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超聲波提取的基本原理、優點、用途以及各種應用的研究

摘要:闡述了超聲作用的基本原理,介紹了超聲在天然產物有效成分提取中的用途,對超聲在提取天然產物有效成分中的應用和研究進展進行了綜述,指出超聲提取具有提出率高、速度快且不改變有效成分的結構等優點,討論了超聲波提取中應注意的問題,系統闡述了超聲波在多糖,苷類,黃酮類、生物堿等各類成分提取中的應用研究進展。為中藥有效成分提取研究提供參考。
中藥的化學成分十分復雜,提取其有效成分是中藥研究領域的一項重要內容。中藥的有效成分一般是指具有明確的化學結構式和物理常數的化學物質,如果有效成分的濃度不高,就會加大服用劑量,同時由于無效或效用低的部分的存在會使中藥容易吸潮變質,難以保存,因此有必要對中藥的有效成分進行提取分離。中藥中許多有效化學成分為細胞內成分,提取時需要破碎細胞或細胞膜,而現有的化學和機械方法破碎細胞往往很難起到理想的破碎效果,從而影響提取結果。超聲提取因其獨特的提取機制與理想的提取效果,在中藥化學成分的提取中已經顯示出了明顯的優勢。超聲輔助提取技術是利用超聲波的強震動、高加速度、強空化效應、強攪拌作用來縮短天然產物有效成分進入溶劑的時間,加快提取過程,提高提取率,并有效避免高溫對有效成分的破壞。近年來,隨著天然產物現代化研究和超聲波技術的蓬勃發展,已有不少研究者講超聲提取技術引入到天然產物生產的重要環節—有效成分提取過程中。本文簡述了超聲作用的基本原理,介紹了超聲在天然產物有效成分提取中的用途,對超聲在提取天然產物有效成分中的應用和研究進展進行了綜述,指出超聲提取具有提出率高、速度快且不改變有效成分的結構等優點,討論了超聲波提取中應注意的問題,系統闡述了超聲波在多糖、苷類、黃酮類、生物堿等各類成分提取中的應用研究進展。為中藥有效成分提取研究提供參考。
1、超聲提取的基本原理 
產物成分提取工藝中,實現擊破細胞壁,高效、快速提取細胞內容物的過程。超聲波自1830年首次產生后,廣泛應用于食品、醫療衛生和家電等許多領域,表現為超聲提取、超聲干燥、超聲滅菌、超聲過濾、超聲清洗等方面。其中超聲提取法是利用超聲波的空化作用、機械作用、熱效應等以增大物質分子運動頻率和速度,增加溶劑穿透力,從而提高目標成分浸出率的方法。它具有省時、節能、提取效率高等優點,是一種快速、高效的提取新方法,且提取中無加熱過程,可避免加熱因素引起的藥物成分結構發生變化,能用于熱敏性成分的提取。超聲提取法在中藥質量檢測的樣品處理中已廣泛使用。近年來,其在中藥制劑提取工藝中的應用,也越來越受到關注,取得了重要進展。應用在植物樣品提取中的超聲波,一般是由磁性材料經轉換器產生的,有效頻率一般在20-50kHz的范圍,現遍認為其空化作用、熱效應和機械作用是超聲技術在中藥提取中的三大理論依據。
1.1空化作用
液體中往往存在一些真空的或含有少量氣體或蒸汽的小氣泡,這些小氣泡尺寸不一。當一定頻率的超聲波作用于液體時,只有尺寸適宜的小泡能發生共振現象,大于共振尺寸的小泡被驅出液體外、小于共振尺寸的小泡在超聲作用下逐漸變大。接近共振尺寸時,聲波的稀疏階段使小泡迅速脹大;在聲波的壓縮階段,小泡又突然被絕熱壓縮,直至湮滅。湮滅過程中,空穴內溫度可達5000K以上(相當于太陽表面的溫度),壓力達到1.013×105kPa以上(相當于大洋底的壓力),溫度變化率達109K/s,產生所謂的“熱點”。上述現象稱為空化現象。在小泡脹大時,由于摩擦可產生電荷,在湮滅過程中可產生放電、發光現象,同時產生速度高達1000m/ns的液體微射流。空化作用被用于清洗、霧化、乳化及促進化學反應方面。
1.2熱效應
