[科普中國]-超聲波萃取

超聲波萃取簡介

超聲波萃取利用超聲波輻射壓強產(chǎn)生的強烈空化應(yīng)效應(yīng)、機械振動、擾動效應(yīng)、高的加速度、乳化、擴散、擊碎和攪拌作用等多級效應(yīng)，增大物質(zhì)分子運動頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而加速目標(biāo)成分進入溶劑，促進提取的進行。

超聲波萃取原理超聲波是一種彈性機械振動波，與電磁波本質(zhì)上不同。因為電磁波在真空中傳播，而超聲波必須在介質(zhì)中傳播，穿過介質(zhì)時，形成膨脹和壓縮的全過程。

在液體中，膨脹過程形成負(fù)壓。如果超聲波能量足夠強，膨脹過程會在液體中生成氣泡或?qū)⒁后w撕裂成很小的空穴。這些空穴瞬間閉合，閉合時產(chǎn)生高達3000MPa 的瞬間壓力，稱為空化作用，整個過程在400μs 內(nèi)完成。

空化作用細(xì)化物質(zhì)以及制造乳液，加速目標(biāo)成分進入溶劑，提高提取率。除空化作用外，超聲波的許多次級效應(yīng)也都利于目標(biāo)成分的轉(zhuǎn)移和提取。

成穴現(xiàn)象的重要意義在于氣泡破裂時發(fā)生的反應(yīng)。一些點位，氣泡不再吸收超聲波能量，而產(chǎn)生內(nèi)爆。氣泡或空穴里的氣體和蒸汽快速絕熱壓縮，產(chǎn)生極高的溫度和壓力 。

氣泡體積相對液體總體積來說極微，因此產(chǎn)生的熱量瞬間散失，對環(huán)境條件不會產(chǎn)生明顯影響，空穴泡破裂后的冷卻速度估計約為1010℃/s 。

超聲空穴提供能量和物質(zhì)間獨特的相互作用，產(chǎn)生的高溫高壓能導(dǎo)致游離基和其它組份的形成 。

純液體中，空穴破裂時，由于周圍條件相同，因此總保持球形；然而緊靠固體邊界處，空穴的破裂是非均勻的，產(chǎn)生高速液體噴流，使膨脹氣泡的勢能轉(zhuǎn)化成液體噴流的動能，在氣泡中運動并穿透氣泡壁 。

噴射流在固體表面的沖擊力非常強，能對沖擊區(qū)造成極大的破壞，從而產(chǎn)生高活性的新鮮表面 。破裂氣泡形變在表面上產(chǎn)生的沖擊力比氣泡諧振產(chǎn)生的沖擊力要大數(shù)倍 。

超聲波的上述效應(yīng)，從不同類型的樣品中提取各種目標(biāo)成份是非常有效的。

施加超聲波，在有機溶劑和固體基質(zhì)接觸面上產(chǎn)生的高溫、高壓，加之超聲波分解產(chǎn)生的游離基的氧化能等，從而提供了高的萃取能。

超聲波萃取的特點（1） 同常規(guī)萃取方法相比，超聲波萃取技術(shù)萃取效率高、萃取時間短;

（2）超聲波萃取不容易受使用溶劑的限制，允許添加共萃取劑，以進一步增大液相的極性，提高萃取效率;

（3）與超臨界CO2萃取和超高壓萃取相比，超聲波萃取設(shè)備簡單，萃取成本低;

