超声波辅助提取技术研究进展

冯飞，葛永杰，代容，谢辉

南京中医药大学药学院（南京 210023）

涉及一系列质量传递的提取过程，其本质是原料被溶剂浸润、渗透，成分解析并溶解于溶剂中，借助组织细胞内外的浓度差与渗透压差，扩散并得到浸提液的过程。传统的提取方法如煎煮、浸渍、渗漉等存在耗时长、溶剂用量较大等缺点。面对资源人均占有量小、能源消耗量大、大气污染严重等现状，国家大力倡导绿色发展理念，全面节约和高效利用资源。超声波是频率高于20 kHz的声波，被广泛应用于提取、干燥、灭菌等领域。超声波辅助提取技术（ultrasound-assisted extraction，UAE）可以有效缩短提取时间、减少能源和溶剂消耗量、减少二氧化碳排放，具有节能、省时、高效等优点。超声波辅助提取技术具有广阔的应用前景，通过研究提取过程的传质动力学，探索超声波提取规律，可为超声波提取技术的深入研究与工业化应用提供依据。

1 超声增强提取的原理

大部分学者认为超声辐射过程中产生的空化效应、机械作用、热效应等协同作用共同导致提取增强。

1.1 非热效应

超声波主要通过非热作用实现强化提取，包括超声波空化和机械作用。

超声波空化[1-2]是由超声波在液体中传播引起的独特的物理现象，主要包括稳态空化和瞬态空化。在液体之中存在许多微小的气泡，当超声波在液体中纵向传播时会周期性的拉伸和压缩液体，因此空化气泡随声波频率而变化，此时为稳态空化；当其共振频率与超声波频率相等时，空化气泡极速收缩、内爆，产生高温高压，溃灭时产生冲击波或高速射流，发生瞬态空化。由于粒子间的碰撞及溶液中空化气泡坍塌而产生冲击波，超声空化效应会导致易碎固体破裂，增大固体表面积，从而提高传质效率。

超声波是一种机械振动波，在介质传播过程中会引起介质质点交替压缩和舒张。频率20 kHz、声场强度1 W/cm2的声波在水中介质传播时，最大加速度可达1.44×104m/cm2，因此能够显著地增大溶剂的穿透力，加强传质过程，提高提取效率[3]。

1.2 热效应

超声波在溶液中传播时，其振动能量不断被溶液吸收转变为热能，从而使自身温度上升，产生超声热效应。但在超声频率较低、溶剂吸收系数较小、较短超声作用时间时，超声并不会产生明显的加热[4]。

2 影响超声提取效率的工艺参数

对超声提取工艺参数的研究主要集中在声学参数和溶剂、温度、时间等工艺参数方面。

2.1 超声强度

超声强度是超声提取设备的固有属性。超声强度与超声换能器振幅直接相关，振幅增加将使超声强度增加，但高振幅易导致超声换能器的快速劣化。

2.2 超声频率

常用的超声频率在20～100 kHz，频率的大小影响空化气泡的大小。在高频率下，由于压缩-反射周期太短，需要更大的超声强度才能产生空化效应。王树宁等[5]以50%乙醇为溶剂，采用超声波辅助浸渍法提取侧柏中的总黄酮，在温度和超声功率一定时，超声频率在20～50 kHz时，黄酮得率逐渐上升，在50 kHz时达到最大值；随着超声频率继续增加，黄酮得率下降。

2.3 超声功率

超声功率一般指超声提取设备的电功率。原料组织结构、粒度大小、所提取成分的性质不同时，超声功率对提取的影响程度有差异。曹雁平等[6]采用65%乙醇作溶剂从姜黄中浸提姜黄素，研究发现超声功率在0.05～0.45 W/cm2范围内，姜黄素的扩散系数随超声功率的增加而增加，表明一定范围内超声功率的增加可加快姜黄素的浸提。

2.4 溶剂

溶剂的性质影响超声空化效应，尤其影响空化阈值。空化效应的发生需克服液体分子之间的内聚力，溶剂黏度增大或表面张力增加将会导致分子间作用力增强，导致空化阈值提高。因此，在满足相似相溶条件的前提下，低蒸汽压、低黏度溶剂是超声提取溶剂的首选。

