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超声波提取的基本原理、优点、用途以及各种应用的研究

摘要:阐述了超声作用的基本原理,介绍了超声在天然产物有效成分提取中的用途,对超声在提取天然产物有效成分中的应用和研究进展进行了综述,指出超声提取具有提出率高、速度快且不改变有效成分的结构等优点,讨论了超声波提取中应注意的问题,系统阐述了超声波在多糖,苷类,黄酮类、生物碱等各类成分提取中的应用研究进展。为中药有效成分提取研究提供参考。
中药的化学成分十分复杂,提取其有效成分是中药研究领域的一项重要内容。中药的有效成分一般是指具有明确的化学结构式和物理常数的化学物质,如果有效成分的浓度不高,就会加大服用剂量,同时由于无效或效用低的部分的存在会使中药容易吸潮变质,难以保存,因此有必要对中药的有效成分进行提取分离。中药中许多有效化学成分为细胞内成分,提取时需要破碎细胞或细胞膜,而现有的化学和机械方法破碎细胞往往很难起到理想的破碎效果,从而影响提取结果。超声提取因其独特的提取机制与理想的提取效果,在中药化学成分的提取中已经显示出了明显的优势。超声辅助提取技术是利用超声波的强震动、高加速度、强空化效应、强搅拌作用来缩短天然产物有效成分进入溶剂的时间,加快提取过程,提高提取率,并有效避免高温对有效成分的破坏。近年来,随着天然产物现代化研究和超声波技术的蓬勃发展,已有不少研究者讲超声提取技术引入到天然产物生产的重要环节—有效成分提取过程中。本文简述了超声作用的基本原理,介绍了超声在天然产物有效成分提取中的用途,对超声在提取天然产物有效成分中的应用和研究进展进行了综述,指出超声提取具有提出率高、速度快且不改变有效成分的结构等优点,讨论了超声波提取中应注意的问题,系统阐述了超声波在多糖、苷类、黄酮类、生物碱等各类成分提取中的应用研究进展。为中药有效成分提取研究提供参考。
1、超声提取的基本原理 
产物成分提取工艺中,实现击破细胞壁,高效、快速提取细胞内容物的过程。超声波自1830年首次产生后,广泛应用于食品、医疗卫生和家电等许多领域,表现为超声提取、超声干燥、超声灭菌、超声过滤、超声清洗等方面。其中超声提取法是利用超声波的空化作用、机械作用、热效应等以增大物质分子运动频率和速度,增加溶剂穿透力,从而提高目标成分浸出率的方法。它具有省时、节能、提取效率高等优点,是一种快速、高效的提取新方法,且提取中无加热过程,可避免加热因素引起的药物成分结构发生变化,能用于热敏性成分的提取。超声提取法在中药质量检测的样品处理中已广泛使用。近年来,其在中药制剂提取工艺中的应用,也越来越受到关注,取得了重要进展。应用在植物样品提取中的超声波,一般是由磁性材料经转换器产生的,有效频率一般在20-50kHz的范围,现遍认为其空化作用、热效应和机械作用是超声技术在中药提取中的三大理论依据。
1.1空化作用
液体中往往存在一些真空的或含有少量气体或蒸汽的小气泡,这些小气泡尺寸不一。当一定频率的超声波作用于液体时,只有尺寸适宜的小泡能发生共振现象,大于共振尺寸的小泡被驱出液体外、小于共振尺寸的小泡在超声作用下逐渐变大。接近共振尺寸时,声波的稀疏阶段使小泡迅速胀大;在声波的压缩阶段,小泡又突然被绝热压缩,直至湮灭。湮灭过程中,空穴内温度可达5000K以上(相当于太阳表面的温度),压力达到1.013×105kPa以上(相当于大洋底的压力),温度变化率达109K/s,产生所谓的“热点”。上述现象称为空化现象。在小泡胀大时,由于摩擦可产生电荷,在湮灭过程中可产生放电、发光现象,同时产生速度高达1000m/ns的液体微射流。空化作用被用于清洗、雾化、乳化及促进化学反应方面。
1.2热效应
