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(1.中國水產科學研究院南海水產研究所,農業(yè)部水產品加工重點實驗室, 國家水產品加工技術研發(fā)中心,廣東廣州 510300； 2.中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266000)

加速溶劑萃取及其在食品分析中的應用

牛改改1,2,鄧建朝1,李來好1,*,楊賢慶1,戚勃1,岑劍偉1

(1.中國水產科學研究院南海水產研究所,農業(yè)部水產品加工重點實驗室, 國家水產品加工技術研發(fā)中心,廣東廣州 510300； 2.中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266000)

加速溶劑萃取(Accelerated Solvent Extraction,ASE)是最近幾年發(fā)展起來的一種樣品前處理方法。ASE具有比傳統(tǒng)萃取方法耗時短、使用溶劑量低、自動化高的優(yōu)勢,現(xiàn)已成為較好的樣品前處理方法之一。文章介紹了加速溶劑萃取的原理、影響因素、操作方法及其在食品分析中的應用。

加速溶劑萃取,原理,影響因素,食品

樣品前處理是色譜分析中耗時最多,最容易引起誤差的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的樣品前處理方法如索氏抽提法,機械振蕩法,超聲提取法,微波輔助萃取法,自動索氏提取法等都具有共同的特點：所需溶劑量大,萃取時間長,萃取率低[1]。樣品前處理技術越來越成為現(xiàn)代食品分析發(fā)展的瓶頸,已經引起高度重視。隨著科技發(fā)展,近年來出現(xiàn)了一種能夠彌補傳統(tǒng)樣品提取不足的前處理方法-加速溶劑萃取(ASE)。ASE是美國戴安公司近年推出的全新樣品前處理方法,在較高的溫度(50～200℃)和壓力(10.3～20.6MPa)下采用有機溶劑實現(xiàn)對固體樣品和半固體樣品的提取[2]。ASE突出的優(yōu)點是有機溶劑用量少(1g樣品僅需1.5mL溶劑),快速(一般為15min),自動化和萃取率高。與傳統(tǒng)的提取方法相比,ASE可顯著提高萃取率,減少分析時間并且降低環(huán)境污染,減少甚至消除由手工操作中個體差異所產生的誤差,提高分析測試的靈敏度、準確度、重現(xiàn)性,這些優(yōu)勢已經使得ASE成為樣品前處理的最佳方法之一[3]。ASE已被接受為美國EPA SW-846的標準方法(Method-3545A)[4],廣泛應用于食品,環(huán)境,藥物等行業(yè)。

1 加速溶劑萃取簡介

1.1加速溶劑萃取原理

ASE的基本原理是利用升高的溫度和壓力來增加物質溶解度和溶質擴散速率,從而提高萃取率。Richter等[5-6]的研究表明分析物溶解度變大、質量轉移速度加快和表面平衡破壞是ASE比一般萃取方法效果好的原因。

1.2影響加速溶劑萃取率因素

1.2.1 溫度 溫度是影響ASE萃取效率的一個重要因素,提高萃取溫度可以使得分析物的溶解度增加,溶質的擴散速率加快；在萃取過程中,萃取溶劑內會出現(xiàn)一個濃度梯度,從基質表面到萃取槽內的濃度落差越大,則分析物的質量轉移越快。因此,若在萃取過程中向溶劑中不斷提供新鮮溶劑(如同索氏萃取法),使得濃度梯度達到最大狀態(tài),質量轉移的速度得到最大提高,萃取率自然就得到提高。

