超聲及微波輔助萃取

1微波與超聲輔助2

超聲波是指頻率為2O千赫-5O兆赫的電磁波，它是一種機(jī)械波，需要能量載體(介質(zhì))來(lái)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(wú)損檢測(cè)等，是一種非常成熟且廣泛應(yīng)用的技術(shù)。超聲提取技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用在中草藥有效成分提取分離方面的一種最新的較為成熟的手段。研究表明，利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)、高加速度、強(qiáng)烈空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、攪拌作用等，都可以加速藥物有效成分進(jìn)入溶劑，從而提高提取效率，縮短提取時(shí)間，節(jié)約溶劑，并且免去了高溫對(duì)提取成分的破壞。微波萃取技術(shù)是利用微波的熱效應(yīng)對(duì)樣品及其有機(jī)溶劑進(jìn)行加熱，從而將目標(biāo)組分從樣品基體中分離出來(lái)的一種新型高效分離技術(shù)。與傳統(tǒng)萃取技術(shù)相比，微波萃取技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“綠色萃取技術(shù)”，并已成為實(shí)現(xiàn)中藥現(xiàn)代化的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。微波與超聲輔助3(1)超聲輔助萃取的基本原理(2)超聲提取的特點(diǎn)(3)超聲輔助分離工程的分類(4)超聲分離過(guò)程的設(shè)備及操作(5)影響超聲提取分離的因素3.1超聲輔助萃取Ultrasound-AssistedExtractionUAE4超聲輔助萃取的基本原理

1.1原理

(1)空化效應(yīng)超聲提取最主要的機(jī)理是超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)。超聲空化是指液體中的微小泡核在超聲波的作用下被激活,表現(xiàn)為泡核振蕩、生長(zhǎng)、收縮乃至崩毀等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程。泡核在瞬間空化崩毀時(shí)可形成高達(dá)5000K以上的局部熱點(diǎn),壓力可達(dá)數(shù)十乃至上百兆帕,隨著高壓的釋放,將在液體中形成強(qiáng)大的沖擊波(均相)或高速射流(非均相)。在提取過(guò)程中,這種強(qiáng)大的沖擊波能夠有效地減少、消除溶劑與水相之間的阻滯層,從而加大傳質(zhì)效率。同時(shí),沖擊波和高速射流對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞組織產(chǎn)生一種強(qiáng)大的物理剪切力,使之變形、破裂,并釋放出內(nèi)含物,這大大加速了提取過(guò)程。

5超聲輔助萃取的基本原理1.1原理

(2)機(jī)械效應(yīng)將超聲波技術(shù)應(yīng)用于中藥材有效成分的提取，是基于惠更斯波動(dòng)理論和超聲波在液體連續(xù)介質(zhì)中傳播時(shí)特有的物理性質(zhì)?；莞共▌?dòng)原理指出，波動(dòng)(包括起源于波源的振動(dòng))在連續(xù)介質(zhì)中傳播時(shí)，在其波陣面上將引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，波前在介質(zhì)中達(dá)到的每一點(diǎn)都將引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)和成為新的波源。簡(jiǎn)而言之，波動(dòng)使其傳播路徑上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都將獲得加速度和動(dòng)能。采用超聲頻率為f=28kHz時(shí)，經(jīng)計(jì)算在水中超聲波可使水的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加速度達(dá)重力加速度(g=9.8m／s2)的二千倍以上。并由速度公式可計(jì)算出簡(jiǎn)諧振動(dòng)的最大速度介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能E=1/2mv2，換言之，水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在超聲波作用下，將把二千倍于重力加速度的巨大加速度和每秒鐘28000次獲得最大速度l17mm／s的巨大速度和動(dòng)能作用于中藥材有效成分質(zhì)點(diǎn)上，使之獲得巨大的速度和動(dòng)能，迅速逸出藥材基體而游離于水中。

6超聲輔助萃取的基本原理1.1原理

(3)熱效應(yīng)超聲波在傳播過(guò)程中,其聲能可以不斷地被溶劑的質(zhì)點(diǎn)吸收,溶劑將所吸收的能量全部或大部分轉(zhuǎn)變熱能,從而導(dǎo)致溶劑本身和中草藥組織的溫度升高,增大中草藥有效成分的溶解度,加快有效成分的溶解速度。

