超聲空化效應(yīng)及其對植物活性成分抗氧化性的影響

姬長舟+任建武

摘要：指出了超聲波提取技術(shù)因具有提取率高、耗時短、溫度低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于植物活性成分的提取中，從超聲波提取法的原理入手，對其在植物活性成分的提取中的應(yīng)用以及超聲空化對活性成分的抗氧化性影響的機理進(jìn)行了綜述，為后續(xù)超聲波提取的應(yīng)用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：超聲波提取；空化效應(yīng)；羥自由基；抗氧化性

1 引言

近年來，人們對天然物質(zhì)成分的使用逐步增大，關(guān)于其提取的技術(shù)也在不斷優(yōu)化，超聲波提取技術(shù)因其高效便利在天然物質(zhì)的提取中得到被廣泛應(yīng)用。研究者在不斷明確其超聲波提取機理的同時，發(fā)現(xiàn)利用超聲波提取的有效成分，相對其他提取方式在活性成分的抗氧化性方面會有一定影響。

2 超聲波提取技術(shù)原理

超聲波的應(yīng)用非常頻率范圍在2×104 ～1×107 Hz之間，其擁有著定向性好、能量大以及穿透力強的特點。[1]超聲波提取技術(shù)正是一種利用超聲波的特點，引發(fā)超聲波所帶來的空化效應(yīng)、機械振動、熱效應(yīng)，來提高天然物質(zhì)中有效成分提出率的提取方法。超聲波提取過程中，在空化效應(yīng)、機械效應(yīng)和熱效應(yīng)的協(xié)同作用下，會產(chǎn)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)。在超聲波以上各項作用下，首先植物細(xì)胞壁會因此而破裂，同時溶劑的滲透速度也會提高，從而促進(jìn)提取物快速進(jìn)入溶劑，進(jìn)而減少了提取時間，提升了提出率，也因此高溫對提取物的影響也隨之降低。[2]正是因為以上特點，超聲波提取法的應(yīng)用目前已非常普遍，在多酚、黃酮、多糖及生物堿類物質(zhì)的應(yīng)用也非常常見。在認(rèn)識超聲波提取法具有提取率高、提取速度快、節(jié)約溶劑、溫度低等優(yōu)點的同時，也要注意到因為空化效應(yīng)的產(chǎn)生，引起內(nèi)部的高溫、高壓，并誘發(fā)產(chǎn)生自由基，進(jìn)而改變提取體系的微物理化學(xué)環(huán)境，對多酚、黃酮等抗氧化活性物質(zhì)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。[3]

3 超聲空化效應(yīng)

3.1 空化過程機理

超聲空化是指在超聲波作用下液體中激發(fā)產(chǎn)生微氣核空化泡，其動力學(xué)過程包括微氣核空化泡的震蕩生成、空化泡進(jìn)一步生長、空化泡的收縮直至最后空化泡的崩潰。當(dāng)空化泡形成局部熱點時，高溫可達(dá)5000 K以上，高壓也可到10～100 MPa，高壓釋放之時，會有強烈沖擊波或高速射流產(chǎn)生[4，5]。超聲空化效應(yīng)包括常見的兩種類型，分別是穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。二種空化泡產(chǎn)生時主要區(qū)別在于聲強，穩(wěn)態(tài)空化是聲強小于10 W/cm2時產(chǎn)生的空化泡 ， 空化泡的大小在平衡尺寸左右振蕩， 進(jìn)而生成數(shù)個循環(huán)的周期。隨著空化泡的擴大，當(dāng)其擴大到本身共振頻率與聲波頻率相等時，此刻聲場與氣泡之間會發(fā)生最大能量耦合，空化作用就會變得非常顯著。瞬態(tài)空化產(chǎn)生的空化泡存留周期一般都比較短暫，其產(chǎn)生的聲強一般大于10 W/cm2，其超聲周期基本在負(fù)壓相半周期內(nèi)迅速膨脹，而后在正壓相半周期轉(zhuǎn)換為極速收縮直至內(nèi)爆，這一過程一般在1個聲波周期內(nèi)即可完成[1～6]。

