超声波在天然产物分离与提取中的应用

1超声波在天然产物分离与提取中的应用目录摘要................................................................2关键词..............................................................21.超声波提取的原理..................................................21.1空化效应....................................................21.2机械效应....................................................31.3热效应......................................................32.超声提取技术的特点................................................33.声波在天然产物活性成分提取中的应用................................43．1在生物碱提取中的应用......................................43.2在黄酮类成分提取的应用.....................................43.3在皂苷类成分提取的应用......................................43.4在萜类和挥发油提取的应用...................................53.5在有机酸类成分提取的应用...................................53.6在蛋白质、酶类成分提取的应用...............................53.7在油脂类成分提取的应用.....................................53.8在维生素提取中的应用.......................................64.超声提取过程中应注意的问题........................................64.1选择合适的目标提取物及超声参数.............................64.2超声波对酶活性的影响.......................................64.3超声波对提取物稳定性的影响.................................75.展望..............................................................75.1超声提取过程基础理论的深化研究.............................75.2超声提取过程的强化研究.....................................75．3超声提取实验设备的改进及工业化设备的研究与应用............86.参考文献..........................................................82摘要超声波作为一种天然产物活性成分的提取技术，具有操作简便快速、无须加热、不破坏活性物质结构、提取率高等优点。本文综述了超声波用于天然产物活性成分提取的原理以及在生物碱、蒽醌类、挥发油、皂苷、功能性多糖、黄酮类、维生素等活性成分提取中应用的研究进展，提出了超声波提取技术在工业化生产应用中应注意的问题。目的对超声提取技术的基本原理、特点及其在中药及天然产物提取中的应用和注意问题作一综述，并对该技术的前景作一展望。关键词：超声波；天然产物活性成分；提取；应用天然产物中含有许多对人体有益的活性成分，将其提取出来可以造福于人类，因而是当前食品、医药、化工等行业研究的热点之一。传统的水浸提法、压榨法、萃取法、沉淀法等方法存在提取效率低、得率较低、提取时间长等缺点，如机械压榨法难以将细胞完全有效破碎，而化学方法又容易造成活性物质的结构和性质等发生改变。所以一些新的提取技术不断被应用于天然产物活性成分的提取中。超声波是指频率为20千赫～50兆赫的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体(Or质)来进行传播。超声波在工业应用方面，可以进行清洗、干燥、杀菌、雾化及无损检测等，是一种非常成熟且广泛应用的技术。应用超声波技术提取天然产物中的活性成分具有操作简便快速、无须加热、不破坏活性物质的结构以及提取率高等优点，可以加速提取目的物的扩散与溶解，有效地提高活性物质提取的得率和含量，是应用于天然产物活性成分提取的新技术之一。1.超声波提取的原理1.1空化效应空化效应是超声提取的主要动力。液体中往往存在一些真空或含有少量气体或蒸汽的小泡，当一定频率的大量超声波作用在液体时，尺寸适宜的小泡能产生共振现象，它们在声波的稀疏阶段迅速胀大，在声波的压缩阶段又被绝热压缩，直至湮灭。小泡在湮灭过程中，能够产生几千摄氏度的高温和几千个大气压的高压冲击波，这就是空化现象。这种强烈的冲击作用能使物料破碎，也能造成生物细胞壁及整个生物体破裂，从而加速细胞内物质的释放、扩散及溶解。31.2机械效应超声在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。对于中药提取过程，这种机械效应包括简单的骚动效应和溶剂与药材组织之间的摩擦。这种骚动效应可使蛋白质变性，细胞组织变形；而超声波引起的介质质点的加速度与超声波振动频率的平方成正比，有时超过过重力加速度的数万倍，由于溶剂和药材组织获得的加速度不同，即溶剂分子的速度远大于药材组织的速度，从而使它们之间产生摩擦，这种力量足以断开两碳原子之键，使生物分子解聚，使中药材中的有效成分溶解于溶剂之中。