_超聲波在萃取技術(shù)中的應(yīng)用摘要：超聲波萃取技術(shù)是近年來(lái)在分離提取中受到廣泛關(guān)注的新技術(shù)，與其他萃取方法如索氏萃取、微波輔助萃取和超臨界流體萃取比較，它在很多方面都顯示出極大的優(yōu)越性。介紹了超聲波萃取技術(shù)的原理、特點(diǎn)，應(yīng)用研究現(xiàn)狀，結(jié)合具體實(shí)例對(duì)超聲波萃取的優(yōu)越性進(jìn)行了直觀的闡釋?zhuān)?duì)該技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：超聲波；萃取技術(shù)1 概述超聲波萃取(Ultrasound extraction， UE)，亦稱(chēng)為超聲波輔助萃取、超聲波提取，是利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化效應(yīng)、擾動(dòng)效應(yīng)、高加速度、擊碎和攪拌作用等多級(jí)效應(yīng)，增大物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而加速目標(biāo)成分進(jìn)入溶劑，促進(jìn)提取的進(jìn)行。1.1超聲波萃取的原理超聲波是指頻率為20kHz50MHz的電磁波，它是一種機(jī)械波，需要能量載體介質(zhì)來(lái)進(jìn)行傳播。其穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膨脹和壓縮2個(gè)過(guò)程。超聲波能產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量，給予介質(zhì)極大的加速度。這種能量作用于液體時(shí)，膨脹過(guò)程會(huì)形成負(fù)壓。如果超聲波能量足夠強(qiáng)，膨脹過(guò)程就會(huì)在液體中生成氣泡或?qū)⒁后w撕裂成很小的空穴。這些空穴瞬間即閉合，閉合時(shí)產(chǎn)生高達(dá)3000MPa的瞬間壓力，稱(chēng)為空化作用。這樣連續(xù)不斷產(chǎn)生的高壓就像一連串小爆炸不斷地沖擊物質(zhì)顆粒表面，使物質(zhì)顆粒表面及縫隙中的可溶性活性成分迅速溶出。同時(shí)在提取液中還可通過(guò)強(qiáng)烈空化，使細(xì)胞壁破裂而將細(xì)胞內(nèi)溶物釋放到周?chē)奶崛∫后w中。利用超聲波的上述效應(yīng)，從不同類(lèi)型的樣品中提取各種目標(biāo)成分是非常有效的。1.2技術(shù)特點(diǎn)與常規(guī)的萃取技術(shù)相比，超聲波萃取技術(shù)快速、價(jià)廉、高效。在某些情況下，甚至比超臨界流體萃取(SFE)和微波輔助萃取還好。與索氏萃取相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有:成穴作用增強(qiáng)了系統(tǒng)的極性，這些都會(huì)提高萃取效率，使之達(dá)到或超過(guò)索氏萃取的效率;超聲波萃取允許添加共萃取劑，以進(jìn)一步增大液相的極性;適合不耐熱的目標(biāo)成分的萃取;操作時(shí)間比索氏萃取短。超聲波萃取優(yōu)于SFE體現(xiàn)在:儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，萃取成本低得多;可提取很多化合物，無(wú)論其極性如何，因?yàn)槌暡ㄝ腿】捎萌魏我环N溶劑。SFE事實(shí)上只能用CO2作萃取劑，因此僅適合非極性物質(zhì)的萃取。超聲波萃取優(yōu)于微波輔助萃取體現(xiàn)在:在某些情況下，比微波輔助萃取速度快;酸消解中，超聲波萃取比常規(guī)微波輔助萃取安全;多數(shù)情況下，超聲波萃取操作步驟少，萃取過(guò)程簡(jiǎn)單，不易對(duì)萃取物造成污染。對(duì)于超聲波萃取來(lái)說(shuō)，提取前樣品的浸泡時(shí)間、超聲波強(qiáng)度、超聲波頻率及提取時(shí)間等也是影響目標(biāo)成分提取率的重要因素。2 超聲波萃取技術(shù)的應(yīng)用目前，超聲波萃取技術(shù)已廣泛用于食品、藥物、工業(yè)原材料、農(nóng)業(yè)環(huán)境等樣品中有機(jī)組分或無(wú)機(jī)組分的分離和提取。2.1 超聲強(qiáng)化酶的萃取酶是動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)的一種活性蛋白，在體外極易失活，因此酶液的提取必須在較溫和的條件下進(jìn)行。一般說(shuō)來(lái)，低溫(04)和生理pH值(pH49)是兩個(gè)必備的條件，相對(duì)其他物質(zhì)的萃取條件，這是不利的，酶的產(chǎn)量也不會(huì)很高。