超声波萃取的原理、特点及应用

超声波萃取，亦称为超声波辅助萃取、超声波提取，是利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应、扰动效应、高加速度、击碎和搅拌作用等多级效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。

超声波是指频率为20kHz~50MHz的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体——介质来进行传播。其穿过介质时，会产生膨胀和压缩2个过程。

超声波能产生并传递强大的能量，给予介质极大的加速度。这种能量作用于液体时，膨胀过程会形成负压。如果超声波能量足够强，膨胀过程就会在液体中生成气泡或将液体撕裂成很小的空穴。这些空穴瞬间即闭合，闭合时产生高达3000MPa的瞬间压力，称为空化作用。

这样连续不断产生的高压就像一连串小爆炸不断地冲击物质颗粒表面，使物质颗粒表面及缝隙中的可溶性活性成分迅速溶出。同时在提取液中还可通过强烈空化，使细胞壁破裂而将细胞内溶物释放到周围的提取液体中。超声空穴提供的能量和物质间相互作用时，产生的高温高压能导致游离基和其他组分的形成。

据此原理，超声波处理纯水会使其热解成氢原子和羟基，两者通过重组生成过氧化氢，当空穴在紧靠固体表面的液体中发生时，空穴破裂的动力学明显发生改变。在纯液体中，空穴破裂时，由于它周围条件相同，因此总保持球形。

然而紧靠固体边界处，空穴的破裂是非均匀的，从而产生高速液体喷流，使膨胀气泡的势能转化成液体喷流的动能，在气泡中运动并穿透气泡壁。喷射流在固体表面的冲击力非常强，能对冲击区造成极大的破坏，从而产生高活性的新鲜表面。利用超声波的上述效应，从不同类型的样品中提取各种目标成分是非常有效的。

目前超声波本身在化学领域已经有了广泛的应用，将其应用于各种分离也显示了许多优越性。超声波作用于液-液、液-固两相，多相体系，表面体系以及膜界面体系，会产生一系列的物理化学作用，并在微环境内产生各种附加效应如湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应等，从而引起传播媒质特有的变化。

这些作用能提供更多活性中心，也可促进两相传质维持浓度梯度以及促进反应。这些特点是某些常规手段不易获得的，超声波萃取正是利用了这些特点。

与常规的萃取技术相比，超声波萃取技术快速、价廉、高效。在某些情况下，甚至比超临界流体萃取(SFE)和微波辅助萃取还好。

超声波萃取与索氏萃取：

与索氏萃取相比，其主要优点有：

①成穴作用增强了系统的极性，这些都会提高萃取效率，使之达到或超过索氏萃取的效率;

②超声波萃取允许添加共萃取剂，以进一步增大液相的极性;

③适合不耐热的目标成分的萃取;

④操作时间比索氏萃取短。

超声波萃取与超临界流体萃取：

在以下2个方面，超声波萃取优于超临界流体萃取:

①仪器设备简单，萃取成本低得多;

②可提取很多化合物，无论其极性如何，因为超声波萃取可用任何一种溶剂。

超临界流体萃取事实上只能用CO2作萃取剂，因此仅适合非极性物质的萃取。

超声波萃取与微波辅助萃取：

超声波萃取优于微波辅助萃取体现在：

①在某些情况下，比微波辅助萃取速度快;

②酸消解中，超声波萃取比常规微波辅助萃取安全;

③多数情况下，超声波萃取操作步骤少，萃取过程简单，不易对萃取物造成荇染。

与所有声波一样，超声波在不均匀介质中传播也会发生散射衰减。超声波萃取时，样品整体作为一种介质是各向异性的，即在各个方向上都不均匀，不仅在两种介质的界面发生反射和折射，而且在较粗糙的界面上还发生散射，因此，到达样品内部的超声波能量会有一定程度的衰减，影响提取效果。

