超声波在萃取技术中的应用

1、超声波在萃取技术中的应用摘要：超声波萃取技术是近年来在别离提取中受到广泛关注的新技术，与其他萃取方法如索氏萃取、微波辅助萃取和超临界流体萃取比拟，它在很多方面都显示 出极大的优越性。介绍了超声波萃取技术的原理、特点，应用研究现状，结合具 体实例对超声波萃取的优越性进行了直观的阐释，并对该技术的开展方向进行了 展望。关键词：超声波；萃取技术1概述超声波萃取(Ultrasound extraction, UE),亦称为超声波辅助萃取、超声波提 取，是利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应、扰动效应、高加速度、击碎和 搅拌作用等多级效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而加 速目标成分进

2、入溶剂，促进提取的进行。1.1超声波萃取的原理超声波是指频率为20kHz50MHz的电磁波，它是一种机械波，需要能量 载体介质来进行传播。其穿过介质时，会产生膨胀和压缩2个过程。超声波能产生并传递强大的能量,给予介质极大的加速度。这种能量作用于液体时,膨 胀过程会形成负压。如果超声波能量足够强，膨胀过程就会在液体中生成气泡或 将液体撕裂成很小的空穴。这些空穴瞬间即闭合，闭合时产生高达3000MPa的瞬间压力，称为空化作用。这样连续不断产生的高压就像一连申小爆炸不断地冲 击物质颗粒外表，使物质颗粒外表及缝隙中的可溶性活性成分迅速溶出。同时在提取液中还可通过强烈空化， 使细胞壁破裂而将细胞内溶物释

3、放到周围的提取液 体中。利用超声波的上述效应，从不同类型的样品中提取各种目标成分是非常有 效的。1.2技术特点与常规的萃取技术相比，超声波萃取技术快速、价廉、高效。在某些情况下， 甚至比超临界流体萃取(SFE)和微波辅助萃取还好。与索氏萃取相比，其主要优 点有:成穴作用增强了系统的极性，这些都会提高萃取效率，使之到达或超过 索氏萃取的效率；超声波萃取允许添加共萃取剂，以进一步增大液相的极性：适合不耐热的目标成分的萃取；操作时间比索氏萃取短。超声波萃取优于SFE表达在:仪器设备简单，萃取本钱低得多；可提取很 多化合物，无论其极性如何，因为超声波萃取可用任何一种溶剂。SFE事实上只 能用CO2作萃

4、取剂，因此仅适合非极性物质的萃取。超声波萃取优于微波辅助萃取表达在：在某些情况下，比微波辅助萃取速度快;酸消解中，超声波萃取比常规微波辅助萃取平安 ：多数情况下，超声波萃 取操作步骤少，萃取过程简单，不易对萃取物造成污染。对于超声波萃取来说，提取前样品的浸泡时间、超声波强度、超声波频率及 提取时间等也是影响目标成分提取率的重要因素。2超声波萃取技术的应用目前，超声波萃取技术已广泛用于食品、药物、工业原材料、农业环境等样 品中有机组分或无机组分的别离和提取02.1超声强化酶的萃取酶是动植物细胞内的一种活性蛋白，在体外极易失活，因此酶液的提取必须 在较温和的条件下进行。一般说来,低温(04C )和

5、生理pH值(pH49)是两个必 备的条件，相对其他物质的萃取条件，这是不利的，酶的产量也不会很高。运用 超声波来强化酶的萃取的研究由来已久， 并取得了一些积极的成果。值得注意的 是，使用的超声功率不同，会带来完全相反的结果。Zetelaki.k用100W的超声波破碎机提取细胞内葡萄糖氧化酶，结果发现酶 全部失活。而Yoshi。等用频率20kHz、声功率15W的超声波处理，葡萄糖氧化 酶并未失活，并且酶产率得到了提高。林影等人的研究也得到了相似的结果， 他 们用20kHz的超声波作用于脆壁克鲁弗氏酵母生产菊糖酶时发现，如果声功率 小于10W，那么酶活力随功率增大而增大，当声功率大于10W时，BW