運(yùn)用超聲波來(lái)強(qiáng)化酶的萃取的研究由來(lái)已久，并取得了一些積極的成果。值得注意的是，使用的超聲功率不同，會(huì)帶來(lái)完全相反的結(jié)果。Zetelaki.k用100W的超聲波破碎機(jī)提取細(xì)胞內(nèi)葡萄糖氧化酶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酶全部失活。而Yoshio等用頻率20kHz、聲功率15W的超聲波處理，葡萄糖氧化酶并未失活，并且酶產(chǎn)率得到了提高。林影等人的研究也得到了相似的結(jié)果，他們用20kHz的超聲波作用于脆壁克魯弗氏酵母生產(chǎn)菊糖酶時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果聲功率小于10W，則酶活力隨功率增大而增大，當(dāng)聲功率大于10W時(shí)，酶活力下降。由此可見(jiàn)，超聲萃取酶的主要機(jī)理是機(jī)械作用和穩(wěn)態(tài)空化作用加強(qiáng)了傳質(zhì)過(guò)程。而較大功率下產(chǎn)生的瞬態(tài)空化及瞬時(shí)熱效應(yīng)能破壞細(xì)胞，使蛋白質(zhì)變性，在酶液的萃取中這是不適宜的。2.2 在食品工業(yè)的應(yīng)用2.2.1 油脂浸取超聲場(chǎng)強(qiáng)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(duì)比了勻漿法和超聲波萃取2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%。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(shí)，超聲波處理1h提取的油量比不用超聲波時(shí)提高了8.3倍。超聲波也可用于動(dòng)物油的加工提取，如鱈魚(yú)肝油的提取等。蘇聯(lián)學(xué)者分別用300、600、800、1500kHz的超聲波提取鱈魚(yú)肝油，在25min內(nèi)能使組織內(nèi)油脂幾乎全部提取出來(lái)，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(chǎng)不僅可以強(qiáng)化常規(guī)流體對(duì)物質(zhì)的浸取過(guò)程，而且還可以強(qiáng)化超臨界狀態(tài)下物質(zhì)的萃取過(guò)程。陳鈞等對(duì)超聲波強(qiáng)化超臨界CO2流體萃取過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，從麥芽胚中提取麥胚油，超臨界流體萃取附加超聲場(chǎng)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(kāi)展的試驗(yàn)和應(yīng)用涉及到八角油、扁桃油、丁香油、紫蘇油、月見(jiàn)草油等的提取。2.2.2蛋白質(zhì)提取超聲波提取蛋白質(zhì)方面也有顯著效果，如用常規(guī)攪拌法從處理過(guò)的脫脂大豆料胚中提取大豆蛋白質(zhì)，很少能達(dá)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(guò)對(duì)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(jìn)行超聲波處理等一系列試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)超聲波處理過(guò)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(shuō)明超聲波處理確實(shí)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。2.2.3多糖提取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(duì)金針菇子實(shí)體多糖的提取，用超聲波強(qiáng)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(shí)間大大縮短。于淑娟等對(duì)超聲波催化酶法提取靈芝多糖的機(jī)理、優(yōu)化方案及降解產(chǎn)品的組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時(shí)也對(duì)蟲(chóng)草多糖、香菇多糖、猴頭多糖的提取進(jìn)行了研究，與傳統(tǒng)工藝相比，超聲波強(qiáng)化提取操作簡(jiǎn)單，提取率高，反應(yīng)過(guò)程無(wú)物料損失和無(wú)副反應(yīng)發(fā)生。