2.5 温度

温度影响提取溶剂的性质，如表面张力、蒸汽压、黏度等。通常随着温度升高，溶剂的黏度和表面张力降低，溶剂萃取效率提高；但同时溶剂蒸汽压升高，蒸汽大量进入气泡腔和空化气泡中，超声空化效应减弱，从而影响超声提取效果。

2.6 料液比

不同料液比影响溶剂对活性成分的溶解能力，同时也影响着超声场的声压分布均匀性。料液比例较低时，固体颗粒分散密度较高，阻碍了超声波在提取体系内的传播，从而使部分区域声压不足，难以产生超声空化效应。孙朋垚等[7]研究发现超声功率较低为30 W时，不同料液比例下的提取率差异性较大，提高超声功率至45 W时，不同料液比例下的提取率显著性差异消失。

2.7 其他影响因素

原料预处理、提取时间等因素均影响超声提取效果。原料经过粉碎后，粒度减小，比表面积增大，在超声过程中细胞破壁程度更大，有效成分易溶出。秦令祥等[8]研究超微粉碎协同超声波辅助提取法提取香菇多糖，研究表明随着香菇粒度减小，多糖提取率不断上升。

3 超声提取过程的传质动力学研究

研究提取过程的传质动力学，对控制提取过程，进而提高提取效率、降低生产成本具有重要意义。

3.1 基于Fick第一定律建立的超声提取动力学模型

Fick扩散第一定律描述稳态下的提取状况。基于Fick第一定律建模均有以下假设：（1）原料颗粒是球形且均匀；（2）扩散朝着颗粒径向方向；（3）被提取的活性成分分布均匀；（4）原料颗粒与溶剂分散均匀、温度一致。

3.1.1 传统传质提取动力学模型

提取过程主要为分子传质，又称为扩散。在提取过程中，固液两相之间溶质的浓度差是扩散传质的推动力。提取过程中活性成分的传质理论公式如式（1）所示。

式中：dc/dt为提取速率，kobs为表观速率常数（与原料的组织结构、粒度、提取温度及活性成分性质有关）；ceq为提取平衡时提取物的浓度；c为t时刻溶液中提取物的浓度。

范建凤等[9]、张金生等[10]基于传质理论公式，研究超声提取动力学过程。考虑初始条件t=0时，c=0，对式（1）积分，通过试验数据拟合，求解表观速率常数kobs，与阿伦尼乌斯公式联立，建立超声提取传质动力学模型，如式（2）所示。研究结果表明提取过程符合准一级动力学方程，在试验温度范围内升高温度可加速提取。验证结果表明试验值和模型预测值拟合较好，此动力学模型能够较好描述超声辅助提取过程。

动力学模型通过试验数据拟合方法求解相关参数值，计算较为简单，但是缺乏对超声功率、超声频率等关键工艺参数推导论证，应用范围有限。

3.1.2 考虑湍流扩散的超声提取动力学模型

在超声提取过程中，除了分子扩散传质外，还存在超声作用引起的湍流扩散。在考虑湍流扩散的超声提取动力学模型中，扩散系数由分子扩散系数DM和涡流扩散系数DE两部分组成。其中，DM是提取成分浓度与扩散体系温度的函数，取决于提取温度、原料粒度、溶质总扩散系数等，而DE则取决于溶液的湍流程度，与超声功率、超声频率、温度相关[11-12]。

曹雁平等[6]和鱼强花等[13]提出了扩散系数D与超声功率P、频率f、提取温度T关系方程为D=DM+DE=DM（1+K1Pλ+K2fδ+K3Tε）。令ξ=1+K1Pλ+K2fδ+K3Tε，则超声辅助浸提活性成分动力学方程如式（3）所示。

式中：ξ为超声功率、频率与温度影响综合系数；对于确定的原料；α、β均为常数；σ为原料粒度；M为溶剂倍量；R为干燥原料的吸溶剂率。利用动力学方程的计算值与实测值比较，结果表明建立的超声提取动力学模型能够较好地模拟试验结果。

3.1.3 考虑破壁效应的超声提取动力学模型

由于超声作用，原料颗粒与提取溶剂的接触面上除了产生湍流、冲流、空化效应，还会因空化效应而产生冲击波和剪切力将植物细胞壁破碎或将颗粒切碎，这种效应被称为超声破壁。在超声提取模型中，基于Fick第一定律建立的提取模型中固液扩散面积恒定不变，未考虑超声破壁效应。

