超聲波提取技術(shù)應(yīng)用

1、超聲波輔助提取技術(shù)的應(yīng)用摘要：綜述了超聲波提取技術(shù)的原理、特點(diǎn),全面總結(jié)了有關(guān)超聲波技術(shù)在活性成分提取中的應(yīng)用,為進(jìn)一步研究超聲波提取技術(shù)提供參考.關(guān)鍵詞：超聲波提取技術(shù)；活性成分超聲波是一種在水等介質(zhì)和人體中具有良好穿透性的、以震動(dòng)波的形式傳播的一種機(jī)械能量.超聲波輔助提取技術(shù)主要是依據(jù)物質(zhì)中有效成分的存在狀態(tài)、極性、溶解性等在超聲波作用下快速地進(jìn)入溶劑中,得到多成分混合的提取液,再將提取液以適當(dāng)方法分開、精制、純化處理,最后得到所需單體化學(xué)成分的一項(xiàng)新技術(shù).超聲輔助提取技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于天然藥物中各種有效成分的提取別離,并取得了很好的效果.本文就超聲波提取技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行綜述.1 超聲提取

2、的原理1.1 空化效應(yīng)空化效應(yīng)是超聲提取的主要?jiǎng)恿?液體中往往存在一些真空或含有少量氣體或蒸汽的小泡,當(dāng)一定頻率的大量超聲波作用在液體時(shí),尺寸適宜的小泡能產(chǎn)生共振現(xiàn)象,它們?cè)诼暡ǖ南∈桦A段迅速脹大,在聲波的壓縮階段又被絕熱壓縮,直至湮滅.小泡在湮滅過程中,能夠產(chǎn)生幾千攝氏度的高溫和幾千個(gè)大氣壓的高壓沖擊波,這就是空化現(xiàn)象.這種強(qiáng)烈的沖擊作用能使物料破碎,也能造成生物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體破裂從而加速細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散及溶解.1.2 機(jī)械效應(yīng)超聲在傳播過程中,會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張,構(gòu)成了壓力的變化,這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng).對(duì)于中藥提取過程,這種機(jī)械效應(yīng)包括簡(jiǎn)單的騷動(dòng)效應(yīng)和溶劑與藥

3、材組織之間的摩擦.這種騷動(dòng)效應(yīng)可使蛋白質(zhì)變性,細(xì)胞組織變形；而超聲波引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的加速度與超聲波振動(dòng)頻率的平方成正比,有時(shí)超過重力加速度的數(shù)萬(wàn)倍,由于溶劑和藥材組織獲得的加速度不同,即溶劑分子的速度遠(yuǎn)大于藥材組織的速度,從而使它們之間產(chǎn)生摩擦,這種力量足以斷開兩碳原子之鍵,使生物分子解聚,使中藥材中的有效成分溶解于溶劑之中.1.3 熱效應(yīng)由于介質(zhì)吸收超聲波以及介質(zhì)內(nèi)摩擦的消耗,分子產(chǎn)生劇烈振動(dòng),超聲能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的內(nèi)能,引起溶劑和藥物組織溫度升高,超聲波在穿透溶劑和藥物組織分界面時(shí),溫度上升更快,這是由于分界面上特性阻抗不同,產(chǎn)生反射形成駐波,引起分子間的相對(duì)摩擦而發(fā)熱,因此,限制超聲強(qiáng)度,可

4、使藥物組織內(nèi)部溫度瞬間升高,加速有效成分溶出.除了以上效應(yīng)外,超聲波還有許屢次級(jí)效應(yīng),如擊碎、乳化、擴(kuò)散等效應(yīng),也都有利于植物中有效成分的轉(zhuǎn)移.此外MaricelaToma等1人通過對(duì)50多種中藥有效成分的超聲提取研究發(fā)現(xiàn),超聲波在促進(jìn)傳質(zhì)的同時(shí)還能促進(jìn)水合,這也有助于中藥有效成分的提取.2超聲波提取的特點(diǎn)2.1 速度快超聲波強(qiáng)化提取較傳統(tǒng)提取方法時(shí)間大大縮短,通常在2440min即可獲得用傳統(tǒng)提取方法提取數(shù)小時(shí)才能獲得的產(chǎn)率.黃東亮等2分別采用超聲波技術(shù)和傳統(tǒng)滲漉法提取顛茄草中有效成分K假設(shè)堿,比擬兩種方法的K假設(shè)堿得率及提取時(shí)問,結(jié)果當(dāng)兩種方法得率相當(dāng)時(shí)超聲波法提取時(shí)間僅為20min,比滲

