超聲波在天然產(chǎn)物分離與提取中的應(yīng)用

1、超聲波在天然產(chǎn)物分離與提取中的應(yīng)用目錄摘要3關(guān)鍵詞31.超聲波提取的原理31.1 空化效應(yīng)31.2 機(jī)械效應(yīng)41.3 熱效應(yīng)42.超聲提取技術(shù)的特點(diǎn)43.聲波在天然產(chǎn)物活性成分提取中的應(yīng)用531 在生物堿提取中的應(yīng)用53.2 在黃酮類成分提取的應(yīng)用53.3 在皂苷類成分提取的應(yīng)用53.4 在萜類和揮發(fā)油提取的應(yīng)用63.5 在有機(jī)酸類成分提取的應(yīng)用63.6 在蛋白質(zhì)、酶類成分提取的應(yīng)用63.7 在油脂類成分提取的應(yīng)用63.8 在維生素提取中的應(yīng)用74.超聲提取過程中應(yīng)注意的問題74.1 選擇合適的目標(biāo)提取物及超聲參數(shù)74.2 超聲波對酶活性的影響74.3 超聲波對提取物穩(wěn)定性的影響85.展望85

2、.1 超聲提取過程基礎(chǔ)理論的深化研究85.2 超聲提取過程的強(qiáng)化研究853 超聲提取實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)及工業(yè)化設(shè)備的研究與應(yīng)用96.參考文獻(xiàn)9摘要 超聲波作為一種天然產(chǎn)物活性成分的提取技術(shù)，具有操作簡便快速、無須加熱、不破壞活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)、提取率高等優(yōu)點(diǎn)。本文綜述了超聲波用于天然產(chǎn)物活性成分提取的原理以及在生物堿、蒽醌類、揮發(fā)油、皂苷、功能性多糖、黃酮類、維生素等活性成分提取中應(yīng)用的研究進(jìn)展，提出了超聲波提取技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。目的對超聲提取技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及其在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用和注意問題作一綜述，并對該技術(shù)的前景作一展望。關(guān)鍵詞：超聲波；天然產(chǎn)物活性成分；提??；應(yīng)用天

3、然產(chǎn)物中含有許多對人體有益的活性成分，將其提取出來可以造福于人類，因而是當(dāng)前食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的水浸提法、壓榨法、萃取法、沉淀法等方法存在提取效率低、得率較低、提取時(shí)間長等缺點(diǎn)，如機(jī)械壓榨法難以將細(xì)胞完全有效破碎，而化學(xué)方法又容易造成活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等發(fā)生改變。所以一些新的提取技術(shù)不斷被應(yīng)用于天然產(chǎn)物活性成分的提取中。超聲波是指頻率為20千赫50兆赫的電磁波，它是一種機(jī)械波，需要能量載體(Or質(zhì))來進(jìn)行傳播。超聲波在工業(yè)應(yīng)用方面，可以進(jìn)行清洗、干燥、殺菌、霧化及無損檢測等，是一種非常成熟且廣泛應(yīng)用的技術(shù)。應(yīng)用超聲波技術(shù)提取天然產(chǎn)物中的活性成分具有操作簡便快速、無須加

4、熱、不破壞活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及提取率高等優(yōu)點(diǎn)，可以加速提取目的物的擴(kuò)散與溶解，有效地提高活性物質(zhì)提取的得率和含量，是應(yīng)用于天然產(chǎn)物活性成分提取的新技術(shù)之一。1.超聲波提取的原理1.1 空化效應(yīng) 空化效應(yīng)是超聲提取的主要?jiǎng)恿?。液體中往往存在一些真空或含有少量氣體或蒸汽的小泡，當(dāng)一定頻率的大量超聲波作用在液體時(shí)，尺寸適宜的小泡能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，它們在聲波的稀疏階段迅速脹大，在聲波的壓縮階段又被絕熱壓縮，直至湮滅。小泡在湮滅過程中，能夠產(chǎn)生幾千攝氏度的高溫和幾千個(gè)大氣壓的高壓沖擊波，這就是空化現(xiàn)象。這種強(qiáng)烈的沖擊作用能使物料破碎，也能造成生物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體破裂，從而加速細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散及溶解。