7超聲輔助萃取的基本原理1.1原理

(4)其他效應(yīng)另外,超聲波的許多次級(jí)效應(yīng),如溶化、擴(kuò)散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)、凝聚效應(yīng)等,也能加速中草藥有效成分在溶劑中的擴(kuò)散釋放,促進(jìn)中草藥有效成分與溶劑混合,有利于提取。8固-液萃取液-液萃取超聲強(qiáng)化結(jié)晶超聲凝聚超聲強(qiáng)化過(guò)濾和脫水聲強(qiáng)強(qiáng)化吸附與解析超聲輔助萃取的種類9超聲輔助萃取的特點(diǎn)1．提取效率高。超聲波獨(dú)具的物理特性能促使植物細(xì)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(tǒng)工藝顯著提高達(dá)50-500％.2．提取時(shí)間短。超聲波強(qiáng)化中藥提取通常在2O-4O分鐘即可獲得最佳提取率，提取時(shí)間較傳統(tǒng)方法大大縮短2/3以上，藥材原材料處理量大；3．不需高溫，能耗低。超聲提取中藥材的最佳溫度在40-60℃，對(duì)遇熱不穩(wěn)定、易水解或氧化的藥材中有效成分具有保護(hù)作用，同時(shí)大大節(jié)約能耗.10超聲輔助萃取的特點(diǎn)4．適應(yīng)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(shù)種類中藥材和各類成分的提取;5．提取藥液雜質(zhì)少，有效成分易于分離、純化;6．提取工藝運(yùn)行成本低，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著;7．操作簡(jiǎn)單易行，設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)方便。11超聲輔助萃取的設(shè)備簡(jiǎn)介HF-100-500“隆達(dá)”循環(huán)超聲提取機(jī)型號(hào)HF-100BHF-200BHF-500B有效容積(L)100200500超聲功率(W)200-3000300-3600300-5400最大功率(W)450053006100可控溫度室溫-55室溫-55室溫-55攪拌速度(rpm)0-20000-20000-2000材料不銹鋼不銹鋼不銹鋼處理能力A(kg/hr)16.0-40.030.0-75.076.0-190.0能耗B

(kwh/kg)0.12-0.200.10-0.150.07-0.14主體尺寸L×W×H(mm)960×650×18501060×750×20001260×960×2200控制尺寸L×W×H(mm)500×500×1350500×500×1350500×500×145012超聲輔助萃取的設(shè)備簡(jiǎn)介效率高采用機(jī)械攪拌和超聲循環(huán)強(qiáng)化提取,提取時(shí)間短（常規(guī)方法的幾十分之一）,工作效率高。以從青蒿（黃花蒿）提取青蒿素（一種特效的瘧疾治療藥物和抗腫瘤藥物等）為例，常用的提取方法提取時(shí)間在24小時(shí)至48小時(shí)，而在相同的條件下，采用循環(huán)超聲提取機(jī)提取時(shí)間僅為0.5小時(shí)。50升裝置的物料處理能力相當(dāng)于2.4立方（2400升）常規(guī)提取罐。提取能耗低小功率超聲波即可破碎提取大量物料，一般均在室溫下提取，無(wú)須大功率攪拌和耗費(fèi)大量加熱能源。單位物料處理量能耗較常規(guī)提取方法降低50%以上。13超聲輔助萃取的設(shè)備簡(jiǎn)介

由于提取溫度低，最大限度保持了物料中原有的各種有效成份（特別是各種熱敏性成份等），可達(dá)到提高藥效、減少用量的目的。同時(shí)，由于提取時(shí)間短使提取產(chǎn)品中其它無(wú)用的雜組份含量減少,提高了提取產(chǎn)品品質(zhì)，而且為后續(xù)分離純化過(guò)程奠定了良好基礎(chǔ)，可顯著降低單一組份等其它高端產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。目標(biāo)提取物提取得率高由于采用超聲破碎提取技術(shù)，使藥材中的有效成分得以充分釋出，從而使目標(biāo)提取物的提取率提高。以從青蒿中提取青蒿素為例，可以提高25%以上。14超聲輔助萃取的設(shè)備簡(jiǎn)介管道式超聲波提取成套設(shè)備

