的有机污染化合物已有标准方法EPA3546,但就目前而言,微波萃取的应用对象还较少,与微波消解技术相比微波萃取技术及其应用研究还处于初始阶段,它是一种相对年轻的样品处理方法。

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、微波吸收能力相对差的萃取剂中；微波萃取具有设备简单、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。

目前，除主要用于环境样品预处理外，还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。

微波萃取技术已应用于土壤、沉积物中多环芳烃、农药残留、有机金属化合物、植物中有效成分、有害物质、霉菌毒素、矿物中金属的萃取以及血清中药物,生物样品中农药残留的萃取研究。

除了前述的几个主要方面的应用外,微波萃取还被用于蘑菇、土壤、自然污染和人为污染的谷物等中的真菌毒素、脂肪酸和霉变物中有害物质的萃取分离;食品中芳香油和游离氨基酸;猪肉中硫胺二甲嘧啶、蛋黄和蛋白中氯霉素药残;橡胶配方中加速凝固剂、聚烯烃中稳定剂和添加剂;富勒烯油烟中C60和C70的提取等也都采用了微波萃取技术。

3、电泳萃取

电泳萃取（Electro一extraction）技术的研究起始于1987年，J.Stichlmair等人提出该技术。

电泳萃取技术是在多液相状态下,萃取分离技术与电泳技术闻相结合形成的分离技术。

电泳萃取（Electro-extraction）技术是电泳技术与萃取分离技术交叉耦合形成的一种新的分离技术。

该技术是在多液相状态下实施的,一方面类似于电泳和电渗析技术,另一方面又类似于萃取分离技术。

采用两相或多相既可以克服对流（返混）的不利影响,又有利于被分离组分的移出。

已有的研究结果表明,电泳萃取技术可有效地应用于生物体系的分离及染料水的处理。

骆广生等人的研究表明,两相电泳技术不仅仅是电泳技术和传统萃取技术的简单组合,它克服了电泳技术和传统萃取技术各自的某些不足。

两相电泳技术一方面利用液-液界面使浓差扩散严格限制在一相中,同时又使荷电组分进入萃取剂中。

两相电泳技术利用外电场强化传质,其传质速率不仅与浓度差有关,而且还取决于外电场的强弱,同时在外电场作用下,带电物质的原有的分配平衡发生迁移,这就解决了传统液-液萃取技术难以有效应用于极低浓度体系的问题。

此外,两相电泳技术便于使溶剂再生。

由于两相电泳依赖外加电场来强化传质,因此对体系的导电能力提出了一定的要求。

J.Stichlmair等认为在两相电泳技术中合适的萃取剂应具备如下几个特征:

（1）相间要有足够大的密度差,使分相容易进行;

（2）界面张力适中,以维持界面清晰;（3）粘度低,以促进传质,并有利于气体排出;（4）要有良好的导电性。

他们认为以下几种体系可用于两相电泳萃取:

第1种是二元（水-油）体系,其中水在有机溶剂中应有一定的溶解度,以改善有机相的导电能力,可应用的溶剂有正丁醇及4-氯代-1-丁醇;第2种是三元体系,如丙三醇-丙醇-水体系,其中水分散在其他两种溶剂中组成两相。

第3种是双水相体系,主要用于生物制品的提取。

还有一种是由水和非离子型表面活性剂组成的萃取体系,表面活性剂在水相和凝聚相之间分配,平衡时,凝聚相中含有大量表面活性剂而水相中仅含有极少量的表面活性剂。

两相电泳技术是一种新型的分离技术,它将传统萃取技术与电泳技术的优势有机地结合起来,克服了各自的不足,可实现传统萃取技术难以实现的分离过程,具有很大的发展潜力。

但是,关于它的研究还处于起步阶段,国内外有关的研究还较少,大部分研究工作还处于探索性的研究,在许多方面还有待于加强,其中荷电粒子通过液-液界面的机理、外加电场作用下的溶液热力学性质、相平衡关系、荷电粒子在有机相的行为及传递速率,以及色谱分析等方面的研究均是十分重要的内容。

