超声波提取分离的原理

摘要 超声因其具有多种物理和声化学效应，其在食品工业中有广泛的应用，包 括超

声提取、超声灭菌、超声干燥、超声乳化、超声过滤、超声清洗等。本文主 要就超声波提取分离的原理、 优点作一综述， 并对其以后在提取分离中的发展进 行展望。

关键词 超声波 提取分离 原理 1 超声波概述

1.1 超声波的概念

超声波指的是频率在2 X 104—2X109Hz的声波，是咼于正常人类听觉范围 的弹性机械振动。超声波与电磁波相似，可以被聚焦，反射和折射，其不同之处 在于前者传播时需要弹性介质， 而光波和其他类型的电磁辐射则可以自由地通过 真空。众所周知，超声波在介质中主要产生二种形式的机械振荡， 即横向振荡（横 波）和纵向振荡（纵波） ，而超声波在液体介质中只能以纵波的方式进行传播。 由于超声波频率咼，波长短，因而在传播过程中具有定向性好、能量大、穿透力 强等许多特性

[1]

。 超声波与媒质的相互作用可分为热机制、机械（力学）机制 和空化机制 3种。[2]

超声波在媒质中传播时，其振动能量不断被媒吸收转变为热 量而使媒质温度升咼， 此效应称之为超声的热机制； 超声波的机械机制主要是辐 射压强和强声压强引起的； 在液体中， 当声波的功率相当大， 液体受到的负压力 足够强时， 媒质分子间的平均距离就会增大并超过极限距离， 从而将液体拉断形 成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收缩与崩溃的瞬间， 泡内可以产生局部的咼 压，以及数千度的咼温，从而形成超声空化现象。空化现象包括气泡的形成、成 长和崩溃过程。可见，空化机制是超声化学的主动力， 使粒子运动速度大大加快， 破坏粒子的力的形成， 从而使许多物理化学和化学过程急剧加速， 对乳化、分散、 萃取以及其它各种工艺过程有很大作用。

对于超声波的研究及其在各个行业中的应用， 研究较多， 可是对于其应用的 机理研究的却很少，能过查阅华南农业大学图书馆， SCI 数据库，我们发现，对 于超声波的研究有 4680 篇，可是对于其机理的研究却只有 206，所占比例不到 5%。如下图 1。且大多数只停留在试验室阶段。

1

1.2天然植物有效成分提取分离⑶

天然植物有效成分大多为细胞内产物，在提取时往往需要将植物细胞破碎。 传统提取分离方法有溶剂提取法，水蒸汽蒸馏法和升华法，这些方法都存在提取 率低，提取时间长，效率低等缺点。现有的机械破碎法难于将细胞有效破碎 化学破碎方法又容易造成被提取物结构的改变，从而使之失去活性。

上世纪20年代,人们首次发现了超声波可以加速化学反应。 随后产生了研究 在超声波作用下物质进行化学反应的一门新兴交叉学科 声化学。

超声波是一

，而

种特殊形式的能量，其在溶液中形成的冲击波和微射流可以快速地击活反应分子 从而能较大幅度地提高反应活性。将超声波应用于提取植物的有效成分

，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、效果好 ，显示 出明显的优势。随着超声清洗器的逐渐普及，以超声波作为反应的催化方式已成 为热点。近年来，中、美、日、英等20多个国家的学者在这方面进行了卓有成效 的研究工作，取得了重要的进展。超声波应用于提取植物中的生物碱、苷类、生 物活性物质、动物组织浆的毒质等研究已有报道，研究表明：超声波提取可以强化 水浸提法，具有能耗低、效率高、省时、不破坏有效成分、避免高温对提取成分 的影响等特点，具有广阔的应用前景。

2提取分离的细胞破碎过程

中药材以来源分为植物药、动物药和矿物药等类别，前两种药材大多具有细 胞结构，活性成分都以某种形式分散于药材的细胞液中；而矿物药无细胞结构， 所以在提取中，所提取的成分将半溶解或分散而悬浮于溶剂之中。 在这里以植物 性药为例说

