天然产物化学 第8章 超声波提取
第八章 超声波萃取 Ultrasound extraction,概述 超声波萃取的基本原理 影响超声波萃取的参数 超声波提取技术的特点 超声波提取技术的应用,一、概述,超声波萃取是基于超声波技术发展起来的近几十年来经常采用的样品前处理方法。该方法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人溶剂，促进提取的进行。,（一）超声波简介 超声波是一种高频机械波，频率范围在20106kHz。 超声波频率可以很高，因而传播的方向性较强，设备的几何尺寸较小； 超声波传播过程中介质质点振动加速度非常大； 在液体介质中，当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象。 超声波的发生：通过机械装置产生谐振形成的超声波（频率2030kHz)；利用磁性材料磁致伸缩现象再经电-声转换发出的声波，频率在几千赫兹到百万赫兹之间；利用压电或电致伸缩效应材料，加上高频电压，产生的超声波，频率在百兆赫兹到千兆赫兹之间。,（二）超声波萃取的分类 1、静态法 广泛地应用于固体样品，包括植物、土壤、沉积物等的提取实验中。静态法仅仅应用了超声波的空化作用，通过强烈的超声空化作用，缩短了目标物到达分配平衡的时间。 2、动态法 基于流动的提取溶液连续地通过固体基质将目标物质提取出来。当提取液连续地通过基质时,降低了提取相中目标分子的浓度，因而促进了目标分子向提取相的转移。再加上超声波能量的辅助作用，能够在有限的时间内将目标分子“完全”提取。,(一)超声波萃取的基本原理 超声波萃取技术的基本原理主要是利用超声波的空化作用来增大物质分子的运动频率和速度，从而增加溶剂的穿透力，提高被提取成分的溶出速度。此外，超声波的次级效应，如热效应、机械效应等也能加速被提取成分的扩散并充分与溶剂混合，因而也有利于提取。,二、超声波萃取的基本原理,1、热力学机理 超声波是一种机械波，超声能也会转化为热能。生成热能的多少取决于介质对超声波的吸收。所吸收的能量大部分或全部转化为热能，导致系统温度的升髙。超声波作用到样品提取系统中，可以使体系介质内部温度迅速升髙，加快固体样品中化合物质的扩散速度，改变目标物质在固-液两相中的分配常数。在实际样品提取时，欲维持体系温度恒定，必须将超声波本身所产生的热量有效地释放至体系外。,2、机械机制 超声波的机械作用主要是辐射压强和超声压强引起的。辐射压强可引起两种效应：简单的骚动效应；溶剂和固体之间出现摩擦。辐射压强沿声波方向传播时，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形、植物蛋白质变性。超声压强将给予溶剂和样品固体以不同的加速度，使溶剂分子运动的速度远大于样品固体的速度，在它们之间产生摩擦。这种磨擦力可使生物分子解聚，使细胞内的有效成分更快地溶解于溶剂中。,3、空化效应 富含能量的超声波作用于提取体系内，液体内部可能被撕裂成很多小的孔穴，当这些孔瞬间闭合时，产生瞬间的高压，即称之为空化效应。空化现象包括气泡的形成、成长和崩溃过程，是超声化学的主要动力，使粒子的运动速度加快，破坏粒子的力的形成，使许多物理化学和化学过程急剧加速，对分散、萃取等过程有很大的促进作用。对植物样品提取而言空化效应有利于加速待测物中有效成分进入溶剂，缩短体系到达平衡的时间。,（二）超声波提取技术的特点,1.提取效率高 采用超声波技术来强化提取过程，提取时间仅为常规溶剂提取法的几分之一，因而提取效率较高。 2.能耗低 施加小功率的超声波即可破碎提取大量的物料，且提取过程可在室温下进行，无需大功率电源。与常规的溶剂提取法相比，单位能耗可下降一半以上。 3.提取物的质量高 由于提取过程的温度较低，因而可最大限度地保持物料中原有的各种有效成分，尤其是热敏性有效成分的性质。