超声波提取工艺的研究与应用

湖南中医药大学 本科毕业论文学生姓名： 谭喜平 学 号： 200709090108 学 院： 湘杏学院 专 业： 中药学 毕业论文 超声波提取工艺的研究与应用 指导教师： 肖美凤 2011 年 05 月 28 日目 录1、引 论 12、超声提取分离原理12.1 空化效应12.1 机械效应22.3 热效应 23、超声提取分离技术的特点 24、超声波提取技术在中药材有效成分提取中的研究 34.1 生物碱类化合物的提取34.2 黄酮类化合物的提取4 4.3 多糖类化合物的提取44.4 有机酸类化合物的提取44.5 皂苷类化合物的提取5结语 5参考文献 6超声波提取技术的研究与应用摘要：超声波提取技术是近年来在中药有效成分的分离提取中受到广泛关注的新技术、新工艺，与其他提取方法相比较，超声波提取技术具有无污染、效率高、速度快等优点。本文对超声波在提取分离中的应用进行了综述，并阐述了超声波提取分离的原理和特点。关键词：超声波；提取；空化效应Research and application of ultrasonic extractionAbstract: Ultrasonic extraction is a new technology which is widely used in extraction and separation of effective ingredients of traditional Chinese medicine in recent years. Compared with other extraction method, ultrasonic extraction technology has the advantages of no pollution, fast speed, high efficiency, and so on. In this article the application of ultrasound extraction technology were reviewed. At the same time, the theory and characteristics of ultrasound extraction are discussed. Keywords: ultrasonic; extraction; acoustic cavitation1、引论中药为我国传统医药，中药技术资源是我国劳动人民长期同疾病斗争的经验总结，是我国劳动人民智慧的结晶。我国历史悠久，幅员辽阔，在长期的防病治病实践中创造积累了丰富的经验，形成了我国独特的中医中药学理论，对民族繁荣昌盛起到了巨大的作用。中草药植物资源丰富，品种浩瀚繁多，可谓取之不尽用之不竭，而且中草药因其具有作用缓和、持久、疗效稳定、无毒副作用及价格便宜等特点，一直发展很快，深受我国人民、海外侨胞和国际友人的喜爱。但中草药中所含的成分相当复杂，不仅含有有效成分，还含有无效成分、组织物等，因此要提高中草药的治疗效果，必须把其有效成分提取出来。目前，无论是国内还是国外，提取中草药化学成分的方法主要采用常规提取法：热提取法(煎煮法、回流提取法)和浸泡提取法(渗漉法、冷浸法)，但是这些常规方法均有许多不足之处，如回流法虽然提取较完全，但是需要加热，耗时较长；煎煮法虽然可以方便地进行工业化生产，但是提取率较低，溶媒用量极大，耗时长；渗漉法虽然不用加热，提取效率也较高，但是耗时很长；冷浸法则是最原始的提取方法、溶媒用量大，耗时太长，提取率也很低。因此在中药主要成分的提取方面新技术、新方法不断涌现，而使用超声技术提取中草药化学成分也是目前中草药研究领域的一大热点。超声提取法是应用超声波提取中药中的有效成分，是一种物理破碎过程，利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。这种方法具有所需设备简单、操作方便、提取时间短、提取率高、无需加热、成本低廉等优点，故其在提取中草药中有效成分方面的应用受到了越来越多的重视。2、超声波提取原理 1-4超声波提取技术是近年来应用在中药材有效成分提取方面的一种较为成熟的手段。超声波是一种弹性机械振动波，能破坏中药材的细胞，使溶媒渗透到中药材细胞中，从而加速中药材有效成分溶解，以提高其浸出率。