超聲聲學效應在果蔬酚類化合物提取中的研究進展

王鵬旭，成傳香，馬亞琴*，張 震，賈 蒙

（西南大學柑桔研究所，國家柑桔工程技術研究中心，重慶 400712）

果蔬中的生物活性物質對人體具有多種生理功能，是當前研究的熱點。由于果蔬中生物活性物質具有含量少、易降解等特點，導致其提取難度大。因此，探究生物活性物質的有效提取是加快其產業化、商業化的共識。傳統的提取方法有浸漬法、索氏提取法等，利用有機溶劑提取不僅增加生產成本，而且耗時長、耗能高，極易導致生物活性物質的氧化和水解[1]。超聲輔助提取作為一種創新型提取技術，具有操作簡單、提取效率高、綠色環保、適用性廣等優勢，被廣泛應用于實驗室研究，進而逐漸規模化、工業化[2-4]。

超聲波在介質中以縱波的形式傳輸，產生局部壓力的變化，導致介質中存在的氣核形成空穴氣泡，空穴氣泡在達到一定尺寸時會變得不穩定進而崩塌，由此產生空化效應[5-7]。空化效應被Thornycroft[8]于1895年首次發現，他發現水下螺旋槳的表面在相對短的運行周期便會出現凹痕，發生腐蝕，進一步研究發現這是由于水動力產生的空穴氣泡破裂，在其附近產生強烈的壓力和溫度梯度造成的。1927年，Richards等[9]首次報道了超聲波的機械效應和生物學效應，并發現空化效應可能有利于促進化學反應。1937年，Brohult[10]發現超聲波誘導的空化效應會導致生物多聚物的降解。1963年，Lott等[11]首次將植物組織在超聲條件下連續處理提取植物中多種活性成分，發現提取效率明顯提高。21世紀初，超聲增強提取的機理通過超聲波破壞植物組織細胞壁、加快釋放內含物被證明。同時，植物多酚有益于健康的特性加快了超聲提取技術應用于植物活性物質的研究。2004年，Herrera等[12]利用超聲從草莓中提取酚類化合物，結果表明超聲提取效率明顯優于傳統浸提法和攪拌法，相比傳統浸提法（提取時間2～20 h），超聲提取僅需要90 s，這一結論與超聲波提取石榴皮中酚類化合物的研究結果[13]相似，超聲提取石榴皮中酚類化合物的提取時間縮短了90%，并且其抗氧化活性提高了24%。但溫度高于25 ℃的超聲條件下，草莓中酚類化合物會發生一定程度的降解。Sun Jianxia等[14]發現增加超聲功率（200～500 W）和延長提取時間（0～60 min）會促進聲化學效應產生更多的羥自由基，導致花青素降解。因此，合理控制超聲波提取參數對酚類化合物的提取具有關鍵影響。Virot等[15]通過中心復合設計響應面法對超聲參數（功率、溫度、時間）進行優化，并通過探索固液比、溶劑類型以及中試實驗，發現超聲提取酚類化合物含量比傳統浸提法高20%，證明了規模化超聲提取酚類化合物的可能性。超聲提取主要依賴于空化效應，空化效應作為超聲聲學效應中最重要的效應之一，已經被廣泛研究報道。此外，超聲波還具有其他聲學效應，包括毛細效應、破碎效應、湍動效應等，這些效應在提取過程中也發揮了一定作用，但是其作用機理尚不完全清楚，有待進一步研究。

目前，在實驗室層面開展了大量關于超聲提取技術的研究，已獲得的詳實數據表明超聲技術在未來有廣闊的應用潛力和前景，而超聲聲學效應在果蔬酚類化合物的提取中發揮關鍵作用。因此，本文主要分析超聲聲學效應在酚類化合物提取過程中可能產生的增強效果、降解反應等，并探討超聲提取酚類化合物的規模化應用以及未來的發展趨勢，從而為超聲波輔助提取的參數優化、過程控制及其工業化應用提供依據。