由于介质吸收超声波以及内摩擦消耗,分子产生剧烈振动,超声波的机械能转化为介质的内能,引起介质温度升高。超声波的强度愈大,产生的热作用愈强。控制超声强度,可使药物组织内部的温度瞬间升高,加速有效成分的溶出,并且不改变成分的性质。
1.3机械作用
超声波是机械振动能量的传播,可在液体中形成有效的搅动与流动,破坏介质的结构,粉碎液体中的颗粒,能达到普通低频机械搅动达不到的效果。机械作用常用于击碎、切割、凝聚等方面。超声波可以使常温常压不能发生的化学反应在空化作用下发生,甚至使非常坚硬的固体被粉碎。控制一定的超声频率和强度,空化作用产生的极大压力造成生物细胞壁及整个生物体破裂,而且整个破碎过程在瞬间完成,同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。被浸提的物质在被破碎瞬间生物活性保持不变,同时提高破碎速度和提取率。
2、超声提取的优点 
2.1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%;
2.2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;
2.3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;
2.4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;
2.5其他优点
提取药液杂质少,有效成分易于分离、纯化;提取工艺运行成本低,综合经济效益显著;操作简单易行,设备维护、保养方便;保护有效成份。
3、超声提取用途 
可用于生物和植物细胞破碎;生物和植物有效成份萃取;中草药有效成分的低温提取;BCR元素形态萃取;低能量状态可激活细菌;高能量状态可杀死活细菌;可用于DNA提取和DNA剪切;
4、超声提取在各类中药化学成分提取中的应用研究 
超声提取技术应用于单味中药材的提取研究非常广泛,几乎中药材所有种类的活性成分提取研究都涉及了超声提取技术。目前,超声提取技术用于中药提取的研究重点多集中在其工艺条件的研究上,考察影响超声提取效率的因素主要有:浸泡时间、提取时间、提取次数、提取溶剂的种类与用量、提取温度、超声频率、声强、药材粉碎粒度、空占比等,工艺条件研究的主要试验设计方法是正交实验法。影响超声提取效率的声学参数如超声频率、声强、空占比等是影响该技术提取效率的特有因素,对其研究是最近几年逐渐开始的,前面的研究很少涉及对这方面影响的考察。
4.1多糖类
多糖类成分广泛存在于自然界,具有生物活性的多糖一般为水溶性多糖,崔在于植物类、动物类以及真菌类中药材中。多糖的提取工艺一般为热水浸提法,提取周期较长,且多糖中的糖肽类在提取分离时容易发生结构破坏。近年来将超声提取技术映入到多糖提取工艺中已成为一个研究热点,主要在于超声提取法不仅省时、节能、提取效率高,而且提取中无加热过程等,有利于多糖类成分的稳定。
例如刘宇文等以云芝多糖含量为指标,采用正交试验法优选云芝多糖的最佳超声提取工艺为。结果表明,超声提取法与传统的热水提取法相比,提取率略高,但其所需提取溶剂的用量更少、浸提时间明显缩短。
胡斌杰等以灵芝多糖为研究对象,采用单因素分组实验法对灵芝多糖提取工艺(热水法和超声波提取法)进行了初步探讨。比较了料液比、温度、提取时间、粒度等因素对多糖提取率的影响。超声波法与传统热水法相比,提取时间缩短3/4,多糖提取率提高30%以上。
张亮等研究灵芝三萜和灵芝多糖的超声提取工艺。方法采用超声波辅助法,探讨了提取剂的pH(碱醇)、提取剂用量、提取温度、超声时间4个因素对灵芝三萜提取效果的影响,结果醇的pH和超声时间对灵芝三萜的提取效果有明显影响,其他两因素影响效果不大。
