樊亚鸣，周叶燕，陈永亨，陈志雄，何芝洲
(广州大学化学化工学院，广东广州510006)
摘要：调研国内外文献与专利表明：工业化微波提取技术尚处于摸索阶段；大型微波设备的设计与改进必须以提取工艺为基础．中试规模的实验表明：选择适当的微波有效照射时间、微波功率及固液比有利于节能降耗、提高效率；以黑胡椒一乙醇为体系，由实验数据获取相应的提取率指标及能耗指标．实验表明：当提取率均为大于或等于95％ 时，动态微波法比溶剂回流法节能20％ 一67％ ，故微波法为高效节能的新技术．文章还提出了大型微波提取设备的评价方法．
关键词：微波提取；工业化；节能降耗；效率评价
中图分类号：TQ 914．1 文献标志码：A
在实验室阶段，微波法用于植物中有效成分的提取分离已被公认为节能降耗、提高提取物品质的优良方法，而此技术在工业化层面的研究尚处于摸索阶段．据国内外专利及文献报道，当今微波提取技术的研究分两个阶段：①实验室研究阶段：国外主要有两家知名微波设备公司，分别是意大利MILEsTONE公司及美国CEM公司．MILE—STONE公司1999—2003申报的专利为微波化学反应及装置，2004年转向微波提取装置⋯，其57％的专利是研究微波提取工艺的；美国CEM公司为小型微波化学工艺及设备制造领域首屈一指的专业企业，其申请微波化学方面的专利近200份 ，其中研究工艺的占80％以上，而研究设备设计的不足20％．分析以上2企业的专利结构体系可知，工艺是设备设计之本．到目前为止，国外主要关注小型微波化学技术与设备．②工业化阶段：在微波提取领域的国际性专利中，中国的专利占28．9％，且主要分布在2000年以后，这与中草药中有效成份提取分离的特定需求不无关系．中国在工业微波提取工艺技术与设备制造方面走在世界前列，表现在以下三方面：①机械设计方面．中国的工业微波提取设备的发展经历了罐式微波提取设备及技术、直管式与盘管式连续微波提取设备及技术 及连续逆流提取技术 ；②微波源方面．中国的工业微波提取设备的发展经历了改变发射位置与选择微波频率两个主要过程．其中微波源与物料的相对位置由紧贴提取管道到相距一定距离，以获得较为均匀的微波密度；对微波频率的选择也由2 450 MHz、915 MHz到二者共用，其目的是通过减小频率来提高微波穿透深度；③国内微波设备在近3年的新趋势：微波设备与高压、减压、超声波等手段结合，正在走CEM公司小型设备发展之路．
客观地说，到目前为止，国内外微波提取技术仍未实现真正的工业化及规模化，或者说较大规模的提取效率与能耗远不及小试的效果．其原因是尚未解决放大提取中的关键技术问题．为此，本文调研了国内外微波提取技术的现状、改进方法及未来发展趋势，进行了中试规模的动态微波提取工艺及技术的研究，提出新型连续微波提取设备的设计思路，并首次提出新设备的评价方法，目的是为了推进微波技术的持续发展，提高工业化水平的提取效率，降低能耗，提高提取物品质并降低生产成本．
1 实验材料
1．1 原料
黑胡椒，越南产；95％食用级乙醇；活性炭、无水乙醇、盐酸、乙酸铅、硫酸(分析纯)；咖啡碱、胡椒碱标样(广州市药检所)．
1．2 主要仪器
中试动态一微波连续提取设备(自行设计
2 实验方法
2．1 中试动态微波提取的工艺研究
2．1．1 中试提取工艺流程
称取3 粉碎并过4O目筛的黑胡椒粉，装入提取罐，按一定固液比加入95％食用级乙醇；预热到40。C左右时开启微波源，调节到所需的微波功率，使物料在流动过程中接受微波照射；过滤，滤渣可反复提取；提取完毕，滤液减压浓缩后获粗产品．
2．1．2 L9(34)正交试验设计优选工艺参数
根据单因素试验，选定微波功率(A)、物料流量(B)、总固液比(c)和提取次数(D)作为考察的4个因素，各设3个水平(在小试单因素实验基础上选择水平值)，以胡椒碱在原料中的含量为考察指标，设计L。(3 )正交表1进行提取工艺优选
