超声波提取技术

超声波提取技术

技术介绍：1.简介超声波提取（也称为超声波萃取）以其提取温度低、提取率高、

提取时间短的独特优势被具有创新意识者应用于中药材和各种动、植物有效含量的提取，是替代传统剪切工艺方法实现高效、节能、环保式提取的现代高新技术手段。

超声波提取有两层含义：超声技术的应用和药物中化学成分的提取。即利用超声波所产生的的空化等特殊作用，将药物中所含化学成分快速高效地提取出来的一项新的提取技术。

2.原理超声波提取是利用超声波具有的机械效应，空化效应和热效

应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿透力以提取生物有效成分。

机械效应：超声波在介质中的传播可以使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散、传播，这就是超声波的机械效应。超声波在传播过程中产生一种辐射压强，沿声波方向传播，对物料有很强的破坏作用，可使细胞组织变形，植物蛋白质变性；同时，它还可以给予介质和悬浮体以不同的加速度，且介质分子的运动速度远大于悬浮体分子的运动速度。从而在两者间产生摩擦，这种摩擦力可使生物分子解聚，使细胞壁上的有效成分更快地溶解于溶剂之中。

空化效应：通常情况下，介质内部或多或少地溶解了一些微气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散（rectieddiffvsion）而增大，形成共振腔，然后突然闭合，这就是超声波的空化效应。这种气泡在闭合时会在其周围产生几千个大气压的压力，形成微激波，它可造成植物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成，有利于有效成分的溶出。

热效应：和其它物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是一个能量的传播和扩散过程，即超声波在介质的传播过程中，其声能不断被介质的质点吸收，介质将所吸收的能量全部或大部分转变成热能，从而导致介质本身和药材组织温度的升高，增大了药物有效成分的溶解速度。由于这种吸收声能引起的药物组织内部温度的升高是瞬间的，因此可以使被提取的成分的生物活性保持不变。

3. 特点：1）提取效率高：超声波独具的物理特性能促使植物细胞组织

破壁或变形，使中药有效成分提取更充分，提取率比传统工艺显著提高达50—500%；

2）.提取时间短：超声波强化中药提取通常在24—40分钟即可获得最佳提取率，提取时间较传统方法大大缩短2/3以上，药材原材料处理量大；

3.）提取温度低：超声提取中药材的最佳温度在40—60℃，对遇热不稳定、易水解

或氧化的药材中有效成分具有保护作用，同时大大节能能耗；

4.）适应性广：超声提取中药材不受成分极性、分子量大小的限制，适用于绝大多

数种类中药材和各类成分的提取；

5.）提取药液杂质少，有效成分易于分离、纯化；

6.）提取工艺运行成本低，综合经济效益显著；

7.）操作简单易行，设备维护、保养方便。

影响因素：1.超声参数的影响

在多次超声提取实验中，发现提取不同药材中的化学成分，因使用不同参数（如频率、声强度等）的超声对药材进行提取而有不同的结果。即使是提取同一药材，若选用的参数不当时，就会使药材中所需提出的成分提不出来或得不到好的结果。如在用超声提取穿山龙根茎中薯蓣皂甙时，其频率不同，所得的提出率随频率的增加而增加，且以高颠率（1MHz）的超声提取后的浸出率最高而在用超声提取槐米中的芦丁成分时，其频率不同，所得的芦丁得

率不同，其得率随频率的提高而减少。又如在用超声提取大黄根中蒽醌成分和从益母草中提取益母草生物碱成分时，发现在同一提取时间下，所提成分的提出率都随超声强度的增加而降低，甚至强度更大时，所得的提出率却接近于传统提取法所得的提出率，此种影响的机理有待于进一步研究探讨。但可看出超声参数在提取中选择适当与否是影响提取产率的关键，必须针对不同的药材选择适宜的超声参数。

超声参数的选择范围是超声设备质量的评价标准之一，我们还希望，在适当的参数下，超声设备没有工作噪音，且可达到提取的满意效果，也可用于大规模提取的生产中。关于大规模提取生产中的设备的类型已做详细介绍。

