專利名稱：無溶劑微波萃取天然產(chǎn)品的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從生物物質萃取天然產(chǎn)品的領域，特別是從植物中(但非局限于從植物中)萃取這類產(chǎn)品的領域。
從生物物質中萃取天然產(chǎn)品可以采用種種方法，它們可用一種或多種萃取溶劑，具體用何方法則根據(jù)所用生物物質以及從該物質所萃取產(chǎn)品的本性來決定。應當注意的是，采取何種萃取液常常是視實施得到該產(chǎn)品的技術而定。這樣，由揮發(fā)化合物或蠟、脂肪和非揮發(fā)產(chǎn)品形成的凝結物、熱固性粘合劑、含油樹脂等一般是在至少一種有機溶劑的存在下得到的。芳香油主要由揮發(fā)性芳香的化合物形成，則一般用水蒸氣蒸餾(水蒸餾)和/或機械方法獲得。
例如通常采取破碎和/或壓榨之類的物理方法而不用溶劑或水蒸餾，可以進行從含油產(chǎn)品中的萃取，從檸檬皮中萃取香精油，也可以萃取魚肝油。除了這類技術的實施成本很低以外，用它得到的萃取產(chǎn)品(和萃取后的生物物質)不含殘留的溶劑，因此無需后續(xù)的處理來消除這類殘留物。
但是，有許多產(chǎn)品不能通過這類方法從含該產(chǎn)品的天然物質中萃取出來，要求使用有有機溶劑的萃取技術。使用這類技術，要萃取的產(chǎn)品物質擴散進入溶劑并溶于其中。但是，為了濃縮萃取物，這就需要從溶劑中分離出萃取產(chǎn)品。在有溶劑存在的條件下，有一些參數(shù)對萃取收率是有影響的，這些參數(shù)是指—被萃取產(chǎn)品在所選用溶劑中的溶解度，—被萃取產(chǎn)品在所用生物物質的固體基質中的擴散。
通過改變操作溫度或所用溶劑的濃度，可對上述第一個參數(shù)起作用。
此外，也可在萃取步驟前或其同時，對第二個參數(shù)施加作用。例如，對生物物質進行由壓碎、酶解或再干燥構成的預加工操作可大大改善被萃取產(chǎn)品物質的擴散。也可在萃取操作時對生物物質施加作用，如進行加熱或攪拌。例如在現(xiàn)有技術中，已知采用聲能的方法，將超聲用于生物物質和溶劑的混合物，以促進萃取物進入溶劑。因為超聲形成的機械波能使生物物質局部產(chǎn)生空腔，從而使該物質加熱，進一步釋放萃取物。
現(xiàn)有技術還提出給生物物質進行微波照射以促進從中萃取產(chǎn)品。微波對生物物質的效應是公知的。這類電磁波被高絕緣常數(shù)的介質選擇性地吸收，因而對于生物物質，即主要被水，即基本上被血管組織和腺體組織，對于植物則具體地是被小泡所吸收。在吸收時間，輻射能轉化為熱能，這樣可選擇性地加熱生物物質的微波吸收部分。
歐洲專利EP 0398798揭示了從生物物質中微波萃取產(chǎn)品的技術，包括下列步驟—細分具有微波吸收分散組分(水)的生物物質(胡椒薄荷、拉維紀草、雪松或大蒜)，—將細分的物質放在對微波透明或部分透明的，且對微波的吸收少于分散組分的溶劑(如己烷乙醇或氯甲烷)中—使細分的物質和溶劑形成的混合物接受微波照射，以加熱細分的物質(較好是有溶劑在一起)來萃取可溶解的產(chǎn)物，—從溶劑中分離殘留的生物物質，—回收萃取產(chǎn)品。
雖然EP 0398798專利中所述的這個技術萃取收率有所提高，但并不能克服上面所提及的在萃取物中仍存有殘留溶劑的缺點。
應當注意，在現(xiàn)有技術中，已提出了用無溶劑微波輻照的方法從生物物質萃取芳香油。
在“Flavour and Fragrance Journal”第四卷，43—44頁中的“Mircrowave Oven Extraction of an Essential Oil”一文中，揭示了用微波加熱萃取Lippia sidoides的香精油的技術。根據(jù)該技術，30—40克植物樣品被放在微波烘箱內(nèi)的無溶劑燒瓶中，讓微波輻照5分鐘。所用的燒瓶能使香精油被來自外界的空氣流所攜帶。
