超声萃取技术研究与应用进展

超声萃取(Ultrasoundextraction)技术是近年来发展起来的一种新型分离技术.与常规的萃取技术相比,超声波萃取技术快速、价廉、安全、高效等特点.比如在中药提取过程中,有些中药药材具有热不稳定性,超声波提取温度低,不破坏中药材中某些具有热不稳定的药效成份.另外超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质(如极性)关系不大,可供选择的萃取溶剂种类多,目标萃取物范围广泛.笔者着重讨论了超声波萃取中的原理及研究现状,为该领域的研究提供一些参考.

1 超声波萃取原理

超声对萃取的强化作用最主要的原因是空化效应即存在于液体中的微小气泡,在超声场的作用下被激活,表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程,及其引发的物理和化学效应.气泡在几微秒之内突然崩溃,可形成高达5000K以上的局部热点,压力可达数十乃至上百个兆帕,随着高压的释放,在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速射流(非均相),其速度可以达100m/s.伴随超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应加剧了体系的湍动程度,加快相相间的传质速度.同时,冲击流对动植物细胞组织产生一种物理剪切力,使之变形、破裂、并释放出内含物,从而促进细胞内有效成分的溶出.另外,超声波的热作用和机械作用也能促进超声波强化萃取[2].超声波在媒质质点传播过程中其能量不断被媒质质点吸收变成热能,导致媒质质点温度升高,加速有效成分的溶解.超声波的机械作用主要是超声波在介质中传播时,在其传播的波阵面上将引起介质质点的交替压缩和伸长,使介质质点运动,从而获得巨大的加速度和动能.巨大的加速度能促进溶剂进入提取物细胞,加强传质过程,使有效成分迅速逸出.

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、工业原材料等有机组分或无机组分的分离和提取.

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.植物油脂的提取目前使用最多的是溶剂浸出法.将超声技术作为一种辅助手段应用到溶剂浸出法中,会使含油细胞更容易破裂,油脂分子更容易释放出来,提高了提取效率,而且还可使植物油中的生理活性成分得以保持,提高了油脂的营养价值.Rom2dhane等人[3]研究了超声波提取除虫菊酯,认为超声能够加速反应速度和提高收率.Li等人[4]研究了超声提取大豆油,随着超声强度的增加,收率也增加.周如金等人[5]研究了超声方法提取核桃仁油,认为超声强化在一定提油率下可以缩短提取时间,或节约溶剂用量,或降低提取温度.超声强化提取对核桃仁油中脂肪酸的组成有一定影响,超声强化条件下总不饱和脂肪酸的相对含量有所提高.超声波也可用于动物油的加工.动物油脂的提取通常使用熬炼法.熬炼法出油率低,而且熬炼时间过长,会使部分脂肪分解导致油脂酸败,熬炼温度过高容易使组织焦化,影响产品的感官性状.使用超声波法提取不但可以缩短提取时间,提高出油率,而且还能使内部的维生素免遭破坏.使用不同频率的超声波提取鳕鱼肝油时发现,在2～5min内可使油脂全部游离出来,出油率接近原料的含油率,而且油脂清澈无残渣

2.2 蛋白质提取

超声波提取蛋白质方面也有显著效果.袁道强等人[7]研究发现,与普通的碱溶酸沉法相比,超声波法提取小麦胚芽蛋白的提取率提高了26.99%,超声处理没有改变蛋白质的一级结构.崔志芹等[8]考察了超声波对棉籽蛋白萃取的强化作用.发现超声波对棉籽蛋白进行萃取时,蛋白质萃取率可提高10%～20%,且萃取时间大为缩短.随着超声波强度的提高,蛋白质萃取率增大,当声强超过3W/cm2时,声强的作用不明显,萃取率趋于稳定.超声波的影响程度与棉籽粕的粒径有关,随着粒径的减小,超声波的影响随之减弱.

2.3 多糖提取

张桂等人[9]研究了利用超声波萃取枸杞多糖的提取工艺,实验证明,超声波萃取枸杞多糖是可行的,萃取条件为50℃,1∶60的料水比,超声波前浸泡2.5h,超声波萃取5min.影响萃取率首要的因素是料水比,其次是浸泡时间和浸泡温度,最高提取率为50.36%,比传统法的结果要高30%左右.靳胜英等[10]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.超声可能会导致可溶性多糖发生降解,并溶解在乙醇溶液中,但超声并不影响水溶性多糖的生物性能[11]

.2.4 天然香料提取中的应用

杨海燕等[12]用超声波萃取宽叶缬草天然香料,在试验中,他们将用超声波萃取与不用超声波萃取的结果进行了对比,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%～24%.有文献报道,从桔皮中萃取桔皮精油,以二氯甲烷为溶剂,用超声波萃取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.将各种方法所得桔皮精油直接进入气相色谱分析,发现超声提取法所增加的提取物重量是不挥发性成分的重量,这可能是由于超声空化作用使得不挥发组分进入溶剂,使提出率增加[13].