趙兵等對(duì)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(dá)到100攪拌4h的多糖提取率，明顯高于80攪拌4h的多糖提取率。2.2.4天然香料提取Sethuraman等用超聲波強(qiáng)化超臨界流體萃取(SSFE)辣椒中的辣椒素，取得了很好的效果。楊海燕等用超聲波萃取寬葉纈草天然香料，結(jié)果表明采用超聲波的濾液吸光度比不用超聲波的濾液吸光度高12%40%，說(shuō)明超聲波對(duì)萃取率有明顯的影響。有文獻(xiàn)報(bào)道，從桔皮中萃取桔皮精油，用20kHz超聲波萃取10min的精油提出率比水蒸汽蒸餾2h，索氏提取2h的提出率高2倍以上。2.3 在天然植物和藥物活性成分提取中的應(yīng)用超聲波萃取技術(shù)的萃取速度和萃取產(chǎn)物的質(zhì)量使得該技術(shù)成為天然產(chǎn)物和生物活性成分提取的有力工具。特別是生物活性成分的提取，例如動(dòng)物組織漿液的毒質(zhì)，飼料中的維生素A、維生素D和維生素E等的提取。由于天然產(chǎn)物和活性成分常用的提取方法存在有效成分損失大、周期長(zhǎng)、提取率不高等缺點(diǎn)，而超聲波提取可縮短提取時(shí)間，提高有效成分的提出率和藥材的利用率，并且可以避免高溫對(duì)提取成分的影響。印度、美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)已對(duì)植物胡椒葉、金雞納等藥用植物進(jìn)行了超聲波提取的研究，并取得了良好效果。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在這方面的工作取得了顯著的進(jìn)展。郭孝武和王昌利等分別概述了超聲波萃取技術(shù)在中草藥有效成分提取、工藝選定、含量控制方面的應(yīng)用。超聲波提取槐米中的蘆丁及黃連中的黃連素，與傳統(tǒng)的熱堿沸騰提取法比較，提取率由12%14%增至16%22%，且成分穩(wěn)定，不被破壞。李穎等利用超聲波技術(shù)用甲醇、乙醚、已烷混合溶劑冰浴提取銀州柴胡全草、根、莖及葉中揮發(fā)性活性成分，并進(jìn)行高分辨GC-MS分析，鑒定出116種成分王振宇等分別探討了超聲波真空凍干提取工藝和常規(guī)提取工藝，并對(duì)2種工藝提取的美國(guó)庫(kù)拉索蘆薈(Aloe veral)中所含的活性物質(zhì)進(jìn)行了分析比較。超聲波提取配合凍干干燥工藝制得的蘆薈凝膠制劑純度高、活性強(qiáng)，經(jīng)測(cè)定，其過(guò)氧化物酶、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸高于常規(guī)工藝，保留了蘆薈凝膠中的大部分活性成分。郭孝武等人研究了超聲對(duì)中草藥成分萃取的應(yīng)用。1.黃連根莖中萃取黃連素。一般用浸泡滲漉法，但速度慢，時(shí)間長(zhǎng)，提取率低。超聲處理可大大縮短提取時(shí)間，提高黃連素的提取率，節(jié)約了藥材。最佳工藝是:黃連粗粉(50目)加0.5%的硫酸水浸泡24h，用頻率為20kHz的超聲處理30min，過(guò)濾藥渣。再重復(fù)一次，合并濾液，濃縮。2.益母草總堿的提取。用超聲和常規(guī)回流兩種方法，從益母草中提取益母草總生物堿，通過(guò)比色法測(cè)定，比較兩法所提取的生物堿產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)證明，超聲法大大縮短了提取時(shí)間，由回流法的2h減少到超聲法的40min;同時(shí)，其提取率達(dá)到0.248%，比回流法提高40%。3.從槐米中提取蕓香甙。用超聲法從槐米中提取蕓香甙，與熱堿提取酸沉淀法相比，此法無(wú)需加熱，用頻率為20kHz的超聲波處理30min，其提取率可提高47.5%，且工藝簡(jiǎn)單，速度快。此外，應(yīng)用超聲提取的活性物質(zhì)還包括:千金子脂肪油，元寶楓葉總黃酮，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，杜仲葉中的有效成分，密蒙花黃色素，苦杏仁油，豚草莖中的綠原酸等。這些進(jìn)一步證明了超聲提取技術(shù)的先進(jìn)性、科學(xué)性，可用于多種有效物質(zhì)的提取，為食品工業(yè)應(yīng)用超聲波萃取技術(shù)提供了有益的借鑒。2.4超聲強(qiáng)化金屬溶劑萃取 人們進(jìn)行超聲溶劑萃取時(shí)，多數(shù)是在液-固的體系中。而金屬的萃取處在液-液的體系中，液-液萃取涉及到兩個(gè)互不相溶的有機(jī)相和水相之間的質(zhì)量傳遞過(guò)程。由于超聲空化增加了兩相的接觸面積，而空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的沖擊波消除了兩相交接口的阻滯層，這大大增加了傳質(zhì)速率，提高了萃取速度。