超聲波輔助提取技術研究進展

馮飛，葛永杰，代容，謝輝

南京中醫藥大學藥學院（南京 210023）

涉及一系列質量傳遞的提取過程，其本質是原料被溶劑浸潤、滲透，成分解析并溶解于溶劑中，借助組織細胞內外的濃度差與滲透壓差，擴散并得到浸提液的過程。傳統的提取方法如煎煮、浸漬、滲漉等存在耗時長、溶劑用量較大等缺點。面對資源人均占有量小、能源消耗量大、大氣污染嚴重等現狀，國家大力倡導綠色發展理念，全面節約和高效利用資源。超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，被廣泛應用于提取、干燥、滅菌等領域。超聲波輔助提取技術（ultrasound-assisted extraction，UAE）可以有效縮短提取時間、減少能源和溶劑消耗量、減少二氧化碳排放，具有節能、省時、高效等優點。超聲波輔助提取技術具有廣闊的應用前景，通過研究提取過程的傳質動力學，探索超聲波提取規律，可為超聲波提取技術的深入研究與工業化應用提供依據。

1 超聲增強提取的原理

大部分學者認為超聲輻射過程中產生的空化效應、機械作用、熱效應等協同作用共同導致提取增強。

1.1 非熱效應

超聲波主要通過非熱作用實現強化提取，包括超聲波空化和機械作用。

超聲波空化[1-2]是由超聲波在液體中傳播引起的獨特的物理現象，主要包括穩態空化和瞬態空化。在液體之中存在許多微小的氣泡，當超聲波在液體中縱向傳播時會周期性的拉伸和壓縮液體，因此空化氣泡隨聲波頻率而變化，此時為穩態空化；當其共振頻率與超聲波頻率相等時，空化氣泡極速收縮、內爆，產生高溫高壓，潰滅時產生沖擊波或高速射流，發生瞬態空化。由于粒子間的碰撞及溶液中空化氣泡坍塌而產生沖擊波，超聲空化效應會導致易碎固體破裂，增大固體表面積，從而提高傳質效率。

超聲波是一種機械振動波，在介質傳播過程中會引起介質質點交替壓縮和舒張。頻率20 kHz、聲場強度1 W/cm2的聲波在水中介質傳播時，最大加速度可達1.44×104m/cm2，因此能夠顯著地增大溶劑的穿透力，加強傳質過程，提高提取效率[3]。

1.2 熱效應

超聲波在溶液中傳播時，其振動能量不斷被溶液吸收轉變為熱能，從而使自身溫度上升，產生超聲熱效應。但在超聲頻率較低、溶劑吸收系數較小、較短超聲作用時間時，超聲并不會產生明顯的加熱[4]。

2 影響超聲提取效率的工藝參數

對超聲提取工藝參數的研究主要集中在聲學參數和溶劑、溫度、時間等工藝參數方面。

2.1 超聲強度

超聲強度是超聲提取設備的固有屬性。超聲強度與超聲換能器振幅直接相關，振幅增加將使超聲強度增加，但高振幅易導致超聲換能器的快速劣化。

2.2 超聲頻率

常用的超聲頻率在20～100 kHz，頻率的大小影響空化氣泡的大小。在高頻率下，由于壓縮-反射周期太短，需要更大的超聲強度才能產生空化效應。王樹寧等[5]以50%乙醇為溶劑，采用超聲波輔助浸漬法提取側柏中的總黃酮，在溫度和超聲功率一定時，超聲頻率在20～50 kHz時，黃酮得率逐漸上升，在50 kHz時達到最大值；隨著超聲頻率繼續增加，黃酮得率下降。

2.3 超聲功率

超聲功率一般指超聲提取設備的電功率。原料組織結構、粒度大小、所提取成分的性質不同時，超聲功率對提取的影響程度有差異。曹雁平等[6]采用65%乙醇作溶劑從姜黃中浸提姜黃素，研究發現超聲功率在0.05～0.45 W/cm2范圍內，姜黃素的擴散系數隨超聲功率的增加而增加，表明一定范圍內超聲功率的增加可加快姜黃素的浸提。

2.4 溶劑

溶劑的性質影響超聲空化效應，尤其影響空化閾值。空化效應的發生需克服液體分子之間的內聚力，溶劑黏度增大或表面張力增加將會導致分子間作用力增強，導致空化閾值提高。因此，在滿足相似相溶條件的前提下，低蒸汽壓、低黏度溶劑是超聲提取溶劑的首選。

