无溶剂微波萃取天然产品的方法和设备的制作方法

专利名称：无溶剂微波萃取天然产品的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及从生物物质萃取天然产品的领域，特别是从植物中(但非局限于从植物中)萃取这类产品的领域。
从生物物质中萃取天然产品可以采用种种方法，它们可用一种或多种萃取溶剂，具体用何方法则根据所用生物物质以及从该物质所萃取产品的本性来决定。应当注意的是，采取何种萃取液常常是视实施得到该产品的技术而定。这样，由挥发化合物或蜡、脂肪和非挥发产品形成的凝结物、热固性粘合剂、含油树脂等一般是在至少一种有机溶剂的存在下得到的。芳香油主要由挥发性芳香的化合物形成，则一般用水蒸气蒸馏(水蒸馏)和/或机械方法获得。
例如通常采取破碎和/或压榨之类的物理方法而不用溶剂或水蒸馏，可以进行从含油产品中的萃取，从柠檬皮中萃取香精油，也可以萃取鱼肝油。除了这类技术的实施成本很低以外，用它得到的萃取产品(和萃取后的生物物质)不含残留的溶剂，因此无需后续的处理来消除这类残留物。
但是，有许多产品不能通过这类方法从含该产品的天然物质中萃取出来，要求使用有有机溶剂的萃取技术。使用这类技术，要萃取的产品物质扩散进入溶剂并溶于其中。但是，为了浓缩萃取物，这就需要从溶剂中分离出萃取产品。在有溶剂存在的条件下，有一些参数对萃取收率是有影响的，这些参数是指—被萃取产品在所选用溶剂中的溶解度，—被萃取产品在所用生物物质的固体基质中的扩散。
通过改变操作温度或所用溶剂的浓度，可对上述第一个参数起作用。
此外，也可在萃取步骤前或其同时，对第二个参数施加作用。例如，对生物物质进行由压碎、酶解或再干燥构成的预加工操作可大大改善被萃取产品物质的扩散。也可在萃取操作时对生物物质施加作用，如进行加热或搅拌。例如在现有技术中，已知采用声能的方法，将超声用于生物物质和溶剂的混合物，以促进萃取物进入溶剂。因为超声形成的机械波能使生物物质局部产生空腔，从而使该物质加热，进一步释放萃取物。
现有技术还提出给生物物质进行微波照射以促进从中萃取产品。微波对生物物质的效应是公知的。这类电磁波被高绝缘常数的介质选择性地吸收，因而对于生物物质，即主要被水，即基本上被血管组织和腺体组织，对于植物则具体地是被小泡所吸收。在吸收时间，辐射能转化为热能，这样可选择性地加热生物物质的微波吸收部分。
欧洲专利EP 0398798揭示了从生物物质中微波萃取产品的技术，包括下列步骤—细分具有微波吸收分散组分(水)的生物物质(胡椒薄荷、拉维纪草、雪松或大蒜)，—将细分的物质放在对微波透明或部分透明的，且对微波的吸收少于分散组分的溶剂(如己烷乙醇或氯甲烷)中—使细分的物质和溶剂形成的混合物接受微波照射，以加热细分的物质(较好是有溶剂在一起)来萃取可溶解的产物，—从溶剂中分离残留的生物物质，—回收萃取产品。
虽然EP 0398798专利中所述的这个技术萃取收率有所提高，但并不能克服上面所提及的在萃取物中仍存有残留溶剂的缺点。
应当注意，在现有技术中，已提出了用无溶剂微波辐照的方法从生物物质萃取芳香油。
在“Flavour and Fragrance Journal”第四卷，43—44页中的“Mircrowave Oven Extraction of an Essential Oil”一文中，揭示了用微波加热萃取Lippia sidoides的香精油的技术。根据该技术，30—40克植物样品被放在微波烘箱内的无溶剂烧瓶中，让微波辐照5分钟。所用的烧瓶能使香精油被来自外界的空气流所携带。
虽然该方法的萃取时间远比水蒸馏萃取有效进行所需的时间短得多，但它的主要缺点是需要输入很高的能量，这使得该方法没有什么经济价值。
文献中所述的所有微波萃取天然产品的方法，只能使用于相对微波功率来说质量甚小的经加工过的生物物质。一般的功率范围为10,000W—20,000W/kg生物物质。在市场中2450MHz频率的微波传送器的最大功率是6KW。为了使这些方法能用于工业规模，则它们必需适合连续操作，结果在中等功率微波源前面，在空间的给定位置只能处理为量不多的物质。
本发明的一个目的就是提出没有现有技术方法的缺点的微波萃取天然产品的方法。
具体来说，本发明的一个目的是提供一种不用溶剂进行萃取，因而得到不含残留溶剂的萃取物的方法。
本发明的再一个目的是为给定量被加工的生物物质，提供一种不要求输入很大能量的方法。
