超声空化效应及其对植物活性成分抗氧化性的影响

姬长舟+任建武

摘要：指出了超声波提取技术因具有提取率高、耗时短、温度低等优点被广泛应用于植物活性成分的提取中，从超声波提取法的原理入手，对其在植物活性成分的提取中的应用以及超声空化对活性成分的抗氧化性影响的机理进行了综述，为后续超声波提取的应用提供一定参考。

关键词：超声波提取；空化效应；羟自由基；抗氧化性

1 引言

近年来，人们对天然物质成分的使用逐步增大，关于其提取的技术也在不断优化，超声波提取技术因其高效便利在天然物质的提取中得到被广泛应用。研究者在不断明确其超声波提取机理的同时，发现利用超声波提取的有效成分，相对其他提取方式在活性成分的抗氧化性方面会有一定影响。

2 超声波提取技术原理

超声波的应用非常频率范围在2×104 ～1×107 Hz之间，其拥有着定向性好、能量大以及穿透力强的特点。[1]超声波提取技术正是一种利用超声波的特点，引发超声波所带来的空化效应、机械振动、热效应，来提高天然物质中有效成分提出率的提取方法。超声波提取过程中，在空化效应、机械效应和热效应的协同作用下，会产生各种物理和化学反应。在超声波以上各项作用下，首先植物细胞壁会因此而破裂，同时溶剂的渗透速度也会提高，从而促进提取物快速进入溶剂，进而减少了提取时间，提升了提出率，也因此高温对提取物的影响也随之降低。[2]正是因为以上特点，超声波提取法的应用目前已非常普遍，在多酚、黄酮、多糖及生物碱类物质的应用也非常常见。在认识超声波提取法具有提取率高、提取速度快、节约溶剂、温度低等优点的同时，也要注意到因为空化效应的产生，引起内部的高温、高压，并诱发产生自由基，进而改变提取体系的微物理化学环境，对多酚、黄酮等抗氧化活性物质的稳定性产生影响。[3]

3 超声空化效应

3.1 空化过程机理

超声空化是指在超声波作用下液体中激发产生微气核空化泡，其动力学过程包括微气核空化泡的震荡生成、空化泡进一步生长、空化泡的收缩直至最后空化泡的崩溃。当空化泡形成局部热点时，高温可达5000 K以上，高压也可到10～100 MPa，高压释放之时，会有强烈冲击波或高速射流产生[4，5]。超声空化效应包括常见的两种类型，分别是稳态空化和瞬态空化。二种空化泡产生时主要区别在于声强，稳态空化是声强小于10 W/cm2时产生的空化泡 ， 空化泡的大小在平衡尺寸左右振荡， 进而生成数个循环的周期。随着空化泡的扩大，当其扩大到本身共振频率与声波频率相等时，此刻声场与气泡之间会发生最大能量耦合，空化作用就会变得非常显著。瞬态空化产生的空化泡存留周期一般都比较短暂，其产生的声强一般大于10 W/cm2，其超声周期基本在负压相半周期内迅速膨胀，而后在正压相半周期转换为极速收缩直至内爆，这一过程一般在1个声波周期内即可完成[1～6]。

3.2 影响空化强度的因素

衡量空化作用的强度和效果可以通过自由基的数量来进行表示，因为空化过程中所引发的化学反应均起因于自由基[6]。因此，对水力空化产生的自由基进行定量检测，是研究空化的强化效应重要方式[7]。刘丽艳等利用荧光分光光度法和可见光分光光度法这两种化学计量法通过检测声致·OH 来评价超声空化强度。随超声辐照时间延长，热效应累积在一定范围内增强超声空化强度。温度从20℃升高到80℃，其最佳温度为60℃，此过程中超声空化强度先加强后削弱。低频超声空化效果较好，在40 kHz时达到最大值。在 40～100 W功率范围内，空化强度先增加后出现波动，80 W为最优值。加入适量的活性炭颗粒能够促进超声空化，受颗粒影响，固液体系的空化最佳温度为40℃。陈辉等[8]也提出了超声波空化作用的强弱和声学参数及液体的物理化学性质有一定关系。综上，影响超声空化的主要因素在于超声波强度、超声波频率、液体的表面张力与黏滞系数以及温度。