由于介質吸收超聲波以及內摩擦消耗,分子產生劇烈振動,超聲波的機械能轉化為介質的內能,引起介質溫度升高。超聲波的強度愈大,產生的熱作用愈強。控制超聲強度,可使藥物組織內部的溫度瞬間升高,加速有效成分的溶出,并且不改變成分的性質。
1.3機械作用
超聲波是機械振動能量的傳播,可在液體中形成有效的攪動與流動,破壞介質的結構,粉碎液體中的顆粒,能達到普通低頻機械攪動達不到的效果。機械作用常用于擊碎、切割、凝聚等方面。超聲波可以使常溫常壓不能發生的化學反應在空化作用下發生,甚至使非常堅硬的固體被粉碎。控制一定的超聲頻率和強度,空化作用產生的極大壓力造成生物細胞壁及整個生物體破裂,而且整個破碎過程在瞬間完成,同時超聲波產生的振動作用加強了胞內物質的釋放、擴散及溶解。被浸提的物質在被破碎瞬間生物活性保持不變,同時提高破碎速度和提取率。
2、超聲提取的優點 
2.1提取效率高
超聲波獨具的物理特性能促使植物細胞組織破壁或變形,使中藥有效成分提取更充分,提取率比傳統工藝顯著提高達50-500%;
2.2提取時間短
超聲波強化中藥提取通常在24-40分鐘即可獲得最佳提取率,提取時間較傳統方法大大縮短2/3以上,藥材原材料處理量大;
2.3提取溫度低
超聲提取中藥材的最佳溫度在40-60℃,對遇熱不穩定、易水解或氧化的藥材中有效成分具有保護作用,同時大大節能能耗;
2.4適應性廣
超聲提取中藥材不受成分極性、分子量大小的限制,適用于絕大多數種類中藥材和各類成分的提取;
2.5其他優點
提取藥液雜質少,有效成分易于分離、純化;提取工藝運行成本低,綜合經濟效益顯著;操作簡單易行,設備維護、保養方便;保護有效成份。
3、超聲提取用途 
可用于生物和植物細胞破碎;生物和植物有效成份萃取;中草藥有效成分的低溫提取;BCR元素形態萃取;低能量狀態可激活細菌;高能量狀態可殺死活細菌;可用于DNA提取和DNA剪切;
4、超聲提取在各類中藥化學成分提取中的應用研究 
超聲提取技術應用于單味中藥材的提取研究非常廣泛,幾乎中藥材所有種類的活性成分提取研究都涉及了超聲提取技術。目前,超聲提取技術用于中藥提取的研究重點多集中在其工藝條件的研究上,考察影響超聲提取效率的因素主要有:浸泡時間、提取時間、提取次數、提取溶劑的種類與用量、提取溫度、超聲頻率、聲強、藥材粉碎粒度、空占比等,工藝條件研究的主要試驗設計方法是正交實驗法。影響超聲提取效率的聲學參數如超聲頻率、聲強、空占比等是影響該技術提取效率的特有因素,對其研究是最近幾年逐漸開始的,前面的研究很少涉及對這方面影響的考察。
4.1多糖類
多糖類成分廣泛存在于自然界,具有生物活性的多糖一般為水溶性多糖,崔在于植物類、動物類以及真菌類中藥材中。多糖的提取工藝一般為熱水浸提法,提取周期較長,且多糖中的糖肽類在提取分離時容易發生結構破壞。近年來將超聲提取技術映入到多糖提取工藝中已成為一個研究熱點,主要在于超聲提取法不僅省時、節能、提取效率高,而且提取中無加熱過程等,有利于多糖類成分的穩定。
例如劉宇文等以云芝多糖含量為指標,采用正交試驗法優選云芝多糖的最佳超聲提取工藝為。結果表明,超聲提取法與傳統的熱水提取法相比,提取率略高,但其所需提取溶劑的用量更少、浸提時間明顯縮短。
胡斌杰等以靈芝多糖為研究對象,采用單因素分組實驗法對靈芝多糖提取工藝(熱水法和超聲波提取法)進行了初步探討。比較了料液比、溫度、提取時間、粒度等因素對多糖提取率的影響。超聲波法與傳統熱水法相比,提取時間縮短3/4,多糖提取率提高30%以上。
張亮等研究靈芝三萜和靈芝多糖的超聲提取工藝。方法采用超聲波輔助法,探討了提取劑的pH(堿醇)、提取劑用量、提取溫度、超聲時間4個因素對靈芝三萜提取效果的影響,結果醇的pH和超聲時間對靈芝三萜的提取效果有明顯影響,其他兩因素影響效果不大。
