超声波提取技术及其影响因素

3.1.1　超声波提取技术

超声波提取技术（ultrasound extraction）是利用超声波具有的空化效应、机械效应及热效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，以提取天然药物有效成分的方法。用超声波技术提取天然药物有效成分是一种非常有效的方法和手段，具有广泛的应用前景。

1.超声波提取的原理

超声波是指频率约为20～50kHz的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体（介质）来进行传播。天然药物的有效成分大多存在于细胞壁内，细胞壁的结构和组成成为提取的主要障碍，普通的机械方法或化学方法有时难以取得理想的破碎效果。超声波的提取原理与其物理效应密切相关。

（1）空化效应：空化效应（cavitation effect）是超声波提取的主动力，是液体中气泡在超声波场作用下所发生的一系列动力学过程。当足够强度的超声波通过液体时，如果声波负压半周期的声压幅值超过液体内部的静压强，存在于液体中的微小气泡（称作空腔或空化核）就会迅速增大，在相继而来的声波正压相中，气泡会突然绝热压缩，当压缩时，空腔的尺寸变小，同时它所产生的巨大压力可能使空腔完全消失，即可能使它们完全闭合。闭合之前的瞬间空腔及其周围微小的空间内出现热点，形成高温高压区（压强可达几百兆帕，温度超过5000℃），并伴有强大的冲击波和时速达400km的射流。在空腔完全闭合的瞬间，由于出现这种极端的物理环境，致使药材的细胞随溶剂中瞬时产生的空化泡的崩溃而破裂，以便溶剂渗透到细胞内部，从而使细胞中的化学成分溶解于溶剂中，加强了细胞内物质的释放、扩散及溶解。当液体发出“嘶嘶”的空化噪声时，表明空化开始了。产生空化所需的最低声强或声压幅值称为空化阈或临界声压。在通常情况下，介质内部或多或少溶解了一些微气泡，这些微气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这种增大的气泡在闭合时会在其周围产生高达几千个大气压的瞬间压强，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体瞬间破裂，有利于天然药物有效成分的溶出。超声波破碎过程是一个物理过程，浸提过程中无化学反应发生，被浸提化学成分结构和性质不会发生变化。

（2）机械效应：超声波在介质中传播时可以使介质质点在传播空间内产生振动作用，从而强化介质的扩散、传质，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播：①对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，蛋白质变性；②给予介质和悬浮体以不同的加速度。由于介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度，从而在两者之间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁内的有效成分更快地溶解于溶剂之中。

（3）热效应：超声波在介质的传播过程中，其声能可以不断被介质吸收，介质将所吸收的声能全部或大部分变成热能，从而导致介质本身和药材组织的温度升高，增大了天然药物有效成分的溶解度，加快了有效成分的溶解速度。由于这种声能引起的药物组织内部温度升高是瞬间的，因此被提取成分的结构和生物活性可以保持不变。

（4）次级效应：除上述主要效应外，超声波还能产生一些次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用有助于植物体中有效成分的溶解，促使天然药物有效成分进入介质，并与介质充分混合，加快了提取进程，并提高了天然药物有效成分的提取率。

2.超声波提取装置与工艺流程

超声波提取装置的关键设备是超声提取罐。超声波发射头通常安装在罐底和侧面，并装有保护罩。由于提取过程不需加热，故罐体结构较常规提取罐大大简化。提取罐可按常温常压设计，单层结构，既能满足提取工艺要求，又可节约制造和使用成本。超声循环提取机的监控参数有压力、温度、流量、液位、真空度等，可实现工艺过程参数调整、系统故障报警等诸多功能。

提取罐的容积一般在0.25～3m³，直径在400～1500mm，其生产工艺流程见图3-1所示。

图3-1　提取罐生产工艺流程

3.超声提取的影响因素

（1）超声波的频率：超声波频率是影响有效成分提取率的主要原因之一。超声频率不同，提取效果也不同：在其他条件一致的情况下，指标成分的提取率随频率的升高而降低，如大黄中蒽醌类、黄连中小檗碱和黄芩中黄芩苷等成分的提取；但有时，超声频率越高，有效成分提取率也越高，如益母草总碱、薯蓣皂苷和绞股蓝总皂苷等成分的提取。以上说明不同药材的不同指标成分有其适宜的提取频率，应针对具体药材品种进行筛选。由于介质受超声波作用所产生的气泡尺寸不是单一的，存在一定的分布范围，因此提取时超声波频率也应有一个变化的范围。

（2）时间：包括浸泡时间和提取时间。

1）浸泡时间：浸泡时间对提取率的影响即药材润湿程度对提取率的影响。应将药材浸泡透心，这样有利于溶剂进入药材组织内部，将有效成分提取出来；但是浸泡时间不宜过长，否则由于药材组织内的糖类、黏液质等扩散出来黏附于药材表面，阻碍溶剂进入，使提取率反而下降。

2）提取时间：超声提取时间一般为10～100分钟，在20～45分钟以内即可得到较好的提取效果，比常规方法提取时间短。超声波作用时间与提取率关系分三种情况：①有效成分的提取率随超声作用时间增加而升高，如绞股蓝总皂苷和黄连中小檗碱的提取；②提取率随超声作用时间增加而逐渐增高，一定时间后，超声时间再延长，提取率增加缓慢，如槐米中芦丁、大黄中蒽醌、穿山龙中薯蓣皂苷的提取；③提取率随超声作用时间增加，在某一时刻达到一个极限值后，提取率逐渐减小，如益母草总生物碱和黄芩苷的提取。在超声作用一定时间后，有效成分的提取率不再增加反而降低的原因可能有两个：一是在长时间超声作用下，有效成分发生降解；二是超声作用时间太长，使提取粗品中杂质含量增加，有效成分含量相对降低。