5、漉法的提取時(shí)間10h大大縮短.江發(fā)壽等網(wǎng)研究了超聲法提取沙棗多糖的工藝,將經(jīng)烘干處理的沙棗用80%的乙醇液處理后,以水為溶劑于45kHz超聲提取2次共40min,得率為6.81%,比相同得率下的常規(guī)提取方法時(shí)間大大縮短.2.2 提取率高超聲波所具有的空化效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)作用、熱效應(yīng)等使天然物質(zhì)中的有效成分提取更為充分,提取率比傳統(tǒng)工藝顯著提升.李大婿等4用超聲波輔助提取萬(wàn)壽菊中的葉黃素,結(jié)果提取率可達(dá)97%以上.謝明杰等在提取脫脂豆粕中的大豆異黃酮時(shí)發(fā)現(xiàn),用20kHz的超聲波提取30min得率即可到達(dá)0.452,比用傳統(tǒng)加熱回流法提取120min才能獲得的得率0.310還要高,說(shuō)明超聲波提取法是

6、名副其實(shí)的高效率提取方法2.3節(jié)約溶劑超聲波提取技術(shù)與一般的提取方法相比,可以減少溶劑的使用量,節(jié)約溶劑.謝明杰等比照研究了乙醇加熱回流法與超聲波輔助提取法在大豆異黃酮提取中的應(yīng)用,研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用傳統(tǒng)加熱回流法提取時(shí),溶劑乙醇的用量總共為200mL,而運(yùn)用超聲波法提取僅需100mL即可到達(dá)相同的效果.2.4 低溫超聲提取的最正確溫度一般在4060C,對(duì)熱不穩(wěn)定、易水解或氧化的有效成分具有保護(hù)作用,同時(shí)也大大減少了能耗.AthanasiosCKimbaris等6同時(shí)用水蒸儲(chǔ)提取法、微波輔助水蒸儲(chǔ)提取法和超聲提取法提取大蒜中的揮發(fā)油,發(fā)現(xiàn)3種方法所得揮發(fā)油的得率和性質(zhì)不盡相同,但超聲提取法提取溫度低

7、,減少了對(duì)熱敏性化合物的破壞,能源消耗少.2.5 應(yīng)用廣泛超聲提取法不受成分極性、分子量大小的限制,適用于絕大多數(shù)有效成分的提取.當(dāng)然,超聲提取除了以上五項(xiàng)特點(diǎn)之外,還有操作簡(jiǎn)單易行、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著、提取料液雜質(zhì)少、有效成分易于別離純化等特點(diǎn).超聲波提取是一種替代傳統(tǒng)浸取,實(shí)現(xiàn)高效、快速、環(huán)保、節(jié)能的現(xiàn)代高新技術(shù)之一.3超聲波提取技術(shù)的應(yīng)用目前,超聲波提取法在提取生物有效成分的應(yīng)用中越來(lái)越普遍,被廣泛用來(lái)提取多糖、黃酮及生物堿類物質(zhì).3.1 多糖類物質(zhì)的提取天然植物中含有豐富的多糖.超聲波提取因其可在低溫下進(jìn)行,對(duì)各種多糖結(jié)構(gòu)的破壞作用較小,目前也被普遍使用.現(xiàn)已經(jīng)采用超聲波提取技術(shù)成功提取

8、的多糖主要包括：板藍(lán)根多糖、苜蓿多糖、天麻多糖、米糠多糖、黃黃多糖、玉米須多糖、仙人掌多糖、人參多糖、松仁多糖、黑果枸杞多糖、地黃多糖、馬齒范多糖、菠蘿皮果膠等.張夢(mèng)娟等7采用超聲波提取法從天麻中提取天麻多糖,得率可達(dá)32.78%.孫俊等網(wǎng)采用超聲波提取南瓜多糖,粗多糖得率為6.45%.ZdenaHromodkova等網(wǎng)比擬了用傳統(tǒng)方法和超聲提取法提取玉米芯中的水溶性木聚糖,發(fā)現(xiàn)用NaOH溶液作為提取溶劑,用超聲提取法可在較短時(shí)間內(nèi)、較低的堿質(zhì)量濃度和較低溫度下獲得較高的提取效率,并且超聲法獲得的木聚糖的生物活性要高于常規(guī)方法.3.2 黃酮類物質(zhì)的提取黃酮類物質(zhì)由于其優(yōu)良的抗氧化性能受到許多學(xué)