雖然該方法的萃取時間遠比水蒸餾萃取有效進行所需的時間短得多，但它的主要缺點是需要輸入很高的能量，這使得該方法沒有什么經(jīng)濟價值。
文獻中所述的所有微波萃取天然產(chǎn)品的方法，只能使用于相對微波功率來說質量甚小的經(jīng)加工過的生物物質。一般的功率范圍為10,000W—20,000W/kg生物物質。在市場中2450MHz頻率的微波傳送器的最大功率是6KW。為了使這些方法能用于工業(yè)規(guī)模，則它們必需適合連續(xù)操作，結果在中等功率微波源前面，在空間的給定位置只能處理為量不多的物質。
本發(fā)明的一個目的就是提出沒有現(xiàn)有技術方法的缺點的微波萃取天然產(chǎn)品的方法。
具體來說，本發(fā)明的一個目的是提供一種不用溶劑進行萃取，因而得到不含殘留溶劑的萃取物的方法。
本發(fā)明的再一個目的是為給定量被加工的生物物質，提供一種不要求輸入很大能量的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供實施該方法的裝置。
本發(fā)明涉及從生物物質中微波萃取至少一種天然產(chǎn)品的方法，所述的方法包括—將所述的生物物質放在無溶劑的容器中，—讓所述的在所述容器中的生物物質接受微波輻照，使包含于所述生物物質中的至少一部分水蒸發(fā)，結果，劈開所述生物物質的細胞結構，從而能釋放至少一部分所述的天然產(chǎn)品，—從萃取的天然產(chǎn)品中分離去殘留的生物物質，所述方法的特征在于它還包括下列輔助性的步驟—在進行微波幅照步驟的同時，在所述的容器中間歇地減壓，以便促進由微波幅照引起的生物物質細胞結構劈開的過程，—在進行微波幅照步驟的主要階段給所述的容器加熱，以補償因水從生物物質蒸發(fā)引起的溫度下降，將上述容器減壓的步驟和容器加熱的步驟與微波幅照的步驟結合起來，所述的天然產(chǎn)物就能被從生物物質中生成的水蒸氣所攜帶運送，即讓該天然產(chǎn)物進行了水蒸餾。
這樣一種方法的優(yōu)點是它能在所有的天然生物物質中進行，不論動物、植物或微生物，只要這些物質含至少30％水即可。該方法特別可用來從植物、動物組織，特別是魚，以及水藻、微-水藻、甚至可能是從微生物中萃取香油精。當然，該種生物物質，視其性質可能須在裝入容器之前先進行細分操作，以便增加它受微波照射的表面積。
本發(fā)明的方法使得有可能對被萃取產(chǎn)物進行的水蒸餾，此時不是通過外加的水，而是用含于被加工生物物質內(nèi)的水份。應當注意的是，在本說明書中這種水分被稱為結構水，即使要處理的生物物質已呈脫水形式，因此得用一再濕化步驟向該物質預先加入水的情況也是如此。
因此，本發(fā)明的方法在于給生物物質進行微波輻照而不用萃取溶劑，使該物質的細胞內(nèi)含物質釋放出來。為了促進這一過程并實現(xiàn)被萃取產(chǎn)物的共沸逸出的目的，可使容器減壓。減壓，首先可增加生物物質細胞壁上的機械應力，其次可增加待萃取產(chǎn)物和水蒸氣形成的共沸混合物的揮發(fā)性。根據(jù)本發(fā)明，對容器的加熱會補償由于在低壓下結構水的蒸發(fā)而引起的溫度急劇下降。這樣的溫度下降可能會使對微波產(chǎn)生的有益效果完全顯示不出來。
本發(fā)明的方法有許多優(yōu)點。
除了無溶劑殘留外，與通常的水蒸餾相比，本發(fā)明的方法在更短的時間里可以得到相同組成的萃取物及相同的萃取得率。通常的水蒸餾時間一般在數(shù)小時范圍里，而本發(fā)明的減壓水蒸餾時間在數(shù)分鐘范圍里。對于有些產(chǎn)物，得到一定量的萃取物，本發(fā)明的方法可比通常的水蒸餾快十倍。
此外，本發(fā)明的方法比現(xiàn)有技術中輔以微波的萃取方法，消耗的能量較少。對于相同量的同一種被加工的生物物質，本發(fā)明所需的能量也少于水蒸餾方法所需的能量。在水蒸餾操作中，需要給生物物質加熱，并需加水，而水的加入量可以為生物物質量的十倍。