5、1.2 機(jī)械效應(yīng) 超聲在傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。對于中藥提取過程，這種機(jī)械效應(yīng)包括簡單的騷動效應(yīng)和溶劑與藥材組織之間的摩擦。這種騷動效應(yīng)可使蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞組織變形；而超聲波引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的加速度與超聲波振動頻率的平方成正比，有時(shí)超過過重力加速度的數(shù)萬倍，由于溶劑和藥材組織獲得的加速度不同，即溶劑分子的速度遠(yuǎn)大于藥材組織的速度，從而使它們之間產(chǎn)生摩擦，這種力量足以斷開兩碳原子之鍵，使生物分子解聚，使中藥材中的有效成分溶解于溶劑之中。1.3 熱效應(yīng) 由于介質(zhì)吸收超聲波以及介質(zhì)內(nèi)摩擦的消耗，分子產(chǎn)生劇烈振動，超聲能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的內(nèi)能

6、，引起溶劑和藥物組織溫度升高，超聲波在穿透溶劑和藥物組織分界面時(shí)，溫度上升更快，這是因?yàn)榉纸缑嫔咸匦宰杩共煌?，產(chǎn)生反射形成駐波，引起分子間的相對摩擦而發(fā)熱，因此，控制超聲強(qiáng)度，可使藥物組織內(nèi)部溫度瞬間升高，加速有效成分溶出。除了以上效應(yīng)外，超聲波還有許多次級效應(yīng)，如擊碎、乳化、擴(kuò)散等效應(yīng)，也都有利于植物中有效成分的轉(zhuǎn)移。此外Maricela Toma等1人通過對50多種中藥有效成分的超聲提取研究發(fā)現(xiàn)，超聲波在促進(jìn)傳質(zhì)的同時(shí)還能促進(jìn)水合，這也有助于中藥有效成分的提取。2.超聲提取技術(shù)的特點(diǎn)超聲提取技術(shù)適用于天然產(chǎn)物，特別是我國傳統(tǒng)中草藥有效成分的提取，是中藥制藥徹底改變傳統(tǒng)提取工藝的新方法、新工

7、藝。與常規(guī)的煎煮法、水蒸餾法、溶劑浸提法相比，具有如下特點(diǎn)：提取溫度低，避免了常規(guī)的煎煮法和回流法長時(shí) 間加熱對中藥有效成分的不良影響，產(chǎn)物生物活性高，適合于熱敏性物質(zhì)的提??；適用性廣，超聲提取與目標(biāo)提取物的性質(zhì)(如極性)關(guān)系不大，絕大多數(shù)中藥材的各類成分均可用超聲提??；減少能耗，由于超聲提取無需加熱或加熱溫度低，提取時(shí)間短，因此能大大降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益；此外超聲波還具有一定的殺菌作用，能保證萃取液不易變質(zhì)。3.聲波在天然產(chǎn)物活性成分提取中的應(yīng)用31 在生物堿提取中的應(yīng)用生物堿是一類主要存在于植物中具有顯著生物活性的堿性有機(jī)化合物。黃志強(qiáng)等以黃連為原料，采用乙醇為提取溶劑，研究小檗堿的超聲

8、波提取工藝。在超聲時(shí)間30 min、溫度50、乙醇濃度80和超聲波提取兩次的工藝條件下，與傳統(tǒng)乙醇浸提法相比，小檗堿產(chǎn)量提高了42。杜廣香等2用超聲波提取瑪咖生物堿，以乙醇為溶劑，優(yōu)化的提取條件為：料液比1：40，超聲時(shí)間30 min，溫度70，功率200 W。在此條件下，提取瑪咖總生物堿的含量約為50。余永婷等3對超聲波方法和傳統(tǒng)回流方法提取苦豆子中的生物堿進(jìn)行比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，超聲波提取總苦豆子生物堿的效果較好，提取的最佳工藝條件為：乙醇濃度65，提取劑pH值05，超聲提取頻率28 kHz，超聲提取時(shí)間20 min，生物堿的提取率為7576。3.2 在黃酮類成分提取的應(yīng)用 黃酮類化合物具

9、有降壓、降血脂和抑制血小板聚集等功效，廣泛存在于天然產(chǎn)物中。黃酮類化合物的傳統(tǒng)提取方法主要有水煎煮法、浸漬法和堿提酸沉法，缺點(diǎn)是耗時(shí)、費(fèi)工，且收率較低。Mauricio A Rostagno等4用超聲法提取大豆異黃酮，發(fā)現(xiàn)用體積分?jǐn)?shù)50的乙醇做溶劑，在60下提取20 min便可獲得最佳的提取效率，且高于常規(guī)的提取方法。3.3 在皂苷類成分提取的應(yīng)用皂苷是存在于植物中的一類結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的苷類化合物，常用水加熱提取或用有機(jī)溶劑浸漬提取，耗時(shí)長，提取效率低。Jianyong Wu等5用超聲提取技術(shù)提取人參皂苷，比常規(guī)提取方法快3倍，提取效率高，更易于純化，并且由于其提取溫度低，所得的人參皂苷的活性也較