2.超声提取时间的影响

在传统的提取法中，提取时间的长短由提取的药材、产率等’情况而定，在超声提取中也是如此。通过实验，超声提取的产率不是随提取时间的无限延长而继续增加。

如用超声提取黄连中的小檗碱成分，其得率随提取时间的增加，到一定时间有一峰值，再增加提取时间小檗碱得卒反而降低。而在用超声提取槐米中芦丁成分时，其得率随提取时间的增加而增加，以提取50min的为最多。可见在超声提取过程中，提取时间的多少和次数应以将药材中所需成分完全地提取出来为标准，且以其含量的多少为条件，在实验中摸索不同药材应提取的最佳时间为宜。

3.溶剂的选择和浓度、用量对提取的影响

超声提取过程和传统提取法一样，在提取中必须结合欲提成分的性质，以便选择适宜的溶剂、浓度和用量。因为超声提取无需加热，提取过程中超声产生的热效应使溶剂升温不多，若用循环溶剂，温度一般处于室温状态。但溶剂的浓度、用量也是提取的一个重要条件，溶剂浓度、用量过大，若不能回收，而造成浪费，会增加成本；

若溶剂浓度、用量过少，将会造成药材中所含成分提取不完全，影响化学成分产率。

所以选择溶剂既要注意所提成分的性质，又要注意溶剂的浓度、用量、毒性大小、价格等因素，还要注意植物中所含其他物质的影响。如用超声提取黄连中的小檗碱成分，在同一提取时间下，用石灰水做溶剂比用硫酸做溶剂所提得的提出率高，因为黄连药材中含有粘液，用碱性溶剂为宜。又如用超声提取黄芩药材或由黄芩组成的药品中的黄芩甙成分时，使用不同浓度的溶剂，黄芩甙的含量各不相同，不同浓度的溶剂对黄

芩药材和烧伤净软膏中的黄芩甙成分含量的影响选择浓度为75%的乙醇作为提取溶剂，所得含量测定结果较理想。所以选择溶剂又是提取所得产率和含量多少的一个重要方面，必须依据药材对溶剂吸收量的大小和所提取成分的性质，选择适宜的溶剂和用量，以提高效率、降低成本。

4.酶对提取的影响

酶存在于各种植物体中，在前面讲到。对于甙类成分来说影响极大、因为甙类是糖的衍生物，几乎含有羟基的所有植物成分均可能与糖结合成甙，并多与酶伴存于中草药中，此种酶能促进甙的酶解而生成甙元或次级甙。在潮湿空气中碾碎中草药原料或用冷水浸泡中草药粉末，都将促使酶与甙接触，而使甙水解，失去原有状态。若用水作溶剂，所提得的甙类成分也易被酶化。如用超声法从黄芩中提取黄芩甙时，因为超声提取无需加热，水温低，黄芩甙易被酶解成葡萄糖醛酸和水不溶的黄芩素，影响黄芩甙的提出率。所以有同志用超声提取黄芩甙时可增加提出率，而有同志却提出率低，可想到这可能是酶在起破坏作用。由此看来在超声提取过程中别对于提取药材中甙类成分时一定要注意酶，应设法先使酶失活，再进行超声提取，以防酶对所提取成分的影响，不但影响提出率，而且会造成所提成分结构的变化，变成其他成分。

5.超声在提取工艺过程中影响

提取工艺是提取植物性药材中成分的全过程，提取方法的选择也是提取中重要的一个方面。把超声加入提取工艺过程中应该了解成分的结构，因为植物性药材中的成分结构各有不同，如甙类成分甙元常和糖类结合，其间的键易被断开，形戍其他成分。如从槐米中提取芸香甙因为芸香甙为黄酮类化合物，是由槲皮素C3位置上的羟基和芸香糖结合，而成为双糖甙。所以若用超声提取，应将超声加入适当的提取工艺过程中，防止超声的空化效应打断甙的结合键，影响芸香甙成分的提出率。所以在使用超声时，一定要注意提取工艺过程，应注意超声的空化效应打断糖的结合键，使甙类成分结构发生变化，形成其他成分。由此看出在使用超声时，应设法将超声加在适当的提取工序中，以防超声对所提取的成分结构产生不良影响。

