超聲波在天然成分提取分離的應用原理初探摘要超聲因其具有多種物理和聲化學效應，其在食品工業中有廣泛的應用，包括超聲提取、超聲滅菌、超聲干燥、超聲乳化、超聲過濾、超聲清洗等。本文主要就超聲波提取分離的原理、優點作一綜述，并對其以后在提取分離中的發展進行展望。關鍵詞超聲波提取分離原理1超聲波概述1.1超聲波的概念超聲波指的是頻率在2X104—2X1O9Hz的聲波，是高于正常人類聽覺范圍的彈性機械振動。超聲波與電磁波相似，可以被聚焦，反射和折射，其不同之處在于前者傳播時需要彈性介質，而光波和其他類型的電磁輻射則可以自由地通過真空。眾所周知，超聲波在介質中主要產生二種形式的機械振蕩，即橫向振蕩（橫波）和縱向振蕩（縱波），而超聲波在液體介質中只能以縱波的方式進行傳播。由于超聲波頻率高，波長短，因而在傳播過程中具有定向性好、能量大、穿透力強等許多特性［1］。超聲波與媒質的相互作用可分為熱機制、機械（力學）機制和空化機制3種。［2］超聲波在媒質中傳播時，其振動能量不斷被媒吸收轉變為熱量而使媒質溫度升高，此效應稱之為超聲的熱機制；超聲波的機械機制主要是輻射壓強和強聲壓強引起的；在液體中，當聲波的功率相當大，液體受到的負壓力足夠強時，媒質分子間的平均距離就會增大并超過極限距離，從而將液體拉斷形成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收縮與崩潰的瞬間，泡內可以產生局部的高壓，以及數千度的高溫，從而形成超聲空化現象。空化現象包括氣泡的形成、成長和崩潰過程。可見，空化機制是超聲化學的主動力，使粒子運動速度大大加快，破壞粒子的力的形成，從而使許多物理化學和化學過程急劇加速，對乳化、分散、萃取以及其它各種工藝過程有很大作用。對于超聲波的研究及其在各個行業中的應用，研究較多，可是對于其應用的機理研究的卻很少，能過查閱華南農業大學圖書館，SCI數據庫，我們發現，對于超聲波的研究有4680篇，可是對于其機理的研究卻只有206，所占比例不到5%。如下圖1。且大多數只停留在試驗室階段。圖1超聲波研究現狀1.2天然植物有效成分提取分離[3]天然植物有效成分大多為細胞內產物，在提取時往往需要將植物細胞破碎。傳統提取分離方法有溶劑提取法，水蒸汽蒸餾法和升華法，這些方法都存在提取率低，提取時間長，效率低等缺點。現有的機械破碎法難于將細胞有效破碎，而化學破碎方法又容易造成被提取物結構的改變,從而使之失去活性。上世紀20年代,人們首次發現了超聲波可以加速化學反應。隨后產生了研究在超聲波作用下物質進行化學反應的一門新興交叉學科一一聲化學。超聲波是一種特殊形式的能量，其在溶液中形成的沖擊波和微射流可以快速地擊活反應分子,從而能較大幅度地提高反應活性。將超聲波應用于提取植物的有效成分,操作簡便快捷、無需加熱、提取率高、速度快、提取物的結構未被破壞、效果好，顯示出明顯的優勢。隨著超聲清洗器的逐漸普及，以超聲波作為反應的催化方式已成為熱點。近年來中、美、日、英等20多個國家的學者在這方面進行了卓有成效的研究工作，取得了重要的進展。超聲波應用于提取植物中的生物堿、苷類、生物活性物質、動物組織漿的毒質等研究已有報道，研究表明:超聲波提取可以強化水浸提法，具有能耗低、效率高、省時、不破壞有效成分、避免高溫對提取成分的影響等特點，具有廣闊的應用前景。2提取分離的細胞破碎過程中藥材以來源分為植物藥、動物藥和礦物藥等類別，前兩種藥材大多具有細胞結構，活性成分都以某種形式分散于藥材的細胞液中；而礦物藥無細胞結構，所以在提取中，所提取的成分將半溶解或分散而懸浮于溶劑之中。在這里以植物性藥為例說明中藥提取過程中的細胞破碎的微觀現象，借以闡明固一液提體系中有效成分的轉移提取過程。植物細胞是由比較堅韌的細胞壁和內部的原生質體（包括細胞質、細胞核、質體等）、后含物（原生質體的產物）組成。