目前,超聲提取多糖的研究多限于以葡萄糖為對照進行含量測定來評價超聲提取多糖的效率,很少從多糖的穩定性、有效性等角度來進一步試驗考察以更全面地論證該方法的可行性。
4.2黃酮類
黃酮類化合物是廣泛存在于自然界的一大類化合物,數量非常多,列天然酚性化合物之首。傳統提取黃銅類化合物的方法一般為熱水浸提法,存在浸提時間長,勞動強度大,原料預處理能耗大、熱敏性組分易破壞等缺點。超聲提取技術的優點使之很快應用到黃酮類化合物的提取研究中。
例如,王啟斌等研究超聲強化提取及熱浸提取夏枯草過程中總黃酮的動態變化,考察超聲波對夏枯草總黃酮提取效果的影響。結果超聲波強化提取可顯著提高夏枯草中總黃酮提取效果及提取率。
肖新生等采用超聲波萃取法,研究油茶葉黃酮類化合物的提取工藝,從而為油茶樹葉工業化提取黃銅類功能性成分提供科學依據。
李君玲以總黃酮含量為考察指標,采用正交試驗法,考察了加醇量、提取次數、提取時間、乙醇濃度4個因素對紫荊皮中總黃酮的超聲提取工藝的影響,并優化其提取工藝條件。
張雪嬌等采用超聲輔助乙醇提取女貞子中黃酮類化合物,考察乙醇濃度、超聲功率、超聲時間和料液比對提取率得而影響。
4.3生物堿類
生物堿類是來源于植物界的一類含氮有機化合物,大多具有生理活性,是許多中草藥及藥用植物的有效成分。從植物中用常規法提取生物堿一般費時、費工、效率低,而采用超聲技術可收到顯著效果。
1961年Bose等采用超聲輔助和單一溶劑浸提兩種方法從蘿芙木屬植物的根中提取生物堿其中超聲波提取法只需15min而用溶劑浸提法則需要8h這是超聲技術在天然藥物提取中應用較早的報道。郭孝武等用超聲波從黃連中提取小檗堿,所得到的小檗堿提取率比堿性浸泡24h高50%以上這是中國研究超聲輔助提取較早的報道。
謝彩娟等以延胡索的活性成分延胡索乙素、原阿片堿的含量為評價指標,采用單因素輪換試驗法考察了超聲時間、溫度、功率以及提取溶媒的酸度、濃度、用量等因素對超聲法提取延胡索總生物堿的影響。并進一步與傳統回流提取法比較,延胡索乙素、原阿片堿的提取率提高均18%以上,且超聲提取時間60分鐘明顯短于回流提取的時間6小時,充分證明了超聲提取技術提取效率高的優點。
李敬芬等優化浙貝母中生物堿的提取方法。方法采用冷浸提取和超聲波強化提取浙貝母生物堿,并利用正交實驗法優化提取條件。結果應用超聲波方法提取的浙貝母生物堿收率較高。
黃秀香研究復合酶超聲波法提取半邊蓮生物堿的最佳工藝條件。以乙醇水溶液為提取劑,采用單因素試驗及L16(45)正交試驗考察纖維素酶用量、果膠酶用量、酶解溫度、pH值和乙醇濃度等5個因素對半邊蓮中生物堿提取效果的影響。該方法提取率高、穩定性好,可用于半邊蓮生物堿的提取。
陸文總等研究了響應面法優化白英生物堿的超聲提取工藝條件優選白英生物堿的最佳超聲提取工藝條件。在單因素試驗基礎上,選擇超聲時間、溫度、料液比為自變量,以生物堿提取率為響應值,采用中心組合設計的方法,研究各自變量及其交互作用對生物堿提取率的影響。該方法優選了白英生物堿的最佳超聲提取工藝條件,為白英的進一步開發利用提供了依據。
4.4醌類
天然醌類化合物主要有苯醌、萘醌、菲醌4種類型,中藥中多為蒽醌及其衍生物類。傳統提取醌類成分一般采用熱水溫浸、煎煮提取或乙醇回流提取,存在提取時間長、提取中的加熱因素易導致醌類成分破壞的缺點。超聲提取技術用于醌類成分的提取,不僅可獲得較高的提取率,且有效成分在提取中不易受破壞。
例如王佩琪等針對大黃蒽醌類成分傳統的提取方法存在長時間煎煮對大黃蒽醌類成分破壞或操作繁瑣等缺點,研究了超聲提取技術用于大黃類蒽醌成分提取的可行性和優越性。并與傳統醇回流提取法相比較,不僅明顯縮短了提取時間,而且游離蒽醌的提取率提高了近2倍。