2

明中药提取过程中的细胞破碎的微观现象， 借以阐明固－液提体系中 有效成分的转移提取过程。

植物细胞是由比较坚韧的细胞壁和内部的原生质体（包括细胞质、细胞核、 质体等）、后含物（原生质体的产物）组成。而植物药中的活性成分如生物碱、 苷、有机酸、糖、挥发油、蛋白质等均存在原生质体中，是植物在生长时期，进 行一系列的新陈代谢过程后形成的。 可看出这些生物活性成分大部分存在于细胞 壁内，少量存在于细胞间隙。 新鲜药材的细胞液中含有多种可溶性物质或不溶性 物质，为了便于储存和运输，新鲜药材都需干燥，而经干燥后，组织内水分被蒸 发，细胞干瘪萎缩， 细胞中溶解的活性成分呈结晶或无定形状态干涸沉积于细胞 中，从而使细胞内出现空洞、形成空隙、充满空气，使细胞质膜的半透性丧失。 由细胞结构看出破碎细胞是为了释放出细胞中的内含物，以便快速地提取出来。

从植物药中提取其中化学成分的提取过程， 就是提取细胞内物质， 所以细胞 壁是影响提取速度的壁垒之一。 必须通过溶剂和植物密切接触， 将溶剂送入植物 细胞壁内， 促使原生质中的各种化学成分溶解到溶剂之中， 以扩散出细胞外， 这 是一个细胞被破碎， 成分溶解的复杂过程。 利用超声提取分离技术以加速溶剂流 动、渗透、溶解、扩散等传质的整个全过程，这过程发生在固体内部和周边环境 中，且与介质形态变化、固－液箱间的宏观运动结合在一起，是质量、动量传递 偶合的过程。提取过程按其溶剂与有效成分的作用分为：浸润、渗透、溶解和扩 散、置换三个阶段。

3 超声波在提取分离中的作用过程

3.1 基本原理

对于超声波在天然有效成分的提取分离中的作用及其作用机理的研究， 学术 界有着不同的见解。 主要有以下两种研究。 一种根据提取实验所得成分结果， 从 理论上进行分析， 推理超声可能出现的物理、 物理化学和化学作用， 从而探讨超 声提取的基本原理，如有人认为 [4] : “中草药——超声有破坏植物组织、加速溶 剂穿透组织作用，并能提高中草药的有效成分的提出率” ；还有人认为 [5]: “利用 超声稀疏振荡， 破坏植物组织， 加速溶剂穿透组织作用， 提高中草药有效成分提 取率，如金鸡纳树皮中全部生物碱用一般方法浸出需要 5h 以上，采用超声波只 要 0.5h 就能完成”；另外也有人认为细胞壁的破裂主要是超声社会化引起的 [6] 。

3

由变幅杆端部发射出强超声波，激活液体中的社会化泡、气泡在崩溃时伴随发生 冲击波或射流作用于细胞壁并使其破裂。另一种是用扫描电子显微镜或光学显微 镜等设备对被超声提取和传统提取的单味药材不同部位的细胞结构与形貌进行 观察、照相和对比，从显微结构的变化上，来说明超声提取的机理：

XZ这些作

用简言之都是利用超声波在物质介质中的相互作用的效应， 热效应、空化效应和 机械传质效应。超声波的热效应、机械传质作用及空化作用成为超声技术在提取 应用中的三大理论依据。 3.2超声波对细胞的破坏作用

下面主要是比较了超声提取分离法和传统浸泡法等提取植物根、

茎、叶、花

等部位细胞的损伤变化情况的照片，分析超声提取对植物作用的基本原理。 3.2.1植物的根

根是植物体的营养器官，并固着、支持植物体延伸到圭中的部分，含有各种 化学成分。块根也属植物体的根类，是植物体生长在土中的部分。

[10]

S.Balacha ndra n等 从生姜中用超声提取姜辣素，先将生姜粒部分放在 水中，用超声提取或用刀片切开的生姜颗粒再经超声提取

5mi n,然后取出，置

2。

于光学显微镜下观察并照相，得生姜颗粒细胞开关的光学显微照片，如图

4

图2生姜粒经超声提取后的扫描电子显微镜图像

由图2看出原生姜料组织细胞都排列整齐， 呈多边形，见图A所示：经超声 提取后，组织细胞排列杂乱，细胞轮廓不清晰，且细胞壁破坏，促进了细胞内物 质向溶剂中释放，如图B所示：用刀片切开的生姜颗粒经超声提取后，在片状截 面上出现两种强弱截然不同的破区域，而强破坏区出现在距离颗粒表现 的范围，且破坏了细胞矩阵。 322植物的茎