而植物藥中的活性成分如生物堿、苷、有機酸、糖、揮發油、蛋白質等均存在原生質體中，是植物在生長時期，進行一系列的新陳代謝過程后形成的。可看出這些生物活性成分大部分存在于細胞壁內，少量存在于細胞間隙。新鮮藥材的細胞液中含有多種可溶性物質或不溶性物質，為了便于儲存和運輸，新鮮藥材都需干燥，而經干燥后，組織內水分被蒸發，細胞干癟萎縮，細胞中溶解的活性成分呈結晶或無定形狀態干涸沉積于細胞中，從而使細胞內出現空洞、形成空隙、充滿空氣，使細胞質膜的半透性喪失。由細胞結構看出破碎細胞是為了釋放出細胞中的內含物，以便快速地提取出來。從植物藥中提取其中化學成分的提取過程，就是提取細胞內物質，所以細胞壁是影響提取速度的壁壘之一。必須通過溶劑和植物密切接觸，將溶劑送入植物細胞壁內，促使原生質中的各種化學成分溶解到溶劑之中，以擴散出細胞外，這是一個細胞被破碎，成分溶解的復雜過程。利用超聲提取分離技術以加速溶劑流動、滲透、溶解、擴散等傳質的整個全過程，這過程發生在固體內部和周邊環境中，且與介質形態變化、固一液箱間的宏觀運動結合在一起，是質量、動量傳遞偶合的過程。提取過程按其溶劑與有效成分的作用分為：浸潤、滲透、溶解和擴散、置換三個階段。3超聲波在提取分離中的作用過程3.1基本原理對于超聲波在天然有效成分的提取分離中的作用及其作用機理的研究，學術界有著不同的見解。主要有以下兩種研究。一種根據提取實驗所得成分結果，從理論上進行分析，推理超聲可能出現的物理、物理化學和化學作用，從而探討超聲提取的基本原理，如有人認為⑷：“中草藥一一超聲有破壞植物組織、加速溶劑穿透組織作用，并能提高中草藥的有效成分的提出率”；還有人認為⑸：“利用超聲稀疏振蕩，破壞植物組織，加速溶劑穿透組織作用，提高中草藥有效成分提取率，如金雞納樹皮中全部生物堿用一般方法浸出需要5h以上，采用超聲波只要0.5h就能完成”;另外也有人認為細胞壁的破裂主要是超聲社會化引起的⑹。由變幅桿端部發射出強超聲波，激活液體中的社會化泡、氣泡在崩潰時伴隨發生沖擊波或射流作用于細胞壁并使其破裂。另一種是用掃描電子顯微鏡或光學顯微鏡等設備對被超聲提取和傳統提取的單味藥材不同部位的細胞結構與形貌進行觀察、照相和對比，從顯微結構的變化上，來說明超聲提取的機理：XZ這些作用簡言之都是利用超聲波在物質介質中的相互作用的效應，熱效應、空化效應和機械傳質效應。超聲波的熱效應、機械傳質作用及空化作用成為超聲技術在提取應用中的三大理論依據。3.2超聲波對細胞的破壞作用下面主要是比較了超聲提取分離法和傳統浸泡法等提取植物根、莖、葉、花等部位細胞的損傷變化情況的照片，分析超聲提取對植物作用的基本原理。3.2.1植物的根根是植物體的營養器官，并固著、支持植物體延伸到圭中的部分，含有各種化學成分。塊根也屬植物體的根類，是植物體生長在土中的部分。S.Balachandran等從生姜中用超聲提取姜辣素，先將生姜粒部分放在水中，用超聲提取或用刀片切開的生姜顆粒再經超聲提取5min，然后取出，置于光學顯微鏡下觀察并照相，得生姜顆粒細胞開關的光學顯微照片，如圖2。

Parttclnsurface圖2生姜粒經超聲提取后的掃描電子顯微鏡圖像HeavilydsmagsdregiondamagedregionParttclnsurface圖2生姜粒經超聲提取后的掃描電子顯微鏡圖像Heavilydsmagsdregiondamagedregion由圖2看出原生姜料組織細胞都排列整齊，呈多邊形，見圖A所示：經超聲提取后，組織細胞排列雜亂，細胞輪廓不清晰，且細胞壁破壞，促進了細胞內物質向溶劑中釋放，如圖B所示：用刀片切開的生姜顆粒經超聲提取后，在片狀截面上出現兩種強弱截然不同的破區域，而強破壞區出現在距離顆粒表現200um的范圍，且破壞了細胞矩陣。3.2.2植物的莖莖是植物的主干，一般生于地上或部分生于地下，其中含有各種化學成分。