2.5 溫度

溫度影響提取溶劑的性質，如表面張力、蒸汽壓、黏度等。通常隨著溫度升高，溶劑的黏度和表面張力降低，溶劑萃取效率提高；但同時溶劑蒸汽壓升高，蒸汽大量進入氣泡腔和空化氣泡中，超聲空化效應減弱，從而影響超聲提取效果。

2.6 料液比

不同料液比影響溶劑對活性成分的溶解能力，同時也影響著超聲場的聲壓分布均勻性。料液比例較低時，固體顆粒分散密度較高，阻礙了超聲波在提取體系內的傳播，從而使部分區域聲壓不足，難以產生超聲空化效應。孫朋垚等[7]研究發現超聲功率較低為30 W時，不同料液比例下的提取率差異性較大，提高超聲功率至45 W時，不同料液比例下的提取率顯著性差異消失。

2.7 其他影響因素

原料預處理、提取時間等因素均影響超聲提取效果。原料經過粉碎后，粒度減小，比表面積增大，在超聲過程中細胞破壁程度更大，有效成分易溶出。秦令祥等[8]研究超微粉碎協同超聲波輔助提取法提取香菇多糖，研究表明隨著香菇粒度減小，多糖提取率不斷上升。

3 超聲提取過程的傳質動力學研究

研究提取過程的傳質動力學，對控制提取過程，進而提高提取效率、降低生產成本具有重要意義。

3.1 基于Fick第一定律建立的超聲提取動力學模型

Fick擴散第一定律描述穩態下的提取狀況。基于Fick第一定律建模均有以下假設：（1）原料顆粒是球形且均勻；（2）擴散朝著顆粒徑向方向；（3）被提取的活性成分分布均勻；（4）原料顆粒與溶劑分散均勻、溫度一致。

3.1.1 傳統傳質提取動力學模型

提取過程主要為分子傳質，又稱為擴散。在提取過程中，固液兩相之間溶質的濃度差是擴散傳質的推動力。提取過程中活性成分的傳質理論公式如式（1）所示。

式中：dc/dt為提取速率，kobs為表觀速率常數（與原料的組織結構、粒度、提取溫度及活性成分性質有關）；ceq為提取平衡時提取物的濃度；c為t時刻溶液中提取物的濃度。

范建鳳等[9]、張金生等[10]基于傳質理論公式，研究超聲提取動力學過程。考慮初始條件t=0時，c=0，對式（1）積分，通過試驗數據擬合，求解表觀速率常數kobs，與阿倫尼烏斯公式聯立，建立超聲提取傳質動力學模型，如式（2）所示。研究結果表明提取過程符合準一級動力學方程，在試驗溫度范圍內升高溫度可加速提取。驗證結果表明試驗值和模型預測值擬合較好，此動力學模型能夠較好描述超聲輔助提取過程。

動力學模型通過試驗數據擬合方法求解相關參數值，計算較為簡單，但是缺乏對超聲功率、超聲頻率等關鍵工藝參數推導論證，應用范圍有限。

3.1.2 考慮湍流擴散的超聲提取動力學模型

在超聲提取過程中，除了分子擴散傳質外，還存在超聲作用引起的湍流擴散。在考慮湍流擴散的超聲提取動力學模型中，擴散系數由分子擴散系數DM和渦流擴散系數DE兩部分組成。其中，DM是提取成分濃度與擴散體系溫度的函數，取決于提取溫度、原料粒度、溶質總擴散系數等，而DE則取決于溶液的湍流程度，與超聲功率、超聲頻率、溫度相關[11-12]。

曹雁平等[6]和魚強花等[13]提出了擴散系數D與超聲功率P、頻率f、提取溫度T關系方程為D=DM+DE=DM（1+K1Pλ+K2fδ+K3Tε）。令ξ=1+K1Pλ+K2fδ+K3Tε，則超聲輔助浸提活性成分動力學方程如式（3）所示。

式中：ξ為超聲功率、頻率與溫度影響綜合系數；對于確定的原料；α、β均為常數；σ為原料粒度；M為溶劑倍量；R為干燥原料的吸溶劑率。利用動力學方程的計算值與實測值比較，結果表明建立的超聲提取動力學模型能夠較好地模擬試驗結果。

