超声波提取技术应用

1、超声波辅助提取技术的应用摘要：综述了超声波提取技术的原理、特点，全面总结了有关超声波技术在 活性成分提取中的应用，为进一步研究超声波提取技术提供参考。关键词：超声波提取技术；活性成分超声波是一种在水等介质和人体中具有良好穿透性的、以震动波的形式传播 的一种机械能量。超声波辅助提取技术主要是依据物质中有效成分的存在状态、 极性、溶解性等在超声波作用下快速地进入溶剂中，得到多成分混合的提取液， 再将提取液以适当方法分开、精制、纯化处理，最后得到所需单体化学成分的一 项新技术。超声辅助提取技术已经广泛应用丁天然药物中各种有效成分的提取分 离，并取得了很好的效果。本文就超声波提取技术及其应用进行综述。

2、1 超声提取的原理1.1空化效应空化效应是超声提取的主要动力。液体中往往存在一些真空或含有少量气体 或蒸汽的小泡，当一定频率的大量超声波作用在液体时， 尺寸适宜的小泡能产生 共振现象，它们在声波的稀疏阶段迅速胀大，在声波的压缩阶段乂被绝热压缩， 直至湮灭。小泡在湮灭过程中，能够产生几千摄氏度的高温和几千个大气压的高 压冲击波，这就是空化现象。这种强烈的冲击作用能使物料破碎， 也能造成生物 细胞壁及整个生物体破裂从而加速细胞内物质的释放、扩散及溶解。1.2机械效应超声在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化， 这种压力的变化将引起机械效应。 对丁中药提取过程，这种机械效应包

3、括简单的 骚动效应和溶剂与药材组织之间的摩擦。 这种骚动效应可使蛋白质变性，细胞组 织变形;而超声波引起的介质质点的加速度与超声波振动频率的平方成正比，有时超过重力加速度的数万倍，由丁溶剂和药材组织获得的加速度不同，即溶剂分 子的速度远大丁药材组织的速度，从而使它们之间产生摩擦，这种力量足以断开 两碳原子之键，使生物分子解聚，使中药材中的有效成分溶解丁溶剂之中。1.3热效应由丁介质吸收超声波以及介质内摩擦的消耗，分子产生剧烈振动，超声能转 化为介质的内能，引起溶剂和药物组织温度升高，超声波在穿透溶剂和药物组织 分界面时，温度上升更快，这是因为分界面上特性阻抗不同，产生反射形成驻波， 引起分子间

4、的相对摩擦而发热，因此，控制超声强度，可使药物组织内部温度瞬 间升高，加速有效成分溶出。除了以上效应外，超声波还有许多次级效应，如击碎、乳化、扩散等效应， 也都有利丁植物中有效成分的转移。此外MaricelaToma等1人通过对50多种中药有效成分的超声提取研究发现， 超声波在促进传质的同时还能促进水合， 这也 有助丁中药有效成分的提取。2超声波提取的特点2.1速度快超声波强化提取较传统提取方法时间大大缩短，通常在2440 min即可获得用传统提取方法提取数小时才能获得的产率。黄东亮等2分别采用超声波技术和 传统渗漉法提取颠茄草中有效成分芨若碱，比较两种方法的芨若碱得率及提取时 问，结果当两种

5、方法得率相当时超声波法提取时间仅为20 min,比渗漉法的提取时间10 h大大缩短。江发寿等3研究了超声法提取沙枣多糖的工艺，将经烘干处 理的沙枣用80%的乙醇液处理后，以水为溶剂丁 45 kHz超声提取2次共40 min,得 率为6.81%,比相同得率下的常规提取方法时间大大缩短。2.2提取率高超声波所具有的空化效应、机械振动作用、热效应等使天然物质中的有效成 分提取更为充分，提取率比传统工艺显著提高。李大婿等4用超声波辅助提取万寿菊中的叶黄素，结果提取率可达97%以上。谢明杰等5在提取脱脂豆粕中的大 豆异黄酮时发现，用20 kHz的超声波提取30 min得率即可达到0.452,比用传统加

6、热回流法提取120 min才能获得的得率0.310还要高，说明超声波提取法是名副其 实的高效率提取方法 2.3节约溶剂超声波提取技术与一般的提取方法相比，可以减少溶剂的使用量，节约溶剂。 谢明杰等5对比研究了乙醇加热回流法与超声波辅助提取法在大豆异黄酮提取 中的应用，研究发现运用传统加热回流法提取时， 溶剂乙醇的用量总共为200 mL, 而运用超声波法提取仅需100 mL即可达到相同的效果。2.4低温超声提取的最佳温度一般在4060C,对热不稳定、易水解或氧化的有效成 分具有保护作用，同时也大大减少了能耗。Athanasios C Kimbaris等6同时用水蒸僻提取法、微波辅助水蒸僻提取法和