9、者的關(guān)注,超聲波提取這一先進(jìn)的技術(shù)也被運(yùn)用到黃酮的提取中.MauricioARostagno等10用超聲法提取大豆異黃酮,發(fā)現(xiàn)用體積分?jǐn)?shù)50%的乙醇做溶劑,在60c下提取20min便可獲得最正確的提取效率.王延峰等11研究了銀杏葉黃酮的超聲波提取法,并與連續(xù)熱回流的索氏提取法作了比擬研究,發(fā)現(xiàn)熱回流提取法的提取時(shí)間是超聲波提取法的412倍,從節(jié)能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度看,超聲波提取法均優(yōu)于索氏提取法.3.3 生物堿類物質(zhì)的提取生物堿是中草藥中重要的有效成分之一.應(yīng)用超聲輔助提取天然植物中的生物堿,可以得到比擬理想的得率.謝彩娟等12研究延胡索總生物堿的提取,得出最正確條件為：超聲波作用時(shí)間60min,

10、提取溫度40C,超聲波功率350W,提取溶媒用量30倍,乙醇體積分?jǐn)?shù)70%,pH值3.5.此提取方法的提取率高,溫度低,時(shí)間短,提取工藝簡(jiǎn)便,在工業(yè)化生產(chǎn)中可以降低能耗,提升經(jīng)濟(jì)效益.其他關(guān)于超聲波提取生物堿的報(bào)道有斷腸草總生物堿、金線蓮總生物堿、榔寄生生物堿、駱駝蓬種子總生物堿、石杉?jí)A、麻黃堿、博落回生物堿、黃集生物堿、北草烏生物堿等.3.4 多酚類物質(zhì)的提取多酚是一類存在于植物體內(nèi)的多元酚,具有良好的抗氧化作用.在多酚的提取方面,超聲波技術(shù)得到了充分的利用.屈平等13研究了超聲波輔助提取苦荊茶中多酚類物質(zhì)的工藝,其優(yōu)化條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、超聲波功率為160W、乙醇和苦荊茶液料比12

11、：1mL：g、浸提時(shí)間25min,在此條件下苦荊茶多酚類物質(zhì)的得率為12.8%,純度為63.5%.劉曉鵬等14用超聲波法提取了厚樸中厚樸酚與和厚樸酚,發(fā)現(xiàn)運(yùn)用超聲波法可以很好地提取厚樸中的厚樸酚與和厚樸酚.3.5 油脂類物質(zhì)的提取油脂,尤其是揮發(fā)性油脂,不宜在高溫或長(zhǎng)時(shí)間條件下提取,超聲波的低溫、快速恰好滿足要求.馬強(qiáng)等15對(duì)130g小茴香進(jìn)行超聲波提取33min,溫度51c時(shí),揮發(fā)油提取量達(dá)8.78mL.袁謀村等16在提取橘皮精油時(shí),比擬了超聲波提取法與直接浸泡、加熱蒸儲(chǔ)、水蒸氣蒸儲(chǔ)及索氏提取等傳統(tǒng)提取法的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)超聲波法提取率明顯高于其他方法,所得精油組成相似.史曉東等17研究了超聲波提

12、取葡萄籽油的工藝,選擇石油醴為提取溶劑,超聲波作用時(shí)間25min,超聲波功率500W,循環(huán)泵轉(zhuǎn)速1200r/min,料液比1：15時(shí),提取率到達(dá)94.12%.朱紅葉等18以石油醴為提取劑,在料液比1：10,超聲時(shí)間15min的條件下,考察不同的超聲功率對(duì)黑莓籽油得率的影響,發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率的增大,空化作用和機(jī)械作用越來(lái)越劇烈,媒質(zhì)粒子的速度和加速度亦越大,界面擴(kuò)散層上的分子擴(kuò)散越快,黑莓籽中油的滲出速度就越快,故得率增加.但是功率過大,超聲波的傳播衰減將增大,導(dǎo)致得率增加緩慢甚至下降.3.6 有機(jī)酸類物質(zhì)的提取目前用超聲波提取的有機(jī)酸包括：阿魏酸、甘草酸、草酸、灑石酸、琥珀酸、蘋果酸、馬來(lái)酸、