2.5 天然药物活性成分提取中的应用

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.近年来,国内在这方面的工作取得了显著的进展.郭孝武研究了超声对黄柏、黄连、益母草3种中药的碱类成分提取影响,比较了有效成分的提出率,认为超声提取具有省时、节能、提出率高等优点,是一种快速、高效的提取新方法[14].应用超声波从大黄中提取蒽醌类成分的研究表明,用超声法提取10min比煎煮法提取3h的蒽醌成分高.其原因超声能产生空化效应使组织中细胞破裂,以利于溶剂浸透到植物细胞内部,从而使大黄中的蒽醌成分溶于溶剂之中,超声处理对产物结构无影响[15].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[16].

3 超声协同微波在萃取中的应用

超声波的空化现象可加速细胞内有效成分的溶出,超声波的次级效应,如机械振动、乳化、扩散等也能加速细胞内有效成分的扩散释放并使其充分与溶剂混合,便于提取.微波作为一种电磁波,具有电磁波的反射、透射以及伴随电磁波进行能量传输等特性,在一般的条件下,微波可方便地穿透某些材料,也可以被一些介质材料吸收而产生热.超声波-微波协同萃取新技术将超声与微波两种作用方式相结合,充分利用超声波振动的空化作用以及微波的高能作用,克服了常规超声波和微波萃取之不足,实现了低温常压条件环境下,对固体样品进行快速、高效、可靠的预处理.与传统萃取方法相比,该装置除了速度快、能耗小、溶剂用量小,回收率高等优点外,还有利于极性和热不稳定性组分的萃取,避免长时间高温高压条件下萃取或合成反应引起的分解,从而不破坏所萃取的有机物分子的结构.

马利华等人[17]研究了传统蒸馏法与超声波-微波协同萃取法对牛蒡中类胡萝卜素提取率的影响,认为超声波-微波协同萃取法对类胡萝卜素提取率比传统蒸馏法高近一倍.汪河滨等人[18]采用超声-微波协同萃取法从黑果枸杞中提取多糖,超声一微波协同萃取法使样品介质内各点受到的作用一致,加速目标物从固相进人溶剂的过程,经超声一微波协同萃取法提取黑果枸杞多糖的含量为10.89%,较常规法高出1.35%.该方法兼顾超声协助萃取和微波协助萃取方法的优点,具有安全、高效、环保、经济的特点,适宜于用极性溶剂来提取的活性成分的提取[19].

4 超声强化超临界萃取

超临界流体萃取,尤其是CO2超临界萃取技术得到了广泛的应用.但是由于超临界萃取由于压力高,萃取时间长,萃取效率低限制了其大规模的工业应用.超声强化超临界CO2萃取技术是在超临界CO2萃取的同时附加超声场,从而降低萃取压力和温度,缩短萃取时间,最终提高萃取率.最近,Riera等[20]报道了20kHz的功率超声对超临界流体萃取传质的强化作用,结果表明,20kHz的功率超声能够加快杏仁油的传质过程和最终提高杏仁油的萃取率,萃取率提高了大约20%,萃取时间缩短了30%左右.Balachandran等[21]研究了超声对超临界萃取冷冻干燥姜粒的影响.在超声作用下,生姜辛辣化合物姜酚的萃取率得到明显提高,最终萃取率提高了30%.张于弛等人[22]在研究了超声对超临界CO2萃取除虫菊酯的影响,结果表明,超声场能强化传质的内、外扩散过程,从而提高萃取速率,施加超声场能提高除虫菊醋在超临界CO2中的溶解度.叶若柏[23]研究了施加超声场强化超临界CO2萃取辣椒籽中的有效成分,超声能使萃取速率提高约15%,且不引起萃取物有效成分的降解,超声场显著地提高了辣椒籽萃取过程内、外传质系数.罗登林等人[24]研究了超声强化超临界CO2萃取人参皂苷,与单纯的超临界法相比,超声强化超临界能明显缩短萃取时间,降低萃取温度,提高萃取产物的得率.在流体流量大的条件下更有利于超声强化超临界的萃取,超声的加入能明显提高超临界萃取人参皂苷的萃取率和生产效率,降低生产能耗和节约生产成本.

5 结 语

综上所述,超声波在萃取过程中有着广泛的应用,但都是在实验室的很小规模上,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.随着研究的深入,超声萃取技术将在食品、医药、化工等技术领域显示出非常广泛的应用前景