微波萃取核桃青皮中胡桃醌理論研究

孫璟瑤

（唐山市開灤二中，唐山 開灤 063000）

1 前言

胡桃醌，別名 5-羥基-1，4-萘醌，5-羥基-1，4-萘二酮；天然棕7，英文名稱和化學名稱均為Juglone，相對分子量174.15，其結構式見圖1[1]。

圖1 胡桃醌結構

胡桃醌存在于胡桃科植物胡桃及其同屬植物黑核桃的未成熟的青皮中，能隨水蒸氣揮發，不溶于冷水，微溶于熱水，與乙醇、乙醚，氯仿、苯混溶。用途廣泛，醫藥用抗菌、抗癌作用；化工用于染料、香料原料，pH指示劑等。

2 微波工作原理和工作特點

2.1 工作原理

微波萃取是通過內外同時加熱方式，對體系中的不同組分進行選擇性加熱，使需要組分直接從體系中分離的萃取過程。基于核桃青皮中胡桃醌物質的結構成分不同于其它物質，其吸收微波能的能力也不同。因此，在微波的作用下，胡桃醌被選擇性加熱，進入到三氯甲烷萃取劑中，從而被提取分離出來。

2.2 工作特點

微波輔助萃取 （Microwave-assistedExtraction，MAE）是指利用微波能來強化溶劑萃取效率。微波直接穿透容器，容器中的溶劑與樣品吸收微波，在很短時間內升到很高的溫度，從而達到加熱的效果。由于微波加熱是一種內加熱，使得微波萃取具有快速高效，加熱均勻，能耗少的特點[2]。

3 理論分析

由于胡桃醌類成分具有熱不穩定性，高溫下長時間加熱，會造成部分成分降解，而微波萃取可在瞬間加熱，從而可以在極短時間內完成萃取過程，這就避免了胡桃醌長時間處于高溫引起的熱分解。通過微波作用將核桃青皮中胡桃醌提取出來，理論分析如下：從微波能量與物質鍵能的絕對匹配性考慮，微波能量計算公式：

式中：W-微波能量，J；

P-微波功率，w；

t-微波作用時間，s。

微波功率為溫火、解凍、低火、中火時對應微波功率 （w） 依次為 80、150、300、450。 微波作用時間為30min，通過公式（1）計算出微波能量（kJ）依次為144、270、540、810。 查得共價鍵平均鍵能[3]（kJ.mol-1，25℃，氣相）C=C610.9；C=O748.9；C-O359.8。 由此可初步斷定胡桃醌分子中C-OH（酚羥基）較C=C和C=O易被破壞，且微波功率在高于解凍時，胡桃醌分子中C-OH（酚羥基）、C=C和C=O鍵逐漸被破壞。

從胡桃醌穩定性方面分析：微波功率為溫火和解凍時，微波能量近似低于胡桃醌分子中C-O（共價鍵平均鍵能最小值）鍵能，胡桃醌分子結構不發生改變，胡桃醌類成分不被破壞；微波功率達到低火時，微波能量高于胡桃醌分子中C-O鍵能，胡桃醌的分子結構中C-OH（酚羥基）有可能發生斷鍵，胡桃醌類成分被破壞；微波功率達到中火時，通過共價鍵鍵能分析胡桃醌的分子結構中C-OH （酚羥基）、C=C和C=O鍵都被破壞。因此，微波萃取胡桃醌功率選擇溫火和解凍時才能保證胡桃醌分子中鍵不被破壞。

從動力學方面分析：開始時，由于細胞內外的胡桃醌濃度差，細胞內胡桃醌濃度高于細胞外胡桃醌濃度，而細胞內萃取劑濃度又低于細胞外萃取劑濃度，于是細胞內的胡桃醌濃溶液不斷向外擴散，細胞外的溶劑又不斷進入核桃青皮組織細胞中，直至細胞內外溶液濃度達到動態平衡。一般只有當細胞膜破裂時主成分才可能被大量的提取出來。鮮青皮中的固有水分是非常重要的組分，它是良好的微波能的吸收體，會產生微波輔助過程（MAP）影響，最終使細胞膜破裂，而干燥的核桃青皮通常不會吸收微波能，不會產生MAP影響。新鮮的核桃青皮中含有60%以上的水分，當受微波輻射時，青皮中極性水分子在微波能作用下瞬時氣化，產生MAP影響，使細胞膜迅速溶漲、破裂，胡桃醌類等組分被析出，而同時胡桃醌類組分在微波的作用下被選擇性加熱，在遇到萃取劑三氯甲烷分子時，發生溶劑化作用，萃取劑迅速地、不斷地將胡桃醌類物質從青皮組織內溶解出來，從而與青皮中其它組分分離。

從微波功率方面分析：當微波功率為溫火和解凍時，溫度不太高，分子熱運動也不太劇烈，微波能量不足以破壞胡桃醌分子結構，故胡桃醌類成分未發生改變，雜質成分浸出率低；而微波對細胞膜的破碎作用，使有機溶劑能有效接觸核桃青皮內部的胡桃醌分子，所以提取效果好。但當微波功率達到低火和中火時，微波能量高，使提取液溫度在短時間內達到上限值，微波輻射的有效時間會有所減短，局部溫度過高也會導致胡桃醌類成分的分解，破壞了胡桃醌分子結構，雜質成分浸出率也隨著增高，分子運動劇烈，易發生溶劑爆沸，造成溶劑損失。綜上分析，萃取功率可選溫火和解凍，考慮到二者提取效果相差甚小，且溫火時能源消耗較解凍時能源消耗節省近一倍，所以，萃取功率選擇溫火。

4 結論

微波萃取適用于胡桃醌類具有熱不穩定性成分的提取，且方法簡單，萃提取效果好。微波功率選擇溫火不僅時間短，提取率高，而且成本大大降。