Pitzer等[7]報道,當溫度從50℃升高至150℃后,芳香烴的溶解度提高了約15倍,烴的溶解度增加數(shù)百倍。水在有機溶劑中的溶解度也隨著溫度的增加而增加,在低溫低壓下,溶劑接觸不到“水封微孔”而被排斥出來,當溫度升高時,水的溶解度增加,微孔的可利用性也就得到了提高。研究表明[8],溫度從25℃增至150℃時,溶劑擴散系數(shù)約增加2～10倍,溶劑能更好的與萃取物接觸,從而明顯提高了溶劑的萃取率。李倩倩等[9]在不同溫度下用ASE法萃取葡萄酒中赫曲霉毒素A(OTA),結果顯示在60℃時OTA的萃取率要高于40、50℃時的萃取率。朱曉蘭等[10]研究土壤中有機磷農藥殘留,萃取方法為ASE法,在優(yōu)化萃取條件-溫度的過程中發(fā)現(xiàn)當溫度為60℃時,樣品萃取率為96%,而40、50℃時樣品萃取率均低于80%。

表1 加速溶劑萃取儀[17]

1.2.2 壓力 在常溫常壓下,溶劑與溶質之間就會達到一種表面平衡,然而隨著溫度的升高和壓力的增大,這種平衡就會被破壞,從而取得了在常溫常壓下不能達到的萃取效果。增大壓力可提高溶液的沸點,如丙酮在常壓下的沸點為56.3℃,而在5個大氣壓下,其沸點高于100℃。液體對溶質的溶解能力遠大于氣體對溶質的溶解能力[11],因此,欲得到較高的提取率,則需增加壓力,使溶劑在較高的溫度之下保持液態(tài)。高壓還可以將溶劑推到樣品基質的孔洞中,并將常壓下被困留于孔洞中的溶質萃取出來。固體基質小孔中往往會有氣泡阻礙溶劑與溶質的接觸,然而在高壓下氣泡會被壓縮,甚至融到溶劑中,從而沖破阻礙將溶質萃取出來。

Li等[12]分別在7、8、9、10MPa條件下用ASE法從泥沙樣品中萃取壬基苯酚雌激素,數(shù)據表明,隨著壓力的升高,分析物的萃取率依次升高,在10MPa時達到最高95.4%。在低壓下操作時,如3.5MPa(ASE操作最低要求),會導致萃取過程不穩(wěn)定。

1.2.3 溶劑的選擇 溶劑的選擇對于任何使用溶劑的萃取方法都是至關重要的。一般地,在選擇萃取溶劑時都要考慮到溶劑的沸點、極性、比密度、毒性等物化特性。用于ASE的萃取溶劑有很多,如甲醇、水、甲苯、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙腈等[13]。一般地,萃取溶劑的極性應與分析物的極性相似,然而,有時混合極性的溶劑或者非極性溶劑也會得到較高的萃取率；Yu等[14]比較了不同比例的正己烷-甲醇混合溶劑對雙甲脒和2,4-二甲基苯胺的萃取效果；混合溶劑正己烷-甲醇中甲醇含量每隔5%一個梯度,由95%降到80%,結果顯示,雙甲脒和2,4-二甲基苯胺均在甲醇含量90%時得到了最高萃取率；這是由于2,4-二甲基苯胺的極性強于雙甲脒,當萃取劑中正己烷含量高時,雙甲脒能得到較大的萃取率,而甲醇含量高時反之。Saim等[15]比較了用不同溶劑萃取土壤中的PAHs,結果發(fā)現(xiàn)丙酮、甲醇、二氯甲烷、乙腈和正己烷-丙酮(1∶1,v/v)得到了相似的數(shù)據,而正己烷做萃取劑時的萃取率較低(84%)。

1.2.4 靜態(tài)萃取時間與循環(huán)次數(shù) 靜態(tài)萃取時間與循環(huán)次數(shù)對樣品萃取率的影響相當,增加循環(huán)次數(shù)時可適當減少靜態(tài)萃取時間。馬微等[16]采用正交實驗得出影響ASE分析物萃取率的因素順序為：萃取溫度>溶劑配比>靜態(tài)萃取時間>樣品重量。某些分析物能被束縛在樣品基體的小孔或其他結構內,提高溫度后增加靜態(tài)萃取時間,可以使分析物充分擴散到萃取溶劑里面,使萃取更加完全。為了得到完整高效的萃取條件,靜態(tài)萃取時間通常會和循環(huán)次數(shù)一起考慮。靜態(tài)循環(huán)過程中可以不斷引入新鮮溶劑使體系保持適當?shù)妮腿∑胶?靜態(tài)循環(huán)對高濃度樣品和難滲透的樣品非常適合。