用頻率為20kHz、聲強(qiáng)為19W/cm2的超聲輻照萃取液，可使鎵的萃取速率提高15倍;用頻率20kHz、聲功率47W的超聲波使鎳的萃取速率加快了47倍;用酸性磷酸萃取劑分離鉬和鎢時(shí)，產(chǎn)生不易澄清的中間相，若用1MHz的石英壓電晶體(聲強(qiáng)0.2W/cm2)輻照15min并靜置8min，則分相速度加快了45倍。超聲波在金屬溶劑萃取中的強(qiáng)化對(duì)冶金工業(yè)有極大的作用，它能大幅度地提高產(chǎn)能，節(jié)約成本。3 實(shí)例分析：超聲波輔助萃取肉桂精油3.1簡(jiǎn)單介紹目前國(guó)內(nèi)外常用的肉桂精油的提取方法主要為水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑浸提法、超臨界CO2萃取法。采用水蒸氣蒸餾法操作時(shí)間長(zhǎng)，提取率低；超臨界CO2萃取法提取的精油無(wú)溶劑殘留，但操作成本高，對(duì)極性物質(zhì)的萃取效果不好；有機(jī)溶劑浸提法需要大量的有機(jī)溶媒；超聲波輔助萃取精油技術(shù)快速、低廉、高效，所用溶劑少，且比超臨界CO2萃取提取產(chǎn)物種類(lèi)多，因此，廣泛應(yīng)用于食品加工、化學(xué)化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域。本文研究了超聲波輔助萃取肉桂精油的工藝條件，并與常規(guī)萃取技術(shù)進(jìn)行了比較。3.2 實(shí)驗(yàn)方法桂皮粉碎 過(guò)篩（60目） 加丙酮 超聲波提取 冷卻靜置 漏斗過(guò)濾 肉桂油初提液 低溫蒸除丙酮 肉桂油除工藝流程以外，還包括精油吸收波長(zhǎng)的確定、標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)的繪制、精油提取率的計(jì)算以及氣相色譜質(zhì)譜分析等操作步驟，在此就不一一陳述。3.3結(jié)果與分析3.3.1超聲處理時(shí)間對(duì)肉桂精油提取率的影響在超聲密度為6 W/cm3和料液比為1:30（g/mL）的條件下，考查不同超聲處理時(shí)間對(duì)肉桂精油提取率的影響，結(jié)果如圖1所示。圖1超聲作用時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig.1 Effect of extract time on extraction yield of Cinnamon oil圖1結(jié)果表明，隨著超聲作用時(shí)間的延長(zhǎng)，肉桂精油提取率逐漸提高，但處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)15 min），溶質(zhì)分子碰撞以致溫度升高，使精油揮發(fā)嚴(yán)重，提取率反而迅速下降。3.3.2超聲密度對(duì)提取率的影響超聲波的輸出功率對(duì)提取率有較大影響，輸出功率的增大，有利于液體中空穴的形成，產(chǎn)生更多的空化泡，使破碎作用增強(qiáng)。在提取時(shí)間為15 min和料液比為1:30（g/mL）的條件下，考查不同超聲密度對(duì)肉桂精油提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2超聲密度對(duì)提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasound density on extraction yield ofCinnamon oil從圖2可知，10 W/cm3之后，提取率降低，可能由于超聲密度的增大，溶質(zhì)分子碰撞以致溫度升高，導(dǎo)致精油揮發(fā)提取率下降。3.3.3料液比對(duì)提取率的影響選用丙酮作為提取溶劑，在超聲密度為10 W/cm3和提取時(shí)間為15 min的條件下，考查不同料液比對(duì)肉桂精油提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著料液比的增加，肉桂精油提取率也在不斷增大；當(dāng)增大到在1:30(g/mL)后，肉桂精油提取率的增幅較小，考慮到過(guò)高的固液比增加溶劑回收的費(fèi)用，因此在此選擇固液比為1:30。圖3料液比對(duì)提取率的影響Fig.3 Effect of ratio of material to solvent on extraction yield ofCinnamon oil根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以肉桂醛的含量為指標(biāo)，進(jìn)行3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)超聲波提取肉桂皮粉中肉