6、舌力下降。 由此可见，超声萃取酶的主要机理是机械作用和稳态空化作用加强了传质过程。 而较大功率下产生的瞬态空化及瞬时热效应能破坏细胞，使蛋白质变性，在酶液的萃取中这是不适宜的。2.2在食品工业的应用2.2.1油脂浸取超声场强化提取油脂可使浸取效率显著提高，还可以改善油脂品质，节约原 料，增加油的提取量。毕红卫比照了匀浆法和超声波萃取Y2业麻酸，结果说明，超声波法得到的 油量多，比匀浆法增加12.8%。从花生中提取花生油，可使花生油的产量增加2.76倍。Gorodenrd等用超声波萃取技术提取葵花籽中油脂，使产量提高27%28%。在棉籽量相同时，超声波处理1h提取的油量比不用超声波时提高了8.3

7、倍。超声波也可用于动物油的加工提取，如IS鱼肝油的提取等。苏联学者分别用300、600、800、1500kHz的超声波提取色雪鱼肝油，在25min内能使组织内油脂 几乎全部提取出来，所含维生素未遭破坏，且油脂品质优于传统方法。超声场不仅可以强化常规流体对物质的浸取过程，而且还可以强化超临界状 态下物质的萃取过程。陈钧等对超声波强化超临界CO2流体萃取过程进行了试验研究，从麦芽胚中提取麦胚油，超临界流体萃取附加超声场后，麦胚油的提取 率提高10%左右，且未引起麦胚油的降解。超声波萃取在提取油脂方面的研究与 应用十分活泼，已开展的试验和应用涉及到八角油、扁桃油、丁香油、紫苏油、 月见草油等的提取。

8、2.2.2蛋白质提取超声波提取蛋白质方面也有显著效果，如用常规搅拌法从处理过的脱脂大豆 料胚中提取大豆蛋白质，很少能到达蛋白质总含量的30%,乂很难提取出热不稳 定的7S蛋白成分，但用超声波既能将上述料胚在水中将其蛋白质粉碎，也可将80%的蛋白质液化，还可提取热不稳定的7S蛋白成分。梁汉华等通过对不同浓度大豆浆体、磨前经热处理大豆浆体及其别离出的豆 渣进行超声波处理等一系歹0试验。结果说明，经超声波处理过的大豆浆体，与不 经处理的比拟，其豆奶中蛋白质含量均有显著的提高， 提高的幅度在12%20%,这说明超声波处理确实有提高蛋白质萃取率的作用。超声波处理还可提高浆体的 别离温度，降低浆体粘度，可

9、用于直接生产高浓度 高蛋白的豆奶产品。2.2.3多糖提取黄海云等以白芨块茎为原料提取白芨粗多糖，比拟多种提取方法说明，室温下超声波处理是最理想的提取方法。对金针菇子实体多糖的提取，用超声波强化， 可使多糖提取率提高76.22%。靳胜英等利用超声波热水浸提银耳多糖，提取率 比酶法高出5%,且浸提时间大大缩短。于淑娟等对超声波催化酶法提取灵芝多 糖的机理、优化方案及降解产品的组分和结构进行了系统的研究，同时也对虫草多糖、香菇多糖、猴头多糖的提取进行了研究，与传统工艺相比，超声波强化提 取操作简单，提取率局，反响过程无物料损失和无副反响发生。赵兵等对循环气升式超声破碎鼠尾藻提取海藻多糖研究发现， 超

10、声波在室温 下作用20min,即可到达100C搅拌4h的多糖提取率，明显高于80C搅拌4h的 多糖提取率。2.2.4天然香料提取Sethuraman等用超声波强化超临界流体萃取SSF酬椒中的辣椒素，取得了 很好的效果。杨海燕等用超声波萃取宽叶缴草天然香料， 结果说明采用超声波的 滤液吸光度比不用超声波的滤液吸光度高12%40%说明超声波对萃取率有明 显的影响。有文献报道，从桔皮中萃取桔皮精油，用20kHz超声波萃取10min的精油提出率比水蒸汽蒸僻2h,索氏提取2h的提出率高2倍以上。2.3在天然植物和药物活性成分提取中的应用超声波萃取技术的萃取速度和萃取产物的质量使得该技术成为天然产物和 生

