超声波萃取超声波萃取Ultrasoundextractionp背景p超声波萃取原理p超声波提取的主要影响因素p超声波提取技术的特点p超声波提取设备p超声波提取技术的应用p超声波提取技术展望1 背景2 超声波萃取原理 超声波是一种高频机械波频率范围在2060kHz的超声，常被用于过程的强化和引发化学反应超声场主要通过超声空超声空化化向体系提供能量，瞬间空化可实现5000的高温和50MPa的局部高压,在有机物降解和天然产物有效成分的提取等方面均有一定的应用超声波的提取速度较快，收率有可能大大超过索氏提取法目前，超声波提取技术已被许多中药分析过程作为提供试样的处理手段，在中药制剂提取工艺中的应用也受到越来越多的重视超声波萃取(Ultrasoundextraction,UE),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2 超声波萃取原理2 超声波萃取原理 超声波很像电磁波，能折射、聚焦和反射，但超声波又不同于电磁波，电磁波可在真空中自由传播，而超声波的传播则要依靠弹性介质。
超声波在传播时，使弹性介质中的粒子产生振荡，并通过弹性介质按超声波的传播方向传递能量超声波可以产生空化效应、机械效应和热效应2 超声波萃取原理空化效应空化效应空化效应空化效应 液体或多或少溶有微气泡，超声的作用亦使液体内产生无数微小空腔，且尺寸不一当一定频率的超声波作用于液体时，只有尺寸适宜的小气泡能发生共振现象，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长大接近共振尺寸时，在声波的稀疏阶段，小泡迅速胀大；在声波的压缩阶段，小炮又突然被绝热压缩，直至湮灭，这瞬间在气泡及其周围微小空间内出现热点，形成高温高压区，温度达5000K以上，强大的微激波压力达500atm，因此超声作用可使植物细胞壁及整个生物体破裂，而且破裂在瞬间完成，有利于有效成分在液体媒介中溶出这是超声波的空化效应空化效应2 超声波萃取原理2 超声波萃取原理机械效应机械效应机械效应机械效应 超声波的高频振动及辐射压力可在气体或液体中形成有效的搅动与流动，使媒质质点在其传播空间内进入振动状态，从而可加速细胞内物质的释放、扩散及溶解过程此外，空化气泡振动对固体表面产生的强烈射流及局部微冲流,均能显著减弱液体的表面张力及磨檫力,并破坏固液界面的附着层，起到普通低频机械搅动达不到的效果,换句话说，由于它可给予介质和悬浮体以不同的加速度且介质分子的运动速度远远大大于于悬浮体分子的运动速度，从而在两者之问产生摩擦，这种摩擦力可使生物细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。
这是超声波的机械效应机械效应热效应热效应热效应热效应 超声波在弹性媒质中传播时，其能量不断被媒质质点吸吸收收并并转转化化为热能，从而使媒质质点的温度升高，这种现象称为超声波的热效应空穴闭合或气泡崩塌之后，其内“热点”骤然冷却，冷却速度可达108K/s这相当于将金属熔浆放入液氮中的急剧冷却速度由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬时的，因此可以使被提取的成分的结构和生物活性保持不变此外，超声波还可以产生许多次次级级效效应应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并与介质充分混合，加快了提取过程的进行，并提高了药物有效成分的提取率2 超声波萃取原理2 超声波萃取原理2.2 2.2 超声波萃取原理超声波萃取原理 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，因而也有利于提取利用超声波提取技术提取中药有效成分时，首先在液体介质中产生特有的空化效应，即不断产生无数内部压力达上千个大气压的微小气泡，并不断“爆破”产生微观上的强冲击波而作用于中药材上，促使药材植物细胞破壁或变形并在溶剂中瞬时产生的空化泡的作用下发生崩溃而破裂，这样溶2 超声波萃取原理剂便很容易地渗透到细胞内部，使细胞内的化学成分溶解于溶剂中。
由于超声波破碎过程是一个物理过程物理过程，因而不会改变被提取成分的化学结构和性质其次,超声波在介质中传播可使介质质点在其传播的空间内产生振动，从而可强化介质的扩散与传质，即超声波的机机械效应械效应，超声波在传播过程中产生的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；同时,它还可给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子运动速度远大于悬浮体分子的运动速度，从而在两者之间产生磨檫，这种磨檫力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂中2 超声波萃取原理 再次，与其他物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播与扩散过程超声波在介质中传播时，其声能可以不断地被介质的质点所吸收，同时介质会将多吸收的能量全部或大部转变成热能，导致介质本身和药材组织的温度上升，从而增大药物有效成分的溶解度，加快有效成分的溶解速度由于这种吸收声能而引起的药物组织内部温度的升高是瞬时的，因而不会破坏被提取成分的结构和生物活性可见，在超声波的作用下，中药材中的有效成分不仅作为介质质点而获得巨大的速度和动能，而且在超声波的空化效空化效应、机械效应和热效应的共同作用下应、机械效应和热效应的共同作用下而受到强大的外力冲击，从而使提取速率显著提高。