最后，應當注意的是，在本發(fā)明方法中最后得到的生物物質殘留物為干燥形式，因為它所含的結構水已經(jīng)逸出并被用來攜帶萃取產(chǎn)物，而該方法又不使用外來水的。因此，這種殘留物可以很容易地用熱的方法加以破碎，再循環(huán)作為燃料使用。
較好的是，本發(fā)明間歇減壓的步驟是對所述容器的內(nèi)部進行減壓循環(huán)處理。
根據(jù)本發(fā)明的一種變體方法，所述的從萃取物中分離殘留的生物物質步驟包括—冷凍含有所述已萃取天然產(chǎn)品的水蒸氣—傾析冷凍所得的液體混合物，—從傾析中分離所述的萃取天然產(chǎn)品和水。
雖然本發(fā)明的另一個優(yōu)點是得到比通常水蒸餾方法含殘留水少得多的產(chǎn)品，但將傾析步驟中得到的至少一部分水注入容器，進行殘留在生物物質殘留物中天然物質的水蒸餾，這還是有利的。
此外，所述的加熱步驟宜在低于100℃的溫度下進行。應當注意到，對于在熱作用下會變壞產(chǎn)品的萃取，該方法在低于75℃溫度下進行才是有利的。
所述微波輻照步驟中使用的微波的頻率至少應等于300MHz。但應當注意的是，許多國家的使用頻率是很嚴格規(guī)定的，如在法國，只有915MHz和2450MHz頻率可用于產(chǎn)生微波的工業(yè)設備。
此外，所述微波幅照步驟的功率范圍為100W到10,000W/kg加工處理的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明實施方法的一個變體，所述的微波輻照步驟是在對所述生物物質進行機械攪拌的條件下進行。這種攪拌可增加生物物質接收于微波照射的作用。
本發(fā)明也涉及實施這類方法的設備，包括—在內(nèi)部裝有產(chǎn)生微波的裝置和具有恒溫控制夾壁的容器；—能調節(jié)所述恒溫控制夾壁的加熱裝置；—能在所述容器里進行減壓的裝置；—當萃取物離開所述的容器后，對其進行回收的裝置。
較好的是，回收萃取物的所述裝置就是對含萃取物的水蒸氣進行冷凍的裝置。
所述的設備最好要有能使容器里的壓力進行循環(huán)減壓的裝置。
所述的容器裝有攪拌裝置是有利的。
最后有利的是，所述的設備具有能將從所述容器中回收萃取物的裝置中獲得的殘留水進行再循環(huán)的裝置。
本發(fā)明及其優(yōu)點，從下列例舉性的實施方案并參照附圖，就更易于明白，這些圖—

圖1是本發(fā)明設備的示意圖。
—圖2表示本發(fā)明的第一實施例中用圖1的裝置萃取薄荷香精油，在根據(jù)容器內(nèi)壓力的變化和生物物質溫度的變化；—圖3表示第一實施例得到的薄荷香精油收率的變化；—圖4表示比較實施例萃取薄荷香精油中容器內(nèi)壓力和生物物質溫度的變化；
—圖5表示比較實施例中薄荷香精油收率的變化；—圖6表示本發(fā)明第二實施例萃取鼠尾草香精油，其容器壓力和生物物質溫度的變化；—圖7表示本發(fā)明第二實施例萃取鼠尾草香精油收率的變化。
圖1表示了從生物物質中萃取天然產(chǎn)品的一套設備。在這套裝置中，裝有在其內(nèi)部產(chǎn)生微波的裝置2。根據(jù)法律的規(guī)定，裝置2能發(fā)出等于2450MHz頻率的微波(請注意也可用頻率為915MHz的微波發(fā)生器，該頻率也是法國允許的)。
容器1在其低位裝有在容器1中進行微波幅照時能攪拌生物物質的攪拌裝置9，它是一個三葉片的渦輪。這樣的攪拌會增加生物物質受微波的照射，防止該物質的某些部分輻照程度不足，以利萃取操作有效地進行。
根據(jù)本發(fā)明，容器1首先與能對其進行減壓的裝置5連接，其次與用來回收通過微波對生物物質作用而萃取出來的天然產(chǎn)品的裝置6連接。能使在容器內(nèi)進行減壓的裝置5，可以是用來在容器中形成部分真空效應的任何常規(guī)裝置，如泵或過濾器用玻璃抽氣裝置。在本發(fā)明中，回收萃取產(chǎn)品的裝置6有裝在容器1上部的管道11，繞于其周圍的是螺旋管形式的冷凍裝置7，螺旋管內(nèi)有冷卻液流過。