目前,超声提取多糖的研究多限于以葡萄糖为对照进行含量测定来评价超声提取多糖的效率,很少从多糖的稳定性、有效性等角度来进一步试验考察以更全面地论证该方法的可行性。
4.2黄酮类
黄酮类化合物是广泛存在于自然界的一大类化合物,数量非常多,列天然酚性化合物之首。传统提取黄铜类化合物的方法一般为热水浸提法,存在浸提时间长,劳动强度大,原料预处理能耗大、热敏性组分易破坏等缺点。超声提取技术的优点使之很快应用到黄酮类化合物的提取研究中。
例如,王启斌等研究超声强化提取及热浸提取夏枯草过程中总黄酮的动态变化,考察超声波对夏枯草总黄酮提取效果的影响。结果超声波强化提取可显著提高夏枯草中总黄酮提取效果及提取率。
肖新生等采用超声波萃取法,研究油茶叶黄酮类化合物的提取工艺,从而为油茶树叶工业化提取黄铜类功能性成分提供科学依据。
李君玲以总黄酮含量为考察指标,采用正交试验法,考察了加醇量、提取次数、提取时间、乙醇浓度4个因素对紫荆皮中总黄酮的超声提取工艺的影响,并优化其提取工艺条件。
张雪娇等采用超声辅助乙醇提取女贞子中黄酮类化合物,考察乙醇浓度、超声功率、超声时间和料液比对提取率得而影响。
4.3生物碱类
生物碱类是来源于植物界的一类含氮有机化合物,大多具有生理活性,是许多中草药及药用植物的有效成分。从植物中用常规法提取生物碱一般费时、费工、效率低,而采用超声技术可收到显著效果。
1961年Bose等采用超声辅助和单一溶剂浸提两种方法从萝芙木属植物的根中提取生物碱其中超声波提取法只需15min而用溶剂浸提法则需要8h这是超声技术在天然药物提取中应用较早的报道。郭孝武等用超声波从黄连中提取小檗碱,所得到的小檗碱提取率比碱性浸泡24h高50%以上这是中国研究超声辅助提取较早的报道。
谢彩娟等以延胡索的活性成分延胡索乙素、原阿片碱的含量为评价指标,采用单因素轮换试验法考察了超声时间、温度、功率以及提取溶媒的酸度、浓度、用量等因素对超声法提取延胡索总生物碱的影响。并进一步与传统回流提取法比较,延胡索乙素、原阿片碱的提取率提高均18%以上,且超声提取时间60分钟明显短于回流提取的时间6小时,充分证明了超声提取技术提取效率高的优点。
李敬芬等优化浙贝母中生物碱的提取方法。方法采用冷浸提取和超声波强化提取浙贝母生物碱,并利用正交实验法优化提取条件。结果应用超声波方法提取的浙贝母生物碱收率较高。
黄秀香研究复合酶超声波法提取半边莲生物碱的最佳工艺条件。以乙醇水溶液为提取剂,采用单因素试验及L16(45)正交试验考察纤维素酶用量、果胶酶用量、酶解温度、pH值和乙醇浓度等5个因素对半边莲中生物碱提取效果的影响。该方法提取率高、稳定性好,可用于半边莲生物碱的提取。
陆文总等研究了响应面法优化白英生物碱的超声提取工艺条件优选白英生物碱的最佳超声提取工艺条件。在单因素试验基础上,选择超声时间、温度、料液比为自变量,以生物碱提取率为响应值,采用中心组合设计的方法,研究各自变量及其交互作用对生物碱提取率的影响。该方法优选了白英生物碱的最佳超声提取工艺条件,为白英的进一步开发利用提供了依据。
4.4醌类
天然醌类化合物主要有苯醌、萘醌、菲醌4种类型,中药中多为蒽醌及其衍生物类。传统提取醌类成分一般采用热水温浸、煎煮提取或乙醇回流提取,存在提取时间长、提取中的加热因素易导致醌类成分破坏的缺点。超声提取技术用于醌类成分的提取,不仅可获得较高的提取率,且有效成分在提取中不易受破坏。
例如王佩琪等针对大黄蒽醌类成分传统的提取方法存在长时间煎煮对大黄蒽醌类成分破坏或操作繁琐等缺点,研究了超声提取技术用于大黄类蒽醌成分提取的可行性和优越性。并与传统醇回流提取法相比较,不仅明显缩短了提取时间,而且游离蒽醌的提取率提高了近2倍。