4 超声波提取法在提取植物活性成分中的应用

4.1 多酚类物质提取

多酚类物质一般具有多个酚基团，广泛存在于植物中，且具有良好的抗氧化作用，能够清除体内的自由基，故对人体健康有着重要作用，被称为“第七类营养素”。在多酚类物质的提取中，研究者充分利用了超声波提取技术的优势，进一步提高了某些天然物质中多酚类物质的提取率。陈晨等在对香蕉皮多酚的提取工艺中研究发现，在相同的提取条件下，使用超声波辅助提取香蕉皮多酚的提取率（2.681% ）显著高于未使用超声波提取的（1.206% ）。朱琳琳等[9]对丹皮酚提取工艺进行研究，得出了超声提取-水蒸气蒸馏法较直接水蒸气蒸馏法的提取率高的结论。此外，有研究者[10]在对橄榄果实多酚提取量的影响进行探究时，分别运用正交实验探究有机溶剂和超声波两项因素，结果显示超声波提取法相对而言提取速度更快，溶剂用量更少，且能有效避免因时间持续长，温度积累过高导致有效成分损失以及抗氧化能力降低的问题。由上述可见，超声波提取法在多酚类物质提取中的应用具有着相对于传统提取方法的独特优势[11]。

4.2 黄酮类物质提取

绝大多数植物体内都含有黄酮类化合物，因为其本身良好的的抗氧化效果受到许多研究者青睐，黄酮的提取也不乏使用超声辅助的例子。在对洋葱中黄酮类物质的提取工艺对比研究中，李敏等描述到在从红皮洋葱中提取黄酮时，分别采用热水浸提法、乙醇浸提法、纤维素酶辅助法以及超声波提取法。提取率的研究结果表明： 超声波法>酶辅助法>乙醇提取法>热水浸提法，所以超声波法提取法在这几类方法中提取洋葱中黄酮的提取率最高。陈红梅[12]在利用不同提取方法提取石榴皮黃酮类物质时，通过对比热水浸提法、乙醇回流提取法、超声波提取法发现，超声波提取法最终的提取率是最高的。这也是超声波提取法能够在黄酮类物质提取中应用的部分原因[13]。

4.3 多糖类物质提取

多糖的提取有许多传统的方法，包括碱提法、微波法、热水浸提法以及超声波提取法。超声波提取法具有众多优点[14]，包括可在较低温度下提取，所以由温度带来的对各种多糖构造的破坏相比其他方法较小，进而得到广泛运用。刘艳艳等在使用超声波辅助提取霍山石斛多糖中，得到超声波辅助提取霍山石斛多糖平均得率为传统热水浸提工艺的1.70倍的结论，且在进一步对抗氧化探究中，通过超声波提取获得的多糖还原力要比热水浸提的多糖好一些，在ABTS自由基清除率方面，超声波提取也优于热水浸提法获得的多糖[15]。Zdena Hromádková等对比了传统方法和超声提取法提取玉米芯中的水溶性木聚糖的效果，发现超声法所获得的木聚糖的生物活性相比常规方法高，且在用NaOH溶液作为提取溶剂的情况下，超声波提取法在时间、温度和碱质量浓度上，均可在较低的水平下取得较高的提取效率[16]。

此外，超声波提取法也广泛应用于生物碱类、有机酸类及油脂类等提取。相关研究文献中均对最佳提取工艺条件进行了描述，并对影响提取效率的影响因素作出探究[2，17～19]。

5 超声空化对植物活性成分抗氧化性的影响

通过以上研究者的相关发现与总结，可以很清晰地看到，与传统的提取方法相比，超声波提取法虽具有省时、提取效率高、提取纯度高等优点。但在有关研究文献中，作者也提出，超声波提取法对植物活性成分的抗氧化性具有一定影响，具体如下。