11、物活性成分提取的有力工具。特别是生物活性成分的提取，例如动物组织浆液 的蠹质，饲料中的维生素A、维生素D和维生素E等的提取。由于天然产物和活性成分常用的提取方法存在有效成分损失大、周期长、提 取率不局等缺点， 而超声波提取可缩短提取时间， 提局有效成分的提出率和药材 的利用率，并且可以防止高温对提取成分的影响。印度、美国、前苏联等国已对 植物胡椒叶、金鸡纳等药用植物进行了超声波提取的研究，并取得了良好效果。 近年来，国内在这方面的工作取得了显著的进展。郭孝武和王昌利等分别概述了超声波萃取技术在中草药有效成分提取、工艺选定、含量控制方面的应用。超声 波提取槐米中的芦丁及黄连中的黄连素，与传统的热

12、碱沸腾提取法比拟，提取率由12%14%增至16%22%,且成分稳定， 不被破坏。 李颖等利用超声波技术用 甲醇、 乙酰、已烷混合溶剂冰浴提取银州柴胡全草、根、茎及叶中挥发性活性成 分，并进行高分辨GC-MS分析，鉴定出116种成分王振宁等分别探讨了超声波真空冻十提取工艺和常规提取工艺， 并对2种工 艺提取的美国库拉索芦荟Aloe veral中所含的活性物质进行了分析比拟。 超声波 提取配合冻十十燥工艺制得的芦荟凝胶制剂纯度高、 活性强，经测定，其过氧化 物酶、蛋白质、有机酸高于常规工艺，保存了芦荟凝胶中的大局部活性成分。郭孝武等人研究了超声对中草药成分萃取的应用。1.黄连根茎中萃取黄连素。 一

13、般用浸泡渗漉法，但速度慢，时间长，提取率低。超声处理可大大缩短提取时 问，提高黄连素的提取率，节约了药材。最正确工艺是 ：黄连粗粉50目加0.5%的 硫酸水浸泡24h,用频率为20kHz的超声处理30min,过滤药渣。再重复一次， 合并滤液，浓缩。2.益母草总碱的提取。用超声和常规回流两种方法，从益母草 中提取益母草总生物碱，通过比色法测定，比拟两法所提取的生物碱产率。 实验 证明，超声法大大缩短了提取时间，由回流法的2h减少到超声法的40min;同时， 其提取率到达0.248%，比回流法提高40%。3.从槐米中提取芸香菰。用超声法 从槐米中提取芸香菰，与热碱提取一酸沉淀法相比，此法无需加热，

14、用频率为20kHz的超声波处理30min,其提取率可提高47.5%,且工艺简单，速度快。此外，应用超声提取的活性物质还包括：千金子脂肪油，元宝枫叶总黄酮，紫 薯中的花宵素色素，苦楝中的苦楝醇、苦楝酮和苦楝二醇等，杜仲叶中的有效成 分，密蒙花黄色素，苦杏仁油，豚草茎中的绿原酸等。这些进一步证明了超声提 取技术的先进性、科学性，可用于多种有效物质的提取，为食品工业应用超声波 萃取技术提供了有益的借鉴。2.4超声强化金属溶剂萃取人们进行超声溶剂萃取时，多数是在液-固的体系中。而金届的萃取处在液- 液的体系中，液-液萃取涉及到两个互不相溶的有机相和水相之间的质量传递过 程。由于超声空化增加了两相的接触