（4）大多數(shù)情況下超聲波萃取操作步驟少，萃取過程簡單，不易對萃取物造成污染，萃取溫度較低，適合熱敏目標(biāo)成分的萃取1。

超聲波萃取的優(yōu)點超聲波萃取和常規(guī)萃取技術(shù)相比，超聲波輔助萃取快速、價廉、高效。

超聲波萃取與水煮、醇沉工藝相比，超聲波萃取具有如下突出特點：

（1）無需高溫

（2）常壓萃取，安全性好，操作簡單易行，維護保養(yǎng)方便

（3）萃取效率高

（4）具有廣譜性。適用性廣，絕大多數(shù)的中藥材各類成份均可超聲萃取

（5）超聲波萃取對溶劑和目標(biāo)萃取物的性質(zhì)關(guān)系小

（6）減少能耗

（7）藥材原料處理量大，成倍或數(shù)倍提高，且雜質(zhì)少，有效成分易于分離、凈化

（8）萃取工藝成本低，綜合經(jīng)濟效益顯著

超聲波萃取的應(yīng)用在煙堿提取中的應(yīng)用煙草中的煙堿成分在農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥上均具有很高的使用價值，利用超聲波萃取技術(shù)可以有效地提取煙草中的煙堿成分． 在這方面的應(yīng)用研究中，研究者主要考察了提取劑濃度、固液比、提取時間、超聲溫度等因素對煙堿成分提取效率的影響． 叢秀芝用40%的甲醇作提取劑，固液比為1∶ 20，提取時間為30 min，超聲溫度為150 ℃，煙堿的提取率能達到7%左右． 儲志兵等采用0.4%的NaOH 作提取劑，固液比為1∶ 40，常溫超聲提取時間4 h，其煙堿提取率為2.12%． 梁柏林等采用78%的乙醇作提取劑，固液比為1∶ 5，提取時間30 min，超聲溫度52 ℃，煙堿提取量為23.1 mg /mL． 艾心靈等采用pH = 4 的95% 乙醇作溶劑，固液比1∶ 15，超聲溫度80 ℃ 提取2 次，每次45 min，煙堿提取率可達到95.42%，對比分析顯示，其提取效果明顯優(yōu)于加熱回流提取( 后者僅為84.79%) 1。

在枸杞多糖提取中的應(yīng)用利用超聲波萃取枸杞多糖的提取工藝,采用分光光度比色法測枸杞多糖含量,通過止交實驗對超聲波輔助水浸提枸杞多糖的提取工藝進行了系統(tǒng)研究,確定了最佳工藝,即:在50℃,1:60的料水比,浸泡2.5h,超聲波提取5min,得多糖最高提取率為50.36%2。

在番茄紅素提取中的應(yīng)用研究者利用超聲波提取番茄紅素的工藝條件。確定了最佳工藝條件為:超聲波輸出功率為320W,提取溶劑為一種香料酯類,提取時間為6min,每次輻射時間為3s,固液比為1:2,提取級數(shù)為二級,總色素提取率為96.83%3。

在蓮子心總黃酮提取中的應(yīng)用以蓮子心為試材,乙醇溶液為提取劑,采用超聲波萃取法,進行單因素試驗和L9(34)正交實驗,研究乙醇濃度、提取時間、料液比和提取溫度對總黃酮提取率的影響。結(jié)果表明:影響蓮子心中總黃酮提取率的主要因素是乙醇濃度,其次依次為提取溫度、料液比、超聲波萃取時間;提取的最佳條件為:乙醇濃度60%,提取溫度70℃,料液比1∶24g/mL,超聲波萃取時間30min,該條件下得到的總黃酮的提取率為10.86mg/g4。

在油脂浸取中的應(yīng)用超聲場強化提取油脂可使浸取效率顯著提高,還可以改善油脂品質(zhì), 節(jié)約原料,增加油的提取量。畢紅衛(wèi)對比了勻漿法和超聲波萃取γ2 亞麻酸, 結(jié)果表明,超聲波法得到的油量多, 比勻漿法增加12 .8 %, 并節(jié)省人力。從花生中提取花生油,可使花生油的產(chǎn)量增加2 .76 倍。Gorodenrd 等用超聲波萃取技術(shù)提取葵花籽中油脂, 使產(chǎn)量提高27 %～ 28 %。在棉籽量相同時, 用乙醇提取棉籽油,若使用強度為1 .39W/cm2 超聲波處理,1 h 內(nèi)提取的油量,比不用超聲波時提高了8 .3 倍。目前魚肝油的提取, 主要采用溶出法, 出油率低, 且高溫使維生素遭到破壞。超聲波也可用于動物油的加工提取,如鱈魚肝油的提取等。蘇聯(lián)學(xué)者分別用300 、600 、800 、1 500 kHz 的超聲波提取鱈魚肝油, 在2 ～ 5min 內(nèi)能使組織內(nèi)油脂幾乎全部提取出來, 所含維生素未遭破壞,且油脂品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