連續(xù)化管道式超聲波提取成套設(shè)備，是一套先進(jìn)的機(jī)電一體化成套設(shè)備，其主體是管道式超聲波提取機(jī)，配備藥材輸送、溫度調(diào)控、料液調(diào)控、藥渣處理、藥液處理、WIP在線清洗、集中電氣操作控制等輔助系統(tǒng)構(gòu)成。超聲提取管段解決了超聲波提取工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)難題，151、超聲參數(shù)的選擇超聲波頻率超聲波強(qiáng)度超聲時(shí)間溶劑浸漬時(shí)間2、溶劑選擇影響超聲輔助萃取的因素16超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用1、多糖類成分

最近的研究表明，多糖具有抗腫瘤、抗病毒和降血糖等功效。植物多糖通常采用熱水回流或浸提方法提取，需要較長(zhǎng)時(shí)間和較多的能耗。ZdenaHromddkovd等比較了用傳統(tǒng)方法和超聲提取法提取玉米芯中的水溶性木聚糖，發(fā)現(xiàn)用NaOH溶液作為提取溶劑，用超聲提取法可在較短時(shí)間內(nèi)、較低的堿質(zhì)量濃度和提取溫度下獲得較高的提取效率，并且超聲法獲得的木聚糖的生物活性要高于常規(guī)方法。17超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用2、黃酮類成分黃酮類化合物具有降壓、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)是費(fèi)時(shí)、費(fèi)工，且收率較低。

MauricioARostagno等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20min便可獲得最佳的提取效率，且高于常規(guī)的提取方法。18超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用3、皂苷類成分

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(zhǎng)，提取效率低。

Jianyongwu等用超聲提取技術(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常規(guī)方法高。19超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用4、生物堿類成分生物堿是一類來(lái)源于植物的堿性含氮有機(jī)化合物，它通常是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的雜環(huán)化合物，是中草藥中重要的有效成分之一。常規(guī)的提取方法時(shí)間長(zhǎng)，效率低。

YuegangZuo等提取藥物配方中的煙堿，發(fā)現(xiàn)用超聲提取法提取不到20min就可獲得常規(guī)冷浸法24h的提取效率，并且溶劑用量只有常規(guī)方法的1／6。20超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用5、萜類和揮發(fā)油

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(zhǎng)、易破壞有效成分的缺陷，導(dǎo)致提取收率較低。

AthanasiosCKimbaris等同時(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(duì)熱敏性化合物的破壞，并且實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，具有工業(yè)化生產(chǎn)的價(jià)值。21超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用6、有機(jī)酸類成分

有機(jī)酸是一類含羧基的化合物(不包括氨基酸)，廣泛分布在中草藥中，是很多中藥的活性成分。

HuiLi等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)7O％的甲醇溶液，料液比1:2O，提取時(shí)間30min，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。22超聲提取技術(shù)在中藥及天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用7、蛋白質(zhì)、酶類成分傳統(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；而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(guò)程難以控制，生產(chǎn)成本高。

FurukiTakao等人利用超聲波對(duì)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(duì)于100mL的大腸桿菌樣品，超聲處理20min就可獲得最高的提取效率，優(yōu)于常規(guī)方法。238、油脂類成分

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(zhǎng)，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。

JLLeque-Garcia等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)問(wèn)，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。24超聲輔助萃取技術(shù)展望1、超聲提取過(guò)程基礎(chǔ)理論的深化研究

目前，雖然國(guó)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(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，從而為超聲提取過(guò)程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。252、超聲提取過(guò)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(huì)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，此外，占空比對(duì)超聲提取效率及提取物的純度也有一定的影響。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。263、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)用目前超聲提取實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是通過(guò)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(kāi)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(duì)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(wèn)題，以促進(jìn)超聲提取技術(shù)在制藥工業(yè)中的應(yīng)用。27(1)微波輔助萃取的基本原理(2)微波輔助萃取的特點(diǎn)(3)微波輔助萃取的操作及步驟(4)影響微波輔助萃取分離的因素3.2微波輔助萃取Microwave-AssistedExtractionMAE28微波萃取微波金屬水分29微波萃取3031微波輔助萃取的基本原理1.1原理

