微波萃取核桃青皮中胡桃醌理论研究

孙璟瑶

（唐山市开滦二中，唐山 开滦 063000）

1 前言

胡桃醌，别名 5-羟基-1，4-萘醌，5-羟基-1，4-萘二酮；天然棕7，英文名称和化学名称均为Juglone，相对分子量174.15，其结构式见图1[1]。

图1 胡桃醌结构

胡桃醌存在于胡桃科植物胡桃及其同属植物黑核桃的未成熟的青皮中，能随水蒸气挥发，不溶于冷水，微溶于热水，与乙醇、乙醚，氯仿、苯混溶。用途广泛，医药用抗菌、抗癌作用；化工用于染料、香料原料，pH指示剂等。

2 微波工作原理和工作特点

2.1 工作原理

微波萃取是通过内外同时加热方式，对体系中的不同组分进行选择性加热，使需要组分直接从体系中分离的萃取过程。基于核桃青皮中胡桃醌物质的结构成分不同于其它物质，其吸收微波能的能力也不同。因此，在微波的作用下，胡桃醌被选择性加热，进入到三氯甲烷萃取剂中，从而被提取分离出来。

2.2 工作特点

微波辅助萃取 （Microwave-assistedExtraction，MAE）是指利用微波能来强化溶剂萃取效率。微波直接穿透容器，容器中的溶剂与样品吸收微波，在很短时间内升到很高的温度，从而达到加热的效果。由于微波加热是一种内加热，使得微波萃取具有快速高效，加热均匀，能耗少的特点[2]。

3 理论分析

由于胡桃醌类成分具有热不稳定性，高温下长时间加热，会造成部分成分降解，而微波萃取可在瞬间加热，从而可以在极短时间内完成萃取过程，这就避免了胡桃醌长时间处于高温引起的热分解。通过微波作用将核桃青皮中胡桃醌提取出来，理论分析如下：从微波能量与物质键能的绝对匹配性考虑，微波能量计算公式：

式中：W-微波能量，J；

P-微波功率，w；

t-微波作用时间，s。

微波功率为温火、解冻、低火、中火时对应微波功率 （w） 依次为 80、150、300、450。 微波作用时间为30min，通过公式（1）计算出微波能量（kJ）依次为144、270、540、810。 查得共价键平均键能[3]（kJ.mol-1，25℃，气相）C=C610.9；C=O748.9；C-O359.8。 由此可初步断定胡桃醌分子中C-OH（酚羟基）较C=C和C=O易被破坏，且微波功率在高于解冻时，胡桃醌分子中C-OH（酚羟基）、C=C和C=O键逐渐被破坏。

从胡桃醌稳定性方面分析：微波功率为温火和解冻时，微波能量近似低于胡桃醌分子中C-O（共价键平均键能最小值）键能，胡桃醌分子结构不发生改变，胡桃醌类成分不被破坏；微波功率达到低火时，微波能量高于胡桃醌分子中C-O键能，胡桃醌的分子结构中C-OH（酚羟基）有可能发生断键，胡桃醌类成分被破坏；微波功率达到中火时，通过共价键键能分析胡桃醌的分子结构中C-OH （酚羟基）、C=C和C=O键都被破坏。因此，微波萃取胡桃醌功率选择温火和解冻时才能保证胡桃醌分子中键不被破坏。

从动力学方面分析：开始时，由于细胞内外的胡桃醌浓度差，细胞内胡桃醌浓度高于细胞外胡桃醌浓度，而细胞内萃取剂浓度又低于细胞外萃取剂浓度，于是细胞内的胡桃醌浓溶液不断向外扩散，细胞外的溶剂又不断进入核桃青皮组织细胞中，直至细胞内外溶液浓度达到动态平衡。一般只有当细胞膜破裂时主成分才可能被大量的提取出来。鲜青皮中的固有水分是非常重要的组分，它是良好的微波能的吸收体，会产生微波辅助过程（MAP）影响，最终使细胞膜破裂，而干燥的核桃青皮通常不会吸收微波能，不会产生MAP影响。新鲜的核桃青皮中含有60%以上的水分，当受微波辐射时，青皮中极性水分子在微波能作用下瞬时气化，产生MAP影响，使细胞膜迅速溶涨、破裂，胡桃醌类等组分被析出，而同时胡桃醌类组分在微波的作用下被选择性加热，在遇到萃取剂三氯甲烷分子时，发生溶剂化作用，萃取剂迅速地、不断地将胡桃醌类物质从青皮组织内溶解出来，从而与青皮中其它组分分离。

从微波功率方面分析：当微波功率为温火和解冻时，温度不太高，分子热运动也不太剧烈，微波能量不足以破坏胡桃醌分子结构，故胡桃醌类成分未发生改变，杂质成分浸出率低；而微波对细胞膜的破碎作用，使有机溶剂能有效接触核桃青皮内部的胡桃醌分子，所以提取效果好。但当微波功率达到低火和中火时，微波能量高，使提取液温度在短时间内达到上限值，微波辐射的有效时间会有所减短，局部温度过高也会导致胡桃醌类成分的分解，破坏了胡桃醌分子结构，杂质成分浸出率也随着增高，分子运动剧烈，易发生溶剂爆沸，造成溶剂损失。综上分析，萃取功率可选温火和解冻，考虑到二者提取效果相差甚小，且温火时能源消耗较解冻时能源消耗节省近一倍，所以，萃取功率选择温火。

4 结论

微波萃取适用于胡桃醌类具有热不稳定性成分的提取，且方法简单，萃提取效果好。微波功率选择温火不仅时间短，提取率高，而且成本大大降。