3.1.3 考慮破壁效應的超聲提取動力學模型

由于超聲作用，原料顆粒與提取溶劑的接觸面上除了產生湍流、沖流、空化效應，還會因空化效應而產生沖擊波和剪切力將植物細胞壁破碎或將顆粒切碎，這種效應被稱為超聲破壁。在超聲提取模型中，基于Fick第一定律建立的提取模型中固液擴散面積恒定不變，未考慮超聲破壁效應。

丘泰球等[14]研究發現超聲功率與細胞破壁率成線性關系，因此固液擴散面積被修正為式（4）。

式中：S0為破壁前擴散面積；B為原料細胞破壁擴散面積系數；B與超聲功率P呈正比，即B=μ×P，μ為相關系數，與原料顆粒形狀相關。

趙銳[15]、徐春龍等[16]基于Fick第一定律，建立超聲破壁提取動力學模型，如式（5）所示。

式中：對于確定的原料α′、β′均為常數。

基于Fick第一定律建立的超聲提取動力學模型，可定量表征提取物濃度與提取時間、原料粒度、料液比、超聲功率、頻率、溫度等影響因素之間的關系，優化超聲提取工藝參數，但是Fick第一定律模型不能描述濃度未達到平衡時的任一擴散過程，因此具有一定的局限性。

3.2 基于Fick第二定律建立的超聲提取動力學模型

Fick第二定律是在Fick第一定律基礎上推導得到，描述擴散通量隨時間及空間的變化。基于Fick第二定律的提取動力學建模基于共同假設：（1）原料顆粒為球型或圓柱體，大小均一；（2）提取成分在原料內部均勻分布，且外部溶液為均勻場；（3）提取成分不分解或揮發；（4）傳質過程由內擴散控制，有效成分沿徑向擴散；（5）忽略顆粒表面傳質阻力。

儲茂泉等[17]基于Fick第二定律，假設原料顆粒為球型，擴散過程由內擴散控制，內擴散系數為Ds，考慮到粒度、溶劑倍量、浸提溫度等因素對浸提濃度的影響，邊界條件為f=0，r=0，r=R，，建立提取動力學模型，如式（6）所示。

式中：k為表觀速率常數，k=m12/（K2r2）×Ds；K為空隙的形狀因子；Ds為內擴散系數，r為原料顆粒半徑。

王占一[18]、李小菊等[19]、李蘭蘭等[20]、趙少甫等[21]基于Fick第二定律，建立超聲提取動力學模型，同式（6）。該模型反映成分質量濃度與原料粒度、提取溫度、提取時間、料液比、超聲功率之間的關系。模型驗證結果表明，模型計算預測值與試驗值之間的相對誤差值大多低于10%，模型吻合良好，證明了超聲提取動力學模型具有較好的合理性及應用型。

廖建慶等[22]以70%乙醇超聲輔助浸提甘草中甘草酸，提出超聲強化機理是通過提高渦流擴散系數來增加提取物的分子擴散系數，結合前文所述，D=DM+DE=DM（1+k4k1T+k4k2P+k4k3f），對式（6）進行修正。建立提取濃度隨超聲功率、超聲頻率、提取溫度、提取時間變化的動力學方程。

通過基于Fick第二定律研究超聲提取動力學，可為工業生產提供預測，以篩選出最佳提取工藝參數。但是在提取溶劑量較低、顆粒數量多且粒徑過小、超聲功率過低時，模型可能不適用；Fick定律適用于單相的均勻介質，對于含多組分的原料需要進一步改進以適應多組分浸提過程。

4 超聲協同新型輔助提取技術

4.1 超聲微波協同提取技術

微波可均勻高效地加熱溶劑和固體基質。植物基質中的水吸收微波能量，內部過熱促進細胞分裂、化學成分解吸，從而提高有效成分的提取率[23]。不同組分的介電常數、比熱、含水量不同，微波吸收程度不一，某些組分可能被選擇性地加熱，使之與基體分離，進入到介電常數小、吸收能力差的溶劑中。微波輔助提取（microwave-assisted extraction，MAE）廣泛用于提取多糖類、黃酮類、揮發油類、多酚類等活性成分。

有研究表明UAE與MAE結合提取均較單一方法提取效果好。岳崢嶸等[24]采用超聲微波聯合提取法提取血紅鉚釘菇中多糖，提取得率為8.69%，較傳統水提取法相比提高12.89%，較超聲單一提取法相比提高8.63%，時間縮短30.00%。此外采用UMAE提取法所得的多糖體外抗氧化活性較其他兩種方法更強，原因可能是影響多糖的理化性質，具體機理有待深入研究。