3.2 影響空化強度的因素

衡量空化作用的強度和效果可以通過自由基的數(shù)量來進(jìn)行表示，因為空化過程中所引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)均起因于自由基[6]。因此，對水力空化產(chǎn)生的自由基進(jìn)行定量檢測，是研究空化的強化效應(yīng)重要方式[7]。劉麗艷等利用熒光分光光度法和可見光分光光度法這兩種化學(xué)計量法通過檢測聲致·OH 來評價超聲空化強度。隨超聲輻照時間延長，熱效應(yīng)累積在一定范圍內(nèi)增強超聲空化強度。溫度從20℃升高到80℃，其最佳溫度為60℃，此過程中超聲空化強度先加強后削弱。低頻超聲空化效果較好，在40 kHz時達(dá)到最大值。在 40～100 W功率范圍內(nèi)，空化強度先增加后出現(xiàn)波動，80 W為最優(yōu)值。加入適量的活性炭顆粒能夠促進(jìn)超聲空化，受顆粒影響，固液體系的空化最佳溫度為40℃。陳輝等[8]也提出了超聲波空化作用的強弱和聲學(xué)參數(shù)及液體的物理化學(xué)性質(zhì)有一定關(guān)系。綜上，影響超聲空化的主要因素在于超聲波強度、超聲波頻率、液體的表面張力與黏滯系數(shù)以及溫度。

4 超聲波提取法在提取植物活性成分中的應(yīng)用

4.1 多酚類物質(zhì)提取

多酚類物質(zhì)一般具有多個酚基團，廣泛存在于植物中，且具有良好的抗氧化作用，能夠清除體內(nèi)的自由基，故對人體健康有著重要作用，被稱為“第七類營養(yǎng)素”。在多酚類物質(zhì)的提取中，研究者充分利用了超聲波提取技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高了某些天然物質(zhì)中多酚類物質(zhì)的提取率。陳晨等在對香蕉皮多酚的提取工藝中研究發(fā)現(xiàn)，在相同的提取條件下，使用超聲波輔助提取香蕉皮多酚的提取率（2.681% ）顯著高于未使用超聲波提取的（1.206% ）。朱琳琳等[9]對丹皮酚提取工藝進(jìn)行研究，得出了超聲提取-水蒸氣蒸餾法較直接水蒸氣蒸餾法的提取率高的結(jié)論。此外，有研究者[10]在對橄欖果實多酚提取量的影響進(jìn)行探究時，分別運用正交實驗探究有機溶劑和超聲波兩項因素，結(jié)果顯示超聲波提取法相對而言提取速度更快，溶劑用量更少，且能有效避免因時間持續(xù)長，溫度積累過高導(dǎo)致有效成分損失以及抗氧化能力降低的問題。由上述可見，超聲波提取法在多酚類物質(zhì)提取中的應(yīng)用具有著相對于傳統(tǒng)提取方法的獨特優(yōu)勢[11]。

4.2 黃酮類物質(zhì)提取

絕大多數(shù)植物體內(nèi)都含有黃酮類化合物，因為其本身良好的的抗氧化效果受到許多研究者青睞，黃酮的提取也不乏使用超聲輔助的例子。在對洋蔥中黃酮類物質(zhì)的提取工藝對比研究中，李敏等描述到在從紅皮洋蔥中提取黃酮時，分別采用熱水浸提法、乙醇浸提法、纖維素酶輔助法以及超聲波提取法。提取率的研究結(jié)果表明： 超聲波法>酶輔助法>乙醇提取法>熱水浸提法，所以超聲波法提取法在這幾類方法中提取洋蔥中黃酮的提取率最高。陳紅梅[12]在利用不同提取方法提取石榴皮黃酮類物質(zhì)時，通過對比熱水浸提法、乙醇回流提取法、超聲波提取法發(fā)現(xiàn)，超聲波提取法最終的提取率是最高的。這也是超聲波提取法能夠在黃酮類物質(zhì)提取中應(yīng)用的部分原因[13]。

4.3 多糖類物質(zhì)提取

多糖的提取有許多傳統(tǒng)的方法，包括堿提法、微波法、熱水浸提法以及超聲波提取法。超聲波提取法具有眾多優(yōu)點[14]，包括可在較低溫度下提取，所以由溫度帶來的對各種多糖構(gòu)造的破壞相比其他方法較小，進(jìn)而得到廣泛運用。劉艷艷等在使用超聲波輔助提取霍山石斛多糖中，得到超聲波輔助提取霍山石斛多糖平均得率為傳統(tǒng)熱水浸提工藝的1.70倍的結(jié)論，且在進(jìn)一步對抗氧化探究中，通過超聲波提取獲得的多糖還原力要比熱水浸提的多糖好一些，在ABTS自由基清除率方面，超聲波提取也優(yōu)于熱水浸提法獲得的多糖[15]。Zdena Hromádková等對比了傳統(tǒng)方法和超聲提取法提取玉米芯中的水溶性木聚糖的效果，發(fā)現(xiàn)超聲法所獲得的木聚糖的生物活性相比常規(guī)方法高，且在用NaOH溶液作為提取溶劑的情況下，超聲波提取法在時間、溫度和堿質(zhì)量濃度上，均可在較低的水平下取得較高的提取效率[16]。