1 果蔬酚類化合物的分類及生物活性

酚類化合物廣泛分布于植物界，大約有8 000 種，作為植物的次級代謝物，其在植物體中承擔著防御及促進生長發育的作用[16]。酚類化合物在果蔬中的存在形式有游離態和結合態兩種，但以游離態酚類化合物的研究居多，結合態的酚類化合物經常忽略不計，因此果蔬中總酚含量的實際值要高于測量值[17]。游離態酚類化合物具有一個或多個帶有羥基基團的芳香環，主要分為黃酮類化合物、酚酸、單寧、芪類、木脂素等。其中，以黃酮類化合物種類繁多，迄今已鑒定分離出5 000多種黃酮類化合物[18]。黃酮類化合物主要分為黃酮、黃酮醇、黃烷酮、黃烷醇、異黃酮、花青素[19]，C6-C3-C6的三環骨架是黃酮類化合物的基本結構[20-21]（圖1）。酚酸共有的化學結構是苯環上連有的羧基官能團，主要分為苯甲酸型酚酸（如對羥基苯甲酸和香草酸等）和苯乙烯型酚酸（如咖啡酸、芥子酸和阿魏酸等），其碳骨架的結構特征為C6-C3和C6-C1[21-22]（圖2），咖啡酸是許多水果和蔬菜中含量最豐富的一種酚酸；另一種常見的酚酸是阿魏酸，它廣泛存在于谷物中[23]。酚類化合物主要來源于藍莓、葡萄、柑橘等果蔬，也可以從果蔬的副產物如葡萄酒中獲得[21-24]。果蔬中總酚含量取決于果蔬的成熟程度、氣候、土壤成分、貯藏條件等[25]。通常藍莓和葡萄中的酚類化合物的含量要高于香蕉、荔枝、芒果和柿子，如藍莓中總酚含量為261.95～929.62 mg/100 g[26]，而香蕉中的總酚含量為（90.4±3.2）mg/100 g[17]，芒果中的總酚含量則為（56.0±2.1）mg/100 g[27]。

圖1 常見的黃酮類化合物的結構[20-21]Fig. 1 Structures of common flavonoids[20-21]

圖2 苯甲酸型酚酸（A）和苯乙烯型酚酸（B）分子結構[22-23]Fig. 2 Molecular structures of benzoic acid phenolic acids (A) and styrene phenolic acids (B)[22-23]

酚類化合物具有較強的生物活性，通過向自由基傳遞電子使其喪失氧化性，從而保護人體器官免受傷害，益于人體健康[28]。人體的炎癥是由于炎癥因子過度分泌造成的，從楊梅中提取分離的硫化酚類化合物可抑制腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6的分泌和脂多糖誘導的誘導型一氧化氮合酶和環氧合酶-2蛋白的表達，對治療人體炎癥有一定的功效[29]。

酚類化合物的微生物代謝產物對人體也具有生物活性，可抑制泌尿致病性大腸桿菌ATCC?5350對T24上皮細胞的黏附能力[30]。利用超聲提取技術從甜菜中提取沒食子酸（gallic acid，GA）、氯化氰-3-葡萄糖苷（cyanide-3- glucoside，CGC）和表兒茶素，發現3 種物質均具有較強的抗氧化性，GA的抗氧化活性最強，CGC對人體結腸癌細胞Caco-2、肝癌細胞HepG2和乳腺癌細胞MCF-7均有抑制作用，其抑制活性分別為94.86%、87.27%和67.13%[31]。柑橘中含有較為豐富的類黃酮，一定濃度的類黃酮對抑制A549人肺癌細胞的增殖具有關鍵作用，能顯著增加亞G1（凋亡細胞群）和G2/M期群體數量，造成細胞核凝聚和破碎，說明柑橘類黃酮在治療人類肺癌方面較為有效[32]。進一步研究發現，不同柑橘品種中結合酚和游離酚對高血糖和高血壓相關酶的抑制作用不同，從檸檬中提取的酚類化合物對α-葡萄糖苷酶和血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的抑制活性為100%，但是，從柑橘中提取的結合酚的水解產物卻能誘導ACE和α-淀粉酶的活化，不利于人體健康[33]。黃海智[34]探究了楊梅酚類化合物對人鉑耐受型卵巢癌細胞A2780/CP70和OVCAR-3的抑制作用，發現GA、楊梅素和咖啡酸的抑制效果較好，有可能成為治療卵巢癌的天然活性物質。除了以上所提到的生物活性外，最新研究結果表明酚類化合物還具有抗銀屑病[35]、抗乙酰膽堿酶活性[36]等。