4.2 超聲逆流提取技術

連續逆流提取（continuous countercurrent extraction，CCE）過程中原料與提取溶劑運動方向相反，溶劑中存在著連續的濃度梯度，形成較大的傳質推動力。將其與超聲提取技術相結合，可進一步縮短提取時間，提高提取效率。

周丹丹等[25]在通過正交試驗確定單罐超聲輔助提取猴頭菇多糖最佳工藝參數的基礎上，建立超聲輔助罐組式多態逆流提取方法。研究結果表明，采用3個串聯超聲輔助罐組式動態逆流提取猴頭菇多糖比傳統單罐3次提取法得率提高50%以上，提取時間縮短3 h，節約40%以上溶劑。

4.3 超聲協同生物酶解提取技術

生物酶解輔助提取法是利用酶反應具有極高催化活性和高度專一性的特點，浸提時添加適量果膠酶、纖維素酶、淀粉酶或蛋白酶等水解酶，酶解細胞壁中半纖維素、纖維素、果膠等成分，降低細胞壁結構的致密程度，從而減小浸提阻力，提高浸提效率的一種提取方法。近年來生物酶解輔助提取技術被廣泛應用于多糖、生物堿、皂苷、有機酸類等活性成分的提取，所用的酶可以是游離酶，也可以是固定化酶。其工藝關鍵在于選擇恰當的酶和尋找最適的酶解條件，達到最優的提取效果。

超聲可以與單一酶協同提取[26]，也可以和復合酶協同提取。孫朋垚等[27]提取黃芪多糖時研究發現采用超聲耦合纖維素酶、果膠酶綜合作用下提取效果優于單一水解酶強化效果，提取率具有顯著性差異。此外研究發現提取過程中，超聲場強化作用促進非均相酶解反應，對于不添加底物的均相體系酶具有破壞作用，可改變酶二級結構，破壞酶活力。

4.4 超聲協同靜電場提取技術

電場強化提取是近年來新型的強化萃取技術，具有提取效率高、低能耗、易于通過計算機控制等優勢。超聲輔助提取法與電場提取法相結合，由于靜電場的存在，對溶液產生微干擾，溶液中大直徑氣泡增多，增加超聲空化效應；另一方面，靜電場作用于空化氣泡，使處于穩態空化核中的一部分轉變為瞬態空化，增加了空化效應，能夠充分提取植物中的有效成分[28]。且無論靜電場與超聲場方向是正交耦合或是平行耦合，靜電場都能促進超聲空化反應，且平行耦合的效果好于正交耦合[29]。

5 結語

超聲輔助提取不僅可與煎煮法等傳統提取方法聯用，還可與微波提取、連續逆流提取等新型提取方法聯用，提高提取效率，節約溶劑，減少能耗。原料組織結構復雜，成分多樣且性質各異，超聲提取過程中多成分提取傳質動力學有待深入研究。陳思陽等[30]提出基于超分子“印跡模板”作用特征規律的提取工藝研究策略，分析提取動力學參數與各組分“印跡模板”特征關系，對活性成分群進行定性與定量，可實現較為全面的提取過程目標優化。響應面法[31]是可用于研究超聲輔助提取的非參數模型，可優化提取過程，不需要表達提取過程的物理意義，還可描述不同變量間的互相作用對結果的影響。此外，計算機人工神經網絡[31]可模擬超聲增強提取過程，不需要先驗知識，通過訓練學習以作系統識別，可用于非線性過程的數學處理，將是今后研究的重要輔助手段。

提取過程中超聲波對不同類型活性成分理化性質及生物的影響尚缺乏系統研究。現有研究表明，低頻高能超聲波可影響蛋白質、多糖等成分的流變學性能及生物活性。在食品科學領域，高能超聲被應用于增加不同食物來源的蛋白質溶解度，減少顆粒蛋白，改善蛋白質膠凝特性[32]，但是長時間高強度超聲可能引起蛋白質變性、酶活力喪失[33]。因此有必要深入研究超聲波提取技術對不同活性成分提取應用的適宜性。

超聲輔助提取在實驗室中得到廣泛應用，但由于大功率超聲換能器研究尚未成熟，阻礙了超聲波提取在工業化生產中的應用。隨著計算機自動控制技術、在線檢測技術的發展，多種提取技術聯用的超聲提取分離設備將向著專業化、自動化、功能多樣化、應用擴大化方向發展，以滿足食品、藥品等領域的生產需要。