13、檸檬酸等.何粉霞等19發(fā)現(xiàn)超聲功率在120150W范圍之內(nèi)時(shí),小麥萩皮中阿魏酸提取率隨著功率的增加而提升,功率為150W時(shí)阿魏酸提取率最高,但當(dāng)功率繼續(xù)增大時(shí),阿魏酸提取率那么開始下降.李開泉等20研究了超聲波與回流技術(shù)對(duì)枇杷葉中烏索酸的提取效果,發(fā)現(xiàn)前者的效率是后者的2.63倍.逮家輝等21在研究八角茴香中莽草酸的超聲波提取工藝時(shí)分別考察了不同超聲波功率對(duì)莽草酸得率的影響,發(fā)現(xiàn)功率在300W以內(nèi)時(shí),隨著超聲功率的增加,莽草酸得率的增加趨勢(shì)明顯,但功率大于300W之后莽草酸得率反而顯著下降,這可能是由于功率300W的超聲波使提取物中局部莽草酸結(jié)構(gòu)破壞的原因.4超聲波與其他技術(shù)的聯(lián)用4.1超聲波

14、與外表活性劑聯(lián)用外表活性劑具有雙親結(jié)構(gòu),能降低外表張力,增強(qiáng)溶劑對(duì)物料的潤(rùn)濕性和滲透性,且對(duì)天然產(chǎn)物的有效成分具有增溶作用,從而增加浸出效能和萃取率,因而在天然產(chǎn)物提取中得到廣泛應(yīng)用.外表活性劑與超聲波聯(lián)合使用,可在溶劑中形成分子液膜,增加液固接觸面積,以提升提取率.趙鵬等22用外表活性劑聯(lián)合超聲提取法提取益母草中的總生物堿成分,并對(duì)提取率的影響做了初步的探討,得出用該法能提升益母草中的總生物堿提取率.實(shí)驗(yàn)在不同濃度的乙醇溶劑中,不同溫度下提取不同的時(shí)間,由限制變量的原理,添加了外表活性劑的提取率普遍比單純超聲波提取的高.同時(shí),較其他外表活性劑如span60tween20,加SDS的提取率略微

15、提升,可能是由于不同的外表活性劑對(duì)益母草生物堿的增溶作用不同,SDS對(duì)益母草生物堿增溶作用最大.王純榮等23對(duì)外表活性劑協(xié)同超聲波提取大豆豆莢黃酮的工藝進(jìn)行了探究.在單因素試驗(yàn)中,他們發(fā)現(xiàn)以SDS提取效果最好,當(dāng)SDS濃度在0.6%左右時(shí),豆莢黃酮提取率接近最大值；隨著提取時(shí)間的增加,得率呈先增大后減小的趨勢(shì)；隨著超聲波功率的增大,豆莢黃酮提取得率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)超聲功率為120W左右時(shí)到達(dá)最大值；隨液料比的增大,提取率先增大后減小.在單因素試驗(yàn)根底上,選取外表活性劑含量、超聲功率、料液比這3個(gè)對(duì)黃酮提取率影響較大的因素對(duì)提取工藝進(jìn)行響應(yīng)面分析,得出外表活性劑輔助超聲波提取豆莢黃酮

16、的最正確條件為外表活性劑SDS用量0.46%、超聲功率124.8W、液料比12.95.在此條件下黃酮得率可到達(dá)9.72%.4.2超聲波與微波聯(lián)用微波一超聲波法提取有較大的優(yōu)勢(shì),可以使提取時(shí)間大大縮短,可防止有效成分在高溫下的分解,所用儀器簡(jiǎn)單,操作方便.劉寶劍等24研究了超聲波與微波聯(lián)合使用提取紅黃多糖的技術(shù),結(jié)果微波一超聲波法得到的多糖含量為8.98%,比常規(guī)法的多糖含量4.19%有所提升.在提取槐米的工藝研究中25,比擬微波一超聲法、超聲法、水回流法、乙醇回流法4種提取技術(shù)對(duì)槐米總黃酮含量的影響.發(fā)現(xiàn)微波一超聲法比水回流法和超聲法提取槐米總黃酮的效率高3倍以上,比醇回流法高約20%.4.3