7、超声提取法提取大蒜中的挥发油，发现 3 种方法所得挥发油的得率和性质不尽相同，但超声提取法提取温度低，减少了对热敏性化合物的破坏，能源消耗少。2.5应用广泛超声提取法不受成分极性、分子量大小的限制，适用于绝大多数有效成分的 提取。当然，超声提取除了以上五项特点之外，还有操作简单易行、综合经济效 益显著、提取料液杂质少、有效成分易于分离纯化等特点。超声波提取是一种替 代传统浸取，实现高效、快速、环保、节能的现代高新技术之一。3超声波提取技术的应用目前,超声波提取法在提取生物有效成分的应用中越来越普遍，被广泛用来提取多糖、黄酮及生物碱类物质。3.1多糖类物质的提取天然植物中含有丰富的多糖。超声波提

8、取因其可在低温下进行，对各种多糖 结构的破坏作用较小，目前也被普遍使用。现已经采用超声波提取技术成功提取 的多糖主要包括：板蓝根多糖、苜蓿多糖、天麻多糖、米糠多糖、黄茂多糖、玉 米须多糖、仙人掌多糖、人参多糖、松仁多糖、黑果枸杞多糖、地黄多糖、马齿 觅多糖、菠萝皮果胶等。张梦娟等7采用超声波提取法从天麻中提取天麻多糖， 得率可达32.78%。孙俊等8采用超声波提取南瓜多糖，粗多糖得率为 6.45%。 ZdenaHromcdkov a等9比较了用传统方法和超声提取法提取玉米芯中的水溶性 木聚糖，发现用NaOH溶液作为提取溶剂，用超声提取法可在较短时间内、较 低的碱质量浓度和较低温度下获得较高的提

9、取效率，并且超声法获得的木聚糖的 生物活性要高于常规方法。3.2黄酮类物质的提取黄酮类物质由于其优良的抗氧化性能受到许多学者的关注，超声波提取这一先进的技术也被运用到黄酮的提取中。Mauricio A Rostagno等10用超声法提取大 豆异黄酮，发现用体积分数50%的乙醇做溶剂，在60C下提取20 min便可获得 最佳的提取效率。王延峰等11研究了银杏叶黄酮的超声波提取法， 并与连续热回 流的索氏提取法作了比较研究，发现热回流提取法的提取时间是超声波提取法的 412倍，从节能和技术经济角度看，超声波提取法均优于索氏提取法。 3.3生物碱类物质的提取生物碱是中草药中重要的有效成分之一。应用超

10、声辅助提取天然植物中的生 物碱，可以得到比较理想的得率。谢彩娟等 12研究延胡索总生物碱的提取，得 出最佳条件为：超声波作用时间60min,提取温度40C，超声波功率350 W,提 取溶媒用量30倍，乙醇体积分数70%, pH值3.5。此提取方法的提取率高，温 度低，时间短，提取工艺简便，在工业化生产中可以降低能耗，提高经济效益。 其他关于超声波提取生物碱的报道有断肠草总生物碱、金线莲总生物碱、梅f寄生 生物碱、骆驼蓬种子总生物碱、石杉碱、麻黄碱、博落回生物碱、黄舞生物碱、北草乌生物碱等。3.4多酚类物质的提取多酚是一类存在于植物体内的多元酚， 具有良好的抗氧化作用。在多酚的提 取方面，超声波

11、技术得到了充分的利用。屈平等13研究了超声波辅助提取苦荆茶中多酚类物质的工艺，其优化条件为：乙醇体积分数60%、超声波功率为160W、乙醇和苦荆茶液料比12： 1 （mL ： g）、浸提时间25 min,在此条件下苦荆 茶多酚类物质的得率为12.8%，纯度为63.5%。刘晓鹏等14用超声波法提取了厚 朴中厚朴酚与和厚朴酚，发现运用超声波法可以很好地提取厚朴中的厚朴酚与和 厚朴酚。3.5油脂类物质的提取油脂，尤其是挥发性油脂，不宜在高温或长时间条件下提取，超声波的低温、 快速恰好满足要求。马强等15对130 g小茴香进行超声波提取33 min,温度51C 时，挥发油提取量达8.78 mL。袁谋村

12、等16在提取橘皮精油时，比较了超声波提 取法与直接浸泡、加热蒸僻、水蒸气蒸僻及索氏提取等传统提取法的区别，发现超声波法提取率明显高于其他方法，所得精油组成相似。史晓东等17研究了超声波提取葡萄籽油的工艺，选择石油酰为提取溶剂，超声波作用时间25 min,超 声波功率500W,循环泵转速1200 r/min，料液比1 ： 15时，提取率达到94.12%。 朱红叶等18以石油酰为提取剂，在料液比1 ： 10,超声时间15 min的条件下， 考察不同的超声功率对黑莓籽油得率的影响，发现随着超声功率的增大，空化作用和机械作用越来越剧烈，媒质粒子的速度和加速度亦越大，界面扩散层上的分 子扩散越快，黑莓籽