同时由于提取时间较短，因而可降低提取物中的杂质含量，提高提取物的质量。,4.提取物的提取率高 超声波所引起的空化效应可使细胞壁及整个生物体破裂，使有效成分得以充分释出，从而可提高目标提取物的提取率。 5.适用范围广 超声提取中药材不受成分、极性和分子量的限制，适用于绝大多数有效成分的提取，如生物碱、黄酮类化合物、醌类化合物、萜类化合物、鞣质、脂质及挥发油等的提取。 6.易于实现自动化和自动控制 目前的超声波提取设备大多可自行设定提取时间、提取温度、循环速度等主要操作参数，并可对这些参数进行自动控制,从而可减少外界因素的干扰，这对产品质量的稳定与提高是非常有利的。,三、超声波提取的主要影响因素,1.浸泡时间 浸泡时间对提取效率的影响实际上是样品湿润程度对提取效率的影响。理论上应将样品浸泡至透心为度，这样有利于溶剂渗入样品组织内部，从而将有效成分提取出来。但若浸泡时间过长，样品组织内的糖类、粘液质等会扩散出来，并附着于样品表面而阻碍溶剂的进入，从而影响提出效率。针对不同的样品，可通过实验来确定适宜的浸泡时间。 2.温度 超声波提取一般不需要加热，但其本身存在较强的热效应，且介质的温度对空化作用的强度也有一定的影响，因此提取过程中对温度进行适当控制也是非常必要的。超声波提取的适宜温度可通过实验来确定。,3.声波频率 超声波的热效应受超声波频率影响显著。一般来说，超声频率越低，产生的空化效应、粉碎、破壁等作用越强，越有利于目标物质的溶出。研究表明，对于大多数样品而言,当其他条件一定时,目标成分的提取率随超声波频率的增加而下降。但用超声波提取技术提取益母草总生物碱时，超声波频率越大，提出率就越大，这表明不同样品的目标成分都有自己适宜的提取频率。 实际应用中,应针对具体的样品和被提取组分，通过实验来确定适宜的超声波频率。,4.超声时间 超声提取通常比常规提取的时间要短。一般情况下，超声处理时间在2045min以内即可获得较好的提取效果。 5 .提取溶剂的性质 在选择提取用的溶剂时，最好能结合植物有效成分的理化性质进行筛选。如在提取皂苷、多糖类成分时，可利用它们的水溶性特性选择水作溶剂；在提取生物碱类成分时，可利用其与酸反应成盐的性质而采用酸浸提方法等。一般混合溶剂具有较宽的提取能力，因此在超声波辅助提取的多目标化合物分析中，如多酚一般采用两种或两种以上的溶剂提取，但也降低了对目标分子提取的选择性。,6.样品颗粒的大小 样品颗粒的大小影响到提取的速率。颗粒小，比表面积大，与溶剂接触的面积大，有利于目标成分的扩散，在较短的时间内可以达到固液分配平衡。同时，颗粒减小，比表面积增大，表面张力增加，因而增加了物理吸附，进而影响目标分子在固体界面上的活度，可能对热力学平衡常数产生影响。一般 粉碎的植物样品要求过60100目筛（0.2500.149mm)后再进行提取实验，既增加了提取的速率，又有利于植物样品均匀混合，保证称取的样品具有代表性。,7.占空比 超声波的占空比是超声波的工作时间与间隙时间(脱气时间)之比。根据操作方式的不同，超声波提取器可分为连续式和间歇式两种类型。连续式超声波提取器的介质中一直有超声波存在，而间歇式超声波提取器在工作一段时间后，即停止一段时间进行脱气。 占空比对控制液体中由超声波产生的空化现象及其附加作用有明显影响。但占空比对药物有效成分提取率的影响，占空比与其他参数对中药提取的效率、杂质含量的交互影响，以及较小占空比是否有利于维持有效成分的化学结构等还需进一步的研究。 （实例）,四、超声波提取设备,超声波提取设备主要由提取槽、超声波发生器和电源等部分组成。提取槽是盛放提取物系的容器，一般由不锈钢制成，其内安装有加热及控温装置，底部粘接超声波换能器。超声波换能器是超声波提取设备的关键部件，其作用是将电能转换成机械能。目前，超声波提取设备使用的换能器主要有磁力换能器和压电换能器两种类型。磁力换能器是用会在变化的磁场中发生变形的材料，如镍或镍合金材料制成；而压电换能器则由可产生压电效应的材料，如锆钛酸铅或其他陶瓷材料制成。