丘泰球等[14]研究发现超声功率与细胞破壁率成线性关系，因此固液扩散面积被修正为式（4）。

式中：S0为破壁前扩散面积；B为原料细胞破壁扩散面积系数；B与超声功率P呈正比，即B=μ×P，μ为相关系数，与原料颗粒形状相关。

赵锐[15]、徐春龙等[16]基于Fick第一定律，建立超声破壁提取动力学模型，如式（5）所示。

式中：对于确定的原料α′、β′均为常数。

基于Fick第一定律建立的超声提取动力学模型，可定量表征提取物浓度与提取时间、原料粒度、料液比、超声功率、频率、温度等影响因素之间的关系，优化超声提取工艺参数，但是Fick第一定律模型不能描述浓度未达到平衡时的任一扩散过程，因此具有一定的局限性。

3.2 基于Fick第二定律建立的超声提取动力学模型

Fick第二定律是在Fick第一定律基础上推导得到，描述扩散通量随时间及空间的变化。基于Fick第二定律的提取动力学建模基于共同假设：（1）原料颗粒为球型或圆柱体，大小均一；（2）提取成分在原料内部均匀分布，且外部溶液为均匀场；（3）提取成分不分解或挥发；（4）传质过程由内扩散控制，有效成分沿径向扩散；（5）忽略颗粒表面传质阻力。

储茂泉等[17]基于Fick第二定律，假设原料颗粒为球型，扩散过程由内扩散控制，内扩散系数为Ds，考虑到粒度、溶剂倍量、浸提温度等因素对浸提浓度的影响，边界条件为f=0，r=0，r=R，，建立提取动力学模型，如式（6）所示。

式中：k为表观速率常数，k=m12/（K2r2）×Ds；K为空隙的形状因子；Ds为内扩散系数，r为原料颗粒半径。

王占一[18]、李小菊等[19]、李兰兰等[20]、赵少甫等[21]基于Fick第二定律，建立超声提取动力学模型，同式（6）。该模型反映成分质量浓度与原料粒度、提取温度、提取时间、料液比、超声功率之间的关系。模型验证结果表明，模型计算预测值与试验值之间的相对误差值大多低于10%，模型吻合良好，证明了超声提取动力学模型具有较好的合理性及应用型。

廖建庆等[22]以70%乙醇超声辅助浸提甘草中甘草酸，提出超声强化机理是通过提高涡流扩散系数来增加提取物的分子扩散系数，结合前文所述，D=DM+DE=DM（1+k4k1T+k4k2P+k4k3f），对式（6）进行修正。建立提取浓度随超声功率、超声频率、提取温度、提取时间变化的动力学方程。

通过基于Fick第二定律研究超声提取动力学，可为工业生产提供预测，以筛选出最佳提取工艺参数。但是在提取溶剂量较低、颗粒数量多且粒径过小、超声功率过低时，模型可能不适用；Fick定律适用于单相的均匀介质，对于含多组分的原料需要进一步改进以适应多组分浸提过程。

4 超声协同新型辅助提取技术

4.1 超声微波协同提取技术

微波可均匀高效地加热溶剂和固体基质。植物基质中的水吸收微波能量，内部过热促进细胞分裂、化学成分解吸，从而提高有效成分的提取率[23]。不同组分的介电常数、比热、含水量不同，微波吸收程度不一，某些组分可能被选择性地加热，使之与基体分离，进入到介电常数小、吸收能力差的溶剂中。微波辅助提取（microwave-assisted extraction，MAE）广泛用于提取多糖类、黄酮类、挥发油类、多酚类等活性成分。

有研究表明UAE与MAE结合提取均较单一方法提取效果好。岳峥嵘等[24]采用超声微波联合提取法提取血红铆钉菇中多糖，提取得率为8.69%，较传统水提取法相比提高12.89%，较超声单一提取法相比提高8.63%，时间缩短30.00%。此外采用UMAE提取法所得的多糖体外抗氧化活性较其他两种方法更强，原因可能是影响多糖的理化性质，具体机理有待深入研究。