13、中油的渗出速度就越快，故得率增加。但是功率过大，超 声波的传播衰减将增大，导致得率增加缓慢甚至下降。3.6有机酸类物质的提取目前用超声波提取的有机酸包括：阿魏酸、甘草酸、草酸、洒石酸、琥珀酸、 苹果酸、马来酸、柠檬酸等。何粉霞等19发现超声功率在120150W范围之内 时，小麦款皮中阿魏酸提取率随着功率的增加而提高，功率为150W时阿魏酸提取率最高，但当功率继续增大时，阿魏酸提取率则开始下降。李开泉等20研究了超声波与回流技术对枇杷叶中乌索酸的提取效果，发现前者的效率是后者的 2.63倍。逮家辉等21在研究八角茴香中芬草酸的超声波提取工艺时分别考察了 不同超声波功率对芬草酸得率的影响， 发现功

14、率在300W以内时，随着超声功率 的增加，芬草酸得率的增加趋势明显，但功率大于300W之后芬草酸得率反而显 著下降，这可能是由于功率300 W的超声波使提取物中部分芬草酸结构破坏的 原因。4超声波与其他技术的联用4.1超声波与表面活性剂联用表面活性剂具有双亲结构，能降低表面张力，增强溶剂对物料的润湿性和渗 透性，且对天然产物的有效成分具有增溶作用，从而增加浸出效能和萃取率，因而在天然产物提取中得到广泛应用。表面活性剂与超声波联合使用，可在溶剂中 形成分子液膜，增加液固接触面积，以提高提取率。赵鹏等22用表面活性剂联合超声提取法提取益母草中的总生物碱成分，并对提取率的影响做了初步的探讨，得出用该

15、法能提高益母草中的总生物碱提取率。实验在不同浓度的乙醇溶剂中， 不同温度下提取不同的时间，由控制变量的原理，添加了表面活性剂的提取率普 遍比单纯超声波提取的高。同时，较其他表面活性剂如span60 tween20,加SDS 的提取率略微提高，可能是因为不同的表面活性剂对益母草生物碱的增溶作用不 同，SDS对益母草生物碱增溶作用最大。王纯荣等23对表面活性剂协同超声波 提取大豆豆荚黄酮的工艺进行了探究。在单因素试验中，他们发现以SDS提取效果最好，当SDS浓度在0.6%左右时，豆荚黄酮提取率接近最大值；随着提取 时间的增加，得率呈先增大后减小的趋势；随着超声波功率的增大，豆荚黄酮提 取得率也呈现

16、先增大后减小的趋势，当超声功率为120W左右时达到最大值；随 液料比的增大，提取率先增大后减小。在单因素试验基础上，选取表面活性剂含 量、超声功率、料液比这3个对黄酮提取率影响较大的因素对提取工艺进行响应 面 分析，得出表面活性剂辅助超声波提取豆荚黄酮的最佳条件为表面活性剂（SDS）用量0.46%、超声功率124.8 W、液料比12.95。在此条件下黄酮得率可达到 9.72%。 4.2超声波与微波联用微波一超声波法提取有较大的优势，可以使提取时间大大缩短，可避免有效 成分在高温下的分解，所用仪器简单，操作方便。刘宝剑等24研究了超声波与微波联合使用提取红茂多糖的技术,结果微波一超声波法得到的多

17、糖含量为8.98%,比常规法的多糖含量4.19%有所提高。在提取槐米的工艺研究中25,比 较微波一超声法、超声法、水回流法、乙醇回流法4种提取技术对槐米总黄酮含 量的影响。发现微波 一超声法比水回流法和超声法提取槐米总黄酮的效率高3倍以上，比醇回流法高约20%。4.3酶辅助超声波的使用酶作用于药材的细胞壁，使细胞壁破裂，加快有效成分的溶出，缩短提取时 问，提高提取率。超声提取和生物酶提取工艺结合可以明显降低提取温度、缩短提取时间、提高提取产量、便于产品纯化、节约溶剂，且对提取物的结构和理化 性质无影响26。廉宜启等研究了复合酶 一超声联合提取沙枣多糖的工艺，发现 用纤维素酶1.5%、果胶酶1.

