超声波在萃取技术中的应用

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分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较，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，并对该技术的发展方向进行了展望。

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20kHz~50MHz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串小爆炸不断地冲击物质颗粒表面，使物质颗粒表面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:①成穴作用增强了系统的极性，这些都会提高萃取效率，使之达到或超过索氏萃取的效率;②超声波萃取允许添加共萃取剂，以进一步增大液相的极性;③适合不耐热的目标成分的萃取;④操作时间比索氏萃取短。

超声波萃取优于SFE体现在:①仪器设备简单，萃取成本低得多;②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体现在:①在某些情况下，比微波辅助萃取速度快;②酸消解中，超声波萃取比常规微波辅助萃取安全;③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分离和提取。

2.1 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(0~4℃)和生理pH值(pH4~9)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Yoshio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，则酶活力随功率增大而增大，当声功率大于10W时，酶活力下降。

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%。

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倍。

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、1500kHz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。

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。

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4h的多糖提取率，明显高于80℃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(SSFE)辣椒中的辣椒素，取得了很好的效果。

杨海燕等用超声波萃取宽叶缬草天然香料，结果表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馏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毒质，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、提取率不高等缺点，而超声波提取可缩短提取时间，提高有效成分的提出率和药材的利用率，并且可以避免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，与传统的热碱沸腾提取法比较，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、乙醚、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
王振宇等分别探讨了超声波真空冻干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较。

超声波提取配合冻干干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，保留了芦荟凝胶中的大部分活性成分。

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间，提高黄连素的提取率，节约了药材。

最佳工艺是: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，比较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，其提取率达到0.248%，比回流法提高40%。

3.从槐米中提取芸香甙。

用超声法从槐米中提取芸香甙，与热碱提取—酸沉淀法相比，此法无需加热，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，紫薯中的花青素色素，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。

而金属的萃取处在液-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，可使镓的萃取速率提高15倍;用频率20kHz、声功率47W的超声波使镍的萃取速率加快了4~7倍;用酸性磷酸萃取剂分离钼和钨时，产生不易澄清的中间相，若用1MHz的石英压电晶体(声强0.2W/cm2)辐照15min并静置8min，则分相速度加快了4~5倍。

超声波在金属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，节约成本。

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馏法、有机溶剂浸提法、超临界CO2萃取法。

采用水蒸气蒸馏法操作时间长，提取率低；超临界CO2萃取法提取的精油无溶剂残留，但操作成本高，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较。

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肉桂油
除工艺流程以外，还包括精油吸收波长的确定、标准工作曲线的绘制、精油提取率的计算以及气相色谱—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结果表明，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
超声波的输出功率对提取率有较大影响，输出功率的增大，有利于液体中空穴的形成，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2。

图2超声密度对提取率的影响
Fig.2 Effect of ultrasound density on extraction yield of
Cinnamon oil
从图2可知，10 W/cm3之后，提取率降低，可能由于超声密度的增大，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。

图3料液比对提取率的影响
Fig.3 Effect of ratio of material to solvent on extraction yield of
Cinnamon oil
根据单因素实验的结果，以肉桂醛的含量为指标，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
Table 1 Results of the orthogonal experiment
从表1可看出，在3个因子中，以提取时间和超声密度对提取率的影响最大，具有显著性差异，各因子对提取率的影响依次为提取时间>超声密度>料液比。

确定最佳工艺条件为A3B3C3，即提取时间20 min，超声密度为12 W/cm3，料液
比1:40(g/mL)。

验证实验结果表明，在此最优萃取条件下萃取率为3.33%。

按照上述实验得出的操作条件，分别采用有机溶剂提取法和水蒸气蒸馏法进
行提取，并与超声波法进行比较，对比结果见表2.
表2三种提取工艺的比较
Table 2 Comparison of different extraction methods
从表2可知，超声波法大大缩短了提取时间，有机溶媒使用少，对环境和操
作人员都不会造成多大危害，提取率高，比水法回流和有机溶剂法回流分别高出38.77％和16.05％。

4小结
无论是对有机物还是无机物，超声波萃取技术已经显示出其优势，但都是在实验室的很小规模上，针对某些具体提取对象进行简单的工艺条件实验，离大规模工业化应用还有一定的距离，因此解决超声波萃取工程放大问题应是今后研究的方向之一。

总之，掌握超声波和作用对象之间的作用关系，就能让超声波在分离提取领域更好地发挥作用。