10、常規(guī)方法高。3.4 在萜類和揮發(fā)油提取的應(yīng)用萜類化合物是一類具有廣泛生物活性的天然藥物有效成分，而植物中的揮發(fā)油大多富含萜和倍半萜類化合物。揮發(fā)油的沸點(diǎn)較低，其傳統(tǒng)提取工藝是水蒸氣蒸餾法，但該法存在提取溫度高、提取時(shí)間長、易破壞有效成分的缺陷，導(dǎo)致提取收率較低。Athanasios C Kimbaris等6同時(shí)用水蒸餾提取法、微波輔助水蒸餾提取法和超聲提取法提取大蒜中的揮發(fā)油，比較發(fā)現(xiàn)3種方法所得的揮發(fā)油的得率和性質(zhì)不盡相同，但超聲提取法可減少對熱敏性化合物的破壞，并且實(shí)驗(yàn)操作簡單，具有工業(yè)化生產(chǎn)的價(jià)值。3.5 在有機(jī)酸類成分提取的應(yīng)用有機(jī)酸是一類含羧基的化合物(不包括氨基酸)，廣泛分布在中草

11、藥中，是很多中藥的活性成分7。Hui Li等8用超聲提取法提取新鮮杜仲葉中的綠原酸，發(fā)現(xiàn)最佳條件為體積分?jǐn)?shù)70的甲醇溶液，料液比1：20，提取時(shí)間30 min，提取3次，用該條件提取新鮮的杜仲葉、新鮮的杜仲皮、杜仲皮飲片和其它4種中藥中的綠原酸，得率均高于傳統(tǒng)提取方法。3.6 在蛋白質(zhì)、酶類成分提取的應(yīng)用傳統(tǒng)的堿提法提取蛋白質(zhì)和酶效率低、純度低，而且耗時(shí)，生產(chǎn)成本高；麗酶法雖然可以提高提取效率，但是酶易失活，價(jià)格昂貴，故生產(chǎn)過程難以控制，生產(chǎn)成本高。Furuki Takao等9利用超聲波對細(xì)胞壁的破碎能力提取大腸桿菌中的蘋果酸酶，發(fā)現(xiàn)對于100 mL的大腸桿菌樣品，超聲處理20 min就可獲得

12、最高的提取效率，優(yōu)于常規(guī)方法。3.7 在油脂類成分提取的應(yīng)用目前，工業(yè)生產(chǎn)多采用浸漬法和冷榨法提取油脂，浸漬法提取時(shí)間長，溶劑揮發(fā)損失較多，成本增加，且提取率低；冷榨法產(chǎn)率低，精制工藝繁瑣，油品色澤不理想。JL Leque-Gareia等10用超聲輔助索氏提取向日葵、油菜和大豆等種子中的油脂，可以大大減少索氏提取的時(shí)間，提取相同數(shù)量的油脂，用超聲輔助索氏提取，可以節(jié)約一半以上的時(shí)間，并且提取的油脂的性質(zhì)與常規(guī)方法相同。3.8 在維生素提取中的應(yīng)用維生素在生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝中必不可少，對調(diào)節(jié)人體生理節(jié)律、預(yù)防疾病和促進(jìn)健康具有重要作用。李玉明11采用超聲波提取法從柚子果肉中提取VC，以水和01的

13、磷酸溶液作溶劑，超聲波提取30 min，經(jīng)處理后得到VC。采用超聲波還可從甜橙果皮和牛蒡等提取類胡蘿卜素12-134.超聲提取過程中應(yīng)注意的問題4.1 選擇合適的目標(biāo)提取物及超聲參數(shù) 許多實(shí)驗(yàn)表明，不同的中藥材及天然產(chǎn)物，采用不同的超聲參數(shù)(主要包括超聲頻率、超聲波強(qiáng)度、超聲波作用時(shí)間和浸漬時(shí)間等)，提取結(jié)果是不一樣的。M Romdhane等14為考察超聲波對固液萃取的影響，用超聲提取技術(shù)提取除蟲菊中的除蟲菊酯和菘藍(lán)種子中的菘藍(lán)油，發(fā)現(xiàn)超聲作用能明顯提高除蟲菊酯的提取速率和產(chǎn)量，但對菘藍(lán)油的提取影響不大，并且超聲波的頻率、功率，物料粒徑和超聲波作用時(shí)間對提取效率均有明顯影響。4.2 超聲波對酶

