超声波提取技术应用

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于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。

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，在声波的压缩阶段又被绝热压缩， 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。对于中药提取过程，这种机械效应包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，由于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于药材组织的速度，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于溶剂之中。

1.3 热效应

由于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， 也都有利于植物中有效成分的转移。此外Maricela Toma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，这也有助于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24～40 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莨菪碱，比较两种方法的莨菪碱得率及提取时间，结果当两种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，以水为溶剂于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。李大婧等[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40～60℃，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]同时用水蒸馏提取法、微波辅助水蒸馏提取法和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、黄芪多糖、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、马齿苋多糖、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%。Zdena Hromádková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60℃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4～12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40℃，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、槲寄生生物碱、骆驼蓬种子总生物碱、石杉碱、麻黄碱、博落回生物碱、黄檗生物碱、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160 W、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5l℃时，挥发油提取量达8.78 mL。袁谋村等[16]在提取橘皮精油时，比较了超声波提取法与直接浸泡、加热蒸馏、水蒸气蒸馏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，选择石油醚为提取溶剂，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]以石油醚为提取剂，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、酒石酸、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120～150W范围之内时，小麦麸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。逯家辉等[21]在研究八角茴香中莽草酸的超声波提取工艺时分别考察了不同超声波功率对莽草酸得率的影响，发现功率在300W以内时，随着超声功率的增加，莽草酸得率的增加趋势明显，但功率大于300W之后莽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莽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。赵鹂等[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—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芪多糖的技术，结果微波—超声波法得到的多糖含量为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—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—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，缩短提取时间，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]。廉宜君等研究了复合酶—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1.5%、55℃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60℃可得到最佳提取率。复合酶—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干燥姜粒的影响，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。

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