若将压电材料置于电压变化的电场中则会产生变形，这就是压电效应。无论使用何种换能器，其基本因素常是空化效应的强度。,目前，超声波提取设备已实现商业化生产,可以满足小试、中试和大生产的需要。图8-1是国产HF型超声波提取设备的外形图,有多种型号,其中HF-2.5B型适用于实验室中小试研究,HF-50B型适用于中试研究,而HF-500B型则可用于工业规模的提取。,五、超声波提取技术的应用,与传统提取相比，超声波萃取已证明在天然物质提取中可获得比常规方法更佳的提取效果和提取率，有着广阔的应用前景。超声波辅助提取法具有设备简单、容易操作、成本低和产量大等特点。,1.生物碱的提取 采用常规提取技术提取中药中的生物碱往往具有提取时间长、提取收率低等缺陷，而采用超声技术提取生物碱具有工艺简单、省时、提取率高等优点。郭孝武等人分别用超声和常规回流两种提取方法从益母草中提取益母草总生物碱，结果表明，用110kHz的超声波提取40min的提取率比常规回流提取2h的提取率高出1倍，且具有工艺简单、无需加热的优点。,2.苷类物质的提取 与传统的水煎煮法或溶剂浸提法相比，用超声技术提取苷类物质具有省时、杂质少、提取率高等优点。 王昌利等人利用超声技术从穿山龙中提取薯蓣皂甙，结果表明超声提取法具有省时、节能、提取率高等特点。 宋小妹等人利用超声技术从长梗绞股蓝中提取绞股蓝皂苷，结果表明，与常规的乙醇回流提取法相比，绞股蓝皂苷的得率显著提高。 张崇禧等人以人参须根为原料，分别对传统水煎法、温浸法、乙醇回流法、微波萃取法和超声提取法提取人参总皂苷的工艺进行了考察，结果表明超声提取法具有快速、安全、简便、成本低、提取率高等特点，且不破坏皂苷成分。,3.黄酮类物质的提取 黄酮类物质常用水煎煮法、浸提法或碱提酸沉法等传统方法来提取，缺点是费时、费工，且提取率较低。近年来，超声提取技术在黄酮类物质的提取方面已有很多报道。郭孝武等人以乙醇为溶剂，利用超声技术从杜仲叶中提取黄酮类化合物，结果表明在最佳工艺条件下用超声提取45min，杜仲叶中总黄酮类化合物的提出率可达25.43%。,4.蒽醌类物质的提取 蒽醌类衍生物在植物体内的存在形式比较复杂,游离态与结合态经常共存于同一种中草药中,其常规提取方法都是采用乙醇或稀碱水溶液来提取，缺点是有效成分会因长时间受热而被破坏，因而提取率较低。郭孝武利用超声技术从大黄中提取大黄蒽醌类物质，结果表明以频率为20kHz的超声波提取10min比常规煎煮法提取3h的提取率要高。 牛栋等人在复方首乌口服液的提取工艺中，利用超声技术对含有大量蒽醌苷类衍生物的何首乌、大黄、番泻叶进行提取，从而可避免蒽醌苷类物质因久煎而破坏有效成分的风险。,5.多糖类物质的提取 近年来发现多糖类化合物具有抗肿瘤和增强免疫的功能，其传统提取方法主要有水煎法和浸泡法，缺点是提取率低、费时。若用超声法提取多糖类物质，则可缩短提取时间，提高提取率。李钟玉等人以水为溶剂，利用超声技术从灵芝中提取灵芝多糖，结果表明,与传统的酸提法相比，超声法的提取率较高,且提出物中的糖含量明显增加。 张静等人对水溶性甘草多糖的提取工艺进行了研究，结果表明在最佳提取工艺条件下，超声法提取水溶性甘草多糖的量是水煎煮法的2.77倍，说明超声法是从甘草中提取水溶性多糖的好方法。袁忠海等人探索了超声波对魔芋精粉中葡甘露聚糖提取率的影响，结果表明超声法的提取率明显高于常规水提法的提取率。,6.有机酸的提取 有机酸广泛存在于植物的各部位，用常规法提取植物中的有机酸时往往存在费时、提取率低的缺陷，而超声法提取则可取得良好的效果。张振凌等人用当归制备当归流浸膏，与药典制备当归流浸膏的工艺相比，超声法制备当归流浸膏的工艺不仅提高了浸提效率，缩短了生产周期，而且还提高了总固体及有效成分阿魏酸的含量。 吴燕芬等人以不同浓度的乙醇溶液为溶剂，分别采用超声法和回流法从鱼腥草中提取氯原酸，结果表明超声法的提取效果较好。,