2 超聲聲學效應的作用機制

超聲提取技術已被廣泛應用于酚類化合物、色素、果膠等各種生物活性物質的提取，其操作溫度低，避免了提取物的熱損傷，同時能較好地保持提取物的天然特性，適用于熱敏性物質的提取。酚類化合物作為一種熱敏性物質，超聲提取技術對其提取具有很好的應用價值，提取過程中主要依靠超聲波在液體介質中傳播所產生的極端理化條件。超聲波是一種振動波，在介質中傳輸會產生一系列聲學效應，包括物理效應（振動、剪切力、壓力、微射流）和化學效應（空化效應、聲化學效應），物理效應具有破碎細胞壁和攪拌的作用，化學效應具有加快反應速率的作用。不同頻率的超聲波聲學效應不同，20～100 kHz的超聲波中物理效應占主導地位，100～1 000 kHz的超聲波中化學效應占主導地位。

2.1 聲學效應

聲學效應是對超聲波提取機制的總稱，其中空化效應被認為是提取機制中的主要效應。超聲波在液體中傳輸時會產生壓力起伏，壓力的變化被稱為超聲波的聲壓，聲壓分為正壓和負壓，當負壓減小到某個閾值會產生空穴氣泡，空穴氣泡經過形成、成長到最后崩塌的周期循環的動態變化，產生空化效應（圖3）[37]。空化效應可分為穩態空化和瞬態空化，穩態空化中，穩態氣泡在多個聲周期內均衡振蕩，相對穩定，產生微射流等物理現象；瞬態空化中，瞬態氣泡在整流擴散或者聚結過程中生長達到共振尺寸，在單個或者更短的聲周期內劇烈坍塌產生更多的子氣泡，這些子氣泡再次迅速崩塌，從而使原始氣泡完全湮滅，在作用于提取液和固體基質的交界處時會形成高溫（5 000 K）和高壓（100 MPa）環境，由此產生極端的物理化學環境[37-38]。高溫環境有助于提取物的溶解和擴散，高壓環境有助于提取液的滲透和物質轉移[39]。同時，超聲波在液體中給予質點不同的加速度產生機械效應，如振動波、微射流（速率可達400 km/h）、湍流等，也可促進物質的轉移[40]。

圖3 超聲聲學效應的形成過程[37]Fig. 3 Formation process of ultrasonic acoustic effect[37]

但是，超聲波在提取過程中并非只有空化效應和機械效應。Toma等[41]用顯微鏡觀察超聲波對蔬菜組織的影響，發現其對蔬菜組織具有明顯的破碎作用。Tzanakis等[42]通過熔鋁實驗證實了超聲波的毛細效應。毛細效應會促進溶劑在物料組織中的擴散及可溶性成分的溶解[43-45]。最近，有研究人員綜述了超聲聲學效應對提取物料表現出的腐蝕效應、聲孔效應、剪切效應、破碎效應、聲毛細效應等方面的研究[46]。腐蝕效應會隨著自由基的產生對物料結構造成腐蝕性的破壞；聲孔效應可促進細胞膜表面的微孔張大，使內容物釋放；剪切效應是空穴氣泡崩塌引發微射流產生的，可破壞物料組織表面的油腺結構。其他如湍動效應、界面效應、微擾效應等也發揮了一定作用[47]。上述各聲學效應不僅單獨作用，在提取過程中也可能產生各種互作效應。盡管各類報道中具體闡述了上述超聲提取效應，但是，對于超聲提取效應的概念界定、效應區分（是物理效應還是化學效應）以及具體應用方面的相關研究報道仍比較少，因此，探究超聲提取機理仍然是研究重點。