本发明的另一个目的是提供实施该方法的装置。
本发明涉及从生物物质中微波萃取至少一种天然产品的方法，所述的方法包括—将所述的生物物质放在无溶剂的容器中，—让所述的在所述容器中的生物物质接受微波辐照，使包含于所述生物物质中的至少一部分水蒸发，结果，劈开所述生物物质的细胞结构，从而能释放至少一部分所述的天然产品，—从萃取的天然产品中分离去残留的生物物质，所述方法的特征在于它还包括下列辅助性的步骤—在进行微波幅照步骤的同时，在所述的容器中间歇地减压，以便促进由微波幅照引起的生物物质细胞结构劈开的过程，—在进行微波幅照步骤的主要阶段给所述的容器加热，以补偿因水从生物物质蒸发引起的温度下降，将上述容器减压的步骤和容器加热的步骤与微波幅照的步骤结合起来，所述的天然产物就能被从生物物质中生成的水蒸气所携带运送，即让该天然产物进行了水蒸馏。
这样一种方法的优点是它能在所有的天然生物物质中进行，不论动物、植物或微生物，只要这些物质含至少30％水即可。该方法特别可用来从植物、动物组织，特别是鱼，以及水藻、微-水藻、甚至可能是从微生物中萃取香油精。当然，该种生物物质，视其性质可能须在装入容器之前先进行细分操作，以便增加它受微波照射的表面积。
本发明的方法使得有可能对被萃取产物进行的水蒸馏，此时不是通过外加的水，而是用含于被加工生物物质内的水份。应当注意的是，在本说明书中这种水分被称为结构水，即使要处理的生物物质已呈脱水形式，因此得用一再湿化步骤向该物质预先加入水的情况也是如此。
因此，本发明的方法在于给生物物质进行微波辐照而不用萃取溶剂，使该物质的细胞内含物质释放出来。为了促进这一过程并实现被萃取产物的共沸逸出的目的，可使容器减压。减压，首先可增加生物物质细胞壁上的机械应力，其次可增加待萃取产物和水蒸气形成的共沸混合物的挥发性。根据本发明，对容器的加热会补偿由于在低压下结构水的蒸发而引起的温度急剧下降。这样的温度下降可能会使对微波产生的有益效果完全显示不出来。
本发明的方法有许多优点。
除了无溶剂残留外，与通常的水蒸馏相比，本发明的方法在更短的时间里可以得到相同组成的萃取物及相同的萃取得率。通常的水蒸馏时间一般在数小时范围里，而本发明的减压水蒸馏时间在数分钟范围里。对于有些产物，得到一定量的萃取物，本发明的方法可比通常的水蒸馏快十倍。
此外，本发明的方法比现有技术中辅以微波的萃取方法，消耗的能量较少。对于相同量的同一种被加工的生物物质，本发明所需的能量也少于水蒸馏方法所需的能量。在水蒸馏操作中，需要给生物物质加热，并需加水，而水的加入量可以为生物物质量的十倍。
最后，应当注意的是，在本发明方法中最后得到的生物物质残留物为干燥形式，因为它所含的结构水已经逸出并被用来携带萃取产物，而该方法又不使用外来水的。因此，这种残留物可以很容易地用热的方法加以破碎，再循环作为燃料使用。
较好的是，本发明间歇减压的步骤是对所述容器的内部进行减压循环处理。
根据本发明的一种变体方法，所述的从萃取物中分离残留的生物物质步骤包括—冷冻含有所述已萃取天然产品的水蒸气—倾析冷冻所得的液体混合物，—从倾析中分离所述的萃取天然产品和水。
虽然本发明的另一个优点是得到比通常水蒸馏方法含残留水少得多的产品，但将倾析步骤中得到的至少一部分水注入容器，进行残留在生物物质残留物中天然物质的水蒸馏，这还是有利的。
此外，所述的加热步骤宜在低于100℃的温度下进行。应当注意到，对于在热作用下会变坏产品的萃取，该方法在低于75℃温度下进行才是有利的。
所述微波辐照步骤中使用的微波的频率至少应等于300MHz。但应当注意的是，许多国家的使用频率是很严格规定的，如在法国，只有915MHz和2450MHz频率可用于产生微波的工业设备。
此外，所述微波幅照步骤的功率范围为100W到10,000W/kg加工处理的产品。
根据本发明实施方法的一个变体，所述的微波辐照步骤是在对所述生物物质进行机械搅拌的条件下进行。这种搅拌可增加生物物质接收于微波照射的作用。
本发明也涉及实施这类方法的设备，包括—在内部装有产生微波的装置和具有恒温控制夹壁的容器；—能调节所述恒温控制夹壁的加热装置；—能在所述容器里进行减压的装置；—当萃取物离开所述的容器后，对其进行回收的装置。
较好的是，回收萃取物的所述装置就是对含萃取物的水蒸气进行冷冻的装置。
所述的设备最好要有能使容器里的压力进行循环减压的装置。