郭孝武［11將益母草莖稈截成短節，以水為溶劑，用超聲（頻率為20khz）提取30min，或用浸泡法提取24h，提取益母草總堿后，以原益母草莖為對照材料，同時經干燥，鍍膜，然后置于掃描電子顯微鏡下觀察照相，得益母草莖細胞結構的電子顯微鏡照片，如圖3所示。圖3經不同提取法提取后益母草莖的掃描電鏟圖（放大倍數為*104）由圖3看出原益母草莖的橫向組織細胞排列整齊，呈六邊形，輪廓明顯，見圖a所示；經過溶液浸泡提取后，組織細胞基本無任何變化，只是莖內細胞經浸泡再干燥而收縮，如圖b所示；經超聲提取后，在圖c中看出益母草莖部分細胞被打破，排列雜亂，細胞輪廓不清晰，圖中看出部分組織細胞被打破，形成空洞，還有部分細胞壁破裂，細胞之間互不相連。3.2.3植物的葉葉是植物進行光合作用、制造養分、進行氣體交換和水分蒸發的重要器官。郭孝武［12］將干淫藿吉放入水溶劑中，分別用傳統浸泡撮4h或用超聲提取30min，以原淫羊藿作對照材料，提取后，干燥、鍍膜，然后置于掃描電子顯微鏡下觀察照相，得淫羊藿葉表面細胞開關的掃描電子顯微鏡細微照片如圖4所示。圖4-1不同提取法提取淫羊藿葉的掃描電鏡圖

圖4-2不同提取法提取淫羊藿葉后的表面損傷由圖4看出淫羊藿中原葉葉面平整，其細胞細微結構呈多角形，輪廓明顯，表面蠟質多呈顆粒狀，少數連成不規則片狀，分布均勻，葉脈清晰完整。其原葉細胞排列緊密、整齊，輪廓明顯，分布均勻；經水溶液浸泡提取后，外表顏色無變化，葉面因浸泡提取后又干燥而略有皺褶，而細胞的形態結構與原葉細胞比基本無變化，只是表面蠟質大部連成不規則的片狀及大小不等的顆粒，分而不均勻。而葉的細胞的形態結構與原葉細胞相比基本無變化，只是細胞膨脹，細胞排列疏松；經超聲提取后的淫羊藿葉，葉表面葉肉被打掉，葉脈基本完整，多數細胞被擊破形成空洞，細胞壁破裂已不完整，部分區域細胞輪廓已不清晰。而葉組織細胞壁被打破，細胞壁裂開，有的細胞之間斷開。MaricelaToma等［13對薄荷葉和金盞菊葉等進行研究，其結果如圖5，圖6.將葉片放入乙醇溶液中，分別用浸泡提取或20kHz和500kHz超聲波提取2h后，然后置于光學顯微鏡下觀察照相，得干薄荷葉和金盞菊葉表面細胞形狀的細微照片。a（未處理） b（20Kb）

C(500Kb)圖5超聲對干薄荷葉作用后的顯微圖a(未處理) b(20Kb)C(500Kb)圖6超聲對金盞菊葉作用后的顯微圖由上圖可以看出，未經處理的葉片完整無缺，細胞未受損壞，而經500kHz超聲波作用后的葉片，大多數受到了破壞；而經20kHz超波作用后的葉片，受超聲影響更顯著，作用更強，破壞更嚴重，造成葉細胞組織分解。以上的一些對個別藥用植物的不同部位用低頻超聲提取方法進行提取實驗后所觀察到的組織細胞變化情況，說明超聲提取分離的特有作用，對物質組織細胞表面薄膜的破壞。我們可以得到，超聲在提取分離過程中的作用主要是通過其熱效應，機械效應和空化效應三個理論效應，加速浸潤、滲透，促使解嘲、溶解和幸擴散、置換。3.3超聲提取分離原理的理論分析前面計了植物藥材在傳統的溶劑提取法提取化學成分過程中的細胞破碎的三個階段，當加入超聲后，超垢對細胞破碎每個過程都有很大的促進作用。從不同提取法對液一固提取的實例的各種微觀照片來進行分析，探討超聲為什么對藥材組織細胞有如此的效果。超志在液一固提取過程中所產生不同效應對物質都有哪些作用。為此，下面將簡述超聲空化的物理過程及其基本效應，然后對超聲所產生的各種效應進行理論分析，以闡明超聲提取的基本原理，了解各效應對物質的不同作用。3.3.1超聲空化的物理過程及其基本效應超聲空化是強超聲在液體中傳播時，引起的一種特有的物理列。所謂空化是批液體中由于某種原因產生了負壓，當負壓達到某一臨界值時，能將液體拉斷，從而在液體形成局部氣體或蒸汽空腔的現象。