超音波萃取是使用超音波萃取機，利用超音波輻射壓強產生的強烈空化應效應、機械振動、擾動效應、高的加速度、乳化、擴散、擊碎和攪拌作用等多級效應，增大物質分子運動頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而加速目標成分進入溶劑，促進提取進行的成熟萃取技術。超聲萃取技術適用萃取劑範圍廣，水、甲醇、乙醇等都是常用的萃取劑，具有操作簡便，萃取效率高等優點。
基本介紹
- 中文名：超音波萃取
- 外文名：ultrasonic extraction
- 技術領域：提取工藝
- 套用：食品等生物質提取
- 屬性：彈性機械振動波
- 使用條件：需介質中傳播
簡介,原理,特點,優點,套用,
簡介
超音波萃取利用超音波輻射壓強產生的強烈空化應效應、機械振動、擾動效應、高的加速度、乳化、擴散、擊碎和攪拌作用等多級效應，增大物質分子運動頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而加速目標成分進入溶劑，促進提取的進行。
原理
超音波是一種彈性機械振動波，與電磁波本質上不同。因為電磁波在真空中傳播，而超音波必須在介質中傳播，穿過介質時，形成膨脹和壓縮的全過程。
在液體中，膨脹過程形成負壓。如果超音波能量足夠強，膨脹過程會在液體中生成氣泡或將液體撕裂成很小的空穴。這些空穴瞬間閉合，閉合時產生高達3000MPa 的瞬間壓力，稱為空化作用，整個過程在400μs 內完成。
空化作用細化物質以及製造乳液，加速目標成分進入溶劑，提高提取率。除空化作用外，超音波的許多次級效應也都利於目標成分的轉移和提取。
成穴現象的重要意義在於氣泡破裂時發生的反應。一些點位，氣泡不再吸收超音波能量，而產生內爆。氣泡或空穴里的氣體和蒸汽快速絕熱壓縮，產生極高的溫度和壓力 。
氣泡體積相對液體總體積來說極微，因此產生的熱量瞬間散失，對環境條件不會產生明顯影響，空穴泡破裂後的冷卻速度估計約為1010℃/s 。
超聲空穴提供能量和物質間獨特的相互作用，產生的高溫高壓能導致游離基和其它組份的形成 。
純液體中，空穴破裂時，由於周圍條件相同，因此總保持球形；然而緊靠固體邊界處，空穴的破裂是非均勻的，產生高速液體噴流，使膨脹氣泡的勢能轉化成液體噴流的動能，在氣泡中運動並穿透氣泡壁 。
噴射流在固體表面的衝擊力非常強，能對衝擊區造成極大的破壞，從而產生高活性的新鮮表面 。破裂氣泡形變在表面上產生的衝擊力比氣泡諧振產生的衝擊力要大數倍 。
超音波的上述效應，從不同類型的樣品中提取各種目標成份是非常有效的。
施加超音波，在有機溶劑和固體基質接觸面上產生的高溫、高壓，加之超音波分解產生的游離基的氧化能等，從而提供了高的萃取能。
特點
（1） 同常規萃取方法相比，超音波萃取技術萃取效率高、萃取時間短;
（2）超音波萃取不容易受使用溶劑的限制，允許添加共萃取劑，以進一步增大液相的極性，提高萃取效率;
（3）與超臨界CO2萃取和超高壓萃取相比，超音波萃取設備簡單，萃取成本低;
（4）大多數情況下超音波萃取操作步驟少，萃取過程簡單，不易對萃取物造成污染，萃取溫度較低，適合熱敏目標成分的萃取。
優點
超音波萃取和常規萃取技術相比，超音波輔助萃取快速、價廉、高效。
超音波萃取與水煮、醇沉工藝相比，超音波萃取具有如下突出特點：
（1）無需高溫
（2）常壓萃取，安全性好，操作簡單易行，維護保養方便
（3）萃取效率高
（4）具有廣譜性。適用性廣，絕大多數的中藥材各類成份均可超聲萃取
（5）超音波萃取對溶劑和目標萃取物的性質關係小
（6）減少能耗
（7）藥材原料處理量大，成倍或數倍提高，且雜質少，有效成分易於分離、淨化
（8）萃取工藝成本低，綜合經濟效益顯著
套用
在菸鹼提取中的套用
菸草中的菸鹼成分在農業和醫藥上均具有很高的使用價值，利用超音波萃取技術可以有效地提取菸草中的菸鹼成分． 在這方面的套用研究中，研究者主要考察了提取劑濃度、固液比、提取時間、超聲溫度等因素對菸鹼成分提取效率的影響． 叢秀芝用40%的甲醇作提取劑，固液比為1∶ 20，提取時間為30 min，超聲溫度為150 ℃，菸鹼的提取率能達到7%左右． 儲志兵等採用0.4%的NaOH 作提取劑，固液比為1∶ 40，常溫超聲提取時間4 h，其菸鹼提取率為2.12%． 梁柏林等採用78%的乙醇作提取劑，固液比為1∶ 5，提取時間30 min，超聲溫度52 ℃，菸鹼提取量為23.1 mg /mL． 艾心靈等採用pH = 4 的95% 乙醇作溶劑，固液比1∶ 15，超聲溫度80 ℃ 提取2 次，每次45 min，菸鹼提取率可達到95.42%，對比分析顯示，其提取效果明顯優於加熱回流提取( 後者僅為84.79%) 。
在枸杞多糖提取中的套用