超声波提取主要依据其三大效应：空化效应、机械效应和热效应。2.1 空化效应超声波在液体中传播时，使液体介质不断受到压缩和拉伸，而液体耐压而不耐拉，液体若受不住这种拉力，就会断裂而形成暂时的近似真空的空洞（尤其在含有杂质、气泡的地方） ，而到压缩阶段，这些空洞发生崩溃。崩溃时空洞内部最高瞬间压可达到几万个大气压，同时还将产生局部高温以及放电现象等，这就是空化作用。在中药提取过程中，随药材在药剂中受到超声作用而产生空化效应的过程，使溶剂在超声瞬间产生的空化泡的崩溃，随空化泡的爆破，而形成巨大的射流冲向植物固体表面，使其溶剂很快渗透到物质内部细胞中，借以空化泡的爆破的冲击力打破细胞壁，使细胞内化学成分在超声作用下直接和药材接触，加速了溶剂和药材中的有效成分相互渗透，并快速地向溶剂中溶解，使细胞外出现浓度差促使化学成分由高浓度溶液向低浓度溶液中扩散，大大地加速了提取过程，细胞内的化学成分迅速转入溶剂，在细胞被破碎的瞬间生物活性保持不变，破碎速度和提出率均可得到提高。2.2 机械效应机械效应是超声波在液体内传播过程中，传播的机械能使液体质点在其传播空间内发生振动，从而强化液体的扩散、传质。机械效应伴随着空化效应的产生而产生，主要由辐射压强和超声压强引起。辐射压强可能引起两种效应，其一是简单的骚动效应，其二是在溶剂和药材组织之间出现摩擦。这种骚动可使蛋白质变性，细胞组织变形。而超声压强将给予溶剂和药材组织以不同的加速度，即溶剂分子的速度远远大于药材组织的速度，从而在它们之间产生摩擦，这力量足以断开两碳原子之键，使生物分子解聚。使细胞壁上的有效成分溶解于溶剂之中。2.3 热效应超声波在液体中传播时，其机械能被介质吸收而转化为热能，使介质自身温度升高，进而对液体引发各种作用，称为超声的热效应。热效应伴随着空化效应的产生而产生。产生热能的多少主要决定于介质对超声能的吸收，所吸收能量的大部分或全部将转化为热能，从而导致药材组织温度升高。这种吸收声能而引起的温度升高是稳定的。所以超声波可以使药材组织内部的温度瞬时升高，加速有效成分的溶解。此外，超声波还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等。这些作用也促进了植物体中有效成分的溶解，促使药物有效成分进入介质，并与介质充分混合。总之，超声提取分离中药材化学成分的过程，是超声在液-固提取分离过程中产生的空化效应及伴随的各种次级效应的作用，而促进了物质中成分向液体的溶解，从而加快提取分离过程的进行，以提高药材中成分的提取率。3、超声波提取分离技术的特点进入 21 世纪后，超声提取技术广泛用于医药、食品、油脂、化工等各个领域，特别是在中药成分的提取中日趋广泛。该技术适用于中药材有效成分的提取，是中药制药提取工艺中一种较为成熟的新方法、新工艺。与常规的煎煮法、浸提法、回流提取法等提取技术相比有以下特点：3.1 超声提取技术能增加所提取成分的提取率，缩短提取时间由于超声波强烈振动所具有的特殊作用，有利于溶剂渗入植物粉末中，加速其中有效成分的渗出和扩散，超声萃取黄芩中总黄酮与索氏提取法相比 18，其提取液在260-380nm 波长处所对应的吸光度值高，从而提高提取率；与常规法相比，超声波法提取槐米中芦丁 19，用 70%乙醇作溶剂提取 90min 的提取率（12.81%） ，相当于连续热回流用甲醇做溶剂提取时间为 7-8h 的提取率（12.77%） 。研究表明，利用超声波产生的强烈空化效应、机械效应、热效应等作用，可以加速药材有效成分进入溶剂，从而提高提取效率，与常规提取法相比，可大大提高产品提取率及资源利用率、缩短生产周期、节省原料药材、提高经济效益。且提取物中有效成分含量高，有利于进一步精制和分离。3.2 超声提取技术在提取过程中无需加热，适合于热敏性物质的提取因为超声提取在有限的提取时间内产生的热效应，使溶剂升温不高，避免了常规煎煮法、回流提取法长时间加热对药材有效成分的不良影响。3.3 超声提取技术不改变所提取成分的化学结构有学者把超声提取技术和常规方法提出的有效成分作对照，考察超声提取出的有效成分的结构是否有改变。据文献报道 5-8，两种方法所得到的有效成分进行薄层层析、红外光谱和核磁共振光谱的对比分析，两者所得到的图谱一致说明超声提取不会改变有效成分的结构，并且缩短了提取时间，提高了提出率，从而为中草药成分的提取提供了一种快速、高产的新方法。