此外，超聲波提取法也廣泛應(yīng)用于生物堿類、有機酸類及油脂類等提取。相關(guān)研究文獻(xiàn)中均對最佳提取工藝條件進(jìn)行了描述，并對影響提取效率的影響因素作出探究[2，17～19]。

5 超聲空化對植物活性成分抗氧化性的影響

通過以上研究者的相關(guān)發(fā)現(xiàn)與總結(jié)，可以很清晰地看到，與傳統(tǒng)的提取方法相比，超聲波提取法雖具有省時、提取效率高、提取純度高等優(yōu)點。但在有關(guān)研究文獻(xiàn)中，作者也提出，超聲波提取法對植物活性成分的抗氧化性具有一定影響，具體如下。

周勇等對荷葉活性物質(zhì)進(jìn)行提取時，分別采用了兩種方法，分別是超聲輔助法和微波輔助法。然后研究者從提取液的總還原力、羥基自由基清除率、總抗氧化能力三個方面進(jìn)行對比，結(jié)果表明，微波輔助提取的總還原力明顯高于超聲輔助提取（p<0.001）；微波輔助提取液羥自由基清除率要比超聲輔助提取液高18.2% ，二者之間存在顯著性差異（p<0.001）；荷葉超聲輔助所得提取液總抗氧化力明顯小于微波輔助提取液的總抗氧化力（p<0.001），二者也存在著明顯差異，綜合對比發(fā)現(xiàn)，微波輔助提取抗氧化活性物質(zhì)效果相比于超聲輔助提取較好[20]。

朱璐等在使用浸提法、超聲波法和微波法3種方法提取紫薯花色苷中發(fā)現(xiàn)，3 種提取方式提取的紫薯花色苷總抗氧化性能力由大到小的次序為微波提取法、超聲提取法、浸提法，且紫薯花色苷經(jīng)過微波處理，對其生理功能保存較好，超聲波處理次之，溶劑浸提處理對紫薯花色苷功能活性成分的影響較大。上述3 種花色苷粗提取物對·OH、DPPH自由基、O2-·的清除能力、鐵離子還原力、總抗氧化性檢測說明，以上抗氧化活性檢測結(jié)果均體現(xiàn)出微波輔助提取的紫薯花色苷抗氧化能力要優(yōu)于超聲波輔助提取法和浸提法[21]。

邵佩蘭等對堿提、超聲輔助堿提和酶-超聲輔助堿提3種方法提取紅棗色素中活性成分含量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在活性成分含量方面，不同方法之間存在差異，但是堿提色素的方法在總多酚、花色苷和總黃酮的含量上是最高的；在抗氧化活性研究中發(fā)現(xiàn)，3 種方法有著顯著的量效關(guān)系，其中堿提色素的抗氧化活性顯著高于超聲輔助堿提、酶-超聲輔助堿提色素[22]。

Rawson等研究脈沖超聲波處理新鮮哈密瓜汁時發(fā)現(xiàn)，多酚含量的變化具有以下過程，在前6 min 內(nèi)幾乎不受影響，但是超聲處理組的多酚含量在10min 后較對照組顯著下降（p<0.05）[23]。同樣地 Tiwari研究超聲處理草莓汁也發(fā)現(xiàn)，花色苷的含量在處理前期是遞增的，一段時間之后，花色苷的含量出現(xiàn)降低趨勢[24]。

Paniwnyk等在利用超聲輔助提取蘆丁時發(fā)現(xiàn)，提取溶劑的選擇對提取率和提取時間會有一定影響，甲醇作為提取溶劑時，不僅時間上會相對少一些，而且提取率也會得到提高，但是對比發(fā)現(xiàn)如果在水系溶劑里面提取卻是不利的[25]。

綜上所述，可見超聲波提取的過程對活性成分的抗氧化性、羥自由基清除率及多酚等活性物質(zhì)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定影響，究其原因分析如下。