14、活性的影響 部分研究表明，無論在水溶液中還是在有機(jī)溶劑中，適當(dāng)?shù)某曒椛涠伎梢栽鰪?qiáng)酶活力，使酶促反應(yīng)速率提高。而高強(qiáng)度的超聲波則會抑制酶的活性，甚至使酶失活15。Barton等陽人在研究蔗糖酶水解蔗糖時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孜锾幵谝粋€(gè)較低濃度水平時(shí)，如果在水解過程中加以超聲作用，能顯著提高蔗糖酶的活力，使水解反應(yīng)更加徹底。由于中藥植物中含有苷類及多糖的水解酶，因此在提取苷類及多糖時(shí)應(yīng)引起注意。4.3 超聲波對提取物穩(wěn)定性的影響 由于超聲波作用能斷開兩碳原子之鍵，所以在超聲提取過程中會產(chǎn)生很多具有較強(qiáng)活性的自由基，能與許多抗氧化性物質(zhì)反應(yīng)，破壞活性成分。大多數(shù)中藥及天然產(chǎn)物的有效成分具有較強(qiáng)的活性，因而超聲

15、提取物的穩(wěn)定性較差。孫國金16等在竹葉黃酮的超聲提取實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對于同一種溶劑，超聲提取所得的提取物較一般提取法穩(wěn)定性差。5.展望從現(xiàn)有的研究來看，超聲波在天然產(chǎn)物活性成分提取中的應(yīng)用顯示出明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用范圍較廣。超聲波應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取主要是利用其產(chǎn)生的空化效應(yīng)，提取的效果主要取決于超聲波的強(qiáng)度、頻率和時(shí)間。所以，在用于不同天然產(chǎn)物活性成分的提取時(shí)，應(yīng)通過試驗(yàn)選擇適宜的提取參數(shù)，才能取得良好的提取效果。在生產(chǎn)實(shí)踐中，還應(yīng)注意有關(guān)工程問題的研究，解決超聲波提取有關(guān)工程放大的問題，如工藝的穩(wěn)定性、適用性和安全性等，以使超聲波提取技術(shù)能夠順利應(yīng)用于工業(yè)化產(chǎn)品的生產(chǎn)。有以下幾點(diǎn)還需要進(jìn)行研究加強(qiáng)

16、：5.1 超聲提取過程基礎(chǔ)理論的深化研究目前，雖然國內(nèi)外工作者在這方面做了不少工作，并提出了一些超聲提取的機(jī)理，但是超聲提取是多種效應(yīng)共同作用的結(jié)果，再加上目標(biāo)提取物和提取溶劑結(jié)構(gòu)的影響，在提取機(jī)理方面還有很多工作要做，以期建立完善的超聲提取過程的動力學(xué)模型，從而為超聲提取過程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。5.2 超聲提取過程的強(qiáng)化研究 由于超聲提取的機(jī)理尚未完全解釋清楚，一些未知的因素也會影響超聲提取的效率，如采用復(fù)頻共振方式，比單一頻率提取效率大大提高17，此外，古空比對超聲提取效率及提取物的純度也有一定的影響18。為進(jìn)一步提高提取效率，也可考慮將超聲提取技術(shù)與微波提取技術(shù)聯(lián)用。53 超聲提取

17、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)及工業(yè)化設(shè)備的研究與應(yīng)用 目前超聲提取實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是通過水將超聲波間接作用于樣品，為提高超聲波作用效率，可進(jìn)一步開發(fā)能滿足復(fù)頻、占空比等研究需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。今后還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對超聲提取工業(yè)化設(shè)備的研究，解決相關(guān)的工程技術(shù)問題，以促進(jìn)超聲提取技術(shù)在制藥工業(yè)中的應(yīng)用。6.參考文獻(xiàn)1 Maricela Toma，M Vinatoru，IPaniwnyk，et a1Investigation of the effects of ultrasound on vegetal tissues during solventextraction JUhrasonics sonochemistry，2

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