馬艷等使用了20、25kHz相向雙頻超聲波提取裝置,利用染色法研究了不同頻率、功率下超聲的空化效應,并將雙頻超聲應用于大黃游離蒽醌的粗提過程。結果表明,雙頻超聲的空化效應大于單頻超聲;同等條件下對大黃游離蒽醌的提取率高于單頻超聲的提取率。
蘇靜慧等采用L9(3∧4)正交試驗,以干浸膏得率為指標,對超聲波提取法提取茜草根中的蒽醌成分影響因素、水平進行了研究。
王曉梅等以確定超聲波輔助提取朱砂七中總蒽醌的最佳工藝條件為目的,通過單因素選擇及正交設計對提取工藝進行優化,得到朱砂七總蒽醌提取的優選方案。
4.5皂苷類
皂苷類成分是甾族化合物或三萜類化合物的低聚糖苷,廣泛存在于中草藥中。其中三萜類化合物的低聚糖苷在自然界的分布比甾族化合物的低聚糖苷廣泛,并具有廣泛的生理活性。提取皂苷類成分傳統方法是煎煮法或乙醇回流提取法。超聲技術用于皂苷類成分的提取傳統方法時,且提取效率更高。
例如張璐等獎超聲法與酶解法相結合提取百合中總皂苷,用正交試驗法對百合總皂苷提取工藝中的酶解時間、酶解pH值、酶貼加量、超聲時間等4個因素進行研究,得出最佳且適合大規模生產的總皂苷提取工藝條件。
呂曉茜等通過正交試驗優選出超聲波提取玉竹總皂苷的提取率差異不具有統計學意義,但超聲波法具有簡單、快捷、省時等優點,為從玉竹中提取總皂苷提供高效、節能的新方法。
劉運美等考察表面活性劑-超聲法提取黃姜中薯蕷皂素的最佳工藝條件。方法以薯蕷皂素收率為指標,通過正交實驗優化提取工藝。結論表面活性劑-超聲法對薯蕷皂素的提取具有方法簡便,收率高等特點。
4.6揮發性成分類
揮發性成分尤其是揮發油類是中藥中的一類常見重要有效成分,多具有止咳、平喘、祛痰、消炎、驅風、解熱、鎮痛、殺蟲燈作用。揮發性成分常用的提取方法是水蒸氣蒸餾法,存在耗時長、藥材利用率不高以及有效成分受熱破壞等問題。超聲提取技術用于揮發性成分提取,可利用超聲波的空化效應、機械效應、熱效應等破壞提取物細胞結構,使溶媒能快速滲入細胞內部,加速有效成分的溶解,縮短提取時間,同時提取過程中溫度升高不顯著,能保持提取物的特有風味和抑制提取過程中有效成分的揮發。
例如黃蓓等通過正交試驗,優選荊芥穗藥材浸泡時間、藥材粉碎度、超聲時間等因素對揮發油提取得率的影響。分別采用水蒸氣蒸餾法與超聲波法進行提取荊芥穗揮發油平行實驗,超聲波法提取的揮發油平均得率高于傳統水蒸氣蒸餾法。
劉職瑞等比較通過不同的提取方法得到的牡丹皮揮發油,結果兩種提取方法所得牡丹皮揮發油成分存在差異但也有共同特征,乙醇超聲萃取法揮發油得率更高,成分更加全面。
廖然比較白術揮發油的不同提取方法以及不同溶劑提取對實驗結果的影響,為確定最佳提取方案提供依據。結論白術揮發油提取方法不同及同種方法不同溶劑提取的揮發油含量均存在差異,以甲醛為溶劑的超聲波法提取白術揮發油更為完全。
此外,超聲波技術還可用于提取其他植物的揮發油或油脂,如吳茱萸油、小茴香揮發油、苦杏仁揮發油、高良姜揮發油、生姜精油、五味子揮發油、丁香揮發油、葡萄籽油、葵花籽油等,具有反應條件溫和、省時、提取的揮發性成分較多等優點。
4.7萜類
萜類化合物是有異戊二烯或異戊烷以各種方式連接而成的一類天然化合物,其生理活性多種多樣,如抗生育活性、抗白血病、腫瘤活性、神經系統作用等等。
例如鄭少華等優選超聲波提取草珊瑚中總三萜類成分的最佳工藝。該實驗確定的最佳提取工藝簡便易行,靈敏度高和重現性好。
李嗣乾等在單因素試驗的基礎上,利用響應曲面設計(Responsesurfacemethodology,RSM)系統研究乙醇濃度、超聲波功率、超聲時間和料液比等因素對杏鮑菇三萜類化合物提取率的影響。
4.8氨基酸類
