超声提取分离技术

超声分离提取技术摘要：超声提取技术是一种具有极强物理和声化学效应的分离方法，在生物医药，食品，精细化工等方面有着广泛应用。本文主要介绍了超声提取分离技术的原理、特点以及应用前景等。关键词：超声波；分离提取；应用TheTechnologyofUltrasonicSeparationandExtractionAbstraction:Thetechnologyofultrasonicextractionisawayofseparationwithgreatphysicalandacoustochemistryeffect.Itiswidelyappliedamongbiologicalmedicine,foodscience,finechemicalindustryandotheraspects.Thisarticlemainlyintroducethetheory,characteristicandapplicationprospectoftheultrasonicseparationandextraction.Keywords:ultrasonic;separationandextraction;application1.前言超声波是一种振动频率大于20000Hz的弹性波，在物质介质中的相互作用效应可分为热效应、空化效应和机械传质效应。超声波振动能产生强大的能量，给予媒质点以很大的速度和加速度，使浸提剂和提取物不断震荡，形成空化效应，有助于溶质扩散，加速植物中的有效成分进入溶剂，同时作用于植物叶肉组织可高效粉碎细胞壁，从而释放出其内容物，提高有效成分的提取率[1-2]。超声波热效应是通过介质的微粒间和分界面上的摩擦以及介质的吸收等使超声能量转化为热能，提高介质和生物体的温度，从而有利于有效成分的溶出；超声波的机械振动发生的位移、速度变化不大，但其加速度却相当大，能显著增大溶剂进入提取物细胞的渗透性，从而强化了萃取过程。超声波的空化效应通过形成强声波作用产生液胞的振荡、伸长、收缩乃至崩溃等，往往使生物组织受到严重的损伤和破裂，从而加速有效成分的溶出和浸提[3-4]。超声波提取法是利用超声波的空化效应、机械传质效应和热效应，以提高细胞内容物的穿透力和传输能力，增大物质分子运动频率和速度，提高有效成分的浸出率。与传统提取分离方法相比，如熬煮法、压滤法、化学法、溶剂浸提法、生物酶法等，超声提取法具有提取效率高、提取时间短、有效成分活性高等优点[5]。传统的机械破碎法难以将细胞有效破碎，提取效率低。而化学破碎方法易造成提取物结构的改变和活性降低或失活。超声提取技术是一种具有极强物理和声化学效应的分离方法，其在溶液中形成的冲击波和微射流可以形成空化效应，达到破碎细胞和最大限度地保存和提高反应分子反应活性。将超声提取技术应用于提取茶叶的有效成分，操作简便快捷、无需加热、提取率高、速度快、提取物的结构未被破坏，而且能耗低、效率高、省时，具有广阔的应用前景和开发价值。2.超声提取原理2.1空化作用液体中往往存在一些真空的或含有少量气体或蒸汽的小气泡，这些小气泡尺寸不一。当一定频率的超声波作用于液体时，只有尺寸适宜的小泡能发生共振现象，大于共振尺寸的小泡被驱出液体外、小于共振尺寸的小泡在超声作用下逐渐变大。接近共振尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速胀大；在声波的压缩阶段，小泡又突然被绝热压缩，直至湮灭。湮灭过程中，空穴内温度可达5000K以上（相当于太阳表面的温度），压力达到1．013×105kPa以上（相当于大洋底的压力），温度变化率达109K/s，产生所谓的“热点”。上述现象称为空化现象。在小泡胀大时，由于摩擦可产生电荷，在湮灭过程中可产生放电、发光现象，同时产生速度高达1000m/ns的液体微射流。空化作用被用于清洗、雾化、乳化及促进化学反应方面。2.2热效应由于介质吸收超声波以及内摩擦消耗，分子产生剧烈振动，超声波的机械能转化为介质的内能，引起介质温度升高。超声波的强度愈大，产生的热作用愈强。控制超声强度，可使药物组织内部的温度瞬间升高，加速有效成分的溶出，并且不改变成分的性质。2.3机械作用超声波是机械振动能量的传播，可在液体中形成有效的搅动与流动，破坏介质的结构，粉碎液体中的颗粒，能达到普通低频机械搅动达不到的效果。机械作用常用于击碎、切割、凝集等方面。超声波可以使常温常压不能发生的化学反应在空化作用下发生，甚至使非常坚硬的固体被粉碎。