18、5%、55C酶解40 min后灭酶，然后超声25 min,固液比1:30,超声功率400W,超声温度60C可得到最佳提取率。复合酶 一超声联 合提取优化条件下提取沙枣多糖的得率比单独用酶降解法提高了36.31%。4.4超声波-CO2超临界萃取联用超声强化超临界CO2萃取技术是在超临界 CO2萃取的同时附加超声场，从 而降低萃取压力和温度，缩短萃取时间，最终提高萃取率的一项新技术。该方法 综合了超声波提取高效、快速以及 CO2超临界萃取的低能耗、环保的优点，广 泛应用于各有效成分的提取。交实验法确定了超声强化超临界CO2萃取复方丁香肉桂挥发油的最优工艺参数，挥发油得率可达11.60%。结果表明超

19、声能够对CO2超临界萃取有很好的强化作用，可以提高产率。Balach等27研究了超声对超 临界萃取冷冻十燥姜粒的影响,在超声作用下，生姜辛辣化合物姜酚的萃取率得 到明显提高，提取率提高了 30%。李超等28采用正交实验法确定了超声强化超 临界CO2萃取复方丁香肉桂挥发油的最优工艺参数， 挥发油得率可达11.60%。 结果表明超声能够对CO2超临界萃取有很好的强化作用，可以提高产率。5结语超声波提取是一种节约时间、节约能量、节约溶剂、提取率高、工艺简单的 提取方法，并且避免了高温对有效成分的破坏， 符合绿色工艺的要求，不失为一 种好的提取方法。超声波在提取技术上有着广泛的应用, 影响超声波提取效

20、果的 因素包括:提取溶剂的种类与用量、天然产物种类、粒度、含水量、提取时间、 次数、温度、超声频率、声强、空占比等。其中，声学参数(超声频率、声强度、 提取时间、超声作用方式、空占比等)是影响超声波提取效率的特有因素，所以 在超声波提取中能否找到适宜的参数是提高提取率的关键。超声技术与其他新兴技术的联用是一个很好的研究与应用的方向，随着研究的不断深入，设备与技术上的不断改进，超声波提取技术将在食品、医药、化工等技术领域显示出更加广 泛的应用前景。参考文献1 MaricelaToma,MVinatoru,LPaniwnyk,etal.Investigationof the effects of

21、ultrasound on vegetal tissuesduring solvent extraction J .Ultra sonicssonochemistry, 2001, 8:137-142.2 黄东亮，黄小玲.超声波提取颠茄草有效成分芨若碱的技术J.中国药 业,2002,11 (10) :58593 7工发寿，刘金荣，但建明.沙枣多糖的超声提取及含量测定J.西北药学杂志,2002,17 (1) :13144 李大婿，刘春泉,王振宁.超声波法提取万寿菊花中叶黄素的工艺条件优化J.江苏农业学报,2005,21 (4) :3743775 谢明杰，宋明，邹翠霞，等.超声波提取大豆异黄酮J.

22、大豆科学，2004,23(1) :74 766 Athanasios C Kimbaris,Nikolaos G Siatis,DimitraJ Daferera,etal.Comparison of distillation andultrasound assisted extraction methods for theisolation of sensitive aroma compounds from garlic ( Allium sativum ) J.Ultra sonics Sonochemistry,2006,13( 1) :54 607 张梦娟，徐怀德，安兴国.天麻多糖的超

23、声波提取工艺研究J.西北农林科技大 学学报,2007,35 (4) :92958 孙俊,邓红,仇农学.南瓜多糖超声提取工艺的优化J.西北农业学报,2007,16(2) :198 2029 ZdenaHromadkov J liaKov ikov nnaEbringerov .Study of the classical and ultrasound assistedextraction of the corn cob xylanJ.IndustrialCrops and Products,1999,9 (2) :101 10910 Mauricio A Rostagno,MiguelPalma

24、,Carmelo G Barroso.Ultrasound assisted extraction of soyisoflavonesJ.Ultrasonics Sonochemistry,2003,1012(2) :11912811 王延峰，封德顺.超声法提取银杏叶黄酮的研究J.食品科学,2002,23(8) :16616712 谢彩娟，张志琪.超声提取延胡索总生物碱的研究J.西北药学杂志,2005,20(4) :25315413 屈平，胡传荣.超声波辅助提取苦荆茶中多酚类物质的研究J.食品与机械,2007,23 (2) :151714 刘晓鹏，姜宁，周大寨，等.超声法提取厚朴中厚朴酚及和厚朴酚的研究J.中药 材,2007,30 (2) :23723915 马强,何璐,王玉龙，等.小茴香挥发油超声波提取工艺优化及抗菌活性研究J.安徽农业科学，2007,35 (7) :1912191316 袁谋村，成昌梅，义志忠，等.超声溶剂提取法研究J.湘潭大学自然科学学报,1992,14 (4)