17、 酶輔助超聲波的使用酶作用于藥材的細(xì)胞壁,使細(xì)胞壁破裂,加快有效成分的溶出,縮短提取時(shí)問,提升提取率.超聲提取和生物酶提取工藝結(jié)合可以明顯降低提取溫度、縮短提取時(shí)間、提升提取產(chǎn)量、便于產(chǎn)品純化、節(jié)約溶劑,且對(duì)提取物的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)無(wú)影響260廉宜君等研究了復(fù)合酶一超聲聯(lián)合提取沙棗多糖的工藝,發(fā)現(xiàn)用纖維素酶1.5%、果膠酶1.5%、55c酶解40min后滅酶,然后超聲25min,固液比1:30,超聲功率400W,超聲溫度60c可得到最正確提取率.復(fù)合酶一超聲聯(lián)合提取優(yōu)化條件下提取沙棗多糖的得率比單獨(dú)用酶降解法提升了36.31%.4.4 超聲波-CO2超臨界萃取聯(lián)用超聲強(qiáng)化超臨界CO2萃取技術(shù)是在

18、超臨界CO2萃取的同時(shí)附加超聲場(chǎng),從而降低萃取壓力和溫度,縮短萃取時(shí)間,最終提升萃取率的一項(xiàng)新技術(shù).該方法綜合了超聲波提取高效、快速以及CO2超臨界萃取的低能耗、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各有效成分的提取.交實(shí)驗(yàn)法確定了超聲強(qiáng)化超臨界CO2萃取復(fù)方丁香肉桂揮發(fā)油的最優(yōu)工藝參數(shù),揮發(fā)油得率可達(dá)11.60%.結(jié)果說(shuō)明超聲能夠?qū)O2超臨界萃取有很好的強(qiáng)化作用,可以提升產(chǎn)率.Balach等27研究了超聲對(duì)超臨界萃取冷凍枯燥姜粒的影響,在超聲作用下,生姜辛辣化合物姜酚的萃取率得到明顯提升,提取率提升了30%.李超等28采用正交實(shí)驗(yàn)法確定了超聲強(qiáng)化超臨界CO2萃取復(fù)方丁香肉桂揮發(fā)油的最優(yōu)工藝參數(shù),揮發(fā)油得率

19、可達(dá)11.60%.結(jié)果說(shuō)明超聲能夠?qū)O2超臨界萃取有很好的強(qiáng)化作用,可以提升產(chǎn)率.5結(jié)語(yǔ)超聲波提取是一種節(jié)約時(shí)間、節(jié)約能量、節(jié)約溶劑、提取率高、工藝簡(jiǎn)單的提取方法,并且防止了高溫對(duì)有效成分的破壞,符合綠色工藝的要求,不失為一種好的提取方法.超聲波在提取技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用,影響超聲波提取效果的因素包括：提取溶劑的種類與用量、天然產(chǎn)物種類、粒度、含水量、提取時(shí)間、次數(shù)、溫度、超聲頻率、聲強(qiáng)、空占比等.其中,聲學(xué)參數(shù)(超聲頻率、聲強(qiáng)度、提取時(shí)間、超聲作用方式、空占比等)是影響超聲波提取效率的特有因素,所以在超聲波提取中能否找到適宜的參數(shù)是提升提取率的關(guān)鍵.超聲技術(shù)與其他新興技術(shù)的聯(lián)用是一個(gè)很好的

20、研究與應(yīng)用的方向,隨著研究的不斷深入,設(shè)備與技術(shù)上的不斷改良,超聲波提取技術(shù)將在食品、醫(yī)藥、化工等技術(shù)領(lǐng)域顯示出更加廣泛的應(yīng)用前景.參考文獻(xiàn)1MaricelaToma,MVinatoru,LPaniwnyk,etal.InvestigationoftheeffectsofultrasoundonvegetaltissuesduringsolventextractionJ.Ultrasonicssonochemistry,2001,8:137-142.2黃東亮,黃小玲.超聲波提取顛茄草有效成分蕉假設(shè)堿的技術(shù)J.中國(guó)藥業(yè),2002,11(10):58593江發(fā)壽,劉金榮,但建明.沙棗多糖的超聲提取

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