超聲波萃取是利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化應(yīng)效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)、擾動(dòng)效應(yīng)、高的加速度、乳化、擴(kuò)散、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。

簡介

   超聲波萃取利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化應(yīng)效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)、擾動(dòng)效應(yīng)、高的加速度、乳化、擴(kuò)散、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。

原理

   超聲波是一種彈性機(jī)械振動(dòng)波，與電磁波本質(zhì)上不同。因?yàn)殡姶挪ㄔ谡婵罩袀鞑?，而超聲波必須在介質(zhì)中傳播，穿過介質(zhì)時(shí)，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(qiáng)，膨脹過程會(huì)在液體中生成氣泡或?qū)⒁后w撕裂成很小的空穴。這些空穴瞬間閉合，閉合時(shí)產(chǎn)生高達(dá)3000MPa 的瞬間壓力，稱為空化作用，整個(gè)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(jìn)入溶劑，提高提取率。除空化作用外，超聲波的許多次級(jí)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(shí)發(fā)生的反應(yīng)。一些點(diǎn)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(duì)液體總體積來說極微，因此產(chǎn)生的熱量瞬間散失，對(duì)環(huán)境條件不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，空穴泡破裂后的冷卻速度估計(jì)約為10℃/s 。

   超聲空穴提供能量和物質(zhì)間獨(dú)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(shí)，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(dòng)能，在氣泡中運(yùn)動(dòng)并穿透氣泡壁。

   噴射流在固體表面的沖擊力非常強(qiáng)，能對(duì)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(jī)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。

特點(diǎn)

   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(shí)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(jìn)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(duì)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。

優(yōu)點(diǎn)

   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(jià)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(diǎn)：

   1.無需高溫；

   2.常壓萃取，安全性好，操作簡單易行，維護(hù)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(duì)溶劑和目標(biāo)萃取物的性質(zhì)關(guān)系??；

   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(jì)效益顯著。

應(yīng)用

   1.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(jià)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(shí)間、超聲溫度等因素對(duì)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(shí)間為30min，超聲溫度為150℃，煙堿的提取率能達(dá)到7%左右。儲(chǔ)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(shí)間4h，其煙堿提取率為2.12%。采用78%的乙醇作提取劑，固液比為1∶5，提取時(shí)間30min，超聲溫度52℃，煙堿提取量為23.1mg/mL。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45min，煙堿提取率可達(dá)到95.42%，對(duì)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%)。

   2.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(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波輔助水浸提枸杞多糖的提取工藝進(jìn)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%。

   3.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(shí)間為6min，每次輻射時(shí)間為3s，固液比為1:2，提取級(jí)數(shù)為二級(jí)，總色素提取率為96.83%。

   4.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(jìn)行單因素試驗(yàn)和L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，研究乙醇濃度、提取時(shí)間、料液比和提取溫度對(duì)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(shí)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(shí)間30min，該條件下得到的總黃酮的提取率為10.86mg/g。

   5.在油脂浸取中的應(yīng)用

   超聲場強(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(shí)，用乙醇提取棉籽油，若使用強(qiáng)度為1.39W/cm2超聲波處理，1h內(nèi)提取的油量，比不用超聲波時(shí)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(dòng)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、1500kHz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(qiáng)化常規(guī)流體對(duì)物質(zhì)的浸取過程，而且還可以強(qiáng)化超臨界狀態(tài)下物質(zhì)的萃取過程。陳鈞等對(duì)超聲波強(qiáng)化超臨界CO2流體萃取過程進(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(yàn)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。

   6.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(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(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。

   7.在多糖提取中的應(yīng)用

   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%。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。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)化提取操作簡單，提取率高，反應(yīng)過程無物料損失和無副反應(yīng)發(fā)生。

   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。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(shí)了超聲波提取是一種有效的強(qiáng)化提取方法。

   8.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(fèi)時(shí)繁瑣，人為因素影響較大，不易掌握。彭愛紅利用超聲波對(duì)酸水解測定午餐肉中脂肪含量的方法進(jìn)行了改進(jìn)，超聲波提取樣品不需加熱，縮短了樣品消化時(shí)間，可對(duì)大批量樣品的脂肪含量同時(shí)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(yàn)條件，采用HPLC法對(duì)樣品進(jìn)行測定，縮短了HPLC法測定大豆異黃酮的前處理時(shí)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。