总之，从以上看出在超声提取过程中，由于药材中所含化学成分复杂，不但要使提取成分产率提高，而且也要将所提成分全部提取出来，且不含杂质，所以一定要多方考虑，从不断的实验中总结经验，探索最佳条件，防止意想不到的条件而影响化学成分的提出率。这节中只讲了五个方面，但还有其他方面如粒度、温度等影响因素都未讲到，请在选择条件中加以注意，选择适当的噪声小的超声设备，以满足工业大生产的需要，以达到超声提取应起的作用，提高效率，降低成本。

超声波提取设备介绍

1、机型分类：超声波提取设备分为小试机型、中试机型和规模生产机型。

（1）小试机型：一般用于实验室，超声功率为300W至3KW，提取罐或槽容积为5至75L。

（2）中试机型：一般用于中间试验，超声功率为5KW至10KW，提取罐或槽容积为200至400L。

（3）规模生产机型：主要用于中药材提取的批量生产，超声功率为20KW至

75KW，提取罐容积为1至3立方米。

2、结构型式分类：超声波提取设备结构型号式分为内置式和外置式两类。

（1）内置式机型：主要是指将超声波换能器阵列组合成密封于一个多边形立柱体内，并将其安装于中药材提取罐

内中心位置，其超声能量从多边形立柱内向外（罐内的媒质）发射。

（2）外置式机型：主要是指将超声波换能器以阵列组合的方式安装于提取罐体的外壁，其超声能量由罐外壁向罐

内（媒质）发射

制药领域的应用：1 多糖的提取

多糖广泛存在于植物、微生物和海藻中, 其与免疫功能的调节、细胞与细胞的识别、细胞间物质的运输、癌症的诊断与治疗等有着密切的关系。随着新技术的发展, 超声提取技术已广泛应用于多糖的提取中。采用超声提取技术已从甘草、天山大黄、麻黄、膜荚黄芪、枸杞中提取出多糖, 且效果较好。念保义等研究了超声提取法提取香菇多糖, 将香菇粉末用热水超声提取13 min, 功率为80W,可以防止多糖降解和多糖活性的降低, 而且能缩短提取时间, 减小料液比, 提高提取效率, 降低生产成本; 超声提取还能降低提取液黏度和表面张力, 从而减少此后的超滤分离的阻力和浓差极化的影响, 具有经济上的积极意义。由于中药复方中多糖的提取有很大难度, 近年来, 人们对多糖的研究集中在单味中药多糖的研究, 对中药复方多糖的研究较为薄弱。李炳奇等依次用石油醚( 30～60 ℃) 、80%的乙醇为溶剂, 在室温下采用超声提取技术提取中药复方免疫增强剂由熟地、川芎、何首乌、淫羊藿等

11 味中药组成) 中的多糖,超声提取时间为30 min, 然后向滤渣中加入蒸馏水, 分

别在室温下超声提取2 次, 每次30 min。实验结果表明, 该免疫增强剂中多糖量为

11. 6%, 平均回收率为98. 16%, 采用超声提取法简单、快速、准确, 结果可信。

2 黄酮类成分的提取

黄酮类化合物广泛存在于植物的各部位, 尤其是花、叶部位, 其主要有黄酮糖苷和苷元两种形式。黄酮类化合物具有降血压、调血脂、防止血栓形成、防治心脑血管疾病、增强免疫、降低血管脆性、改善血液循环等作用。已有报道,采用超声提取技术分别从甘草、葛根、沙枣叶、狭叶红景天中提取出黄酮。郭孝武应用超声法提取杜仲叶黄酮类物质,将杜仲叶用60%的乙醇浸泡24 h, 再超声提取45 min, 提出率可达25. 43%。张喜梅等以乙醇为溶剂, 预浸时间为10m in, 超声功率为300 W, 超声提取时间为20 min, 占空比为1时, 所得到葛根中总黄酮的提取率最大。李稳宏等采用超声提取法从废弃的银杏外种皮中提取黄酮类化合物, 用正交试验法确定了超声提取总黄酮的最佳工艺条件: 超声提取时间30 min, 70%乙醇, 固液比1∶ 8。该方法既保护了生态环境, 又为银杏外种皮的应用开发了一条新的途径