2.2 聲化學效應

聲化學效應是超聲波在介質中傳輸時由氣泡崩塌引起的化學效應。氣泡崩塌時溫度達5 000 K，可以破壞分子鍵，導致水分子分解形成H?和?OH，引發一系列的鏈式反應。現已開發出多種方法量化聲化學效應產生的初級自由基的數量，包括對苯二酸法和碘化物法等，其中碘化物法常用于評估自由基的數量[48]。聲化學效應可以通過聲化學反應速率公式R＝KRM[R?]衡量，其中R表示聲化學反應速率/（mol/（L·s）），M表示反應物的濃度/（mol/L），[R?]表示空化效應產生自由基的濃度/（mol/L），KR表示速率常數/（（mol/L）1－n/s）。因此控制聲化學反應速率可以通過控制反應物的濃度或者自由基的生成來實現[49]。自由基的生成依賴于空化效應，減少介質中溶解的氣體會顯著增強空化效應[50]。Liu Liyan等[51]通過對比自來水和排氣水在超聲條件下的空化現象、能量波譜以及空化區域的具體分布，評估了溶液中氣體含量對空化強度的影響，結果表明，排氣水中空化區域分布更廣泛，且強度和廣度被顯著提高，溶液中氧氣質量濃度在3.17～5.02 mg/L時有助于空化氣泡的產生。而且，在脫氣介質中，超聲波衰減較小，氣泡的平衡尺寸由于整流擴散而收縮，使得氣泡崩塌得更劇烈，從而產生更多的自由基；但是，增加初始反應物濃度會降低自由基的產率[49]。

顆粒尺寸、表面粗糙程度和固體濃度對聲化學效應的影響也至關重要，聲化學效應的強度隨著固體濃度的增加先減少再逐漸增加，隨著顆粒尺寸和表面粗糙度的增加而增加[52]。另外，反應物與氣泡崩塌所產生的自由基的碰撞概率可以通過影響反應速率常數來影響聲化學效應[49]。除上面所提到的因素外，液體高度[53]、換能器類型[54]、pH值[55]等因素也會影響聲化學效應。聲化學效應在一定程度上有利于活性物質的提取，例如在芒果苷的提取中，聲化學效應產生的自由基在25 kHz頻率下要高于40 kHz，使得在25 kHz頻率下芒果苷的得率較高[56]。但是也需要在一定程度上抑制聲化學效應，避免酚類化合物在超聲處理條件下羥基化，導致其抗氧化活性發生變化，一般建議在溶液中加入抗壞血酸或醇類物質來猝滅?OH[57]。目前，大部分的研究集中在對所提取酚類化合物的生物活性物質的鑒定以及針對不同提取物料優化提取條件，有關聲化學效應在酚類化合物提取中的研究較少，尤其是聲化學效應對酚類化合物的增強效應和降解效應。

3 超聲聲學效應對提取果蔬酚類化合物的影響

3.1 超聲增強作用

溶劑提取活性物質通常包括兩個階段[58]：洗滌階段（快速提取階段）和擴散階段（緩慢提取階段）（圖4）。在洗滌階段，提取速率恒定，溶劑滲透進物料，使細胞質直接暴露于溶劑，促進活性物質向溶劑中擴散；在擴散階段，植物活性成分直接從物料內部擴散并溶解在溶劑中，這一階段的提取速率取決于快速提取階段后細胞的完整性，細胞破碎程度越高，提取速率越快[59]。超聲波的機械效應有助于洗滌階段溶劑的滲透，化學效應有助于提高擴散階段活性成分的轉移速率[60]。Chen Chao等[61]發現，超過90%的酚類化合物在前5 min被提取，10 min后其提取量逐漸趨于平穩，表明提取過程主要在洗滌階段完成。另外，溶劑會在植物組織表面形成不動層，阻礙洗滌階段活性成分向溶劑中擴散[58]。超聲波可提高細胞的破碎程度并打破物料表面的溶劑不動層，從而達到超聲增強提取的效果。相比傳統提取法，運用超聲提取法從橙皮中提取酚類化合物的產量提升30%[62]。González-Centeno等[63]發現用傳統提取法在30～50 ℃下提取產量和超聲提取在20～35 ℃的提取產量無顯著差異（P＞0.05），結果表明，超聲提取可以在較低溫度下進行，同時不降低提取速率。