15、面积， 而空化泡崩溃时产生的冲击波消除了 两相交接口的阻滞层，这大大增加了传质速率，提高了萃取速度。用频率为20kHz、声强为19W/cm2的超声辐照萃取液，可使镣的萃取速率提高15倍;用频 率20kHz、声功率47W的超声波使锐的萃取速率加快了47倍;用酸性磷酸萃取 剂别离钳和鸨时，产生不易澄活的中间相，假设用1MHz的石英压电晶体声强0.2W/cm2辐照15min并静置8min,贝U分相速度加快了45倍。超声波在金届溶 剂萃取中的强化对冶金工业有极大的作用，它能大幅度地提高产能，节约本钱。3实例分析：超声波辅助萃取肉桂精油3.1简单介绍目前国内外常用的肉桂精油的提取方法主要为水蒸气蒸僻法、

16、 有机溶剂浸提 法、超临界CO2萃取法。采用水蒸气蒸僻法操作时间长，提取率低；超临界CO2萃取法提取的精油无溶剂残留，但操作本钱高，对极性物质的萃取效果不好;有 机溶剂浸提法需要大量的有机溶媒;超声波辅助萃取精油技术快速、低廉、高效， 所用溶剂少，且比超临界CO2萃取提取产物种类多，因此，广泛应用于食品加工、化学化工、医药等领域。本文研究了超声波辅助萃取肉桂精油的工艺条件，并与常规萃取技术进行了比拟。3.2实验方法桂皮粉碎，过筛(60目)加丙酮超声波提取 冷却静置 漏 斗过滤肉桂油初提液低温蒸除丙酮一肉桂油除工艺流程以外，还包括精油吸收波长确实定、标准工作曲线的绘制、精油 提取率的计算以及气相

17、色谱一质谱分析等操作步骤，在此就不一一陈述。3.3结果与分析3.3.1超声处理时间对肉桂精油提取率的影响在超声密度为6 W/cm3和料液比为1:30 (g/mL)的条件下，考查不同超声处理时间对肉桂精油提取率的影响，结果如图1所示。图1超声作用时间对提取率的影响Fig.1 Effect of extract time on extraction yield of Cinnamon oil图1结果说明，随着超声作用时间的延长，肉桂精油提取率逐渐提高，但处 理时间过长(超过15 min),溶质分子碰撞以致温度升高，使精油挥发严重，提 取率反而迅速下降。3.3.2超声密度对提取率的影响超声波的输出功

18、率对提取率有较大影响，输出功率的增大，有利丁液体中空 穴的形成，产生更多的空化泡，使破碎作用增强。在提取时间为15 min和料液比为1:30 (g/mL)的条件下，考查不同超声密度对肉桂精油提取率的影响，结果见图20 -1-1-1051015超声密度(W/ cm1)图2超声密度对提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasound density on extraction yield ofCinnamon oil从图2可知，10 W/cm3之后，提取率降低，可能由丁超声密度的增大，溶质 分子碰撞以致温度升高，导致精油挥发提取率下降。3.3.3料液比对提取率的影响选用丙酮作为提取溶

19、剂，在超声密度为10 W/cm3和提取时间为15 min的条 件下，考查不同料液比对肉桂精油提取率的影响，结果见图3。由图3可知，随着料液比的增加，肉桂精油提取率也在不断增大；当增大到 在1:30(g/mL)后，肉桂精油提取率的增幅较小，考虑到过高的固液比增加溶剂回 收的费用，因此在此选择固液比为1:30。01-1-1-1-1-11:201:301:401:501:60料液比/(g/mL)图3料液比对提取率的影响Fig.3 Effect of ratio of material to solvent on extraction yield ofCinnamon oil根据单因素实验的结果，以肉

20、桂醛的含量为指标，进行3因素3水平正交实 验，对超声波提取肉桂皮粉中肉桂精油的工艺进行研究，结果见表1。表1肉桂精油提取条件正交实验结果编号A 提取时间 /minB超声密度/(W/an3)q料波比/g/i】L 提瑕率11(10)1(8)1(1:20)1.8933212(10)2(1:30)2.0124313(12)3(1:4。)2,333144 项122.230252232765562312.902473(20)132.2294S3213.0 84493323.0613T2,07962.11762.3567112.63272.62082.4346III2.79502.76562.44271从表1可看出，在3个因子中，以提取时间和