马艳等使用了20、25kHz相向双频超声波提取装置,利用染色法研究了不同频率、功率下超声的空化效应,并将双频超声应用于大黄游离蒽醌的粗提过程。结果表明,双频超声的空化效应大于单频超声;同等条件下对大黄游离蒽醌的提取率高于单频超声的提取率。
苏静慧等采用L9(3∧4)正交试验,以干浸膏得率为指标,对超声波提取法提取茜草根中的蒽醌成分影响因素、水平进行了研究。
王晓梅等以确定超声波辅助提取朱砂七中总蒽醌的最佳工艺条件为目的,通过单因素选择及正交设计对提取工艺进行优化,得到朱砂七总蒽醌提取的优选方案。
4.5皂苷类
皂苷类成分是甾族化合物或三萜类化合物的低聚糖苷,广泛存在于中草药中。其中三萜类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广泛,并具有广泛的生理活性。提取皂苷类成分传统方法是煎煮法或乙醇回流提取法。超声技术用于皂苷类成分的提取传统方法时,且提取效率更高。
例如张璐等奖超声法与酶解法相结合提取百合中总皂苷,用正交试验法对百合总皂苷提取工艺中的酶解时间、酶解pH值、酶贴加量、超声时间等4个因素进行研究,得出最佳且适合大规模生产的总皂苷提取工艺条件。
吕晓茜等通过正交试验优选出超声波提取玉竹总皂苷的提取率差异不具有统计学意义,但超声波法具有简单、快捷、省时等优点,为从玉竹中提取总皂苷提供高效、节能的新方法。
刘运美等考察表面活性剂-超声法提取黄姜中薯蓣皂素的最佳工艺条件。方法以薯蓣皂素收率为指标,通过正交实验优化提取工艺。结论表面活性剂-超声法对薯蓣皂素的提取具有方法简便,收率高等特点。
4.6挥发性成分类
挥发性成分尤其是挥发油类是中药中的一类常见重要有效成分,多具有止咳、平喘、祛痰、消炎、驱风、解热、镇痛、杀虫灯作用。挥发性成分常用的提取方法是水蒸气蒸馏法,存在耗时长、药材利用率不高以及有效成分受热破坏等问题。超声提取技术用于挥发性成分提取,可利用超声波的空化效应、机械效应、热效应等破坏提取物细胞结构,使溶媒能快速渗入细胞内部,加速有效成分的溶解,缩短提取时间,同时提取过程中温度升高不显著,能保持提取物的特有风味和抑制提取过程中有效成分的挥发。
例如黄蓓等通过正交试验,优选荆芥穗药材浸泡时间、药材粉碎度、超声时间等因素对挥发油提取得率的影响。分别采用水蒸气蒸馏法与超声波法进行提取荆芥穗挥发油平行实验,超声波法提取的挥发油平均得率高于传统水蒸气蒸馏法。
刘职瑞等比较通过不同的提取方法得到的牡丹皮挥发油,结果两种提取方法所得牡丹皮挥发油成分存在差异但也有共同特征,乙醇超声萃取法挥发油得率更高,成分更加全面。
廖然比较白术挥发油的不同提取方法以及不同溶剂提取对实验结果的影响,为确定最佳提取方案提供依据。结论白术挥发油提取方法不同及同种方法不同溶剂提取的挥发油含量均存在差异,以甲醛为溶剂的超声波法提取白术挥发油更为完全。
此外,超声波技术还可用于提取其他植物的挥发油或油脂,如吴茱萸油、小茴香挥发油、苦杏仁挥发油、高良姜挥发油、生姜精油、五味子挥发油、丁香挥发油、葡萄籽油、葵花籽油等,具有反应条件温和、省时、提取的挥发性成分较多等优点。
4.7萜类
萜类化合物是有异戊二烯或异戊烷以各种方式连接而成的一类天然化合物,其生理活性多种多样,如抗生育活性、抗白血病、肿瘤活性、神经系统作用等等。
例如郑少华等优选超声波提取草珊瑚中总三萜类成分的最佳工艺。该实验确定的最佳提取工艺简便易行,灵敏度高和重现性好。
李嗣乾等在单因素试验的基础上,利用响应曲面设计(Responsesurfacemethodology,RSM)系统研究乙醇浓度、超声波功率、超声时间和料液比等因素对杏鲍菇三萜类化合物提取率的影响。
4.8氨基酸类