利用超音波萃取枸杞多糖的提取工藝,採用分光光度比色法測枸杞多糖含量,通過止交實驗對超音波輔助水浸提枸杞多糖的提取工藝進行了系統研究,確定了最佳工藝,即:在50℃,1:60的料水比,浸泡2.5h,超音波提取5min,得多糖最高提取率為50.36%。
在番茄紅素提取中的套用
研究者利用超音波提取番茄紅素的工藝條件。確定了最佳工藝條件為:超音波輸出功率為320W,提取溶劑為一種香料酯類,提取時間為6min,每次輻射時間為3s,固液比為1:2,提取級數為二級,總色素提取率為96.83%。
在蓮子心總黃酮提取中的套用
以蓮子心為試材,乙醇溶液為提取劑,採用超音波萃取法,進行單因素試驗和L9(34)正交實驗,研究乙醇濃度、提取時間、料液比和提取溫度對總黃酮提取率的影響。結果表明:影響蓮子心中總黃酮提取率的主要因素是乙醇濃度,其次依次為提取溫度、料液比、超音波萃取時間;提取的最佳條件為:乙醇濃度60%,提取溫度70℃,料液比1∶24g/mL,超音波萃取時間30min,該條件下得到的總黃酮的提取率為10.86mg/g。
在油脂浸取中的套用
超聲場強化提取油脂可使浸取效率顯著提高,還可以改善油脂品質, 節約原料,增加油的提取量。畢紅衛對比了勻漿法和超音波萃取γ2 亞麻酸, 結果表明,超音波法得到的油量多, 比勻漿法增加12 .8 %, 並節省人力。從花生中提取花生油,可使花生油的產量增加2 .76 倍。Gorodenrd 等用超音波萃取技術提取葵花籽中油脂, 使產量提高27 %～ 28 %。在棉籽量相同時, 用乙醇提取棉籽油,若使用強度為1 .39W/cm2 超音波處理,1 h 內提取的油量,比不用超音波時提高了8 .3 倍。目前魚肝油的提取, 主要採用溶出法, 出油率低, 且高溫使維生素遭到破壞。超音波也可用於動物油的加工提取,如鱈魚肝油的提取等。蘇聯學者分別用300 、600 、800 、1 500 kHz 的超音波提取鱈魚肝油, 在2 ～ 5min 內能使組織內油脂幾乎全部提取出來, 所含維生素未遭破壞,且油脂品質優於傳統方法。
超聲場不僅可以強化常規流體對物質的浸取過程, 而且還可以強化超臨界狀態下物質的萃取過程。陳鈞等對超音波強化超臨界CO2 流體萃取過程進行了試驗研究, 從麥芽胚中提取麥胚油, 超臨界流體萃取附加超聲場後, 麥胚油的提取率提高10 %左右,且未引起麥胚油的降解。超音波萃取在提取油脂方面的研究與套用十分活躍, 已開展的試驗和套用涉及到八角油、扁桃油、丁香油、紫蘇油、月見草油等的提取。
在蛋白質提取中的套用
超音波提取蛋白質方面也有顯著效果,如用常規攪拌法從處理過的脫脂大豆料胚中提取大豆蛋白質,很少能達到蛋白質總含量的30 %, 又很難提取出熱不穩定的7S 蛋白成分, 但用超音波既能將上述料胚在水中將其蛋白質粉碎,也可將80 %的蛋白質液化, 還可提取熱不穩定的7S 蛋白成分。梁漢華等通過對不同濃度大豆漿體、磨前經熱處理大豆漿體及其分離出的豆渣進行超音波處理等一系列試驗。結果表明, 經超音波處理過的大豆漿體, 與不經處理的比較, 其豆奶中蛋白質含量均有顯著的提高, 提高的幅度在12 %～ 20 %,這說明超音波處理確實有提高蛋白質萃取率的作用。超音波處理還可提高漿體的分離溫度, 降低漿體粘度, 可用於直接生產高濃度(高蛋白)的豆奶產品。
在多糖提取中的套用
黃海雲等以白芨塊莖為原料提取白芨粗多糖, 比較多種提取方法表明,室溫下超音波處理是最理想的提取方法。對金針菇子實體多糖的提取, 用超音波強化,可使多糖提取率提高76 .22 %。靳勝英等利用超音波熱水浸提銀耳多糖, 提取率比酶法高出5 %, 且浸提時間大大縮短。於淑娟等對超音波催化酶法提取靈芝多糖的機理、最佳化方案及降解產品的組分和結構進行了系統的研究, 同時也對蟲草多糖、香菇多糖、猴頭多糖的提取進行了研究, 與傳統工藝相比, 超音波強化提取操作簡單, 提取率高,反應過程無物料損失和無副反應發生。
趙兵等對循環氣升式超聲破碎鼠尾藻提取海藻多糖研究發現,超音波在室溫下作用20min , 即可達到100 ℃攪拌4 h的多糖提取率, 明顯高於80 ℃攪拌4 h 的多糖提取率。通過比較用超音波和不用超音波提取Salviaofficinalis L .中的多糖研究也證實了超音波提取是一種有效的強化提取方法。
在食品分析中的套用
超音波萃取也用於食品樣品的預處理。測定午餐肉脂肪含量的國家標準(GB5009 .696)酸水解法,操作費時繁瑣,人為因素影響較大, 不易掌握。彭愛紅利用超音波對酸水解測定午餐肉中脂肪含量的方法進行了改進, 超音波提取樣品不需加熱, 縮短了樣品消化時間,可對大批量樣品的脂肪含量同時測定。白艷玲等利用超音波提取食品中的甜蜜素,一次可以處理幾十份樣品,操作簡便, 精密度及準確度符合要求。郝征紅等結合大豆異黃酮的超音波提取試驗條件,採用HPLC 法對樣品進行測定,縮短了HPLC 法測定大豆異黃酮的前處理時間,提高了大豆異黃酮的提取率, 建立了較完善的HPLC 法測定大豆異黃酮的前處理與色譜分析條件。