微波是波長(zhǎng)1mm-1m、頻率300-300000MHz的電磁波。

MAE的原理涉及兩方面：一是微波輻射能穿透提取介質(zhì)，到達(dá)物料內(nèi)部，使基質(zhì)內(nèi)部溫度迅速上升，增大了被分離物質(zhì)在介質(zhì)中的溶解度；二是微波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)加速了被萃取成分向溶劑的擴(kuò)散。微波加熱是材料在電磁場(chǎng)中由介質(zhì)損耗而引起的“體加熱”或“內(nèi)加熱”。微波加熱是通過(guò)空間或媒質(zhì)以電磁波形式將微波電磁能轉(zhuǎn)變成熱能，其機(jī)理包括離子傳導(dǎo)機(jī)理和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理，物質(zhì)的加熱過(guò)程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化有著密切的關(guān)系.

32MAE機(jī)理是復(fù)雜的，它與目標(biāo)物和基質(zhì)特性有關(guān)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完整的理論。1991年P(guān)are等提出了微波輔助提取天然產(chǎn)品成分的機(jī)理假設(shè)：微波射線自由透過(guò)對(duì)微波透明的溶劑，到達(dá)植物物料的內(nèi)部維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)溫度突然升高，連續(xù)的高溫使其內(nèi)部壓力超過(guò)細(xì)胞壁膨脹的能力，致細(xì)胞破裂，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)自由流出傳遞至周圍的溶劑中被溶解。李核等的研究結(jié)果也證實(shí)了這一機(jī)理。(1)微波輔助萃取的基本原理33Eskilsson等根據(jù)微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的關(guān)聯(lián)性闡述了MAE機(jī)理，認(rèn)為物質(zhì)的介電常數(shù)、比熱、形狀及含水量的不同，各物質(zhì)吸收微波能的能力不同，其產(chǎn)生的熱能及傳遞給周圍環(huán)境的熱能也不同，這種差異使萃取體系中的某些組分或基體物質(zhì)的某些區(qū)域被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離出來(lái)，進(jìn)入介電常數(shù)小、微波吸收能力差的萃取劑中。不同種類的物質(zhì)在不同微波條件下其耗散因子(tanα=介電損耗／物質(zhì)的介電常數(shù))的變化規(guī)律不同，通過(guò)控制微波輻射頻率和功率改變tanα，可使某種萃取組分微波吸收達(dá)到最大，從而實(shí)現(xiàn)提高萃取速率和選擇性的目的。范華均等的研究結(jié)果也表明微波對(duì)中藥材的作用與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，作用效果有別。對(duì)于鱗莖基質(zhì)堅(jiān)韌、富有彈性的石蒜，和木質(zhì)基質(zhì)致密、脆硬的虎杖，其影響程度有較大差異，它們?cè)贛AE提取過(guò)程中所表現(xiàn)的提取行為和動(dòng)力學(xué)過(guò)程特征，分別符合擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)制和細(xì)胞破壁機(jī)制。34(2)微波輔助萃取的特點(diǎn)

微波具有波動(dòng)性、高頻性、熱特性和非熱特性四大特點(diǎn)，這決定了微波萃取具有以下特點(diǎn)。試劑用量少、節(jié)能、污染小。(2)加熱均勻，且熱效率較高。傳統(tǒng)熱萃取是以熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式自外向內(nèi)傳遞熱量，而微波萃取是一種“體加熱”過(guò)程，即內(nèi)外同時(shí)加熱，因而加熱均勻，熱效率較高。微波萃取時(shí)沒(méi)有高溫?zé)嵩?，因而可消除溫度梯度，且加熱速度快，物料的受熱時(shí)間短，因而有利于熱敏性物質(zhì)的萃取。35(2)微波輔助萃取的特點(diǎn)(3)微波萃取不存在熱慣性，因而過(guò)程易于控制。

(4)微波萃取無(wú)需干燥等預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝，減少了投資。

(5)微波萃取的處理批量較大，萃取效率高、省時(shí)。與傳統(tǒng)的溶劑提取法相比，可節(jié)省50％-90％的時(shí)間。36(6)微波萃取的選擇性較好。由