茎是植物的主干，一般生于地上或部分生于地下，其中含有各种化学成分。 郭孝武［11］将益母草茎秆截成短节，以水为溶剂，用超声

200um

（频率为20khz）提取

30mi n,或用浸泡法提取24h，提取益母草总碱后，以原益母草茎为对照材料，

5

同时经干燥，镀膜，然后置于扫描电子显微镜下观察照相， 得益母草茎细胞结构 的电子显微镜照片，如图3所示。

图3经不同提取法提取后益母草茎的扫描电铲图（放大倍数为

*104)

由图3看出原益母草茎的横向组织细胞排列整齐， 呈六边形，轮廓明显，见 图a所示；经过溶液浸泡提取后，组织细胞基本无任何变化，只是茎内细胞经浸 泡再干燥而收缩，如图b所示；经超声提取后，在图c中看出益母草茎部分细胞 被打破，排列杂乱，细胞轮廓不清晰，图中看出部分组织细胞被打破，形成空洞， 还有部分细胞壁破裂，细胞之间互不相连。 323植物的叶

叶是植物进行光合作用、制造养分、进行气体交换和水分蒸发的重要器官。 郭孝武

［12］

将干淫藿吉放入水溶剂中，分别用传统浸泡撮4h或用超声提取30min, 以原淫

羊藿作对照材料，提取后，干燥、镀膜，然后置于扫描电子显微镜下观察 照相，得淫羊藿叶表面细胞开关的扫描电子显微镜细微照片如图

4所示。

图4-1不同提取法提取淫羊藿叶的扫描电镜图

6

图4-2不同提取法提取淫羊藿叶后的表面损伤

由图4看出淫羊藿中原叶叶面平整，其细胞细微结构呈多角形，轮廓明显， 表面蜡质多呈颗粒状，少数连成不规则片状，分布均匀，叶脉清晰完整。其原叶 细胞排列紧密、整齐，轮廓明显，分布均匀；经水溶液浸泡提取后，外表颜色无 变化，叶面因浸泡提取后又干燥而略有皱褶， 而细胞的形态结构与原叶细胞比基 本无变化，只是表面蜡质大部连成不规则的片状及大小不等的颗粒，

分而不均匀。

而叶的细胞的形态结构与原叶细胞相比基本无变化， 只是细胞膨胀，细胞排列疏 松；经超声提取后的淫羊藿叶，叶表面叶肉被打掉，叶脉基本完整，多数细胞被 击破形成空洞，细胞壁破裂已不完整，部分区域细胞轮廓已不清晰。 而叶组织细 胞壁被打破，细胞壁裂开，有的细胞之间断开。

Maricela Toma等回对薄荷叶和金盏菊叶等进行研究，其结果如图 5,图6. 将叶片放入乙醇溶液中，分别用浸泡提取或 20kHz和500kHz超声波提取2h 后, 然后置于光学显微镜下观察照相，得干薄荷叶和金盏菊叶表面细胞形状的细微照 片。

a(

未处理）

b (20Kb)

7

C (500Kb)

图5超声对干薄荷叶作用后的显微图

a(未处理)

b (20Kb

C (500Kb)

图6超声对金盏菊叶作用后的显微图

由上图可以看出，未经处理的叶片完整无缺，细胞未受损坏，而经 500kHz 超声波作用后的叶片，大多数受到了破坏；而经20kHz超波作用后的叶片，受超 声影响更显著，作用更强，破坏更严重，造成叶细胞组织分解。

以上的一些对个别药用植物的不同部位用低频超声提取方法进行提取实验 后所观察到的组织细胞变化情况，说明超声提取分离的特有作用，对物质组织细 胞表面薄膜的破坏。我们可以得到，超声在提取分离过程中的作用主要是通过其 热效应，机械效应和空化效应三个理论效应，加速浸润、渗透，促使解嘲、溶解 和幸扩散、置换。