所述的容器装有搅拌装置是有利的。
最后有利的是，所述的设备具有能将从所述容器中回收萃取物的装置中获得的残留水进行再循环的装置。
本发明及其优点，从下列例举性的实施方案并参照附图，就更易于明白，这些图—

图1是本发明设备的示意图。
—图2表示本发明的第一实施例中用图1的装置萃取薄荷香精油，在根据容器内压力的变化和生物物质温度的变化；—图3表示第一实施例得到的薄荷香精油收率的变化；—图4表示比较实施例萃取薄荷香精油中容器内压力和生物物质温度的变化；
—图5表示比较实施例中薄荷香精油收率的变化；—图6表示本发明第二实施例萃取鼠尾草香精油，其容器压力和生物物质温度的变化；—图7表示本发明第二实施例萃取鼠尾草香精油收率的变化。
图1表示了从生物物质中萃取天然产品的一套设备。在这套装置中，装有在其内部产生微波的装置2。根据法律的规定，装置2能发出等于2450MHz频率的微波(请注意也可用频率为915MHz的微波发生器，该频率也是法国允许的)。
容器1在其低位装有在容器1中进行微波幅照时能搅拌生物物质的搅拌装置9，它是一个三叶片的涡轮。这样的搅拌会增加生物物质受微波的照射，防止该物质的某些部分辐照程度不足，以利萃取操作有效地进行。
根据本发明，容器1首先与能对其进行减压的装置5连接，其次与用来回收通过微波对生物物质作用而萃取出来的天然产品的装置6连接。能使在容器内进行减压的装置5，可以是用来在容器中形成部分真空效应的任何常规装置，如泵或过滤器用玻璃抽气装置。在本发明中，回收萃取产品的装置6有装在容器1上部的管道11，绕于其周围的是螺旋管形式的冷冻装置7，螺旋管内有冷却液流过。
管道11能回收微波对生物物质作用所生成的蒸气，其中即有香精油。通过冷冻装置7，水蒸气得到冷凝。倾析器12装在管道11的出口以回收冷凝蒸气，并分离出香精油。倾析后剩余的残留水则通过管道10再通入容器1，在其中循环使用完成萃取过程。
为了能对容器1加强，以补偿真空泵减压引起的温度下降，容器1具有与加热装置4连接的恒温器控制夹壁3。
上述这套设备曾用来实施本发明微波萃取的方法，以萃取薄荷的香精油(实施例1)和鼠尾草香精油(实施例3)。
实施例1
将1kg 15％干燥度的薄荷(Mentha piperita L.，匈牙利品种)放在容器1中。设定加热装置，使恒温控制壁3在容器1中产生约70℃的温度，开动搅拌装置，转动速度为40rpm。微波发生装置2的功率输出为1150W，反射掉的功率变协在170W和220W之间。在持续15分钟的萃取操作中，真正吸收的功率因而为930—980W。
在萃取时，泵5被用来将压力降到250毫巴。在5分钟、10分钟和13分钟逐次进行减压。
此外，在旋绕管7内冷冻介质的温度设置为5℃，以加快因微波对薄荷作用生成的含有香精油的蒸气冷凝。
图2显示了容器内薄荷温度的变化和压力的变化。在微波作用下，产品温度慢慢从室温变到75℃。一旦容器内通过泵5抽到部分真空(25mmHg)时，温度就下降。但温度的降低迅即因对容器加热而得到补偿，故不会影响微波对萃取的作用。
参见图3，萃取15分钟并减压循环3次以后，回收31.52ml香精油(100克干物质得到1.01ml芳香油)。
对微波萃取操作后剩下的薄荷残留物进行了水蒸馏，进一步得到的香精油连50毫克都不到。因此，本发明萃取方法的香精油收率已接近于从生物物质中萃取完全的程度。
用气相色谱对本发明方法和通常水蒸馏方法得到的两种香精油作测试比较，发现它们在组成上并没有什么大差别。
实施例2在与实施例1相同的操作条件下对与实施例1相同量的薄荷进行处理，不同的是，泵2持续地工作使容器1内的压力在萃取操作中都保持在250毫巴。
薄荷温度的变化和容器内压力的变如图4所示。
参见图5，香精油的收率100克只有0.2ml，即只有实施例1的五分之一。在微波萃取操作后，从薄荷残留物回收到了1150毫克香精油。这两种结果表示，本发明方法中，在容器内减压需间歇进行的重要性。
实施例3将1kg25％干燥度的鼠尾草(Salvia officinalis L.)放在容器1中。设定加热装置，使恒温控制壁3在容器1中产生约为70℃的温度，开动搅拌装置，速度为40rpm。微波发生装置2的功率输出为1000W，反射掉的功率变动在150W和200W之间。在持续10分钟的萃取操作中，真正吸收的功率因而为800—850W。