1.3热效应由于介质吸收超声波以及介质内摩擦的消耗，分子产生剧烈振动，超声能转化为介质的内能，引起溶剂和药物组织温度升高，超声波在穿透溶剂和药物组织分界面时，温度上升更快，这是因为分界面上特性阻抗不同，产生反射形成驻波，引起分子间的相对摩擦而发热，因此，控制超声强度，可使药物组织内部温度瞬间升高，加速有效成分溶出。除了以上效应外，超声波还有许多次级效应，如击碎、乳化、扩散等效应，也都有利于植物中有效成分的转移。此外MaricelaToma等[1]人通过对50多种中药有效成分的超声提取研究发现，超声波在促进传质的同时还能促进水合，这也有助于中药有效成分的提取。2.超声提取技术的特点超声提取技术适用于天然产物，特别是我国传统中草药有效成分的提取，是中药制药彻底改变传统提取工艺的新方法、新工艺。与常规的煎煮法、水蒸馏法、溶剂浸提法相比，具有如下特点：提取温度低，避免了常规的煎煮法和回流法长时间加热对中药有效成分的不良影响，产物生物活性高，适合于热敏性物质的提取；适用性广，超声提取与目标提取物的性质(如极性)关系不大，绝大多数中药材的各类成分均可用超声提取；减少能耗，由于超声提取无需加热或加热温度低，提取时间短，因此能大大降低能耗，提高经济效益；此外超声波还具有一定的杀菌作用，能保证萃取液不易变质。43.声波在天然产物活性成分提取中的应用3．1在生物碱提取中的应用生物碱是一类主要存在于植物中具有显著生物活性的碱性有机化合物。黄志强等以黄连为原料，采用乙醇为提取溶剂，研究小檗碱的超声波提取工艺。在超声时间30min、温度50℃、乙醇浓度80％和超声波提取两次的工艺条件下，与传统乙醇浸提法相比，小檗碱产量提高了42％。杜广香等[2]用超声波提取玛咖生物碱，以乙醇为溶剂，优化的提取条件为：料液比1：40，超声时间30min，温度70℃，功率200W。在此条件下，提取玛咖总生物碱的含量约为5．0％。余永婷等[3]对超声波方法和传统回流方法提取苦豆子中的生物碱进行比较试验，结果表明，超声波提取总苦豆子生物碱的效果较好，提取的最佳工艺条件为：乙醇浓度65％，提取剂pH值0．5，超声提取频率28kHz，超声提取时间20min，生物碱的提取率为75．76％。3.2在黄酮类成分提取的应用黄酮类化合物具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功效，广泛存在于天然产物中。黄酮类化合物的传统提取方法主要有水煎煮法、浸渍法和碱提酸沉法，缺点是耗时、费工，且收率较低。MauricioARostagno等[4]用超声法提取大豆异黄酮，发现用体积分数50％的乙醇做溶剂，在60℃下提取20min便可获得最佳的提取效率，且高于常规的提取方法。3.3在皂苷类成分提取的应用皂苷是存在于植物中的一类结构较复杂的苷类化合物，常用水加热提取或用有机溶剂浸渍提取，耗时长，提取效率低。JianyongWu等[5]用超声提取技术提取人参皂苷，比常规提取方法快3倍，提取效率高，更易于纯化，并且由于其提取温度低，所得的人参皂苷的活性也较常规方法高。53.4在萜类和挥发油提取的应用萜类化合物是一类具有广泛生物活性的天然药物有效成分，而植物中的挥发油大多富含萜和倍半萜类化合物。挥发油的沸点较低，其传统提取工艺是水蒸气蒸馏法，但该法存在提取温度高、提取时间长、易破坏有效成分的缺陷，导致提取收率较低。AthanasiosCKimbaris等[6]同时用水蒸馏提取法、微波辅助水蒸馏提取法和超声提取法提取大蒜中的挥发油，比较发现3种方法所得的挥发油的得率和性质不尽相同，但超声提取法可减少对热敏性化合物的破坏，并且实验操作简单，具有工业化生产的价值。3.5在有机酸类成分提取的应用有机酸是一类含羧基的化合物(不包括氨基酸)，广泛分布在中草药中，是很多中药的活性成分[7]。HuiLi等[8]用超声提取法提取新鲜杜仲叶中的绿原酸，发现最佳条件为体积分数70％的甲醇溶液，料液比1：20，提取时间30min，提取3次，用该条件提取新鲜的杜仲叶、新鲜的杜仲皮、杜仲皮饮片和其它4种中药中的绿原酸，得率均高于传统提取方法。3.6在蛋白质、酶类成分提取的应用传统的碱提法提取蛋白质和酶效率低、纯度低，而且耗时，生产成本高；丽酶法虽然可以提高提取效率，但是酶易失活，价格昂贵，故生产过程难以控制，生产成本高。FurukiTakao等[9]利用超声波对细胞壁的破碎能力提取大肠杆菌中的苹果酸酶，发现对于100mL的大肠杆菌样品，超声处理20min就可获得最高的提取效率，优于常规方法。3.7在油脂类成分提取的应用目前，工业生产多采用浸渍法和冷榨法提取油脂，浸渍法提取时间长，溶剂挥发损失较多，成本增加，且提取率低；冷榨法产率低，精制工艺繁琐，油品色泽不理想。JLLeque-Gareia等[10]用超声辅助索氏提取向日葵、油菜和大豆等种6子中的油脂，可以大大减少索氏提取的时间，提取相同数量的油脂，用超声辅助索氏提取，可以节约一半以上的时间，并且提取的油脂的性质与常规方法相同。3.8在维生素提取中的应用维生素在生物体内的物质代谢中必不可少，对调节人体生理节律、预防疾病和促进健康具有重要作用。李玉明[11]采用超声波提取法从柚子果肉中提取VC，以水和0．1％的磷酸溶液作溶剂，超声波提取30min，经处理后得到VC。采用超声波还可从甜橙果皮和牛蒡等提取类胡萝卜素[12-13]4.超声提取过程中应注意的问题4.1选择合适的目标提取物及超声参数许多实验表明，不同的中药材及天然产物，采用不同的超声参数(主要包括超声频率、超声波强度、超声波作用时间和浸渍时间等)，提取结果是不一样的。MRomdhane等[14]为考察超声波对固液萃取的影响，用超声提取技术提取除虫菊中的除虫菊酯和菘蓝种子中的菘蓝油，发现超声作用能明显提高除虫菊酯的提取速率和产量，但对菘蓝油的提取影响不大，并且超声波的频率、功率，物料粒径和超声波作用时间对提取效率均有明显影响。4.2超声波对酶活性的影响部分研究表明，无论在水溶液中还是在有机溶剂中，适当的超声辐射都可以增强酶活力，使酶促反应速率提高。而高强度的超声波则