4、超声萃取

超声萃取（Ultrasoundextraction）技术是近年来发展起来的一种新型分离技术。

与常规的萃取技术相比,超声波萃取技术快速、价廉、安全、高效等特点.比如在中药提取过程中,有些中药药材具有热不稳定性,超声波提取温度低,不破坏中药材中某些具有热不稳定的药效成份.另外超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大,可供选择的萃取溶剂种类多,目标萃取物范围广泛。

超声对萃取的强化作用最主要的原因是空化效应即存在于液体中的微小气泡,在超声场的作用下被激活,表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程,及其引发的物理和化学效应.气泡在几微秒之内突然崩溃,可形成高达5000K以上的局部热点,压力可达数十乃至上百个兆帕,随着高压的释放,在液体中形成强大的冲击波（均相）或高速射流（非均相）,其速度可以达100m/s。

伴随超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应加剧了体系的湍动程度,加快相相间的传质速度.同时,冲击流对动植物细胞组织产生一种物理剪切力,使之变形、破裂、并释放出内含物,从而促进细胞内有效成分的溶出.另外,超声波的热作用和机械作用也能促进超声波强化萃取。

超声波在媒质质点传播过程中其能量不断被媒质质点吸收变成热能,导致媒质质点温度升高,加速有效成分的溶解。

超声波的机械作用主要是超声波在介质中传播时,在其传播的波阵面上将引起介质质点的交替压缩和伸长,使介质质点运动,从而获得巨大的加速度和动能.巨大的加速度能促进溶剂进入提取物细胞,加强传质过程,使有效成分迅速逸出。

目前,超声波萃取技术已广泛用于食品、药物、工业原材料等有机组分或无机组分的分离和提取。

例如油脂浸取、蛋白质提取、多糖提取、天然香料提取中的应用。

下面详细介绍一下超声萃取在油脂浸取中的应用。

超声场强化提取油脂可使浸取效率显著提高,还可以改善油脂品质,节约原料,增加油的提取量.植物油脂的提取目前使用最多的是溶剂浸出法。

将超声技术作为一种辅助手段应用到溶剂浸出法中,会使含油细胞更容易破裂,油脂分子更容易释放出来,提高了提取效率,而且还可使植物油中的生理活性成分得以保持,提高了油脂的营养价值.Romdhane等人研究了超声波提取除虫菊酯,认为超声能够加速反应速度和提高收率.Li等人研究了超声提取大豆油,随着超声强度的增加,收率也增加.周如金等人研究了超声方法提取核桃仁油,认为超声强化在一定提油率下可以缩短提取时间,或节约溶剂用量,或降低提取温度.超声强化提取对核桃仁油中脂肪酸的组成有一定影响,超声强化条件下总不饱和脂肪酸的相对含量有所提高.超声波也可用于动物油的加工.动物油脂的提取通常使用熬炼法.熬炼法出油率低,而且熬炼时间过长,会使部分脂肪分解导致油脂酸败,熬炼温度过高容易使组织焦化,影响产品的感官性状.使用超声波法提取不但可以缩短提取时间,提高出油率,而且还能使内部维生素免遭破坏.使用不同频率的超声波提取鳕鱼肝油时发现,在2~5min内可使油脂全部游离出来,出油率接近原料的含油率,而且油脂清澈无残渣。

三、结束语

随着人们生活水平的提高，对工业分离技术包括药物提取、香料提取等以及环境污染处理等提出了更高的要求，传统的分离技术已经无法满足分离需求，所以我们大学生除了要了解传统的萃取技术以外还应该涉足一些新型萃取技术。

本文就这在这样的背景之下，对课本之外的萃取技术进行一个综述。

除以上介绍的四种技术以外，近年来发展起来的新型萃取技术还包括分散萃取、磁场协助溶剂萃取、液膜萃取、内耦合萃取反交替分离过程、离子液体萃取等，笔者在这里就部详细介绍了，如果读者想了解更多的信息请根据文章末尾列出的参考文献搜索自己感兴趣的方向研究。

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