周勇等对荷叶活性物质进行提取时，分别采用了两种方法，分别是超声辅助法和微波辅助法。然后研究者从提取液的总还原力、羟基自由基清除率、总抗氧化能力三个方面进行对比，结果表明，微波辅助提取的总还原力明显高于超声辅助提取（p<0.001）；微波辅助提取液羟自由基清除率要比超声辅助提取液高18.2% ，二者之间存在显著性差异（p<0.001）；荷叶超声辅助所得提取液总抗氧化力明显小于微波辅助提取液的总抗氧化力（p<0.001），二者也存在着明显差异，综合对比发现，微波辅助提取抗氧化活性物质效果相比于超声辅助提取較好[20]。

朱璐等在使用浸提法、超声波法和微波法3种方法提取紫薯花色苷中发现，3 种提取方式提取的紫薯花色苷总抗氧化性能力由大到小的次序为微波提取法、超声提取法、浸提法，且紫薯花色苷经过微波处理，对其生理功能保存较好，超声波处理次之，溶剂浸提处理对紫薯花色苷功能活性成分的影响较大。上述3 种花色苷粗提取物对·OH、DPPH自由基、O2-·的清除能力、铁离子还原力、总抗氧化性检测说明，以上抗氧化活性检测结果均体现出微波辅助提取的紫薯花色苷抗氧化能力要优于超声波辅助提取法和浸提法[21]。

邵佩兰等对碱提、超声辅助碱提和酶-超声辅助碱提3种方法提取红枣色素中活性成分含量进行对比发现，在活性成分含量方面，不同方法之间存在差异，但是碱提色素的方法在总多酚、花色苷和总黄酮的含量上是最高的；在抗氧化活性研究中发现，3 种方法有着显著的量效关系，其中碱提色素的抗氧化活性显著高于超声辅助碱提、酶-超声辅助碱提色素[22]。

Rawson等研究脉冲超声波处理新鲜哈密瓜汁时发现，多酚含量的变化具有以下过程，在前6 min 内几乎不受影响，但是超声处理组的多酚含量在10min 后较对照组显著下降（p<0.05）[23]。同样地 Tiwari研究超声处理草莓汁也发现，花色苷的含量在处理前期是递增的，一段时间之后，花色苷的含量出现降低趋势[24]。

Paniwnyk等在利用超声辅助提取芦丁时发现，提取溶剂的选择对提取率和提取时间会有一定影响，甲醇作为提取溶剂时，不仅时间上会相对少一些，而且提取率也会得到提高，但是对比发现如果在水系溶剂里面提取却是不利的[25]。

综上所述，可见超声波提取的过程对活性成分的抗氧化性、羟自由基清除率及多酚等活性物质的稳定性会产生一定影响，究其原因分析如下。

（1）在1982年就有人就能够利用电子自旋共振法（ESR）对水体进行超声处理，并在其中检测出了·OH[26]。后来人们通过各种的自由基检测方法进行检测，均证实了超声能够导致水体中产生羟自由基[27，28]。然而由于羟自由基反应活性大、存在浓度低、寿命较短，且其很难独自稳定存在，鲁芳等发现当溶液中存在化学发光剂时，超声所产生的羟自由基将迅速氧化发光剂进而产生很强的化学发光，这一过程被称为声致化学发光（SCL）。导致化学发光于羟基自由基的产生同时产生，可以获得对·OH直接、灵敏、快速地测定[29]。刘丽艳等使用更加简单便捷的方法来确定羟自由基的相对产量，研究者以对亚甲基蓝和苯二甲酸为羟自由基捕捉剂，运用荧光分析法和紫外-可见光分光光度法，对超声空化强度的影响因素进行剖析，在超声辐照时间、功率、频率等方面，荧光分析法更能准确表现固液体系的空化场强度，更加简单便捷的确定羟自由基的相对产量[30]。以上研究者的发现清晰的描述到，在超声处理的水系中会产生羟自由基，能通过声致化学发光对其测定，且能采用荧光分析法对超声空化进行表征。

（2）结合上述观点，进一步总结研究者的成果可见其具体反应机理。当介质中存在水时，水流发生空化后，超声引起液体中的微气泡经过振荡生成、长大、收缩、溃灭这一过程，溃灭之后会导致微气泡附近的液体生成强烈的激波，引发局部点的极端高温与高压，这种局部点的高能量，足以使水分子内部的键断裂，进而发生反应，产生羟自由基和氢自由基：

