超声波萃取的原理超声波提取技术.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date超声波萃取的原理超声波提取技术超声波萃取的原理超声波提取技术超声波萃取的原理超声波提取技术  超声波是指频率为20千赫50兆赫左右的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体介质来进行传播。超声波在传递过程中存在着的正负压强交变周期，在正相位时，对介质分子产生挤压，增加介质原来的密度；负相位时，介质分子稀疏、离散，介质密度减小。也就是说，超声波并不能使样品内的分子产生极化，而是在溶剂和样品之间产生声波空化作用，导致溶液内气泡的形成、增长和爆破压缩，从而使固体样品分散，增大样品与萃取溶剂之间的接触面积，提高目标物从固相转移到液相的传质速率。在工业应用方面，利用超声波进行清洗、干燥、杀菌、雾化及无损检测等，是一种非常成熟且有广泛应用的技术。  超声波萃取的原理  超声波萃取中药材的优越性，是基于超声波的特殊物理性质。主要是主要通过压电换能器产生的快速机械振动波来减少目标萃取物与样品基体之间的作用力从而实现固-液萃取分离。 （1）加速介质质点运动。高于20 KHz声波频率的超声波的连续介质（例如水）中传播时，根据惠更斯波动原理，在其传播的波阵面上将引起介质质点（包括药材重要效成分的质点）的运动，使介质质点运动获行巨大的加速度和动能。质点的加速度经计算一般可达重力加速度的二千倍以上。由于介质质点将超声波能量作用于药材中药效成分质点上而使之获得巨大的加速度和动能，迅速逸出药材基体而游离于水中。 （2）空化作用。超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”产生微观上的强大冲击波作用在中药材上，使其中药材成分物质被“轰击”逸出，并使得药材基体被不断剥蚀，其中不属于植物结构的药效成分不断被分离出来。加速植物有效成份的浸出提取。 （3）超声波的振动匀化（Sonication）使样品介质内各点受到的作用一致，使整个样品萃取更均匀。 综上所述，中药材中的药效物质在超声波场作用下不但作为介质质点获得自身的巨大加速度和动能，而且通过“空化效应”获得强大的外力冲击，所以能高效率并充分分离出来。  超声波萃取的特点  适用于中药材有效成份的萃取，是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工艺。与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点：  （1）无需高温。在4050水温F超声波强化萃取，无水煮高温，不破坏中药材中某些具有热不稳定，易水解或氧化特性的药效成份。超声波能促使植物细胞地破壁，提高中药的疗效。（2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便。 （3）萃取效率高。超声波强化萃取2040分钟即可获最佳提取率，萃取时间仅为水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分，萃取量是传统方法的二倍以上。据统计，超声波在6570ºC工作效率非常高。而温度在65ºC度内中草药植物的有效成份基本没有受到破坏。加入超声波后（在65度条件下），植物有效成份提取时间约40分钟。而蒸煮法的蒸煮时 间往往需要两到三小时，是超声波提取时间的3倍以上时间。每罐提取3次，基本上可提取有效成份的90%以上。 （4）具有广谱性。适用性广，绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取。（5）超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大。因此，可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广泛。（6）减少能耗。由于超声萃取无需加热或加热温度低，萃取时间短，因此大大降低能耗。 （7）药材原料处理量大，成倍或数倍提高，且杂质少，有效成分易于分离、净化。 （8）萃取工艺成本低，综合经济效益显著。怎吗说呢？ 据我了解，微波不能和金属接触，再一个 ，微波局部加热温度过高容易爆炸！小型设备在实验室还可用，但是不能做大，放大生产用！至于超声波指频率为20千赫50兆赫左右的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体介质来进行传播！有效作用距离是300MM，作用距离短，但是最大缺点是能做为工业化生产用！目前国内就有！循环超声提取技术的应用1、 循环超声波提取设备技术在粮食类精深加工中的应用 使用超声波提取设备技术可以从米糠、麦麸、大豆、玉米胚芽等中提取高附加值成分，利用超声处理使豆乳蛋白含量提高 6.6%，豆乳干物质重量提高 11.6%。超声提取技术对于传统大豆制品及现代大豆加工新产品，如豆奶、速溶豆粉及分离蛋白、浓缩蛋白等产品的生产均具有提高蛋白含量、增加得率的效用。如用常规搅拌法从经过变压或热处理的脱脂大豆料胚中提取大豆蛋白，提取物很少能达到蛋白质含量30%，且难提出热不稳定的7S蛋白成分，而用超声提取不但能提高提取物蛋白质含量，又可提取热不稳定的7S蛋白成分。 超声在酒的加工中也有很好的作用。用超声波加高频电磁波（处理510min，可使酒的老熟时间缩短1/3到1/2；在啤酒作业中用800kHz、0.93W/cm2的超声，在1318处理温度下照射34h，可节约酒花62%；超声对酒醇化处理，有较好的效果。 2、循环超声提取技术在油料精深加工中的应用 循环超声提取技术在油料深加工中亦具有诸多优势，在多种油料加工中可替代传统加工方式，降低加工成本，提高产品质量。 （1）、循环超声提取在植物油提取上的应用 使用超声提取，超声波的空化作用可产生微声流，能有效打破边界层，大大加快扩散速度，有效地提高提出速度210倍。超声提取与传统的压榨法和有机溶剂浸取法相比，具有方法简便，出油率高，油味纯正、色泽清亮、生产周期短、不用加热、有效成份不被破坏等优点，同时还可以进行其它有用成份的综合提取，显著地提高了经济效益。在超声波的处理下，花生油的提出率可提高2.8倍；用超声波从油料种子中提取油，可使油的提出率增加8.3倍；从葵花籽中提取油脂，加入超声波可使产量提高2728%；用乙醇提取棉籽油，使用超声波处理，在1小时内提取所得的油量提高了83%。 （2）、循环超声提取在芳香油提取上的应用 我国含芳香油植物现已发现300多种，芳香油的提取目前大多采用水蒸汽蒸馏法，设备简单，容易操作，但在提取过程中芳香油易发生氧化、聚合、热解等，造成香气损失，香料提出率低，但采用超声强化提取可以显著提高芳香油提取率。从桔皮中提取桔皮精油，用超声法提取10min的提出率比直接浸泡2小时，加热蒸馏2小时，水蒸汽蒸馏2小时，索氏提取2小时的提出率均高2倍以上；此外，从橘皮中提取橙皮甙，25超声提取30min提取率是常规50浸泡3小时提取率的1.6倍。 （3）、循环超声提取在动物油加工上的应用 动物油提取方法大都是将动物脂肪熔炼而提取出来的，这种方法获得的油脂易焦化并出油率低。使用超声提取方法可在极短时间内（2-10min）能使动物油脂游离出来，而且油脂内所含维生素未遭破坏，油脂清澈；如从鳕鱼肝中提取鳕鱼肝油，使用超声提取方法2-5min内能使鳕鱼肝中所含油脂全部游离出来，出油率接近原料含油率，大大高于常规提取方法（70%），而且油脂品质明显好于常规提取方法。 3、循环超声提取技术在糖料精深加工中的应用 从甜菜中提取糖，使用超声提取方法可使提取时间缩短一半，产量提高12-14%，糖份提取速度可提高78%。 4、循环超声提取技术在水果蔬菜精深加工中的应用 超声波有利于浆的进一步细化，使汁液中的果胶降解，果汁粘性降低，从而可以提高汁液的产量、质量和过滤速度，同时，由于经过超声波处理后使植物细胞被破碎，显著地提高了人体及动物对营养成份的消化吸收率。如从苹果中提取苹果汁，使用超声提取比常规提取产量增加10-15%，粘度降低28%，因此过滤速度也缩短了26%。用超声提取从胡萝卜中提取胡萝卜素产量也可以提高10%左右。 