超声及微波辅助萃取

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3.1 超声辅助萃取
Ultrasound-Assisted Extraction UAE

(1)超声辅助萃取的基本原理


(2)超声提取的特点
(3)超声辅助分离工程的分类


(4)超声分离过程的设备及操作
(5)影响超声提取分离的因素
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超声辅助萃取的基本原理

1.1 原理
(1) 空化效应 超声提取最主要的机理是超声波产生的空化效应。超声 空化是指液体中的微小泡核在超声波的作用下被激活 , 表现 为泡核振荡、生长、收缩乃至崩毁等一系列动力学过程。泡 核在瞬间空化崩毁时可形成高达 5000K以上的局部热点 , 压 力可达数十乃至上百兆帕, 随着高压的释放, 将在液体中形 成强大的冲击波 ( 均相 ) 或高速射流 ( 非均相 ) 。在提取过 程中, 这种强大的冲击波能够有效地减少、消除溶剂与水相 之间的阻滞层, 从而加大传质效率。同时, 冲击波和高速射 流对动植物细胞组织产生一种强大的物理剪切力 , 使之变形、 破裂, 并释放出内含物, 这大大加速了提取过程。
v

m sin td t
可计算出简谐振动的最大速度
vmax

介质质点动能E=1/2mv2，换言之，水介质质点在超声波作用下，将把二千倍于重 力加速度的巨大加速度和每秒钟28000次获得最大速度l17mm／s的巨大速度和动 能作用于中药材有效成分质点上，使之获得巨大的速度和动能，迅速逸出药材 基体而游离于水中。
型号 有效容积(L) 超声功率(W) 最大功率(W) 可控温度 HF-100B 100 200-3000 4500 室温-55 HF-200B 200 300-3600 5300 室温-55 HF-500B 500 300-5400 6100 室温-55
搅拌速度(rpm)
材料 处理能力A (kg/hr) 能耗B (kwh/kg) 主体尺寸L×W×H (mm) 控制尺寸L×W×H (mm)
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超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

6、有机酸类成分 有机酸是一类含羧基的化合物(不包括氨基酸)，广泛分 布在中草药中，是很多中药的活性成分 。 Hui Li等用超声提取法提取新鲜杜仲叶中的绿原酸，发 现最佳条件为体积分数 7O ％ 的甲醇溶液，料液比 1:2O ，提 取时间30min，提取3次，用该条件提取新鲜的杜仲叶、新鲜 的杜仲皮、杜仲皮饮片和其它 4 种中药中的绿原酸，得率均 高于传统提取方法。

1.1 原理 (4)其他效应 另外 , 超声波的许多次级效应 , 如溶化、扩散、击碎、 化学效应、生物效应、凝聚效应等, 也能加速中草药有效成 分在溶剂中的扩散释放 , 促进中草药有效成分与溶剂混合 , 有利于提取。
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超声辅助萃取的种类
固-液萃取 液-液萃取 超声强化结晶 超声凝聚 超声强化过滤和脱水 声强强化吸附与解析
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超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

5、萜类和挥发油
萜类化合物是一类具有广泛生物活性的天然药物有效成分， 而植物中的挥发油大多富含萜和倍半萜类化合物。挥发油的 沸点较低，其传统提取工艺是水蒸气蒸馏法，但该法存在提 取温度高、提取时间长、易破坏有效成分的缺陷，导致提取 收率较低。 Athanasios C Kimbaris等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，比较 发现 3 种方法所得的挥发油的得率和性质不尽相同，但超声 提取法可减少对热敏性化合物的破坏，并且实验操作简单， 具有工业化生产的价值。
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影响超声辅助萃取的因素
1、超声参数的选择 超声波频率 超声波强度 超声时间 溶剂浸渍时间
超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用
1、多糖类成分