H2O→H·+·OH

羟自由基含有未配对电子，其本身非常活泼，氧化能力与氟（F）相当，氧化电位高达2.80 V，几乎能与一切的生物大分子、无机物或有机物发生多种化学反应。常见的植物活性成分，多酚、黄酮等，在结构上具有一定的共性，其中含有两个或两个以上羟基与芳香环直接相连的结构，使得植物活性物质很容易被氧化失活[3，6，31～33]。另外，是否易被氧化反应也与苯环上的取代基有关，取代基越多则越不稳定；在取代基数量的相等的情况下，羟基取代基越多则越不稳定，而甲氧基取代基越多则越稳定[34]。此外， 空化泡溃灭时自由基会在生成冲击波和射流的助力下进入液相，而自由基的活性较强， 很容易衍生其他化学反应生成稳定的分子， 也可与其他分子间相互反应， 或是自由基的再结合反应。考虑到在如此复杂的物理化学环境中，水力空化引发化学反应是具有一定概率的。此外，该类反应的反应速度极快，可迅速结合反应，故可在短时间内进行快速氧化，所以对活性物质的影响是不容忽视的。

经以上的反应机理分析，在一定程度上反映了周勇、朱璐等所得出的超声波提取法的抗氧化性的略次于其他方法的原因；也折射出影响活性物质稳定性的原因。超声空化的动力学过程以及其衍生的特殊得物理化学环境虽然复杂，但目前已明确影响活性物质抗氧化性的主要在于羟自由基，为了避免或减弱该影响，建议在用超声辅助提取活性物质时重视溶剂的选择，尽量不要选用水系溶剂，或者尽可能降低溶剂中水分的比例。这样才有助于在提取植物活性成分时，将超声空化对活性成分抗氧化性的影响降至最低，但还有一些机理尚不明确，仍需进一步探究。

6 展望

在超声波技术因其独特优势被大量使用的同时，不容忽视的是空化带来的对植物活性成分抗氧化性的影响。在分析其具体的影响机制时，需进一步对自由基的产生及衍生的物理化学反应进行关注，此外也要进一步探究超声空化对抗氧化活性的影响是否与植物活性成分本身结构有关。相信随着超声波提取技术的机理越来越清晰，超声波所带来的抗氧化性的影响会逐步减小，超声波提取技术的也会越来越成熟。

参考文献：

[1]陈 辉，强颖怀，葛长路. 超声波空化及其应用[J]. 新技术新工艺，2005（7）：63～65.

[2]韩 伟，叶亚婧，雷祖海，等. 超声波在活性成分提取中的应用进展[J]. 机电信息，2011（20）：33～38.

[3]王 涓，潘忠礼，马海乐，等. 超声波的空化作用及其对多酚稳定性的影响[J]. 食品工业科技，2014（19）：388～391.

[4]张昌军，原方圆，邵红兵. 超声波法在提取多糖类化合物中的应用研究[J]. 化工时刊，2007（2）：54～56.

[5]何竞旻，王瑞侠，黄劲松. 超声波在药用植物提取中的应用研究[J]. 池州学院学报，2009（3）：67～69.

[6]杨会中. 水力空化强化效应实验研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[7]张晓冬，李志义，武 君，等. 水力空化对化学反应的强化效应[J]. 化工学报，2005（2）：262～265.

[8]劉丽艳，栾振威，张 爱，等. 超声空化强度的化学计量表征方法[J]. 天津大学学报（自然科学与工程技术版），2016（3）：299～304.

[9]陈 晨，胡文忠，田沛源，等. 超声辅助提取香蕉皮多酚工艺优化及其抗氧化性的分析[J]. 食品科学，2014（2）：12～17.

[10]朱琳琳， 李玉贤. 丹皮酚超声提取工艺研究[J]. 中医学报， 2011， 26（6）：713～714.

[11]常 强， 苏明华， 陈清西，等. 2种提取工艺对橄榄果实多酚含量及抗氧化活性的影响[J]. 热带作物学报， 2016， 37（8）：1575～1581.

[12]李 敏， 何 阳. 洋葱中黄酮类物质的提取及抗氧化作用研究[J]. 光谱实验室， 2013， 30（6）：2951～2954.