3.4 减少能耗，提高经济效益由于超声提取无需加热或加热温度低，提取时间短，能大大降低能耗，提高经济效益，且超声提取技术操作方便、提取率高，能充分利用中药资源，同时减少环境污染，为中药现代化提供了一种高效提取的新方法，改进了繁琐的常规提取工艺。综上，超声提取是一个发展中的新方法，已不断地在各种应用中取得突破和完善，凸显其独特优势。进一步开展对该技术的研究，获得超声提取的基本原理与实践经验。使超声技术向有利于工业化大生产方向发展。随着超声提取技术研究的不断深入和超声提取设备的不断完善，必将对中药提取工艺的发展有极大的推动作用。4、超声波提取技术在中药材有效成分提取中的研究自中华人民共和国成立以来，随着社会的进步和不断地发展，我国的中医药事业也得到可迅猛发展，超声提取分离技术在中药中的应用不断提升。从 1985 年版的中国药典开始，就将超声提取明文规定在药典一部上，随着超声提取研究的不断深入，规定在药典上的药材、药品而使用超声提取的种类也逐版增多，如表 19所示。表 1 中华人民共和国历年药典（一部）上明文规定制备样品时使用超声波提取的情况项目 收录的药材及饮片药典出版年代 1985 1990 1995 2000 2005 2010记录药材及饮片的总数 458 508 522 535 568 638规定用超声提取药材药品数 1 8 25 94 185 约 306超声提取占总数的比例（%） 0.22 1.57 4.79 17.64 34.39 47.964.1 生物碱类化合物的超声提取生物碱是一类来源于植物的碱性含氮有机化合物，它通常是具有复杂结构的杂环化合物，常常有强烈的药理活性，是中草药中重要的有效成分之一。邹妹妹 10等运用了超声波技术从中药苦参中提取苦参碱类成分，通过单因素实验和料液比，浸泡时间，乙醇体积分数，超声提取时间为因素的正交实验，以及方差分析，优选出超声波提取苦参碱类成分的最佳工艺：料液比（1：10）g/ml，浸泡时间 3h，乙醇体积分数 80%，超声提取时间 200min。并在相同的提取溶剂和料液比的条件下，对超声提取法与水煎煮法提取苦参生物碱类成分进行比较，提取率如图 4-1 所示。由上图可看出：与传统水煎法比较，超声波提取苦参碱类成分具有省时、成本低、提取率高等优点。4.2 黄酮类化合物的超声提取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。传统提取黄酮类化合物的方法有乙醇提取法、碱提酸沉法，有些还可以用水直接提取，但均存在浸提时间长、劳动强度大、原料与处理能耗大和热敏性组分易被破坏等缺点。而超声提取技术的优点正好弥补了传统中药提取方法的不足，故在黄酮类化合物提取方面的应用日趋广泛。吴洪文 11等采用正交试验法考察了超声法提取枳实中橙皮苷的最佳提取工艺。实验结果表明，超声波提取法提取枳实中橙皮苷的最佳提取条件为 20ml 无水甲醇超声15min。在本研究中还对超声提取法和甲醇回流提取法的提取效果做了比较，结果在最佳超声工艺条件下测得橙皮苷含量为 28.62mg/g，使用甲醇回流提取法测得的橙皮苷含量为 23.81mg/g，提取率明显提高。4.3 多糖类化合物的超声提取多糖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，存在于植物类、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，提取周期长，且多糖肽类在提取分离时发生结构破坏。近年来将超声提取技术引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、提取率高，而且提取中无加热过程等，有利于多糖成分的稳定。郭留城 12等以女贞子为研究对象，采用四因素三水平正交实验设计 L9(34)正交试验，选取超声功率、溶媒用量、提取时间和提取次数四因素，以多糖含量为测定指标，并对女贞子多糖的溶剂提取工艺和超声波法提取工艺进行了探讨。结果超声波提取法的最佳工艺条件为：在功率 80%条件下，用 5 倍的溶媒，超声提取 25min，提取一次。超声提取法和传统的溶剂提取法相比，所需提取的溶剂用量更少、浸提温度更低、浸提时间更短，多糖的提取率提高了约 1.4 倍，且试验方法简单易行，操作稳定性好。