5、循环超声提取技术在茶叶精深加工中的应用 生产速溶茶时在60下应用超声波提取，提出率比用喷雾干燥提高近20%，而且大部分有效成分在超声波处理头10min内已被全部提取出来。如从茶叶中提取茶多酚和儿茶酚，用超声波常温处理茶叶10min，茶多酚及儿茶酚的总量比100水提取30min提高40%以上，所得茶多酚及儿茶酚样品的性状无差别，也不改变茶多酚及儿茶酚各组分的结构。 6、循环超声提取技术在中药材精深加工中的应用 循环超声提取技术和装置目前已经成功用于数十种中药材原料中天然产物的提取，部份结果如下： （1） 萜类、内酯类 青蒿素一般在50以下采用石油醚、汽油冷浸或搅拌提取，提取率60%左右，提取时间2448小时。用HF-2B提取青蒿素，分别研究了流体循环流动基本特性、超声时间、超声强度、固/液比、提取温度、搅拌（循环）速度对青蒿提取率和石油醚损耗的影响。实验条件下，青蒿素提取率达到90%以上，较常规提取方法青蒿素回收率提高25%以上，提取时间缩短为20分钟，石油醚回收率达到90%，较常规提取方法有显著提高。 （2） 黄酮 在银杏黄酮提取时，常规水煮4小时提取率为56.5%；室温下，用HF-2B提取10min，提取率为82.6%，提取30min，提取率为88.3%；40下，用HF-50G型循环超声提取机提取30min，提取率为91.6%，高于常规100水煮6小时的银杏黄酮提取率。 蜂胶黄酮提取时，常规浸提48小时，提取率36%；用HF-2B室温提取30min，提取率为41.8%。 30条件下，用50%乙醇HF-2B提取淫羊霍30分钟，黄酮提取率87%。 甘草黄酮提取时，用HF-20B提取60min，80%乙醇时总黄酮得率为11.5%，85%乙醇时总黄酮得率为8.8%。 （3） 生物碱 从肉苁蓉用水提取甜菜碱时，用HF-2B提取20分钟与常规浸提24小时和100回流6小时甜菜碱提取率相当。 用HF-2B以1酸水为提取剂，提取砂生槐中总生物碱，室温超声提取30分钟，提取两次，提取率超过85%，三次效果更佳；比常温浸提46小时/次，提取三次效果更好，比渗滤24小时效果也高；以氯仿为提取剂，超声提取7次，比常规连续提取一周效果更好。 （4） 甙类 从肉苁蓉用甲醇提取肉苁蓉甙类物质时，用HF-2B提取30分钟与常规浸提24小时和80回流5小时肉苁蓉甙提取率相当。 30条件下，用50%乙醇HF-2B提取淫羊霍30分钟，淫羊霍甙提出率90%。 （5） 多糖 从肉苁蓉用水提取多糖时，用HF-2B提取20分钟高于常规浸提24小时和100回流6小时多糖提取率。 用HF-2B从海带中提取硫酸酯多糖时， 30下提取20分钟，即可达到水煮法（100）提取5小时相同的硫酸酯多糖提取率。 （6）茶多酚 从茶叶中提取茶多酚和儿茶酚，超声常温提取10min，茶多酚及儿茶酚的总量比100水提取30min提高40%以上，所得茶多酚及儿茶酚样品的性状无差别，也不改变茶多酚及儿茶酚各组分的结构。 （7）溶剂在浆萃取耦合集成提取纯化 用HF-2B进行了溶剂在浆萃取硫酸酯多糖的研究，希望实现低微含量天然活性成份浸提、过滤、浓缩、粗提、分离纯化过程的耦合集成，直接得到纯化产品，同时利用分离纯化强化浸提。在室温下，超声作用时间30分钟，萃取剂浓度7%等条件下，多糖萃取率可达92%以上，多糖中岩藻糖含量35%，一步达到医药用多糖（岩藻糖含量30%）要求，成本仅为常规提取的四分之一左右。 （8）其它 花椒用75%乙醇煮提8小时吸光度为2.274；用HF-2B室温提取30min，吸光度为1.993，提取40min，吸光度为2.053。 上述试验结果说明循环超声提取装置具有良好的放大性能，而且相同的设备选择不同的工艺条件可能会有相差较大的结果。 7、循环超声提取技术在无公害农产品检测中的应用 无公害农产品检测必须提取农产品中农药残留、有害重金属物质和其它有害成份，以作为检测样品，采用常规的索氏提取法，费时、繁杂，使用超声提取法方便、快速，提取所得成份也比常规提取方法多。 8、其它 循环超声应用在花粉细胞破壁技术上，与其它现有方法比较，具有时间短，操作简单等特点，破壁率可以满足生产工艺上的要求，可极大地降低生产成本。 