圖4 提取過程中的洗滌階段和擴散階段[58]Fig. 4 Washing and diffusion stages in the process of extraction[58]

超聲提取能顯著提高提取產量并縮短提取時間，但是，在提取過程中受到多重因素的影響，主要分為以下3 個方面：1）提取設備的影響，包括超聲功率、超聲頻率、超聲振幅、超聲時間等；2）提取介質的影響，包括溫度、溶劑、固液比等；3）提取物料的影響，如微粒尺寸。

超聲功率誘導的剪切力可以改變物質結構從而提升提取效率，從橙皮中提取酚類化合物時，超聲功率對多酚的提取效率影響顯著，所優化得到的超聲功率為150 W[64]；低頻率超聲波有利于打破細胞壁從而促進可溶物的釋放，同時也有利于溶劑滲透進細胞內部，提高活性成分的轉移，通過比較不同頻率下從馬鈴薯中提取多酚的效率，發現較低的頻率（33 kHz）更有利于多酚的提取[65]。超聲波的振幅越高，細胞壁會被打碎得更加充分，用響應面法從馬郁蘭中提取酚類化合物，結果表明超聲振幅對酚類化合物的提取影響最顯著，較高的超聲振幅會破壞細胞壁釋放酚類化合物進入溶液，優化的超聲振幅為58～61 μm[66]。超聲時間過長引發的熱效應會造成酚類化合物的配糖鍵斷裂，從葡萄渣中提取總酚和總黃酮，提取時間顯著影響總酚含量，但對總黃酮含量影響不顯著，表明酚酸的結構更易受到超聲時間的影響，優化的提取時間為25 min[67]。

酚類化合物對高溫較為敏感，因此，選擇合適的溫度范圍就顯得尤為重要[60]，用Box-Behnken響應面法從橘皮中提取酚類化合物，溫度在實驗中作為獨立變量影響橙皮苷的提取，過高溫度會造成酚類化合物的降解，優化的提取溫度為48 ℃[68]。提取溶劑的選擇作為影響提取效率的一個重要因素，需要全面考慮溶劑的特性（例如溶劑的極性、黏性、表面張力、蒸汽壓力）、目標提取物的溶解性、極性、提取溶劑的安全性等。乙醇是較為安全的溶劑，但是過高的乙醇體積分數對酚類化合物的提取有負面影響，因此選擇較低的乙醇體積分數（61%）作為提取溶劑[69]。當固液比較高時會形成較大的濃度差，有利于物質的轉移[70]。從藍莓酒渣中提取酚類化合物和花青素，固液比極顯著影響花青素的產量（P＜0.01），優化的固液比為21.70∶1[71]。

一般來說，較小的微粒尺寸有助于提高提取效率，這是因為其可以提高物質的轉移速率；然而，過小的微粒尺寸會使微粒漂浮在溶液表面，不利于超聲輻射，影響提取效率。Papoutsis等[72]從橘渣中提取橙皮苷和酚酸，微粒尺寸明顯影響咖啡酸和對香豆酸的含量，隨著微粒尺寸的減小（2.80～1.40 mm），咖啡酸、對香豆酸和橙皮苷的產率顯著增加（P＜0.05）；然而，微粒尺寸對綠原酸的產率影響不顯著。