在萃取时，泵5被用来将压力降到250毫巴。在3.5分钟和7分钟后逐次进行减压。
此外，在旋绕管7内冷冻介质的温度设置为7℃，以加快因微波对鼠尾草作用生成的含有香精油的蒸气冷凝。
图6显示了容器内鼠尾草温度的变化和压力的变化。
参见图7，萃取10分钟并减压循环2次以后，回收33.06ml香精油(100克干物质得到2.55ml香精油)。
相同量的鼠尾草用通常水蒸馏方法的理论收率为100克得2.77ml，这表明本发明方法能回收的香精油占被处理鼠尾草中芳香油的90％以上。
本发明的例举技术方案并非用来缩小它的范围。具体地说，只要不背离本发明的框架，可以采用不同的微波频率，微波作用的时间可长可短，也可以用与所述技术方案不同的方法从蒸气中分离萃取物。
权利要求
1.一种从生物物质中微波萃取至少一种天然产品的方法，所述的方法包括—将所述的生物物质放在未装有溶剂的容器中，—对在所述容器中的所述生物物质进行微波辐照，使包含于所述生物物质中的至少一部分水蒸发，结果，劈开了所述生物物质的细胞结构，从而能释放至少一部分所述的天然产品，—从已萃取的天然产品中分离除去残留的生物物质，所述方法的特征在于它还包括下列辅助性的步骤—在进行微波幅照，步骤时，在所述的容器中间歇地减压，以便促进由微波作用引起的生物物质细胞结构的劈开过程，—在所述的微波幅照步骤的基本时间中，给所述的容器加热，以补偿因水从生物物质中蒸发引起的温度下降，将进行微波幅照的步骤，在容器中减压的步骤和给容器加热的步骤结合起来，就进行了所述天然产物在来自生物物质的水蒸气中携带的条件下进行水蒸馏。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的减压步骤包括给容器的内部进行减压循环。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的将萃取物与残留的生物物质分离的步骤包括—冷冻含有所述萃取的天然产品的水蒸气—倾析冷冻所得的液体混合物，—通过倾析将所述的萃取天然产品和水分离。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将至少一部分从所述的倾析步骤中得到的水注入容器，以便对留在生物物质残留物中的天然产品进行水蒸馏。
5.根据权利要求1—4之一所述的方法，其特征在于，所述的加热步骤在低于100℃温度下进行。
6.根据权利要求1—5之一所述的方法，其特征在于，微波辐照所用的微波频率至少为300MHz。
7.根据权利要求1—6之一所述的方法，其特征在于，所述的微波辐照步骤的功率范围为100—1000W/kg被萃取处理的产品。
8.根据权利要求1—7之一所述的方法，其特征在于，所述的微波辐照步骤在对生物物质进行机械搅拌的情况下进行。
9.实施权利要求1—8之一所述方法的设备，其特征在于，它包括—容器(1)，其内装有产生微波的装置(2)，它有恒温器控制夹壁(3)；—能调节所述恒温控制夹壁(3)的加热装置(4)；—能在所述容器里减压的装置(5)；—当萃取物离开所述的容器后，对其进一步回收的装置(6)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述的用来回收萃取物的装置(6)包括冷冻装置(7)。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，它有装置(8)，它能让所述装置(5)的操作是使容器内的压力循环减压的。
12.根据权利要求9—11之一所述的设备，其特征在于，所述的容器中装有搅拌装置(9)。
13.根据权利要求9—12之一所述的设备，其特征在于，它包括装置(10)，它能令在从所述容器(1)排出的萃取物进行回收的装置所得的残留水再行循环使用。
全文摘要
本发明涉及微波萃取方法，包括步骤将所述的生物物质放在未装有溶剂的容器中，让在所述容器中的所述生物物质接受微波辐照，然后从萃取的天然产品中分离除去残留的生物物质。另外，本发明也涉及在微波辐照时给容器减压，以及在至少微波辐照的大部分时间中加热以补偿因从生物物质中水蒸发而引起的温度下降。
文档编号C11B9/02GK1125461SQ9419250
公开日1996年6月26日 申请日期1994年5月10日 优先权日1993年5月11日
发明者P·门格尔, B·莫姆庞 申请人:阿奇麦克斯