1.3加速溶劑萃取儀

加速溶劑萃取儀由溶劑瓶、泵、氣路、加溫爐、萃取池和收集瓶等構成。操作步驟如下：a.將樣品裝入萃取池；b.溶劑充滿萃取池；c.萃取池加熱加壓；d.樣品保持一定的溫度壓力靜態(tài)萃??；e.向萃取池中注入清潔溶劑；f.用N2吹掃萃取池；g.萃取液準備分析；加速溶劑萃取儀可根據用戶需要進行全自動溶劑的改變或混合,減少了實驗室溶劑計量和溶劑混合的工作量,同時也降低了出錯率。目前商品化的加速溶劑萃取儀主要有美國戴安(Dionex)公司的Dionex ASE系列、美國Applied Separations(ASI)公司的ASE儀、北京吉天儀器有限公司的APLE-2000和上海光譜儀器有限公司的SP-100QSE,如表1所示。

表2 固體樣品前處理技術對比

表3 ASE在動物源食品分析中的應用

1.4 ASE與傳統(tǒng)萃取方法的對比

ASE技術越來越多的被應用于樣品分析中,它的優(yōu)勢也得到了很多科研人員的認可。ASE與傳統(tǒng)萃取方法的參數(shù)對比如表2所示。由表可知,ASE比傳統(tǒng)萃取方法耗時短、所需溶劑量少、自動化高。Wilga等[18]應用六種(機械振蕩法Shaking、索氏提取法Soxhlet、全自動索氏萃取法Soxtec、超聲輔助萃取UAE、微波輔助萃取MAE、加速溶劑萃取ASE)前處理方法從家禽飼料中提取氯苯胍,結果表明,ASE和MAE的萃取率較高；Soxhlet與Soxtec得到的氯苯胍量相當,略低于ASE、MAE；萃取率最低的是Shaking和UAE,然而,這兩種方法由于其操作簡便、經濟適用的特點也經常用于小型實驗室的樣品分析。Wentao Wang等[19]比較了Soxhlet、MAE、ASE三種萃取方法從土壤中提取多環(huán)芳烴和有機氯殺蟲劑的萃取率,結果顯示,ASE的萃取率最高,MAE所用的萃取時間和溶劑量與ASE相當,而萃取率與Soxhlet相當。

2 ASE在食品分析中應用

ASE以其快速、高效、全自動化的優(yōu)點已廣泛應用于食品分析中。由于食品種類繁多,所含成分更是復雜,近幾年來在食品領域應用ASE來提取分析物的文獻也有很多,本文將從食品來源即動物源食品、植物源食品、其它食品三個方面來闡述ASE在食品分析中的應用。

2.1 ASE在動物源食品分析中的應用

動物源食品是日常餐桌上必不可少的美食,然而它也給眾多消費者帶來了許多安全隱患,近年來出現(xiàn)的瘦肉精,三鹿奶粉,紅心鴨蛋,速成雞等事件引起了廣大消費者的普遍關注。食品領域的科研人員也致力于研究快速、高效的食品分析方法來排除食品中任何可能的安全隱患,給消費者提供一個安全健康的飲食環(huán)境。近年來應用ASE來提取動物源食品中的獸藥、農藥殘留,致癌物質,惡意摻假,生物活性和營養(yǎng)物質含量的研究頻頻報道,如表3所示。

2.2 ASE在植物源食品分析中應用

2.2.1 ASE在植物源食品有害物質分析中應用 在我們日常生活中還有很大一部分營養(yǎng)元素是來自于植物源食品,保證食品的安全性是其走向餐桌的先決條件。然而,一些不法商販,為保證產品產量或外觀,在種植過程中濫用或過量使用農藥,生產過程中濫用食品添加劑,甚至在食品中添加非食用材料或致癌物質來獲取更高的利益。運用加速溶劑萃取方法來提取植物源食品中有害物質,使之后的食品分析更加準確、方便、快捷。ASE在植物源食品有害物質分析中應用的實例如表4所示。