以上著重介紹了超聲提取的增強優勢以及影響超聲提取的因素，其中，超聲溫度、超聲時間、超聲功率和超聲頻率是最重要的影響因素，但這幾種超聲參數針對不同提取對象的重要性有所差異，即使同一超聲提取方法處理幾種酚酸，每種酚酸的最佳超聲條件也不同，這可能與物料特性、超聲波設備類型及超聲條件有關，有待進一步研究。部分超聲因素對酚類化合物的增強提取結果見表1，綜合比較得出超聲提取酚類物質的最適工藝條件為：超聲溫度40 ℃、超聲時間30 min、超聲功率150 W、超聲頻率20 kHz。超聲提取能明顯提高提取效率，但是受內外部因素的影響較大，各因素既可以獨立影響酚類化合物的提取效率，也可能會產生交互作用，這就需要對超聲因素進行優化。響應面法是一種廣泛用于實驗條件優化的數學和統計工具，在優化實驗中常用響應面法對提取過程中各因素進行分析[73]。超聲提取相比傳統提取法具有更多優勢，但是在提取過程中，由于物料組織以及物料中酚類化合物種類的差異性，限制了超聲提取向規模化生產的轉變。探索同性質物料的規模化生產以及模塊化超聲提取設備是未來超聲提取的發展趨勢。

表1 超聲對果蔬酚類化合物的增強提取Table 1 Summary of published studies on ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds from fruits and vegetables

3.2 超聲降解作用

圖5 咖啡酸在超聲條件下可能產生的降解產物[76]Fig. 5 Deduced degradation products of caffeic acid under ultrasonic conditions[76]

超聲在增強提取效果的同時，已有研究發現經過高溫或長時間的超聲處理酚類化合物的結構易遭受自由基的破壞，引起酚類化合物的降解。超聲處理草莓汁后其花色苷含量和抗壞血酸含量分別降低3.2%和11%[74]，這可能是由于其結構遭受自由基的攻擊所致。酚類化合物的結構與其穩定性密切相關，其芳香環上羥基的取代數量越多、甲氧基的取代數量越少，酚類化合物就越穩定。在40 ℃、20 min的條件下超聲處理柑橘皮渣中的多酚，對香豆酸、對羥基苯甲酸以及咖啡酸均發生降解，對香豆酸和對羥基苯甲酸有一個羥基取代基，而咖啡酸有一個甲氧基取代基，這可能是酚類化合物之間發生多聚反應的結果[75]。隨后，Qiao Liping等[76]對酚酸的降解展開進一步探究，在模擬體系中，分析了超聲處理5 種酚酸的穩定性，發現咖啡酸在－5 ℃時的降解速率是25 ℃時的7 倍，咖啡酸和芥子酸在－5～25 ℃下的降解動力學都符合零級動力學，通過傅里葉變換紅外光譜和電噴霧質譜檢測法分析降解產物，發現咖啡酸和芥子酸確實發生了分解反應和多聚反應（圖5、6）。最新的研究發現，咖啡酸和芥子酸在25～50 ℃條件下的降解仍然符合零級動力學，而且超聲對芥子酸具有更強的聲化學效應[77]。

圖6 芥子酸在超聲條件下可能產生的降解產物[76]Fig. 6 Deduced degradation products of sinapic acid under ultrasonic conditions[76]

為進一步分析黃酮類化合物在超聲條件下的穩定性，選擇柑橘中具有代表性的14 種黃酮類化合物（圣草枸櫞酸苷、柚皮素蕓香苷、新橙皮苷、槲皮苷、圣草酚、香蜂草苷、柚皮素、木犀草素、橙黃酮、川陳皮素、橘皮素、柚皮苷、橙皮苷、槲皮素），經過超聲處理后發現有13 種穩定性良好，只有槲皮素在超聲處理中同時發生4 種反應：氧化反應、加成反應、聚合反應和分解反應，初步鑒定8 種降解產物是以二聚體、醇加成物、氧化產物和分解產物形式存在的（圖7）[78]，這可能是自由基誘導產生的降解。