氨基酸广泛存在于动植物中,中药中的某些氨基酸具有生物活性,如南瓜子氨基酸、天门冬素、田七氨酸等。氨基酸易溶于水,一般采用热水温浸发提取,近年来将超声技术应用到氨基酸的提取中,可增加氨基酸的提取率,缩短提取时间。
例如陈檬等等应用超声技术并通过单因素及正交试验来研究牡蛎中氨基酸提取工艺条件和优化。通过超声处理的提取液与未处理提取液中理化指标成分含量的比较,表明超声处理牡蛎后可以提高氨基酸的提取率,但蛋白质、脂肪、糖等其他成分含量也相应增加,给后续氨基酸的分离提纯工艺增加了难度。
林文津等采用正交试验法,以总氨基酸含量和薄层色谱结果为考察指标,对超声提取太子参中氨基酸的工艺条件进行优选,结果所考察的因素中,氨基酸的提取工艺影响程度为:乙醇浓度>提取次数>乙醇用量>提取时间。
郝春喜等采用超声波辅助萃取法从蟹味菇子实体中提取呈鲜味物质氨基酸,以茚三酮为显色剂,吸光度为衡量指标,进行单因素及正交试验。
5、超声提取技术在中药复方提取中的研究 
中药复方是中医临床用药的主体,讲究中药的配伍使用,发挥的是多种中药的综合效能。目前,超声提取技术用于中药复方提取的研究相对滞后于单味中药材的超声提取研究,主要由于中药复方成分复杂,成分间性质各不相同,所需的超声工艺条件可能存在差异,这给超声技术用于中药复方提取带来了难度。
例如徐飞等选择中药经方六味地黄丸为模型药物,研究超声提取技术用于中药复方提取的可行性。于传统回流提取方法进行比较,超声法的干膏收率和总多糖收率明显高于回流法,丹皮酚的收率与回流法相近,综合评分结果显示超声提取效果明显优于回流提取法,表明超声技术用于六味地黄丸复方的提取是可行的。
郝林等研究超声波辅助法提取中药芪苓制剂多糖的工艺。通过正交试验设计L9(3∧4)提取多糖。超声波辅助提取芪苓制剂多糖,能耗低,用时段,多糖得率是传统方法的3倍,可以作为提取芪苓制剂多糖或其它中药多糖的首选方法。
李炳奇等以淫羊藿苷为对照品,采用超声辅助提取技术,在单因素试验的基础上,通过正交试验确定“促孕散”中黄酮类化合物的最佳提取工艺,得出最佳提取工艺。该法具有提取效率高,操作简便,可常温提取等优点。
谢永辉探讨超声自动煎药机开发的可能性。试图探索和研制超声波和自动煎药机技术相结合的超声自动煎药机设备。
6、问题与展望 近年来,超声技术在中药制剂提取工艺中的应用受到了国内学者的关注和研究,为推动新技术、新工艺在中药制剂领域中的应用奠定了良好基础,对促进中药的现代化也有重要意义。目前的超声提取技术的研究对象主要集中在单味中药材活性成分提取的研究,研究内容主要为小规模实验室超声提取工艺条件的研究,尚存在许多问题:
一、是超声提取技术的关键工艺参数尚待确定。目前研究表明不同研究所得出的影响超声提取的关键工艺参数是不尽相同的,这种现象是否合理,如果合理,造成这种现象的原因是什么,如何来确定超声提取技术的关键工艺参数。而是超声提取技术的提取效率与中药成分性质间是否存在关系,两者间的相互关系是什么,即中药活性成分的种类与超声提取工艺参数的关系尚待确定。
二、是超声提取技术对中药活性成分稳定性影响的问题尚缺乏充分的试验数据支持。目前对这方面的研究相对薄弱,研究的角度比较单一化。
三、是超声提取技术工程放大仍是一个难题,限制了该技术在国内广泛地工业化推广应用。由此可见,要使超声提取技术真正成熟、完善,在中药制剂大生产中推行、普及,还有大量基工作待做。
总之,超声提取技术作为一种药物前处理的提取新方法,具有省时、节能、提取效率高等特点和优点,不仅广泛应用在中药材有效成分提取研究,还用于中药复方提取的研究;随着现代制剂工艺的飞速发展,超声提取技术的自身工艺研究也在不断完善和提高,在中药领域中具有广阔的应用前进和开发价值。 
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