這種能將液體撞斷的臨界負壓值稱為空化閾。超聲空化的物理過程：超聲在液體中是以縱波的方式傳播的，其交變聲壓在液體中周期性地產生拉伸與壓縮。對較弱的超聲，在聲壓的負壓階段，空化核被拉大，而在正壓階段，氣泡又縮小，即氣泡隨聲波的頻率而作脈動變化，這稱為“穩態空化”。而對足夠強的超聲，即聲壓的幅值超過空化閾時，氣泡先在聲壓的蠲階段迅速膨脹，達到其最大半徑，接著在正壓階段劇烈壓縮，直至崩潰。由于接近崩潰時泡壁的壓縮速度極大，甚至超過泡內氣體的聲速，此時的能量密度高度聚焦，幫能在崩潰瞬間引發高壓、高溫、發光、放電、高速射流、沖擊波等一系列極端物理效應。這稱為“瞬態空化”或“慣性空化”。汪承灝、張德俊等［14采用延時采樣照相和高速攝影獲得的用機械動力式方法，將一個快速拉升的盛液容器突然制動，其中產生的單個氣泡空化過程照片。如圖7所示。他們還用光電倍增管測出氣泡崩潰瞬間產生的光輻射脈沖，用電探針測出其電磁輻射脈沖，并證明它們是同時發生的。朋潰表面張仄？占度以-時產:周圍壬和的和壓強烈場中的頻率、聲力等影響，液體中的微波氣］■以此，根據液體內含氣朋潰表面張仄？占度以-時產:周圍壬和的和壓強烈場中的頻率、聲力等影響，液體中的微波氣］■以此，根據液體內含氣和液體的Z在聲場的和蒸汽的寸采樣空化泡的動力學行為和對超聲的響應程度，人們將聲空化分為穩態和瞬態兩種空化類型。3.3.1超聲空化的其基本效應超聲提取分離藥材中化學成分的過程中，是超聲波在溶劑中傳播時，所產生

的空化效應在而使藥材組織細胞受到一系列作用，伴隨超聲空化還產生了機械效應、熱效應、光致效應、活化效應等不同的聲能與物質相互作用的形式。超聲空化效應是增強提取分享過程的主導因素。但超聲社會化作用本身是無選擇性的破壞，當參數選擇不當時，特別是在高強度或長時間處理條件下，空化作用不公能打破細胞壁，也可能會打破被提取物質的分子，從而影響所提得的化學成分的產率。另外因植物細胞壁的特殊結構及其屏障作用，決定了對藥材中化學成分的提出率有一定的限度，并受到多種因素的影響，所以在超聲提取分離過程中應注意一些條件的選擇。4結論超聲提取法是對提取過程進行超聲波強化處理,超聲在生化提取中的應用最早用于粉碎細胞壁，以釋放出其內容物。近年來在中藥研究中有較多的應用。超聲波提取的作用機理是因為超聲波是一種彈性波，其振動能產生強大的能量，給與媒質點以很大的速度和加速度,使浸提劑和提取物不斷震蕩，有助于溶質擴散。超聲波在植物組織細胞里，比電磁波穿透更深，停留時間也較長。大能量的超聲波作用于液體使其被撕裂成很多小空穴,小空穴閉合時產生高達幾千個大氣壓的瞬時壓力，作用于葉肉組織，稱為空化［15』空化可加速植物中的有效成分進入溶劑，增加有效成分的提取率。參考文獻［1］ 王菊萍.超聲波對紡織品生物酶處理工藝的影響研究.蘇州大學碩士論文.2006.1.［2］ 宋國勝，胡松青，李琳.超聲波技術在食品科學中的應用與研究.現代食品科技.2008,4(6):609-670.［3］ 孫慶磊，梁月榮，陸建良.超聲波在茶葉提取中的應用.茶葉.2006,32(2):79?82.［4］ 程存北.超聲技術一一功率超聲及其應用.西安：陜西師范大學出版社，1993:258.［5］ 馬鳴遠.超聲分散在醫藥工業方面的應用.超聲技術，1980,(2):30.［6］ 馮若等.聲化學及其應用.合肥:安徽科學技術出版社,1992:67-90.［7］ 郭孝武.一種提取中草藥化學成分的方法一一超聲提取法.天然產物研究與開發，1999,11(3):37-40.A.I.G.Limaetal.Glutathione-mediatedcadmiumsequestrationinRhizobiumleguminosarumEnzymeandMicrobialTechnology39(2006)763-769.郭孝武.