（3）温度：超声波具有较强的热效应，提取时一般不需要加热。实验证明，温度对实验结果有影响。在超声波频率、提取溶剂和时间一定的情况下，改变提取温度，考察提取温度与水溶性成分得率的关系，结果显示随着温度的升高得率随之升高，达到60℃后如果温度继续升高，得率则呈下降的趋势。可以用空化作用原理加以解释，当以水为介质时，温度升高，水中的小气泡（空化核）增多，对水产生空化作用有利，但温度过高时，气泡中蒸气压太高，从而使气泡在闭合时增加了缓冲作用而空化作用减弱。

（4）药材组织结构：从提取时间和超声波频率对提取率的影响中可以看出，对于不同的药材，超声提取时间和频率的变化对提取率的影响都是不一样的，这可能与药材的组织结构及所含成分的性质有关。此外，药材的颗粒度、溶剂、超声波占空比和凝聚机制等因素都对提取率产生不同程度的影响，因此应该针对不同的中药材及天然药物，采用不同的超声参数（主要包括超声波频率、超声波强度、超声波作用时间和浸渍时间等），通过实验筛选出合适的超声提取工艺参数。(www.xing528.com)

4.超声波提取的特点

（1）优点：超声提取技术适用于天然药物有效成分的提取，具有如下突出特点：

1）无需高温：通常在20～50℃水温下超声波强化提取。提取温度低，避免了煎煮法和回流提取法长时间加热对天然药物有效成分的不良影响，尤其适合热敏性物质的提取。

2）安全节能：常压下提取，安全性好；又由于超声提取无需加热或加热温度低，提取时间短，减少能耗，降低成本，提高经济效益。

3）溶剂用量少：超声提取溶剂用量少，提取物中有效成分的含量高，有利于进一步分离纯化。

4）节省时间：超声波强化提取20～40分钟即可获最佳提取率，提取时间仅为煎煮法、回流提取法的1/3或更少。

5）广谱性：超声波提取法对溶剂种类没有特殊限制，故可供选择的提取溶剂种类多，绝大多数天然药物成分可采用超声提取。

6）杀菌作用：超声波具有一定的杀菌作用，可保证提取液不易变质。

（2）缺点

1）酶解现象：无论在水溶液中还是在有机溶剂中，适当的超声辐射可以增强酶活力，使酶促反应速度提高；而高强度的超声波则会抑制酶的活性，甚至使酶失活。由于天然产物中含有苷类及多糖的水解酶，因此在提取时应引起注意。

2）产生自由基：由于超声波作用能断开两碳原子之间的键，所以在超声提取过程中会产生很多具有较强活性的自由基，能与许多抗氧化性物质反应，因而超声提取物的稳定性相对较差。

5.超声波提取在天然药物提取中的应用

（1）黄芩苷的提取：采用超声波法对黄芩的提取工艺进行了对比研究，结果表明，超声波提取法与传统的煎煮法相比，提取时间明显缩短，黄芩苷的提取率升高；提取时间相同时，超声波频率不同，黄芩苷的提取率也不同；超声波提取时间10、20、40、60、80、100分钟的提取率均高于煎煮法3小时的提取率。

（2）芦丁的提取：应用超声波法对槐米中有效成分芦丁的提取进行研究，结果表明，超声波（20kHz）处理30分钟内，芦丁的提取率随提取时间的延长而提高，再延长时间，提取率基本相同，当超声处理1小时时，提取率再无增加。对槐米超声处理30分钟所得芦丁的提取率比热碱法提取率高47.56%，且工艺简单、快速。与浸渍法相比，超声波提取40分钟，芦丁得率22.53%，而浸渍48小时得率只有12.23%，表明超声波法提取天然药物中的苷类成分是一种有效的方法，可节省原料30%～40%。

（3）水芹总黄酮的提取：利用超声波法提取水芹中的总黄酮类成分时，用40倍于样品质量的80%乙醇浸泡，超声波提取30分钟，重复提取一次，总黄酮的提取率可达94.6%；而用乙醇提取的总黄酮提取率仅为73%。

（4）大黄中总蒽醌的提取：应用超声波法从大黄中提取蒽醌类成分的研究结果表明：超声提取20分钟，提取率可达99%，而煎煮3小时总提取率仅为63%。

（5）黄连中小檗碱的提取：利用超声波法从黄连中提取小檗碱，处理30分钟，所得小檗碱提取率比碱水浸泡24小时的提取率高50%。

（6）多糖类成分：以NaOH溶液作为提取溶剂，比较传统方法和超声提取法提取玉米芯中的水溶性木聚糖，结果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高于常规方法。

（7）有机酸类成分：用超声波法提取新鲜杜仲叶中绿原酸的最佳条件为：体积分数70%的甲醇溶液，料液比1∶20，提取时间30分钟，提取3次，结果新鲜的杜仲叶、新鲜的杜仲皮、杜仲皮饮片和其他4种天然药物中绿原酸的得率均高于传统提取方法。