控制一定的超声频率和强度，空化作用产生的极大压力造成生物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破碎过程在瞬间完成，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。被浸提的物质在被破碎瞬间生物活性保持不变，同时提高破碎速度和提取率。2.4超声提取流程图2.1超声提取流程图中为常用的超声提取分离流程，被提取的原料经过粉碎浸泡后再经过多次的超声提取，得到的提取液经过过滤、结晶等工序后可以得到最终产品。3.超声提取应用由于超声提取能最大限度地保存和提高反应分子反应活性，所以在生物、医药等方面有较多的应用。张德等对超声法从唐古特大黄根茎中提取大黄降脂素的工艺进行研究。最佳提取条件为:室温下用60%乙醇超声60min提取，得率为10.28%。所得产品经TLC、HPLC确定纯度为99.44%[6]。徐华明研究了超声波液态CO2提取分离芹菜籽油工艺条件的优化，由正交试验优化的提取参数得到超声波液态CO2提取分离芹菜籽油的最佳工艺条件为超声波双频率20kHz和870kHz、超声时间30min、超声功率100W、提取压力4MPa、料液比1:7，在此工艺条件下，芹菜籽油得率为2.8%[7]。李华等进行了超声辅助法提取分离大豆皂苷的实验研究，结果发现不同提取方法对大豆皂苷的提取效果不同。采用超声辅助提取法，大豆皂苷产率可达0.9%，采用超声提取法，大豆皂苷产率可达0.607%，较之索氏法分别提高了149%和85%。实验表明，超声提取方法对大豆皂苷的抗氧化活性无显著的影响[8]。潘娓婕研究了以苯为溶剂采用超声法对青风藤根进行提取，超声提取物经活性碳脱色纯化和重结晶即可得产品青藤碱。对所得产品经IR和HPLC法进行了定性和定量分析，在最佳提取条件下青藤碱的产率为2.12%，含量为98.73%。该方法从青风藤根中提取分离青藤碱具有操作简便，能耗低，生产成本低等优点[9]。4.超声分离提取设备超声分离提取设备一般由超声波电源：超声功率发生器，为超声换能器提供能源；超声换能系统：将电能转变为超声波，进行药物提取或其他功能；提取容器：超声提取场所用于放置提取液和提取物等部分组成。超声提取器一般分为外置式超声提取器和内置式超声提取器。而外置式超声提取器包括槽式超声提取器、罐式超声提取器、管试超声提取器、多面体超声提取器。而内置式超声提取器分为板状超声提取器、棒状超声提取器、探头试超声提取器和多面体超声提取器。图4.1槽式超声提取器图4.2罐式超声提取器图4.3管式超声提取器图4.4多面体超声提取器外置式超声提取设备特点：超声换能器都安装在容器外壁之上，在容器内可安装搅拌装置，以增加超声提取效果，但缺点是在工作过程中会发出噪音，应注意防噪隔声。还应防止漏电确保安全操作。内置式超声提取设备是将换能器系统浸没在溶剂之中，使其所产生的超声直接作用到容器内溶液中的物料上，以达到对物料提取的效果，通常也称浸没式超声提取器。5.讨论与展望超声提取技术因其操作简便快捷、无需加热、提取率高、速度快、提取物的结构未被破坏，而且能耗低、效率高、省时等优点，受到国内外学者和技术工作者的关注和研究。根据国内外研究报道，超声提取技术相比于传统方法具有显著的优越性，但对单一组分提取工艺研究有待进一步研究开发。目前，将超声提取技术与循环回流技术、溶剂浸提、渗漉法、膜分离等方法有机结合形成更为高效、精准的提取分离技术，已成为超声提取技术研究开发的重点领域和发展方向，可以预测，其在医药与保健品、食品添加剂、精细化工等工业应用方面具有极大的潜力和开发价值。参考文献[1]秦梅颂.超声提取技术在中药中的研究进展[J].安徽农学通报，16(13)：54-56．[2]廖维良，赵美顺，杨红．超声波辅助提取技术研究进展[J].广东药学院学报，2012，3：347-350．[3]马亚琴，叶兴乾，吴厚玖，等．超声波辅助提取植物活性成分的研究进展[J].食品科学，2012，8:459-463．[4]孙庆磊，梁月荣，陆建良．超声波在茶叶提取中的应用[J].茶叶，2006，2:79-82．[5]南占东，农国富，等．超声提取技术在茶叶提取分离中的研究[J].2014，4:27-31．[6]张德，韩海洪，等．用超声法从花锚中提取酮类化合物[J]．生物技术通报，2006，4:472-476．[7]徐华民．超声波液态CO2提取分离芹菜籽油工艺条件的优化[J].2010，11:119-123．[8]李华，李丹．超声辅助法提取分离大豆皂苷的实验研究[J].食品工业科技．2007，5:168-172．[9]潘娓婕，李晓玲，等．超声法从青风藤根中提取青藤碱[J].天然产物研究与开发.2003，1:127-130.