2．1．3 标志成分的检测
胡椒油树脂中主要有效成分为胡椒碱，以其作为提取是否完全的标志成分．胡椒碱含量的测定方法：GB／T17528—1998，分光光度法．胡椒碱提取率(％)=(粗产品中胡椒碱质量／原料质量)×100．
2．2 对微波法与溶剂法的评价
以黑胡椒中有效成分胡椒碱为提取指标，通过正交试验优化工艺参数，以实验数据为基础，结合理论数据和热力学方法进行核算，以获得动态一微波法与溶剂回流法的能耗及效率的评价指标，从而评价此二方法的优劣．
2．3 建立评价新设备能耗及效率的方法
2．3．1 建立评价体系
以乙醇为溶剂的提取体系用于评价新型微波提取设备，虽然方便快速，却存在成本高、有机溶剂挥发等安全问题．而选择水为溶剂的体系来评价设备，将更为经济、便捷．以中国国家标准为基础，选择一套稳定、便捷且低成本的提取、分离、检测方案，经小试微波提取实验转化成一套包含低能耗、高效率特征的提取工艺流程，并选定主要考查指标，包括能耗、提取率及主要标志成分含量的测定．将此流程用于大型连续微波提取设备，经大型设备优化该流程，以优化的流程所获得的工艺参数及评价指标考核设备，以全面评价大型设备的提取效率．茶叶一水体系的技术基础基于国家标准，其成本低，安全环保．由于普通溶剂法是国内外提取行业应用广泛的方法，故以其为参照系对大型微波提取法进行评价．
2．3．2 国标法提取、检测咖啡碱
参照国标GB／T 8312—2002．
咖啡碱提取率(％)=(咖啡碱重量／原料重量)×100．
2．3．3 选择评价指标
双指标法评价设备的效率与能耗：提取率指标(A)与能耗指标(B)，二者同时应用以双向评价设备．
3 结果与讨论
3．1 中试动态微波提取的工艺及参数研究
经中试单因素试验后，提取温度确定为50—60℃，按L9(34)正交表进行提取工艺参数优选的结果见表2、表3，其中微波功率A、物料流量B、总固液比c和提取次数D．
表2中，为准确评价提取效果，设定以胡椒碱提取率为考察指标，保证了各组产品提取效果的可比性．
由表2和表3可知，各因素对黑胡椒油树脂提取工艺影响的大小：物料流鼙(B)>提取次数(O)>总固液比(C)>
微波功率(A)，其中流量对胡椒碱的提取影响最大，而微波功率对胡椒碱的提取影响最小．在实验范围内，最佳优选工艺组合是A B．c D ，即微波功率为2 400 W，物料流量为52 L·h ，总固液比为1：7，提取次数是3次．按此最佳工艺参数，提取率为12．69％，提取物中胡椒碱含量为37．67％，达到美国食品化学品法典(Food Chemicals Co—dex)要求(36％)．以上数据与国标法检测结果对比，相当于从胡椒中获得胡椒碱的提取率达到95％以上．
分析以上数据可知，选择大型微波提取设备的设计参数时可参考以下取值范围：①适当的微波照射时间：照射时间过短，提不干净，而H,tI'~7过长，会造成过度升温与高能耗，优化实验中物料接受微波有效时间为15 S·3次=45S；②适当的微波功率：功率在大于或小于最佳值时，提取率均降低，优化实验中物料流速与微波功率的最佳比例为21．7 L·(h·KW)-。；③适当的固液比，优化实验表明固液比对提取率的影响较小，故改进方案中固液比可选择低于1：7．
3．2 对微波法与溶剂法的评价
根据以上实验结果，对动态微波提取法与普通溶剂回流法进行比较并评价．二者采用相同的原料与某些工艺参数：均以黑胡椒一乙醇为体系，均通过正交实验优化提取工艺，物料与溶剂的固液比均为1：7，提取率指标均大于或等于95％．因此，两种方法的能耗成为主要评价参数．
3．2．1 溶剂回流法的能耗核算
整个回流的过程，时问足够长，保证全部乙醇都由液态变为气态，则这个过程按热力学可分为