4.2 超声逆流提取技术

连续逆流提取（continuous countercurrent extraction，CCE）过程中原料与提取溶剂运动方向相反，溶剂中存在着连续的浓度梯度，形成较大的传质推动力。将其与超声提取技术相结合，可进一步缩短提取时间，提高提取效率。

周丹丹等[25]在通过正交试验确定单罐超声辅助提取猴头菇多糖最佳工艺参数的基础上，建立超声辅助罐组式多态逆流提取方法。研究结果表明，采用3个串联超声辅助罐组式动态逆流提取猴头菇多糖比传统单罐3次提取法得率提高50%以上，提取时间缩短3 h，节约40%以上溶剂。

4.3 超声协同生物酶解提取技术

生物酶解辅助提取法是利用酶反应具有极高催化活性和高度专一性的特点，浸提时添加适量果胶酶、纤维素酶、淀粉酶或蛋白酶等水解酶，酶解细胞壁中半纤维素、纤维素、果胶等成分，降低细胞壁结构的致密程度，从而减小浸提阻力，提高浸提效率的一种提取方法。近年来生物酶解辅助提取技术被广泛应用于多糖、生物碱、皂苷、有机酸类等活性成分的提取，所用的酶可以是游离酶，也可以是固定化酶。其工艺关键在于选择恰当的酶和寻找最适的酶解条件，达到最优的提取效果。

超声可以与单一酶协同提取[26]，也可以和复合酶协同提取。孙朋垚等[27]提取黄芪多糖时研究发现采用超声耦合纤维素酶、果胶酶综合作用下提取效果优于单一水解酶强化效果，提取率具有显著性差异。此外研究发现提取过程中，超声场强化作用促进非均相酶解反应，对于不添加底物的均相体系酶具有破坏作用，可改变酶二级结构，破坏酶活力。

4.4 超声协同静电场提取技术

电场强化提取是近年来新型的强化萃取技术，具有提取效率高、低能耗、易于通过计算机控制等优势。超声辅助提取法与电场提取法相结合，由于静电场的存在，对溶液产生微干扰，溶液中大直径气泡增多，增加超声空化效应；另一方面，静电场作用于空化气泡，使处于稳态空化核中的一部分转变为瞬态空化，增加了空化效应，能够充分提取植物中的有效成分[28]。且无论静电场与超声场方向是正交耦合或是平行耦合，静电场都能促进超声空化反应，且平行耦合的效果好于正交耦合[29]。

5 结语

超声辅助提取不仅可与煎煮法等传统提取方法联用，还可与微波提取、连续逆流提取等新型提取方法联用，提高提取效率，节约溶剂，减少能耗。原料组织结构复杂，成分多样且性质各异，超声提取过程中多成分提取传质动力学有待深入研究。陈思阳等[30]提出基于超分子“印迹模板”作用特征规律的提取工艺研究策略，分析提取动力学参数与各组分“印迹模板”特征关系，对活性成分群进行定性与定量，可实现较为全面的提取过程目标优化。响应面法[31]是可用于研究超声辅助提取的非参数模型，可优化提取过程，不需要表达提取过程的物理意义，还可描述不同变量间的互相作用对结果的影响。此外，计算机人工神经网络[31]可模拟超声增强提取过程，不需要先验知识，通过训练学习以作系统识别，可用于非线性过程的数学处理，将是今后研究的重要辅助手段。

提取过程中超声波对不同类型活性成分理化性质及生物的影响尚缺乏系统研究。现有研究表明，低频高能超声波可影响蛋白质、多糖等成分的流变学性能及生物活性。在食品科学领域，高能超声被应用于增加不同食物来源的蛋白质溶解度，减少颗粒蛋白，改善蛋白质胶凝特性[32]，但是长时间高强度超声可能引起蛋白质变性、酶活力丧失[33]。因此有必要深入研究超声波提取技术对不同活性成分提取应用的适宜性。

超声辅助提取在实验室中得到广泛应用，但由于大功率超声换能器研究尚未成熟，阻碍了超声波提取在工业化生产中的应用。随着计算机自动控制技术、在线检测技术的发展，多种提取技术联用的超声提取分离设备将向着专业化、自动化、功能多样化、应用扩大化方向发展，以满足食品、药品等领域的生产需要。