对于超声波萃取来说，提取前样品的浸泡时间、超声波强度、超声波频率及提取时间等也是影响目标成分提取率的重要因素。

超声波在媒质中形成介质粒子的机械振动，这种由含有能量的超声波振动引起的与媒质的相互作用，可以归纳为热作用、机械作用和空化作用。

由于超声波的以上作用，可以产生以下效应：

①力学效应，如搅拌作用、分散效应、破碎作用、除气作用、凝聚作用、定向作用等;

②热学效应，如媒质吸收热引起的整体加热、边界处的局部高温高压等;

③光学效应，如引起光的衍射、折射等;

④电学效应，如超声波电镀、压电等;

⑤化学效应，如加速化学反应，产生新的化学反应物。

究竟产生何种效应以及效应的强弱，与超声波作用的参数及作用的对象密切相关。

早在20世纪50年代，人们就把超声波用于提取花生油和啤酒花中的苦味素、鱼组织中的鱼油等。目前，超声波萃取技术已广泛用于食品、药物、工业原材料、农业环境等样品中有机组分或无机组分的分离和提取。

一、在食品工业中的应用

在食品工业中，超声波萃取技术是一项边缘、交叉的学科技术，已引起很多国家科技工作者的广泛关注。

1、油脂浸取

超声场强化提取油脂可使浸取效率显著提高，还可以改善油脂品质，节约原料，增加油的提取量。

目前鱼肝油的提取，主要采用溶出法，出油率低，且高温使维生素遭到破坏。超声波也可用于动物油的加工提取，如鳕鱼肝油的提取等。苏联学者分别用300、600、800、1500kHz的超声波提取鳕鱼肝油，在2~5min内能使组织内油脂几乎全部提取出来，所含维生素未遭破坏，且油脂品质优于传统方法。

超声场不仅可以强化常规流体对物质的浸取过程，而且还可以强化超临界状态下物质的萃取过程。陈钧等对超声波强化超临界CO2流体萃取过程进行了试验研究，从麦芽胚中提取麦胚油，超临界流体萃取附加超声场后，麦胚油的提取率提高10%左右，且未引起麦胚油的降解。

超声波萃取在提取油脂方面的研究与应用十分活跃，已开展的试验和应用涉及到八角油、扁桃油、丁香油、紫苏油、月见草油等的提取。

2、蛋白质提取

超声波提取蛋白质方面也有显著效果，如用常规搅拌法从处理过的脱脂大豆料胚中提取大豆蛋白质，很少能达到蛋白质总含量的30%，又很难提取出热不稳定的7S蛋白成分，但用超声波既能将上述料胚在水中将其蛋白质粉碎，也可将80%的蛋白质液化，还可提取热不稳定的7S蛋白成分。

有学者通过对不同浓度大豆浆体、磨前经热处理大豆浆体及其分离出的豆渣进行超声波处理等一系列试验。结果表明，经超声波处理过的大豆浆体，与不经处理的比较，其豆奶中蛋白质含量均有显著的提高，提高的幅度在12%~20%，这说明超声波处理确实有提高蛋白质萃取率的作用。

超声波处理还可提高浆体的分离温度，降低浆体粘度，可用于直接生产高浓度(高蛋白)的豆奶产品。

3、多糖提取

有学者以白芨块茎为原料提取白芨粗多糖，比较多种提取方法表明，室温下超声波处理是最理想的提取方法。对金针菇子实体多糖的提取，用超声波强化，可使多糖提取率提高76.22%。

有学者利用超声波热水浸提银耳多糖，提取率比酶法高出5%，且浸提时间大大缩短。还有学者对超声波催化酶法提取灵芝多糖的机理、优化方案及降解产品的组分和结构进行了系统的研究，同时也对虫草多糖、香菇多糖、猴头多糖的提取进行了研究，与传统工艺相比，超声波强化提取操作简单，提取率高，反应过程无物料损失和无副反应发生。