超聲社會化對植物藥材細胞結構的作用//全國制藥工程學會.第三屆全國制藥工程科技與教育研討會會議論文集，杭州，2004:162-166.丘泰球等.花粉細胞超聲破壁技術的研究.應用聲學,1992,11(2):10-13.S.Balachandran,S.E.Kentisha,R.Mawson,M.Ashokkumar.Ultrasonicenhancementofthesupercriticalextractionfromginger.UltrasonicsSonochemistry13(2006)471-479.郭孝武.超聲對益母草莖內組織損傷與總堿產率關系研究.陜西師范大學學報(自然科學版).2004,12,(32):56-58.郭孝武.超聲提取對淫羊藿葉作用效果的研究.陜西師范大學學報(自然科學版).2002,12(32)：58-60.MaricelaToma,M.Vinatoru,L.Paniwnyk.Investigationoftheeffectsofultrasoundonvegetaltissuesdurinsolventextraction.UltrasonicsSonochemistry8(2001)137-142.汪承灝,張德俊等.單一空化氣泡的電磁輻射和光幅射.聲學學報.1964,12(2):59-62.郭孝武.超聲技術在中草藥成分提取中的應用.中草藥，1993,24(10):548-549.楊景峰，羅志剛,羅發興.物理波在真菌多糖提取中的應用 .糧油食品科技.2005,5(15):55-58.T.Hamida,T.Babadagli/Colloids andSurfacesA:Physicochem.Eng.Aspects316(2008)176-189Biotechnol.Prog.FeasibilityStudyofRepeatedHarvestingofMentholfromBiologicallyViableMenthaxpiperataUsingUltrasonicExtraction.2001,Vol.17,No.5,924—928.H.-F.Zhangetal.SimultaneousextractionofepimedinA,B,CandicariinfromHerbaEpimediibyultrasonictechnique.UltrasonicsSonochemistry15(2008)376-385.V.Sivakumaretal.Sono-leathertechnologywithultrasound:Aboonforunitoperationsinleatherprocessing-reviewofourresearchworkatCentralLeatherResearchInstitute(CLRI),IndiaUltrasonicsSonochemistry16(2009)116-119.郭孝武，謝國蓮.超聲提高益母草總堿提出率的實驗研究.中國中藥雜志.1997,6(22):353-355.萬水昌，王志祥，樂龍等.超聲提取技術在中藥及天然產物提取中的應用.西北藥學雜志.2008,2(23):60-62.楊景峰，羅志剛，羅發興.物理波在真菌多糖提取中的應用.糧油食品科技.2007,5,55-58.M.Djenouhatetal.Ultrasonication-assistedpreparationofwater-in-oilemulsionsandapplicationtotheremovalofcationicdyesfromwaterbyemulsionliquidmembranePart2.PermeationandstrippingSeparationandPurificationTechnology63(2008)231-2