3.3 超声提取分离原理的理论分析 前面计了植物药材在传统的溶剂提取法提取化学成分过程中的细胞破碎的 三个阶段，当加入超声后， 超垢对细胞破碎每个过程都有很大的促进作用。 从不 同提取法对液－固提取的实例的各种微观照片来进行分析， 探讨超声为什么对药 材组织细胞有如此的效果。 超志在液－固提取过程中所产生不同

8

效应对物质都有 哪些作用。 为此，下面将简述超声空化的物理过程及其基本效应， 然后对超声所 产生的各种效应进行理论分析， 以阐明超声提取的基本原理， 了解各效应对物质 的不同作用。

3.3.1 超声空化的物理过程及其基本效应

超声空化是强超声在液体中传播时， 引起的一种特有的物理列。 所谓空化是 批液体中由于某种原因产生了负压，当负压达到某一临界值时，能将液体拉断， 从而在液体形成局部气体或蒸汽空腔的现象。 这种能将液体撞断的临界负压值称 为空化阈。

超声空化的物理过程：超声在液体中是以纵波的方式传播的，其交变声压 在液体中周期性地产生拉伸与压缩。 对较弱的超声， 在声压的负压阶段， 空化核 被拉大，而在正压阶段，气泡又缩小，即气泡随声波的频率而作脉动变化，这称 为“稳态空化”。而对足够强的超声，即声压的幅值超过空化阈时，气泡先在声 压的錌阶段迅速膨胀，达到其最大半径，接着在正压阶段剧烈压缩，直至崩溃。 由于接近崩溃时泡壁的压缩速度极大， 甚至超过泡内气体的声速， 此时的能量密 度高度聚焦，帮能在崩溃瞬间引发高压、高温、发光、放电、高速射流、冲击波 等一系列极端物理效应。这称为“瞬态空化”或“惯性空化” 。汪承灏、张德俊 等[14] 采用延时采样照相和高速摄影获得的用机械动力式方法， 将一个快速拉升的 盛液容器突然制动， 其中产生的单个气泡空化过程照片。 如图 7 所示。他们还用 光电倍增管测出气泡崩溃瞬间产生的光辐射脉冲，用电探针测出其电磁辐射脉 冲，并证明它们是同时发生的。

9

图7水中单个气泡社会化过程的延时采样照片

在空泡崩溃闭合时产生局部高压、高温，由于声场中的频率、声强和液体的 表面张力、黏度以及周围环境的温度和压力等影响， 液体中的微波气核在声场的 作用下响应可能是缓和的，也可能是强烈的。以此，根据液体内含气体和蒸汽的 空化泡的动力学行为和对超声的响应程度， 人们将声空化分为稳态和瞬态两种空 化类型。 331超声空化的其基本效应

超声提取分离药材中化学成分的过程中， 是超声波在溶剂中传播时，所产生 的空化效应在而使药材组织细胞受到一系列作用， 伴随超声空化还产生了机械效 应、

10

热效应、光致效应、活化效应等不同的声能与物质相互作用的形式。超声空 化效应是增强提取分享过程的主导因素。 但超声社会化作用本身是无选择性的破 坏，当参数选择不当时， 特别是在高强度或长时间处理条件下， 空化作用不公能 打破细胞壁， 也可能会打破被提取物质的分子， 从而影响所提得的化学成分的产 率。另外因植物细胞壁的特殊结构及其屏障作用， 决定了对药材中化学成分的提 出率有一定的限度， 并受到多种因素的影响， 所以在超声提取分离过程中应注意 一些条件的选择。

4 结论

超声提取法是对提取过程进行超声波强化处理 , 超声在生化提取中的应用最 早用于粉碎细胞壁 , 以释放出其内容物。近年来在中药研究中有较多的应用。超 声波提取的作用机理是因为超声波是一种弹性波 , 其振动能产生强大的能量 , 给 与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 , 有助于溶质扩散。 超声波在植物组织细胞里 ,比电磁波穿透更深 , 停留时间也较长。大能量的超声波 作用于液体使其被撕裂成很多小空穴 , 小空穴闭合时产生高达几千个大气压的瞬 时压力,作用于叶肉组织 , 称为空化[15] 。空化可加速植物中的有效成分进入溶剂 , 增加有效成分的提取率。 参考文献

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