超聲場不僅可以強化常規(guī)流體對物質(zhì)的浸取過程, 而且還可以強化超臨界狀態(tài)下物質(zhì)的萃取過程。陳鈞等對超聲波強化超臨界CO2 流體萃取過程進行了試驗研究, 從麥芽胚中提取麥胚油, 超臨界流體萃取附加超聲場后, 麥胚油的提取率提高10 %左右,且未引起麥胚油的降解。超聲波萃取在提取油脂方面的研究與應(yīng)用十分活躍, 已開展的試驗和應(yīng)用涉及到八角油、扁桃油、丁香油、紫蘇油、月見草油等的提取。

在蛋白質(zhì)提取中的應(yīng)用超聲波提取蛋白質(zhì)方面也有顯著效果,如用常規(guī)攪拌法從處理過的脫脂大豆料胚中提取大豆蛋白質(zhì),很少能達到蛋白質(zhì)總含量的30 %, 又很難提取出熱不穩(wěn)定的7S 蛋白成分, 但用超聲波既能將上述料胚在水中將其蛋白質(zhì)粉碎,也可將80 %的蛋白質(zhì)液化, 還可提取熱不穩(wěn)定的7S 蛋白成分。梁漢華等通過對不同濃度大豆?jié){體、磨前經(jīng)熱處理大豆?jié){體及其分離出的豆渣進行超聲波處理等一系列試驗。結(jié)果表明, 經(jīng)超聲波處理過的大豆?jié){體, 與不經(jīng)處理的比較, 其豆奶中蛋白質(zhì)含量均有顯著的提高, 提高的幅度在12 %～ 20 %,這說明超聲波處理確實有提高蛋白質(zhì)萃取率的作用。超聲波處理還可提高漿體的分離溫度, 降低漿體粘度, 可用于直接生產(chǎn)高濃度(高蛋白)的豆奶產(chǎn)品。

在多糖提取中的應(yīng)用黃海云等以白芨塊莖為原料提取白芨粗多糖, 比較多種提取方法表明,室溫下超聲波處理是最理想的提取方法。對金針菇子實體多糖的提取, 用超聲波強化,可使多糖提取率提高76 .22 %。靳勝英等利用超聲波熱水浸提銀耳多糖, 提取率比酶法高出5 %, 且浸提時間大大縮短。于淑娟等對超聲波催化酶法提取靈芝多糖的機理、優(yōu)化方案及降解產(chǎn)品的組分和結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究, 同時也對蟲草多糖、香菇多糖、猴頭多糖的提取進行了研究, 與傳統(tǒng)工藝相比, 超聲波強化提取操作簡單, 提取率高,反應(yīng)過程無物料損失和無副反應(yīng)發(fā)生。

趙兵等對循環(huán)氣升式超聲破碎鼠尾藻提取海藻多糖研究發(fā)現(xiàn),超聲波在室溫下作用20min , 即可達到100 ℃攪拌4 h的多糖提取率, 明顯高于80 ℃攪拌4 h 的多糖提取率。通過比較用超聲波和不用超聲波提取Salviaofficinalis L .中的多糖研究也證實了超聲波提取是一種有效的強化提取方法。

在食品分析中的應(yīng)用超聲波萃取也用于食品樣品的預(yù)處理。測定午餐肉脂肪含量的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB5009 .696)酸水解法,操作費時繁瑣,人為因素影響較大, 不易掌握。彭愛紅利用超聲波對酸水解測定午餐肉中脂肪含量的方法進行了改進, 超聲波提取樣品不需加熱, 縮短了樣品消化時間,可對大批量樣品的脂肪含量同時測定。白艷玲等利用超聲波提取食品中的甜蜜素,一次可以處理幾十份樣品,操作簡便, 精密度及準(zhǔn)確度符合要求。郝征紅等結(jié)合大豆異黃酮的超聲波提取試驗條件,采用HPLC 法對樣品進行測定,縮短了HPLC 法測定大豆異黃酮的前處理時間,提高了大豆異黃酮的提取率, 建立了較完善的HPLC 法測定大豆異黃酮的前處理與色譜分析條件5。