[科普中国]-超声波萃取

超声波萃取简介

超声波萃取利用超声波辐射压强产生的强烈空化应效应、机械振动、扰动效应、高的加速度、乳化、扩散、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入溶剂，促进提取的进行。

超声波萃取原理超声波是一种弹性机械振动波，与电磁波本质上不同。因为电磁波在真空中传播，而超声波必须在介质中传播，穿过介质时，形成膨胀和压缩的全过程。

在液体中，膨胀过程形成负压。如果超声波能量足够强，膨胀过程会在液体中生成气泡或将液体撕裂成很小的空穴。这些空穴瞬间闭合，闭合时产生高达3000MPa 的瞬间压力，称为空化作用，整个过程在400μs 内完成。

空化作用细化物质以及制造乳液，加速目标成分进入溶剂，提高提取率。除空化作用外，超声波的许多次级效应也都利于目标成分的转移和提取。

成穴现象的重要意义在于气泡破裂时发生的反应。一些点位，气泡不再吸收超声波能量，而产生内爆。气泡或空穴里的气体和蒸汽快速绝热压缩，产生极高的温度和压力 。

气泡体积相对液体总体积来说极微，因此产生的热量瞬间散失，对环境条件不会产生明显影响，空穴泡破裂后的冷却速度估计约为1010℃/s 。

超声空穴提供能量和物质间独特的相互作用，产生的高温高压能导致游离基和其它组份的形成 。

纯液体中，空穴破裂时，由于周围条件相同，因此总保持球形；然而紧靠固体边界处，空穴的破裂是非均匀的，产生高速液体喷流，使膨胀气泡的势能转化成液体喷流的动能，在气泡中运动并穿透气泡壁 。

喷射流在固体表面的冲击力非常强，能对冲击区造成极大的破坏，从而产生高活性的新鲜表面 。破裂气泡形变在表面上产生的冲击力比气泡谐振产生的冲击力要大数倍 。

超声波的上述效应，从不同类型的样品中提取各种目标成份是非常有效的。

施加超声波，在有机溶剂和固体基质接触面上产生的高温、高压，加之超声波分解产生的游离基的氧化能等，从而提供了高的萃取能。

超声波萃取的特点（1） 同常规萃取方法相比，超声波萃取技术萃取效率高、萃取时间短;

（2）超声波萃取不容易受使用溶剂的限制，允许添加共萃取剂，以进一步增大液相的极性，提高萃取效率;

（3）与超临界CO2萃取和超高压萃取相比，超声波萃取设备简单，萃取成本低;

（4）大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，萃取温度较低，适合热敏目标成分的萃取1。

超声波萃取的优点超声波萃取和常规萃取技术相比，超声波辅助萃取快速、价廉、高效。

超声波萃取与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点：

（1）无需高温

（2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便

（3）萃取效率高

（4）具有广谱性。适用性广，绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取

（5）超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质关系小

（6）减少能耗

（7）药材原料处理量大，成倍或数倍提高，且杂质少，有效成分易于分离、净化

（8）萃取工艺成本低，综合经济效益显著

超声波萃取的应用在烟碱提取中的应用烟草中的烟碱成分在农业和医药上均具有很高的使用价值，利用超声波萃取技术可以有效地提取烟草中的烟碱成分． 在这方面的应用研究中，研究者主要考察了提取剂浓度、固液比、提取时间、超声温度等因素对烟碱成分提取效率的影响． 丛秀芝用40%的甲醇作提取剂，固液比为1∶ 20，提取时间为30 min，超声温度为150 ℃，烟碱的提取率能达到7%左右． 储志兵等采用0.4%的NaOH 作提取剂，固液比为1∶ 40，常温超声提取时间4 h，其烟碱提取率为2.12%． 梁柏林等采用78%的乙醇作提取剂，固液比为1∶ 5，提取时间30 min，超声温度52 ℃，烟碱提取量为23.1 mg /mL． 艾心灵等采用pH = 4 的95% 乙醇作溶剂，固液比1∶ 15，超声温度80 ℃ 提取2 次，每次45 min，烟碱提取率可达到95.42%，对比分析显示，其提取效果明显优于加热回流提取( 后者仅为84.79%) 1。