（1）在1982年就有人就能夠利用電子自旋共振法（ESR）對水體進(jìn)行超聲處理，并在其中檢測出了·OH[26]。后來人們通過各種的自由基檢測方法進(jìn)行檢測，均證實了超聲能夠?qū)е滤w中產(chǎn)生羥自由基[27，28]。然而由于羥自由基反應(yīng)活性大、存在濃度低、壽命較短，且其很難獨自穩(wěn)定存在，魯芳等發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液中存在化學(xué)發(fā)光劑時，超聲所產(chǎn)生的羥自由基將迅速氧化發(fā)光劑進(jìn)而產(chǎn)生很強的化學(xué)發(fā)光，這一過程被稱為聲致化學(xué)發(fā)光（SCL）。導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光于羥基自由基的產(chǎn)生同時產(chǎn)生，可以獲得對·OH直接、靈敏、快速地測定[29]。劉麗艷等使用更加簡單便捷的方法來確定羥自由基的相對產(chǎn)量，研究者以對亞甲基藍(lán)和苯二甲酸為羥自由基捕捉劑，運用熒光分析法和紫外-可見光分光光度法，對超聲空化強度的影響因素進(jìn)行剖析，在超聲輻照時間、功率、頻率等方面，熒光分析法更能準(zhǔn)確表現(xiàn)固液體系的空化場強度，更加簡單便捷的確定羥自由基的相對產(chǎn)量[30]。以上研究者的發(fā)現(xiàn)清晰的描述到，在超聲處理的水系中會產(chǎn)生羥自由基，能通過聲致化學(xué)發(fā)光對其測定，且能采用熒光分析法對超聲空化進(jìn)行表征。

（2）結(jié)合上述觀點，進(jìn)一步總結(jié)研究者的成果可見其具體反應(yīng)機理。當(dāng)介質(zhì)中存在水時，水流發(fā)生空化后，超聲引起液體中的微氣泡經(jīng)過振蕩生成、長大、收縮、潰滅這一過程，潰滅之后會導(dǎo)致微氣泡附近的液體生成強烈的激波，引發(fā)局部點的極端高溫與高壓，這種局部點的高能量，足以使水分子內(nèi)部的鍵斷裂，進(jìn)而發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生羥自由基和氫自由基：

H2O→H·+·OH

羥自由基含有未配對電子，其本身非常活潑，氧化能力與氟（F）相當(dāng)，氧化電位高達(dá)2.80 V，幾乎能與一切的生物大分子、無機物或有機物發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)。常見的植物活性成分，多酚、黃酮等，在結(jié)構(gòu)上具有一定的共性，其中含有兩個或兩個以上羥基與芳香環(huán)直接相連的結(jié)構(gòu)，使得植物活性物質(zhì)很容易被氧化失活[3，6，31～33]。另外，是否易被氧化反應(yīng)也與苯環(huán)上的取代基有關(guān)，取代基越多則越不穩(wěn)定；在取代基數(shù)量的相等的情況下，羥基取代基越多則越不穩(wěn)定，而甲氧基取代基越多則越穩(wěn)定[34]。此外， 空化泡潰滅時自由基會在生成沖擊波和射流的助力下進(jìn)入液相，而自由基的活性較強， 很容易衍生其他化學(xué)反應(yīng)生成穩(wěn)定的分子， 也可與其他分子間相互反應(yīng)， 或是自由基的再結(jié)合反應(yīng)。考慮到在如此復(fù)雜的物理化學(xué)環(huán)境中，水力空化引發(fā)化學(xué)反應(yīng)是具有一定概率的。此外，該類反應(yīng)的反應(yīng)速度極快，可迅速結(jié)合反應(yīng)，故可在短時間內(nèi)進(jìn)行快速氧化，所以對活性物質(zhì)的影響是不容忽視的。

經(jīng)以上的反應(yīng)機理分析，在一定程度上反映了周勇、朱璐等所得出的超聲波提取法的抗氧化性的略次于其他方法的原因；也折射出影響活性物質(zhì)穩(wěn)定性的原因。超聲空化的動力學(xué)過程以及其衍生的特殊得物理化學(xué)環(huán)境雖然復(fù)雜，但目前已明確影響活性物質(zhì)抗氧化性的主要在于羥自由基，為了避免或減弱該影響，建議在用超聲輔助提取活性物質(zhì)時重視溶劑的選擇，盡量不要選用水系溶劑，或者盡可能降低溶劑中水分的比例。這樣才有助于在提取植物活性成分時，將超聲空化對活性成分抗氧化性的影響降至最低，但還有一些機理尚不明確，仍需進(jìn)一步探究。

6 展望

在超聲波技術(shù)因其獨特優(yōu)勢被大量使用的同時，不容忽視的是空化帶來的對植物活性成分抗氧化性的影響。在分析其具體的影響機制時，需進(jìn)一步對自由基的產(chǎn)生及衍生的物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行關(guān)注，此外也要進(jìn)一步探究超聲空化對抗氧化活性的影響是否與植物活性成分本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。相信隨著超聲波提取技術(shù)的機理越來越清晰，超聲波所帶來的抗氧化性的影響會逐步減小，超聲波提取技術(shù)的也會越來越成熟。

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