超声波提取中药材的优越性，是基于超声波的特殊物理性质3 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药材湿润程度对提取效率的影响理论上应将药材浸泡至透心为度，这样有利于溶剂渗入药材组织内部，从而将有效成分提取出来但若浸泡时间过长，药材组织内的糖类、粘液质等会扩散出来，并附着于药材表面而阻碍溶剂的进入，从而影响提出效率针对不同的药材，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例如，当以水为介质时，温度升高，水中的小气泡(空化核)增多，对产生空化作用有利；但温度过高时，气泡中的蒸气压太高，将增强气泡闭合时的缓冲作用，导致空化作用减弱实验表明，当以水为介质时，超声波提取的温度宜控制在60左右当采用其他溶剂时，超声波提取的适宜温度可通过实验来确定3.声波频率 超声波频率是影响有效成分提取率的主要因素之一研究表明，对于大多数药材而言,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，这表明不同药材的目标成分都有自己适宜的提取频率。
3 超声波提取的主要影响因素 实际应用中,应针对具体的药材品种和被提取组分，通过实验来确定适宜的超声波频率此外，由于介质受超声波作用而产生的气泡尺寸不是单一的，存在一个分布范围，因此提取时超声波频率也应有一个变化范围4.声处理时间 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相对于其他影响因素而言，超声提取时间对提取率没有显著影响例如，在均匀设计法优选超声波提取苦杏仁油和沙枣油的试验中，相对于溶剂用量和超声频率而言，超声时间的影响最小，可以忽略不计3 超声波提取的主要影响因素3 超声波提取的主要影响因素5.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。
4 超声波提取技术的特点 1.1.提提取取效效率率高高 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2.2.能能耗耗低低 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3.3.提提取取物物的的质质量量高高 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4.4.提提取取物物的的提提取取率率高高 超声波所引起的空化效应可使植物细胞壁及整个生物体破裂，使药材中的有效成分得以充分释出，从而可提高目标提取物的提取率5.5.适适用用范范围围广广 超声提取中药材不受成分、极性和分子量的限制，适用于绝大多数种类中药材和有效成分的提取，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6.6.易易于于实实现现自自动动化化和和自自动动控控制制 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。
7.7.符符合合GMPGMP要要求求 超声波提取设备可采用全不锈钢制造，并可在全封闭的条件下运行，洁净卫生，符合GMP要求4 超声波提取技术的特点 药品生产质量管理规范药品生产质量管理规范5 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与其他声波一样，超声波是一系列的压力点，即是一种压缩与膨胀相交替的波若声能强度足够，即换能器将高频电能转换为机械能之后，会产生振幅极小的高频震动并传播至提取槽内的溶液中在换能器的作用下，溶液在波的膨胀阶段被推开，由此产生气泡；而在波的压缩阶段，这些气泡就在液体中瞬间爆裂或内爆，并产生一种非常有效的冲击力，从而发挥其空化作用，起到强化提取过程的作用。
5 超声波提取设备 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5 超声波提取设备6 超声波提取技术的应用 与传统提取相比与传统提取相比，超声波萃取已证明在天然物质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、容设备简单、容设备简单、容设备简单、容易操作、成本低和产量大易操作、成本低和产量大易操作、成本低和产量大易操作、成本低和产量大等特点超声波辅助提取过程中溶剂损耗最小，因此其所得含量最高，但不适合大批不适合大批不适合大批不适合大批量或工业化提取量或工业化提取量或工业化提取量或工业化提取6 超声波提取技术的应用1.1.生物碱的提取生物碱的提取 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。