有学者对循环气升式超声破碎鼠尾藻提取海藻多糖研究发现，超声波在室温下作用20min，即可达到100℃搅拌4h的多糖提取率，明显高于80℃搅拌4h的多糖提取率。通过比较用超声波和不用超声波提取Salviaofficinalis L中的多糖研究也证实了超声波提取是一种有效的强化提取方法。

4、天然香料提取

有学者用超声波强化超临界流体萃取(SSFE)辣椒中的辣椒素，取得了很好的效果。

有学者用超声波萃取宽叶缬草天然香料，在试验中，他们将用超声波萃取与不用超声波萃取的结果进行了对比，结果表明采用超声波的滤液上及光度吸光度比不用超声波的滤液吸光度高12%~40%，说明超声波对萃取率有明显的影响。

有文献报道，从桔皮中萃取桔皮精油，以二氯甲烷为溶剂，用20kHz超声波萃取10min的精油提出率比水蒸汽蒸馏2h，索氏提取2h的提出率高2倍以上。

5、在食品分析中的应用

超声波萃取也用于食品样品的预处理。测定午餐肉脂肪含量的国家标准(GB5009.696)酸水解法，操作费时繁琐，人为因素影响较大，不易掌握。

有学者利用超声波对酸水解测定午餐肉中脂肪含量的方法进行了改进，超声波提取样品不需加热，缩短了样品消化时间，可对大批量样品的脂肪含量同时测定。

有学者利用超声波提取食品中的甜蜜素，一次可以处理几十份样品，操作简便，精密度及准确度符合要求。

有学者结合大豆异黄酮的超声波提取试验条件，采用HPLC法对样品进行测定，缩短了HPLC法测定大豆异黄酮的前处理时间，提高了大豆异黄酮的提取率，建立了较完善的HPLC法测定大豆异黄酮的前处理与色谱分析条件。

二、在天然植物和药物活性成分提取中的应用

超声波萃取技术的萃取速度和萃取产物的质量使得该技术成为天然产物和生物活性成分提取的有力工具。特别是生物活性成分的提取，例如动物组织浆液的毒质，饲料中的维生素A、维生素D和维生素E等的提取。

由于天然产物和活性成分常用的提取方法存在有效成分损失大、周期长、提取率不高等缺点，而超声波提取可缩短提取时间，提高有效成分的提出率和药材的利用率，并且可以避免高温对提取成分的影响。

印度、美国、前苏联等国已对植物胡椒叶、金鸡纳等药用植物进行了超声波提取的研究，并取得了良好效果。近年来，国内在这方面的工作取得了显著的进展。郭孝武和王昌利等分别概述了超声波萃取技术在中草药有效成分提取、工艺选定、含量控制方面的应用。

超声波提取槐米中的芦丁及黄连中的黄连素，与传统的热碱沸腾提取法比较，提取率由12%～14%增至16%~22%，且成分稳定，不被破坏。

有学者利用超声波技术用甲醇、乙醚、已烷混合溶剂冰浴提取银州柴胡全草、根、茎及叶中挥发性活性成分，并进行高分辨GC-MS分析，鉴定出116种成分。还有学者应用超声波提取了绞股蓝皂甙。

有学者分别探讨了超声波真空冻干提取工艺和常规提取工艺，并对2种工艺提取的美国库拉索芦荟(Aloeveral)中所含的活性物质进行了分析比较。超声波提取配合冻千干燥工艺制得的芦荟凝胶制剂纯度高、活性强，经测定，其过氧化物酶、蛋白质、有机酸高于常规工艺，保留了芦荟凝胶中的大部分活性成分。

此外，应用超声提取的活性物质还包括：千金子脂肪油，元宝枫叶总黄酮，紫薯中的花青素色素，苦楝中的苦楝醇、苦楝酮和苦楝二醇等，杜仲叶中的有效成分，密蒙花黄色素，苦杏仁油，豚草茎中的绿原酸等。这些进一步证明了超声提取技术的先进性、科学性，可用于多种有效物质的提取，为食品工业应用超声波萃取技术提供了有益的借鉴。