3 生物碱的提取

生物碱是存在于生物体( 主要是植物) 中的一类含氮碱性有机化合物, 大多数有复杂的环状结构, 有显著的生物活

性, 是中药中重要的有效成分之一。查圣华等[ 15] 采用超声提取法从蛇足石杉中提取蛇足石杉生物碱, 用正交设计法确定

了室温的最佳提取条件: 酸体积分数0. 8%, 液固比例20∶1,超声功率600 W, 超声

15 min。与传统工艺相比, 大大缩短提

取时间, 回收率提高了10%以上。郭孝武[ 16] 采用低频超声法提取黄柏中小檗碱,

与煎煮、浸泡提取法做比较。结果表明,低频超声提取可增加药材中化学成分提取的产率。

4 苷类成分的提取

苷类化合物是糖或糖的衍生物与另一非糖物质通过糖的端基碳原子连接而成的一类化合物。结果表明: 皂苷的得率是随着声强的增强而提高; 低场强的条件下, 得率随着频率的增长而减少, 在较高场强的条件下, 得率随着频率的增长先提高后减少; 随着超声作用时间的延长, 得率提高, 超过1 h 后则提高的趋势不太明显。

郭孝武进行了超声提取淫羊藿苷的研究, 发现用超声( 超声波发生器频率为20 kHz) 提取30 min, 与浸泡提取法相比, 超声提取得到的淫羊藿苷量较高, 其可能的机制是超声在提取过程中可损伤叶细胞, 促进细胞中化学成分向溶剂中溶解,加速化学成分的提取而又不改变其结构

5 其他化合物的提取

李美粉等采用超声提取法提取辣椒中的辣椒素, 用均匀设计法确定了最佳工艺条件: 液固比为5∶1, 超声时间为40 min、超声波功率为160 W。陈檬等[27] 采用单因素正交实验设计优化超声提取牡蛎中氨基酸的提取工艺, 确定以水为溶剂, 固液比为2∶15, 水浴温度70 ℃, 70 W 的超声功率处理10 min 为最佳参数。卢时勇等[28] 应用响应面法研究超声条件下各因素对白术药效成分提取浓缩的影响。结果表明: 当白术颗粒度为0. 1 m m, 提取次数为3 次, 超声前浸泡时间为30 min, 液固比为10∶1, 超声后浸泡时间为2. 6 h, 超声时间为15. 5 m in, 超声功率为531 W 时, 白术有效成分提取效果最佳。

展望： 1 超声提取过程基础理论的深化研究目前, 虽然国内外工作者在这方面做了

不少工作, 并提出了一些超声提取的机理, 但是超声提取是多种效应共同作用的结果,

再加上目标提取物和提取溶剂结构的影响, 在提取机理方面还有很多工作要做, 以期建

立完善的超声提取过程的动力学模型, 从而为超声提取过程的设计和优化提供理论依

据。

2 超声提取过程的强化研究由于超声提取的机理尚未完全解释清楚, 一些未

知的因素也会影响超声提取的效率, 如采用复频共振方式, 比单一频率提取效率大大提高, 此外, 占空比对超声提取效率及提取物的纯度也有一定的影响。为进一步提高提取

效率, 也可考虑将超声提取技术与微波提取技术联用。

3 超声提取实验设备的改进及工业化设备的研究与应用目前超声提取实验设

备都是通过水将超声波间接作用于样品, 为提高超声波作用效率, 可进一步开发能满足

复频、占空比等研究需要的实验设备。今后还应进一步加强对超声提取工业化设备的研究, 解决相关的工程技术问题, 以促进超声提取技术在制药工业中的应用。

参考文献：

秦梅颂超声提取技术在中药中的研究进展 (安徽科技学院, 安徽凤阳233100 )

邬方宁超声提取技术在现代中药中的应用( 天津药品审评中心, 天津300052)

万水昌, 王志祥, 乐龙, 李菊(超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用

中国药科大学制药工程教研室, 江苏南京210009)