最近的研究表明，多糖具有抗肿瘤、抗病毒和降血糖等功 效。植物多糖通常采用热水回流或浸提方法提取，需要较长时 间和较多的能耗。Zdena Hromddkovd 等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 和提取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。
微波与超声辅助
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微波与超声辅助
超声波是指频率为2O千赫-5O兆赫的电磁波，它是一种机械波，需要能 量载体(介质)来进行传播。超声波在工业应用方面，可以进行清洗、干燥、 杀菌、雾化及无损检测等，是一种非常成熟且广泛应用的技术。 超声提取技术是近年来应用在中草药有效成分提取分离方面的一种最新 的较为成熟的手段。 研究表明，利用超声波产生的强烈振动、高加速度、 强烈空化效应、热效应、搅拌作用等，都可以加速药物有效成分进入溶剂， 从而提高提取效率，缩短提取时间，节约溶剂，并且免去了高温对提取成分 的破坏。 微波萃取技术是利用微波的热效应对样品及其有机溶剂进行加热，从 而将目标组分从样品基体中分离出来的一种新型高效分离技术。与传统萃取 技术相比，微波萃取技术具有许多独特的优点，被誉为“绿色萃取技术”， 并已成为实现中药现代化的主要关键技术之一。
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超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

3、皂苷类成分
皂苷是存在于植物中的一类结构较复杂的苷类化合物， 常用水加热提取或用有机溶剂浸渍提取，耗时长，提取效率 低。 Jianyong wu 等用超声提取技术提取人参皂苷，比常规 提取方法快 3 倍，提取效率高，更易于纯化，并且由于其提 取温度低，所得的人参皂苷的活性也较常规方法高。
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超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

2、黄酮类成分 黄酮类化合物具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功 效，广泛存在于天然产物中。黄酮类化合物的传统提取方法 主要有水煎煮法、浸渍法和碱提酸沉法，缺点是费时、费工， 且收率较低。 Mauricio A Rostagno 等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，且高于常规的提取方法。

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超声辅助萃取技术展望


1、超声提取过程基础理论的深化研究
目前 ， 虽然国内外工作者在这方面做了不少工作 ， 并提 出了一些超声提取的机理 ， 但是超声提取是多种效应共同作 用的结果 ， 再加上目标提取物和提取溶剂结构的影响，在提 取机理方面还有很多工作要做，以期建立完善的超声提取过 程的动力学模型，从而为超声提取过程的设计和优化提供理 论依据。
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超声辅助萃取的特点

4． 适应性广。超声提取中药材不受成分极性、分子量大小 的限制，适用于绝大多数种类中药材和各类成分的提取; 5．提取药液杂质少，有效成分易于分离、纯化; 6．提取工艺运行成本低，综合经济效益显著; 7．操作简单易行，设备维护、保养方便。
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超声辅助萃取的设备简介
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超声辅助萃取的设备简介
由于提取温度低，最大限度保持了物料中原有的 各种有效成份（特别是各种热敏性成份等），可达到 提高药效、减少用量的目的。同时，由于提取时间短 使提取产品中其它无用的杂组份含量减少,提高了提取 产品品质，而且为后续分离纯化过程奠定了良好基础， 可显著降低单一组份等其它高端产品的生产成本。 目标提取物提取得率高 由于采用超声破碎提取技术，使药材中的有效成 分得以充分释出，从而使目标提取物的提取率提高。 以从青蒿中提取青蒿素为例，可以提高25%以上。

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超声辅助萃取的特点

1．提取效率高。超声波独具的物理特性能促使植物细胞组 织破壁或变形，使中药有效成分提取更充分，提取率比传统 工艺显著提高达50-500％. 2．提取时间短。超声波强化中药提取通常在2O-4O分钟即可 获得最佳提取率，提取时间较传统方法大大缩短 2/3 以上， 药材原材料处理量大； 3 ．不需高温，能耗低。超声提取中药材的最佳温度在 4060℃，对遇热不稳定、易水解或氧化的药材中有效成分具有 保护作用，同时大大节约能耗.
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2、超声提取过程的强化研究 由于超声提取的机理尚未完全解释清楚，一些未知的 因素也会影响超声提取的效率，如采用复频共振方式，比 单一频率提取效率大大提高，此外，占空比对超声提取效 率及提取物的纯度也有一定的影响。为进一步提高提取效 率，也可考虑将超声提取技术与微波提取技术联用。
0-2000
不锈钢 16.0-40.0 0.12-0.20 960×650×1850 500×500×1350
0-2000
不锈钢 30.0-75.0 0.10-0.15 1060×750×2000 500×500×1350
0-2000
不锈钢 76.0-190.0 0.07-0.14 1260×960×2200 500×500×1450