从小牛的皱胃中提取皱胃酶，应用超声提取在min时，可达到最高活性，同时发现超声对皱胃酶原具有一定的激活作用 果蔬浆体的乳化：食品（如巧克力、果酱、色拉油、调味品）生产中采用循环超声设备进行乳化、细化，能极大地缩短生产周期，而且口味、质量都较机械或化学方法更佳。八角茴香中莽草酸超声提取工艺研究 摘要:研究八角茴香中莽草酸的超声波提取法并与传统提取方法作了比较，结果表明：超声提取大大缩短了提取时间，且收率有明显提高；其最佳工艺条件为样品粉碎后过40目筛、以蒸馏水为提取溶剂、固液比为1：15、提取时间40min、超声提取2次。  关键词:超声提取 八角茴香 莽草酸 Research on ultrasonic wave extraction of shikimic acid in Illicium verum Hook.f. Abstract:The ultrasonic wave extraction method of shikimic acid in Illicium verum Hook.f. was studied in this paper. The optimal conditions were obtained as follows： the extraction solvent is distilled water, the solvent to solute ratio is 15, the extraction duration is 40min and extracting 2 times. Compared with traditional extraction methods, the result showed that ultrasonic wave extraction of shikimic acid is a rapid method with higher yield. Key words:ultrasonic wave extraction; Illicium verum Hook.f.; shikimic acid 八角茴香(Illieium verum Hook)又称大茴香、大 料，木兰科八角属植物，为我国南方重要的药食同源的经济树种I”，是东方烹调的传统调味品。也是法 国绿茴香酒和茴香甜酒等的主要香料，全球90的八角茴香产于中国I21。随着禽流感疫情在全球蔓延，被 认为目前唯一对治疗禽流感有效的“达菲”供不应 求而生产“达菲”的原料是八角茴香中的主要成 分莽草酸。莽草酸(Shikimic acid)为白色精细粉 末分子式C H 00 ，易溶于水，难溶于氯仿、苯和石 油醚，熔点为185187C旋光度为一180. 在提取莽草酸时一般采用热回流法但提取 时间长、能耗大、提出率低。超声波是一种弹性机 械振动波它能产生强烈振动，产生高速度、强烈 的空化效应、搅拌作用能破坏植物的细胞，使溶 媒能渗透到植物细胞中从而加速有效成分在溶媒 中的溶解缩短提取时间，提高有效成分的提出率 15-61 。本文以莽草酸的提取过程为对象，研究超声条 件下不同因素变化对莽草酸提取率的影响为优化莽草酸的提取工艺做了一定的探索。 l 仪器与试剂 11 实验仪器 KQ3200d超声波仪：昆山市超声仪器有限公司； 岛津uV一260紫外可见分光光度计：DAF一6050真空干 燥箱：上海新苗医疗器械制造有限公司：RE一52C旋 转蒸发器：巩义市英峪予华仪器厂：AE一100电子天 平：瑞士梅特勒；Impact一410 FT红外光谱仪：美国 热电尼高力；WRS一1B数字熔点仪：南京科捷仪器 应用研究所。 12 材料与试剂 八角茴：市售，经鉴定符合中国药典(2005年版 一部)八角茴香项下规定；无水乙醇、甲醇、丙酮、 乙酸乙酯：分析纯： 莽草酸对照品。 精确称取5Omg莽草酸对照品于25mL容量瓶中以甲 醇溶解，定容至刻度，得02mgmL莽草酸标准溶液。 2 实验方法 21 提取方法 211 超声提取 精确称取10000gA角茴香粉末于 50mL锥形瓶中，按各种设定条件f时间，料液比。