表4 ASE萃取植物源食品中的有害物質

表5 ASE萃取植物源食品中的活性物質

2.2.2 ASE在植物源食品活性物質分析中應用 很多植物源食品中都含有一些對人體有益的活性物質,將這些物質提取出來,做成保健食品、藥物或者休閑食品有著廣泛的應用前景。這類產品大多都具有清除自由基、抗癌、提高記憶力、緩解疲勞、延緩衰老、減肥等功效,受到了廣大消費者的追捧。然而,這類活性物質一般在植物源中的含量是極其微小的,將它們提取出來且加工生產自然要耗費大量的人力物力,有可能會出現(xiàn)支出大于收入的情況。因此,高效、省時、經濟、自動化高的提取方法是迫切需要的,而ASE卻恰恰符合這些要求,近年來,利用ASE來萃取分析植物源食品中活性物質的文獻和方法見表5。

2.3 ASE在其它食品分析中應用

除了動物源食品和植物源食品之外,一些原材料復雜或者與食品密切相關的營養(yǎng)物質如保健食品、酵母菌、水、生物樣品的分析也使用到了ASE。Cescut等[48]運用ASE從產油酵母菌中提取出脂肪,所用的萃取條件為：三氯甲烷甲醇混合液在100℃下萃取兩個循環(huán)。馬微等[19]以甲醇∶丙酮∶水=5∶3∶2做為萃取劑,120℃下靜態(tài)萃取5min,從保健食品中萃取11種食欲抑制劑。加速溶劑萃取技術可以用于不同食品中不同成分的萃取,為之后的分析奠定基礎。

3 結論及展望

加速溶劑萃取技術(ASE)已廣泛應用于食品、藥物學、環(huán)境等行業(yè),這都得益于其有機溶劑用量少、自動化高、對環(huán)境污染小、對研究者危害低和回收率高的特點。ASE除了在樣品前處理中廣泛應用于食品領域外,還可與現(xiàn)今的分析技術(HPLC-MS、GC-MS、GPC、HSCCC)在線聯(lián)接,直接進行樣品分析,真正實現(xiàn)樣品的全自動化處理,減少人為操作帶來的誤差,使實驗數(shù)據更加接近事實。

隨著科技的發(fā)展,食品分析技術也會向著簡便、可靠、經濟、適用的方向發(fā)展。樣品前處理技術也會朝著簡單化、小型化、精密化的趨勢不斷改進。雖然ASE與傳統(tǒng)提取方法相比有著諸多優(yōu)勢,并已得到廣泛應用且取得不小成效,但樣品前處理技術在分析量級、分析速度、精密度、實用性的方向還有著發(fā)展空間。

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Accelerated Solvent Extraction and its applications in food analysis

NIUGai-gai1,2,DENGJian-chao1,LILai-hao1,*,YANGXian-qing1,QIBo1,CENJian-wei1

(1.Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture,National R&D Center for Aquatic Product Processing,South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Guangzhou 510300,China; 2.College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266000,China)

Accelerated Solvent Extraction(ASE)is a sample pre-treatment technology developed in recent years. Owing to the advantages of short time-consuming,low volume of solvent-using,high automation over the traditional extraction methods,ASE had been become one of the better sample pre-treatment methods. The principles,influence factors,operation methods of ASE and its application in food analysis were reviewed.

Accelerated Solvent Extraction(ASE);principle;extraction parameters;food

2013-06-17 *通訊聯(lián)系人

牛改改(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：水產品加工與質量安全。

國家十二五科技支撐計劃項目(2012BAD28B00)；國家自然科學基金資助項目(21205138)；國家現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系(CARS-49)；廣東省水產品質量安全專項(2130109A-2-1) 。

TS223.4

：A

：1002-0306(2014)01-0375-06