為探明聲學效應的自由基對酚類化合物降解產生的影響，在低于21 ℃下對花青素單體矢車菊素-3-葡糖基蕓香苷進行超聲處理，發現超聲明顯引起了矢車菊素-3-葡糖基蕓香苷降解，并導致其紫外-可見光譜、視覺顏色和抗氧化能力的變化；同時，矢車菊素-3-葡糖基蕓香苷的濃度與自由基的產量呈負相關，降解動力學符合一級動力學[79]。由表2可知，酚類化合物在超聲環境下易降解與介質溫度和自由基關系密切，較低溫度如－5 ℃下，咖啡酸和芥子酸降解15%～20%，槲皮素降解約59%，這可能是低溫產生大量的自由基所致。雖然較高溫度不利于空化效應的發生，減少了自由基的生成量，但是會引起酚類化合物的熱降解。因此，明確自由基與酚類化合物的劑量-效應關系，對優化評估超聲提取條件以及工業化生產具有一定意義。

圖7 槲皮素在超聲條件下可能產生的降解產物[78]Fig. 7 Deduced degradation products of quercetin under ultrasonic conditions[78]

表2 超聲對酚類化合物的降解作用Table 2 Degradation of phenolic compounds under ultrasonic conditions

4 超聲提取果蔬酚類化合物的工業化應用

超聲應用于食品加工輔助技術，具有高效率、低投資和綠色環保等特點，商業應用前景廣泛，研制大型超聲提取設備是實現工業化應用的關鍵環節。超聲輔助提取設備主要有超聲浴設備（圖8A、B）和超聲探針設備（圖8C）兩類[80]，其中換能器（壓電類型和磁致伸縮類型）是超聲波工作的核心部件，換能器的位置、類型、功率強度影響提取效率和能量利用。超聲浴設備的換能器通常安置在超聲浴底部或者側部，優點是避免直接接觸樣液，物料無污染；但缺點是超聲能量損耗多，降低了有效超聲功率[80]。超聲探針設備的探針直徑在5 mm～1.5 cm之間，一般由金屬鈦制成，可產生高強度的空化效應，但是探針設備與樣液直接接觸易發生腐蝕和金屬粒脫落，引起物料污染。綜合考慮提取效率和能量損失，超聲探針設備優于超聲浴設備[61]。

圖8 超聲浴設備（A、B）和超聲探針設備（C）[80]Fig. 8 Ultrasonic bath equipment (A and B) and ultrasonic probe equipment (C)[80]

超聲場會隨著傳播距離增長迅速衰減，并且幾乎大部分能量在換能器附近被消耗，很大程度上限制了超聲提取從實驗室向工業化生產的轉變。Zhai Wei等[81]在液體中應用正交超聲的方法，通過求解亥姆霍茲方程，發現3 束超聲的交互作用是可以實現的，且在三維超聲中，其最大聲壓是一維的6.4 倍，平均聲能密度是一維的15 倍，空化體積從一維的18%擴大到三維的67%。目前，德國Hielscher公司、法國REUS公司和我國濟寧雙和超聲設備有限公司主要研制大型超聲提取設備。使用法國REUS公司生產的PEX3超聲浴設備進行多酚的中試實驗（圖9），提取容量為30 L，配備4 個超聲頻率25 kHz的超聲換能器，超聲功率為200 W，中試結果得到多酚產量比傳統浸提法高20%[15]。Pingret等[82]以水為提取溶劑，探究了超聲輔助水提取多酚的工業化應用，結果表明多酚提取量（560 mg/100 g）比傳統浸提法提高了15%。Alexandru等[83]應用一種多重超聲連續提取設備從干丁香花蕾中提取丁香油，使用乙醇溶液作為提取溶劑，功率強度為700 W/L，流動模式分別選擇450、900、1 350 mL/min，結果表明在1 350 mL/min流動模式下得到較高的總酚含量和抗氧化活性。超聲提取設備的不斷改進提高了超聲能量的利用率，加速了超聲提取的工業化應用。但是，超聲提取的過程較為復雜，在實驗室中探索的條件與工業化應用的條件呈非線性關系，仍然存在諸多問題，例如實驗室與工業化應用中超聲聲場的差異性、大規模生產中空化區域的分布、高強度超聲條件下超聲探針的腐蝕問題等，均尚待解決。