溶 剂浓度，原料粒度)进行超声提取，提取液减压抽滤 药渣按同样条件重复提取1次合并滤液于旋转蒸发 仪中浓缩至浸膏加入一定量的乙酸乙酯于50C浸泡 数分钟，倾去上层清液，残留物2次用丙酮lOmL回流 数分钟，抽滤，真空干燥，加甲醇溶解于25mL容量 瓶中，于213nm,IJ定吸光度。 212 回流提取 精确称取10000gJ角茴香粉末于 50mL圆底烧瓶中加入30mL蒸馏水加热回流180min提取液减压抽滤，药渣按同样条件重复提取1 次滤液按211处理。 213 索氏提取 精确称取1O000gA角茴香粉末于 索氏提取器中用30mL乙醇溶液进行索氏提取8h至 无色提取液按211Lt：理。 22 含量测定 221 标准曲线的绘制 精确吸取0、02mL、04mL、 06mL、08mL、10mL莽草酸标准溶液分别置于 lOmL量瓶中甲醇定容至刻度以213nml得的吸 光度A对浓度C回归得回归方程：A=35262C+ 00032，r=O9992在4201gmL的范围内，浓度与吸 光度有良好的线性关系。 222 样品含量测定 取提取物的甲醇溶液于lmL比 色皿中，在213nm测定吸光度从回归方程中计算提 取液中莽草酸的含量。提取率的计算公式为： 提取率()=(提取得到的莽草酸质量称取的八角 茴香样品质量)xlO0 3 结果与讨论 31 溶剂对莽草酸提取率的影响 为考察溶剂对提取率的影响于40目的样品中加 入l5m坏同浓度的乙醇溶液室温下超声30min结 果如图l所示。 图1 溶剂对提取率的影响 由图l可知，莽草酸的提取率随乙醇浓度的增大 而下降。本文选择蒸馏水为提取溶剂。 32 超声作用时间对提取率的影响 为了探讨超声作用时间对莽草酸提取效果的影 响，在其他条件相同的情况下改变超声作用时间进 行提取。实验结果如图2所示. 超声作用时间(min 图2 超声作用时间对提取率的影响 由图2可知，随着超声时间的增加提取率不断 提高，但当超声时间达到40min后基本趋于平缓。 考虑时间效率和成本因素确定超声作用时间为 40min. 33 液料比对提取率的影响 为了探讨液料比对莽草酸提取效果的影响，在 其他条件相同的情况下，仅改变水和八角茴香的质 量体积比，实验结果见图3。 图3 液料比对提取率的影响 由图3可知，当液料比为l5倍时，莽草酸的提 取率最高。液固比过小溶剂不能有效润湿样品， 不足以提出莽草酸；而液料比过大，会增加超声波 破碎细胞的阻力，使细胞破碎程度下降，从而降低 有效成分的提取率。综上所述，本实验选择液料比 为l5倍。 34 原料粒度对提取效果的影响 改变原料粒度在其他参数相同条件下用超声 提取，结果如图4所示。 图4 原料粒度对提取效果的影响 由图4可知，原料粉碎得越细，莽草酸收率越 高。但粒度在40目以上时，产率增大的幅度很小， 而过度粉碎，物料容易黏结在一起，导致过滤困难 和提取液混浊不清。为便于操作，原料粒度以40目 为宜。 35 提取物表征 将提取物溶于甲醇中，用紫外可见分光光度计 进行波长扫描，结果显示提取物在213nm处有最大吸 收，与文献3】报道一致。测定提取物熔点为1885， 表明提取物中尚存有一定杂质。 提取物红外光谱图(KBr压片)，34832cm一、 16845cm 一 、16463cm一 、14537cm一。、12761cm一。、 10728cm、9331cm、7480cm、6756cm，与莽草酸对照品谱图完全一致. 36 超声波提取与传统提取方法的比较 表1 超声提取与传统提取方法的比较 按优化的提取工艺与回流提取法和索氏提取法比 较，结果见表l。 结果表明，超声提取法得率高于回流提取法和索 氏提取法，而所需时间大大缩短。 4 结论 对超声波条件下，不同因素对莽草酸提取率的 影响进行比较确定了一条较好的提取lT艺，实验 得出最佳工艺条件为原料粉碎过40目筛、以蒸馏水 为提取溶剂、固液比为l：15、提取时间40min、超声 提取2次. 超声提取法在室温下进行，可用于热不稳定成分 的提取，又可降低能耗。 在超声提取与传统提取方法比较中，在最佳实验 条件下，超声提取法较传统提取方法提取率高，而提 取时间比传统提取方法要少得多，表明超声提取法优 于传统提取方法。-