管道11能回收微波對生物物質作用所生成的蒸氣，其中即有香精油。通過冷凍裝置7，水蒸氣得到冷凝。傾析器12裝在管道11的出口以回收冷凝蒸氣，并分離出香精油。傾析后剩余的殘留水則通過管道10再通入容器1，在其中循環(huán)使用完成萃取過程。
為了能對容器1加強，以補償真空泵減壓引起的溫度下降，容器1具有與加熱裝置4連接的恒溫器控制夾壁3。
上述這套設備曾用來實施本發(fā)明微波萃取的方法，以萃取薄荷的香精油(實施例1)和鼠尾草香精油(實施例3)。
實施例1
將1kg 15％干燥度的薄荷(Mentha piperita L.，匈牙利品種)放在容器1中。設定加熱裝置，使恒溫控制壁3在容器1中產(chǎn)生約70℃的溫度，開動攪拌裝置，轉動速度為40rpm。微波發(fā)生裝置2的功率輸出為1150W，反射掉的功率變協(xié)在170W和220W之間。在持續(xù)15分鐘的萃取操作中，真正吸收的功率因而為930—980W。
在萃取時，泵5被用來將壓力降到250毫巴。在5分鐘、10分鐘和13分鐘逐次進行減壓。
此外，在旋繞管7內(nèi)冷凍介質的溫度設置為5℃，以加快因微波對薄荷作用生成的含有香精油的蒸氣冷凝。
圖2顯示了容器內(nèi)薄荷溫度的變化和壓力的變化。在微波作用下，產(chǎn)品溫度慢慢從室溫變到75℃。一旦容器內(nèi)通過泵5抽到部分真空(25mmHg)時，溫度就下降。但溫度的降低迅即因對容器加熱而得到補償，故不會影響微波對萃取的作用。
參見圖3，萃取15分鐘并減壓循環(huán)3次以后，回收31.52ml香精油(100克干物質得到1.01ml芳香油)。
對微波萃取操作后剩下的薄荷殘留物進行了水蒸餾，進一步得到的香精油連50毫克都不到。因此，本發(fā)明萃取方法的香精油收率已接近于從生物物質中萃取完全的程度。
用氣相色譜對本發(fā)明方法和通常水蒸餾方法得到的兩種香精油作測試比較，發(fā)現(xiàn)它們在組成上并沒有什么大差別。
實施例2在與實施例1相同的操作條件下對與實施例1相同量的薄荷進行處理，不同的是，泵2持續(xù)地工作使容器1內(nèi)的壓力在萃取操作中都保持在250毫巴。
薄荷溫度的變化和容器內(nèi)壓力的變?nèi)鐖D4所示。
參見圖5，香精油的收率100克只有0.2ml，即只有實施例1的五分之一。在微波萃取操作后，從薄荷殘留物回收到了1150毫克香精油。這兩種結果表示，本發(fā)明方法中，在容器內(nèi)減壓需間歇進行的重要性。
實施例3將1kg25％干燥度的鼠尾草(Salvia officinalis L.)放在容器1中。設定加熱裝置，使恒溫控制壁3在容器1中產(chǎn)生約為70℃的溫度，開動攪拌裝置，速度為40rpm。微波發(fā)生裝置2的功率輸出為1000W，反射掉的功率變動在150W和200W之間。在持續(xù)10分鐘的萃取操作中，真正吸收的功率因而為800—850W。
在萃取時，泵5被用來將壓力降到250毫巴。在3.5分鐘和7分鐘后逐次進行減壓。
此外，在旋繞管7內(nèi)冷凍介質的溫度設置為7℃，以加快因微波對鼠尾草作用生成的含有香精油的蒸氣冷凝。
圖6顯示了容器內(nèi)鼠尾草溫度的變化和壓力的變化。
參見圖7，萃取10分鐘并減壓循環(huán)2次以后，回收33.06ml香精油(100克干物質得到2.55ml香精油)。
相同量的鼠尾草用通常水蒸餾方法的理論收率為100克得2.77ml，這表明本發(fā)明方法能回收的香精油占被處理鼠尾草中芳香油的90％以上。
本發(fā)明的例舉技術方案并非用來縮小它的范圍。具體地說，只要不背離本發(fā)明的框架，可以采用不同的微波頻率，微波作用的時間可長可短，也可以用與所述技術方案不同的方法從蒸氣中分離萃取物。