圖9 30 L PEX3超聲浴設備[15]Fig. 9 Thirty-liter ultrasonic bath equipment (PEX3)[15]

5 超聲技術提取果蔬酚類化合物的新趨勢

在酚類化合物的超聲提取中，一般要涉及到有機溶劑的使用，由于有機溶劑的安全性、污染性等問題，使得開發以水為溶劑的超聲提取方法引起廣泛關注[84]。水作為最環保的提取介質，具有良好的理化性質，在超聲波提取中已被研究[63,85]。為證明水作為提取溶劑的可靠性，Goldsmith等[86]運用超聲波輔助提取法從橄欖渣中提取酚類化合物，利用響應面法對超聲功率、提取時間和固液比3 因素進行了優化，得到最優的提取條件為：超聲功率為250 W、提取時間75 min、固液比為1∶50，其總酚含量為19.71 mg/g、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼清除能力為31.23 mg/g，比傳統提取法總酚含量高20%。Papoutsis等[72]采用超聲輔助水提法從柑橘渣中提取橙皮苷和酚酸（對香豆酸、咖啡酸、綠原酸），分析了微粒尺寸、提取時間、提取溫度和超聲功率4 個參數對橙皮苷和3 種酚酸提取率的影響，發現微粒尺寸顯著影響對香豆酸、咖啡酸和橙皮苷的提取率，微粒尺寸為1.40 mm時，對香豆酸和咖啡酸的回收率最高（分別為0.25、0.58 mg/g）；微粒尺寸為2.00 mm和1.40 mm時，橙皮苷的提取率最高（分別為6.44、6.27 mg/g）；提取溫度對3 種酚酸的提取率無顯著影響，提取時間和超聲功率對酚類化合物的提取和抗氧化活性均無影響。除了超聲輔助水提法，還有一些新型提取方法，包括超聲負壓提取法[87]、超聲輔助水酶提取法[84]、超聲輔助離子液體提取法[88]。綜上可知，優化以水為提取溶劑從果蔬中提取酚類化合物的參數不僅能提高提取率，更重要的是能保證提取物的安全性，因此，優化以水為提取溶劑的超聲參數非常必要。

6 結 語

超聲輔助提取作為一種具有應用前景的技術，已被國內外廣泛報道。超聲波的聲學效應產生的機械效應和空化效應能夠引起植物細胞壁破碎，通過超聲清洗作用加快釋放內含物，增強了提取效率。超聲輔助提取作為一種環境友好型技術，在提取過程中有助于降低能耗、減少污染，已對動物、植物、微生物等開展各類生物活性物質提取的研究。酚類化合物作為植物的次級代謝物，具有各種生物活性，有益人體健康。利用超聲提取可使產率提高2～3 倍，有效縮短提取時間至30 min，很大程度上克服了傳統提取技術的缺點。但是酚類化合物具有熱不穩定性，在提取過程中易發生降解，可通過優化超聲參數有效控制降解，得到目標酚類物質。此外，超聲波的聲化學效應產生的自由基對酚類化合物的提取具有雙重作用，自由基過多會導致酚類化合物的降解，過少不利于酚類化合物的提取，超聲溫度、超聲時間、超聲頻率是影響自由基產量的重要參數，提取時可根據物料特性、設備類型、超聲參數有效范圍等全面考慮。此外，對自由基與酚類化合物之間的劑量-效應關系的研究仍然較少，因此，關注超聲參數對自由基和酚類化合物產量的影響，探究選擇合適抗氧化劑消除自由基對酚類化合物的影響將是本領域的研究的難點和重點。近幾年，由于科技的發展、人們對健康的關注以及對交叉學科的重視，推進了超聲提取技術聯合其他技術優化提取效果的新趨勢如超聲負壓提取、超聲輔助水提取、超聲-微波或超聲-高壓聯合提取等的發展，這是對超聲輔助提取技術的升華和創新，也是研究人員追求最優提取工藝、提高提取效率的體現。安全、優質、高效、環保必將是該領域未來的研究趨勢，也是實現超聲提取工業化的關鍵。