[13]陈红梅. 石榴皮黄酮类物质不同提取方法的比较[J]. 安徽农学通报， 2008， 14（24）：16～16.

[14]王文昕，董 全. 响应面法优化超声辅助提取花生红衣多酚工艺[J]. 食品科学，2012（22）：1～5.

[15]刘艳艳，魏 明，孟 鸽，等. 超声波辅助提取霍山石斛多糖及其抗氧化活性研究[J]. 食品科技，2016（5）：213～218.

[16]Metelitza D I， Tarun E I， Losev Y P. Polyphenolic Antioxidants Efficiently Protect Urease from Inactivation by Ultrasonic Cavitation[J]. PrikladnaiaBiokhimiia I Mikrobiologiia， 2002， 38（6）：595～603.

[17]史晓东，吴彩娥. 超声波提取葡萄籽油工艺的研究[J]. 粮食与食品工业，2007（2）：17～20.

[18]何 霞，刘国琴，李 琳，等. 超声波辅助酶法提取小麦麸皮中阿魏酸的工艺研究[J]. 粮食与饲料工业，2010（8）：25～27.

[19]赵 郦，郭圣荣. 表面活性剂-超声法提取益母草总生物碱[J]. 科技导报，2008（13）：80～83.

[20]周 勇， 杜先锋， 江慎华，等. 荷叶活性物质超声、微波辅助提取比较及人工胃液处理对其抗氧化活性的影响[J]. 食品工业科技， 2012， 33（17）：106～109.

[21]朱 璐， 董 福， 冯叙桥，等. 浸提法、超声波法和微波法提取紫薯花色苷的抗氧化性比较研究[J]. 食品科学， 2015， 36（19）：83～88.

[22]邵佩兰， 徐 明， 郭晓丹，等. 红枣色素中活性成分含量与抗氧化活性的相关性[J]. 食品工业科技， 2016， 37（17）.

[23]Rawson A， Tiwari B K， Patras A， et al. Effect of thermosonication on bioactive compounds in watermelon juice[J]. Food Research International， 2011， 44（5）：1168～1173.

[24]Tiwari B K， ODonnell C P， Patras A， et al. Anthocyanin and ascorbic acid degradation in sonicated strawberry juice.[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry， 2008， 56（21）.

[25]Paniwnyk L， Beaufoy E， Lorimer J P， et al. The extraction of rutin from flower buds of Sophora japonica[J]. UltrasonicsSonochemistry， 2001， 8（3）：299～301.

[26]Lüthi B， Wolf B， Zherlitsyn S， et al. Pulsed field ultrasonic and ESR experiments in low-dimensional spin systems[J]. Physica B Condensed Matter， 2001， s 294-295（1）：20～25.

[27]冯 若， 赵逸云， 陈兆华，等. 声化学主动力：声空化及其检测技术[J]. 声学技术， 1994（2）：56～61.

[28]张牧群， 尹周澜， 陈启元. 铝酸钠溶液中超声诱致自由基的检测[J]. 中国稀土学报， 2004， 22（z1）：207～211.

[29]鲁 芳， 段 晶， 聂迎春，等. 声致化学发光法应用于水果中抗氧化剂对OH·清除能力的研究[J]. 食品工业科技， 2013， 34（21）：119～123.

[30]刘丽艳， 栾振威， 张 爱，等. 超声空化强度的化学计量表征方法[J]. 天津大学学报（自然科学与工程技术版）， 2016， 49（3）：299～304.

[31] Svitelska G V， Gallios G P， Zouboulis A I. Sonochemical decomposition of natural polyphenolic compound （condensed tannin）[J]. Chemosphere， 2004， 56（10）：981.

[32]邓淑芳， 白敏冬， 白希尧，等. 羟基自由基特性及其化学反应[J]. 大连海事大学学报， 2004， 30（3）：62～64.

[33]王 涓. 平板扫频脉冲超声波对多酚稳定性影响的研究[D]. 镇江：江苏大学， 2014.

[34]Liazid A， Palma M， Brigui J， et al. Investigation on phenolic compounds stability during microwave-assisted extraction.[J]. Journal of Chromatography A， 2007， 1140（1-2）：29～34.