在枸杞多糖提取中的应用利用超声波萃取枸杞多糖的提取工艺,采用分光光度比色法测枸杞多糖含量,通过止交实验对超声波辅助水浸提枸杞多糖的提取工艺进行了系统研究,确定了最佳工艺,即:在50℃,1:60的料水比,浸泡2.5h,超声波提取5min,得多糖最高提取率为50.36%2。

在番茄红素提取中的应用研究者利用超声波提取番茄红素的工艺条件。确定了最佳工艺条件为:超声波输出功率为320W,提取溶剂为一种香料酯类,提取时间为6min,每次辐射时间为3s,固液比为1:2,提取级数为二级,总色素提取率为96.83%3。

在莲子心总黄酮提取中的应用以莲子心为试材,乙醇溶液为提取剂,采用超声波萃取法,进行单因素试验和L9(34)正交实验,研究乙醇浓度、提取时间、料液比和提取温度对总黄酮提取率的影响。结果表明:影响莲子心中总黄酮提取率的主要因素是乙醇浓度,其次依次为提取温度、料液比、超声波萃取时间;提取的最佳条件为:乙醇浓度60%,提取温度70℃,料液比1∶24g/mL,超声波萃取时间30min,该条件下得到的总黄酮的提取率为10.86mg/g4。

在油脂浸取中的应用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。毕红卫对比了匀浆法和超声波萃取γ2 亚麻酸, 结果表明,超声波法得到的油量多, 比匀浆法增加12 .8 %, 并节省人力。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, 用乙醇提取棉籽油,若使用强度为1 .39W/cm2 超声波处理,1 h 内提取的油量,比不用超声波时提高了8 .3 倍。目前鱼肝油的提取, 主要采用溶出法, 出油率低, 且高温使维生素遭到破坏。超声波也可用于动物油的加工提取,如鳕鱼肝油的提取等。苏联学者分别用300 、600 、800 、1 500 kHz 的超声波提取鳕鱼肝油, 在2 ～ 5min 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跃, 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。

在蛋白质提取中的应用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,很少能达到蛋白质总含量的30 %, 又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分离出的豆渣进行超声波处理等一系列试验。结果表明, 经超声波处理过的大豆浆体, 与不经处理的比较, 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分离温度, 降低浆体粘度, 可用于直接生产高浓度(高蛋白)的豆奶产品。

在多糖提取中的应用黄海云等以白芨块茎为原料提取白芨粗多糖, 比较多种提取方法表明,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, 提取率高,反应过程无物料损失和无副反应发生。

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,超声波在室温下作用20min , 即可达到100 ℃搅拌4 h的多糖提取率, 明显高于80 ℃搅拌4 h 的多糖提取率。通过比较用超声波和不用超声波提取Salviaofficinalis L .中的多糖研究也证实了超声波提取是一种有效的强化提取方法。

在食品分析中的应用超声波萃取也用于食品样品的预处理。测定午餐肉脂肪含量的国家标准(GB5009 .696)酸水解法,操作费时繁琐,人为因素影响较大, 不易掌握。彭爱红利用超声波对酸水解测定午餐肉中脂肪含量的方法进行了改进, 超声波提取样品不需加热, 缩短了样品消化时间,可对大批量样品的脂肪含量同时测定。白艳玲等利用超声波提取食品中的甜蜜素,一次可以处理几十份样品,操作简便, 精密度及准确度符合要求。郝征红等结合大豆异黄酮的超声波提取试验条件,采用HPLC 法对样品进行测定,缩短了HPLC 法测定大豆异黄酮的前处理时间,提高了大豆异黄酮的提取率, 建立了较完善的HPLC 法测定大豆异黄酮的前处理与色谱分析条件5。