氨基酸廣泛存在于動植物中,中藥中的某些氨基酸具有生物活性,如南瓜子氨基酸、天門冬素、田七氨酸等。氨基酸易溶于水,一般采用熱水溫浸發提取,近年來將超聲技術應用到氨基酸的提取中,可增加氨基酸的提取率,縮短提取時間。
例如陳檬等等應用超聲技術并通過單因素及正交試驗來研究牡蠣中氨基酸提取工藝條件和優化。通過超聲處理的提取液與未處理提取液中理化指標成分含量的比較,表明超聲處理牡蠣后可以提高氨基酸的提取率,但蛋白質、脂肪、糖等其他成分含量也相應增加,給后續氨基酸的分離提純工藝增加了難度。
林文津等采用正交試驗法,以總氨基酸含量和薄層色譜結果為考察指標,對超聲提取太子參中氨基酸的工藝條件進行優選,結果所考察的因素中,氨基酸的提取工藝影響程度為:乙醇濃度>提取次數>乙醇用量>提取時間。
郝春喜等采用超聲波輔助萃取法從蟹味菇子實體中提取呈鮮味物質氨基酸,以茚三酮為顯色劑,吸光度為衡量指標,進行單因素及正交試驗。
5、超聲提取技術在中藥復方提取中的研究 
中藥復方是中醫臨床用藥的主體,講究中藥的配伍使用,發揮的是多種中藥的綜合效能。目前,超聲提取技術用于中藥復方提取的研究相對滯后于單味中藥材的超聲提取研究,主要由于中藥復方成分復雜,成分間性質各不相同,所需的超聲工藝條件可能存在差異,這給超聲技術用于中藥復方提取帶來了難度。
例如徐飛等選擇中藥經方六味地黃丸為模型藥物,研究超聲提取技術用于中藥復方提取的可行性。于傳統回流提取方法進行比較,超聲法的干膏收率和總多糖收率明顯高于回流法,丹皮酚的收率與回流法相近,綜合評分結果顯示超聲提取效果明顯優于回流提取法,表明超聲技術用于六味地黃丸復方的提取是可行的。
郝林等研究超聲波輔助法提取中藥芪苓制劑多糖的工藝。通過正交試驗設計L9(3∧4)提取多糖。超聲波輔助提取芪苓制劑多糖,能耗低,用時段,多糖得率是傳統方法的3倍,可以作為提取芪苓制劑多糖或其它中藥多糖的首選方法。
李炳奇等以淫羊藿苷為對照品,采用超聲輔助提取技術,在單因素試驗的基礎上,通過正交試驗確定“促孕散”中黃酮類化合物的最佳提取工藝,得出最佳提取工藝。該法具有提取效率高,操作簡便,可常溫提取等優點。
謝永輝探討超聲自動煎藥機開發的可能性。試圖探索和研制超聲波和自動煎藥機技術相結合的超聲自動煎藥機設備。
6、問題與展望 近年來,超聲技術在中藥制劑提取工藝中的應用受到了國內學者的關注和研究,為推動新技術、新工藝在中藥制劑領域中的應用奠定了良好基礎,對促進中藥的現代化也有重要意義。目前的超聲提取技術的研究對象主要集中在單味中藥材活性成分提取的研究,研究內容主要為小規模實驗室超聲提取工藝條件的研究,尚存在許多問題:
一、是超聲提取技術的關鍵工藝參數尚待確定。目前研究表明不同研究所得出的影響超聲提取的關鍵工藝參數是不盡相同的,這種現象是否合理,如果合理,造成這種現象的原因是什么,如何來確定超聲提取技術的關鍵工藝參數。而是超聲提取技術的提取效率與中藥成分性質間是否存在關系,兩者間的相互關系是什么,即中藥活性成分的種類與超聲提取工藝參數的關系尚待確定。
二、是超聲提取技術對中藥活性成分穩定性影響的問題尚缺乏充分的試驗數據支持。目前對這方面的研究相對薄弱,研究的角度比較單一化。
三、是超聲提取技術工程放大仍是一個難題,限制了該技術在國內廣泛地工業化推廣應用。由此可見,要使超聲提取技術真正成熟、完善,在中藥制劑大生產中推行、普及,還有大量基工作待做。
總之,超聲提取技術作為一種藥物前處理的提取新方法,具有省時、節能、提取效率高等特點和優點,不僅廣泛應用在中藥材有效成分提取研究,還用于中藥復方提取的研究;隨著現代制劑工藝的飛速發展,超聲提取技術的自身工藝研究也在不斷完善和提高,在中藥領域中具有廣闊的應用前進和開發價值。 
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