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超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

7、蛋白质、酶类成分 传统的碱提法提取蛋白质和酶效率低、纯度低，而且耗 时，生产成本高；而酶法虽然可以提高提取效率，但是酶易 失活，价格昂贵，故生产过程难以控制，生产成本高。 Furuki Takao 等 人利用超声波对细胞壁的破碎能力提 取大肠杆菌中的苹果酸酶，发现对于 100 mL 的大肠杆菌样 品，超声处理20 min就可获得最高的提取效率，优于常规方 法。
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8、油脂类成分
目前，工业生产多采用浸渍法和冷榨法提取油脂，浸渍 法提取时间长，溶剂挥发损失较多，成本增加，且提取率低； 冷榨法产率低，精制工艺繁琐，油品色泽不理想。 J L Leque-Garcia等用超声辅助索氏提取向日葵、油菜 和大豆等种子中的油脂，可以大大减少索氏提取的时问，提 取相同数量的油脂，用超声辅助索氏提取，可以节约一半以 上的时间，并且提取的油脂的性质与常规方法相同。
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超声辅助萃取的基本原理


1.1 原理
(2)机械效应 将超声波技术应用于中药材有效成分的提取，是基于惠更斯波动理论和超 声波在液体连续介质中传播时特有的物理性质。惠更斯波动原理指出，波动(包 括起源于波源的振动)在连续介质中传播时，在其波阵面上将引起介质质点的运 动，波前在介质中达到的每一点都将引起相邻质点的震动和成为新的波源。简 而言之，波动使其传播路径上的每一个质点都将获得加速度和动能。采用超声 频率为f=28kHz时，经计算在水中超声波可使水的质点运动加速度达重力加速度 (g=9.8m／s2 )的二千倍以上。并由速度公式
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超声辅助萃取的设备简介
连续化管道式超声波提取成套设 备，是一套先进的机电一体化成套设 备，其主体是管道式超声波提取机， 配备药材输送、温度调控、料液调控、 药渣处理、药液处理、WIP在线清洗、 集中电气操作控制等辅助系统构成。 超声提取管段解决了超声波提取工业 化应用的技术难题，
管道式超声波提取成套设备
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m 117mm / s
超声辅助萃取的基本原理

1.1 原理


(3)热效应
超声波在传播过程中 , 其声能可以不断地被溶剂的质点 吸收, 溶剂将所吸收的能量全部或大部分转变热能 , 从而导 致溶剂本身和中草药组织的温度升高, 增大中草药有效成分 的溶解度, 加快有效成分的溶解速度。
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超声辅助萃取的基本原理
HF-100-500“隆达”循环超声提取 机
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超声辅助萃取的设备简介
效率高 采用机械搅拌和超声循环强化提取,提取时间短（常规方法的几十分 之一） , 工作效率高。以从青蒿（黄花蒿）提取青蒿素（一种特效的疟疾 治疗药物和抗肿瘤药物等）为例，常用的提取方法提取时间在 24小时至48 小时，而在相同的条件下，采用循环超声提取机提取时间仅为 0.5 小时。 50升装臵的物料处理能力相当于2.4立方（2400升）常规提取罐。 提取能耗低 小功率超声波即可破碎提取大量物料，一般均在室温下提取，无须 大功率搅拌和耗费大量加热能源。单位物料处理量能耗较常规提取方法降 低50%以上。

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超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

4、生物碱类成分

生物碱是一类来源于植物的碱性含氮有机化合物，它 通常是具有复杂结构的杂环化合物，是中草药中重要的有 效成分之一。常规的提取方法时间长，效率低。 Yuegang Zuo 等 提取药物配方中的烟碱，发现用超声 提取法提取不到 20min 就可获得常规冷浸法 24h的提取效率， 并且溶剂用量只有常规方法的1／6。