故所消耗的能量近似为
Q(溶剂回流法)=△H1+△H2=8 524+61 457=69 981 kJ．
3．2．2 微波法的能耗核算
微波法提取的整个过程，可分为物料的预热阶段和微波阶段．
(1)预热阶段为室温298 K加热到318 K，这阶段所消耗的能量为
(2)微波阶段的能耗：
Q2=2 400·2．3·3 600-0．001 kJ=19 872 J‘J，
其中，微波功率为2 400 W，微波有效时间为2．3 h，物料流速为52 L·h～，物料总体积：12·7+12·3：120 L；故微波法整个过程所消耗的能量：Q(微波法)=Ql+Q2=3 217+19 872=23 089 kJ．
3．2．3 微波法与回流法的能耗比较
由上述可知微波法与溶剂回流法的能耗比较公式为能耗比=[Q(微波法)／Q(回流溶剂法)]·100％．
微波法是在低于溶剂沸点的情况下进行的，而在回流法中，根据液态乙醇汽化占总液体的比例，可计算出一系列的相对能耗比，见表4．
由表4的数据可知，微波法所消耗的能量比溶剂回流法小，最小只为后者的33％．微波法与回流法的能耗差主
要来源于微波的低温与快速提取，不经过溶剂的汽化过程．显然，普通溶剂提取如在溶剂沸点以下进行，提取时间会大大增加，造成提取效率的降低．
3．3 建立大型微波提取设备的评价方法
根据以上思路，以茶叶一水体系建立评价大型微波提取设备的评价方法，其步骤如下：
(1)参照国标法，提取并测定茶叶中咖啡碱的理论含量y(以茶叶中咖啡碱的重量百分含量计)；
(2)建立大型连续微波提取流程：参照国标提取咖啡碱的方法，茶叶粉碎过20目筛，以温度为80—90 qc热水提取咖啡碱．设置工艺参数：对于连续微波提取法，应先设置微波功率、物料接受微波的时间、固液比及物料流量；
(3)优化工艺参数：通过正交试验确定优化工艺参数组，以优化后的工艺来实施茶叶中咖啡碱的提取流程；
(4)获取评价参数：目标参数包括茶叶重量 (kg)、提取液体积 (L)、提取液中咖啡碱浓度C(kg·L )、微波功率W(kW)、微波照射时间t(h)及物料预热能耗Q(kJ)．
(5)评价指标：计算公式如下
上式中，E 为普通溶剂法提取咖啡碱的总能耗；提取率指标(A)的取值范围为0％ 一100％，其值越大，则设备的提取效率越高；能耗指标(B)的取值范围为0％ 一100％，其值越小，则大型微波设备的能耗越小．同时应用A与口，才能综合评价设备的优劣．提取率指标高而能耗高，或能耗指标低而提取指标也低，都不能说明设备具有优势．
4 结 论
(1)经国内外文献与专利调研表明，工业化微波提取技术尚处于摸索阶段，大型微波设备的设计与改进必须以提取工艺为基础，中国在规模化微波提取领域的研究处于国际领先水平．
(2)选择大型微波提取设备的设计参数时可参考以下取值范围：① 适当的微波照射时间．照射时间过短，提不干净，而时间过长，会造成过度升温与高能耗，优化实验中物料接受微波有效时间为15 S·3次=45 S；② 适当的微波功率．功率在大于或小于最佳值时，提取率均降低，优化实验中物料流速与微波功率的最佳比例为21．7 L／(h·kW)_。；③ 适当的固液比，优化实验表明固液比对提取率的影响较小，故改进方案中固液比可选择低于1：7．
(3)当提取率均为大于或等于95％时，动态微波法比溶剂法节能20％ 一67％，故相对于溶剂回流提取法，微波法为高效节能的新技术．
(4)提出大型微波提取设备的评价方法．先用正交试验优化大型设备的提取参数，在优化条件下用水提取咖啡碱，依据本文提供的公式获得提取率指标与能耗指标，同时用二指标评价大型微波提取设备的优劣．
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