權利要求
1.一種從生物物質中微波萃取至少一種天然產(chǎn)品的方法，所述的方法包括—將所述的生物物質放在未裝有溶劑的容器中，—對在所述容器中的所述生物物質進行微波輻照，使包含于所述生物物質中的至少一部分水蒸發(fā)，結果，劈開了所述生物物質的細胞結構，從而能釋放至少一部分所述的天然產(chǎn)品，—從已萃取的天然產(chǎn)品中分離除去殘留的生物物質，所述方法的特征在于它還包括下列輔助性的步驟—在進行微波幅照，步驟時，在所述的容器中間歇地減壓，以便促進由微波作用引起的生物物質細胞結構的劈開過程，—在所述的微波幅照步驟的基本時間中，給所述的容器加熱，以補償因水從生物物質中蒸發(fā)引起的溫度下降，將進行微波幅照的步驟，在容器中減壓的步驟和給容器加熱的步驟結合起來，就進行了所述天然產(chǎn)物在來自生物物質的水蒸氣中攜帶的條件下進行水蒸餾。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的減壓步驟包括給容器的內(nèi)部進行減壓循環(huán)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的將萃取物與殘留的生物物質分離的步驟包括—冷凍含有所述萃取的天然產(chǎn)品的水蒸氣—傾析冷凍所得的液體混合物，—通過傾析將所述的萃取天然產(chǎn)品和水分離。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，將至少一部分從所述的傾析步驟中得到的水注入容器，以便對留在生物物質殘留物中的天然產(chǎn)品進行水蒸餾。
5.根據(jù)權利要求1—4之一所述的方法，其特征在于，所述的加熱步驟在低于100℃溫度下進行。
6.根據(jù)權利要求1—5之一所述的方法，其特征在于，微波輻照所用的微波頻率至少為300MHz。
7.根據(jù)權利要求1—6之一所述的方法，其特征在于，所述的微波輻照步驟的功率范圍為100—1000W/kg被萃取處理的產(chǎn)品。
8.根據(jù)權利要求1—7之一所述的方法，其特征在于，所述的微波輻照步驟在對生物物質進行機械攪拌的情況下進行。
9.實施權利要求1—8之一所述方法的設備，其特征在于，它包括—容器(1)，其內(nèi)裝有產(chǎn)生微波的裝置(2)，它有恒溫器控制夾壁(3)；—能調節(jié)所述恒溫控制夾壁(3)的加熱裝置(4)；—能在所述容器里減壓的裝置(5)；—當萃取物離開所述的容器后，對其進一步回收的裝置(6)。
10.根據(jù)權利要求9所述的設備，其特征在于，所述的用來回收萃取物的裝置(6)包括冷凍裝置(7)。
11.根據(jù)權利要求9或10所述的設備，其特征在于，它有裝置(8)，它能讓所述裝置(5)的操作是使容器內(nèi)的壓力循環(huán)減壓的。
12.根據(jù)權利要求9—11之一所述的設備，其特征在于，所述的容器中裝有攪拌裝置(9)。
13.根據(jù)權利要求9—12之一所述的設備，其特征在于，它包括裝置(10)，它能令在從所述容器(1)排出的萃取物進行回收的裝置所得的殘留水再行循環(huán)使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波萃取方法，包括步驟將所述的生物物質放在未裝有溶劑的容器中，讓在所述容器中的所述生物物質接受微波輻照，然后從萃取的天然產(chǎn)品中分離除去殘留的生物物質。另外，本發(fā)明也涉及在微波輻照時給容器減壓，以及在至少微波輻照的大部分時間中加熱以補償因從生物物質中水蒸發(fā)而引起的溫度下降。
文檔編號C11B9/02GK1125461SQ9419250
公開日1996年6月26日 申請日期1994年5月10日 優(yōu)先權日1993年5月11日
發(fā)明者P·門格爾, B·莫姆龐 申請人:阿奇麥克斯