4.4 有机酸类化合物的超声提取有机酸是一类含羧基的化合物（不包括氨基酸） ，广泛分布在植物界，存在于植物体的花、叶、茎、果、根各个部位，多数与金属离子或生物碱结合成盐的形式存在，也结合为酯存在的。有机酸是很多中药的有效成分。周军等 13用超声波法提取金银花中的绿原酸，并与传统的水提、醇提工艺进行了比较，结果表明，超声波法的提取率高于传统溶剂提取法，而且提取时间短、条件温和，是一种较好的提取方法。4.5 皂苷类化合物的超声提取图 4-1 不 同 提 取 方 法 对 苦 参 生 物 碱 类 成 分 的 提 取 率00.20.40.60.811.21.41.6苦 参 总 碱 苦 参 碱 成 分 （ g/100g）提取率（g/100g）超 声 波 提 取 方 法水 煎 煮 法皂苷是存在于植物界的一类结构较复杂的苷类化合物，常用水加热提取或用有机溶剂浸泡提取，与超声提取工艺比较 16-17（如表 3 所示） ，提取效率低，作用时间长。表 3由上表所示，由于超声波的空化作用，可加速细胞内有效成分的溶出，超声提取与常规的提取工艺相比，具有提取率高，提取时间短、操作方便等优点。另外，超声提取技术还可强化超临界萃取、协同微波萃取，更有效的缩短萃取时间、提高萃取率，使其在提取分离中药有效成分中发挥更强、更显著的作用。罗登林等 14人研究了超声强化超临界 CO2萃取人参皂苷，与单纯的超临界法相比，超声强化超临界能明显缩短萃取时间，降低萃取温度，提高萃取率，在流体流量大的条件下更有利于超声强化超临界的萃取。超声的加入能明显提高超临界萃取人生皂苷的萃取率和生产效率，降低生产能耗和节约生产成本。肖谷清等人 15对黄柏中总生物碱的提取进行研究发现，在微波萃取黄柏中总生物碱的最佳工艺条件下，实验五次，黄柏中总生物碱提取量为 17.083mg/g；超声萃取黄柏中总生物碱的最佳工艺条件下，实验五次，黄柏中总生物碱提取量为 16.692mg/g；微波-超声协同萃取黄柏中总生物碱最佳工艺条件下，实验五次，黄柏中总生物碱提取量为 21.911mg/g。结果发现微波、超声波联用辅助萃取黄柏中总生物碱比单独使用微波或超声辅助萃取黄柏中总生物碱效果好。总之，随着中药研究事业的不断推进，超声提取技术在中药化学成分提取方面的应用也日趋广泛。但都是实验室小规模化的研究（如仪器的洗涤、中药提取工艺的优化、某种中药成分的提取、包合物的制备等） ，与工业化大规模生产还存在一定的距离，故完善超声机制的研究，改善超声设备，扩大生产将促进工业化生产，为将我国中医药推向国际化提供必要条件。其次，我国中药资源丰富、历史悠久，是我国无数学者智慧探索的结晶，尤其是中药复方制剂在中医药方面的应用及其广泛，然而，目前超声提取工艺却局限于单味药化学成分的提取，在中药复方制剂研究方面的应用始终尚浅，故扩大超声提取技术在中药复方制剂中的研究与应用，优化提取工艺，提高提取提取对象 超声工艺 常规工艺比较肉桂总皂苷超声功率 80%，超声时间50min，超声温度 60 摄氏度优于传统提取法的 5h，且提取效果优于传统提取法，能在较短时间内达到较高的效果菝葜总皂苷 总皂苷的提取率为 2.58%优于水煮醇沉法提取的菝葜总皂苷提取率（1.48%）且省时、操作方便效率，增加药用效果，将促进我国中医药事业迅速发展。再次，尽管超声提取技术在化学成分提取方面具有提取效率高、提取时间短、提取温度低、不改变化学结构等优点，但其在加速中药有效成分溶出的同时，也使部分无效成分或不必要成分的溶出，故为了达到更进一步的纯化分离，可以将超声提取技术和其他的提取分离新技术（如膜分离技术、大孔吸附树脂分离技术、半仿生提取技术等）相结合，并可结合相应的化学成分分析仪器（如高效液相、紫外、红外、质谱等）一方面可强化其他新技术或分析技术的作用，另一方面也可弥补自身条件的不足，以获取更有效的、更稳定、更高质量的制药原料，使更多国家接受中药制剂（即中药复方制剂）作为治疗药，从而促进我国中药制剂的出口，推动中医药的现代化、国际化发展。结语随着人们对超声提取方法的广泛应用和研究，超声提取技术必将给中药这一古老的成果注入新的活力，使之发扬光大，生机勃勃。超声提取方法是应用于中药材等提取方面的范例，是中药提取技术发展的必然趋势，对改造传统提取工艺，具有广泛的应用前景。将超声提取结合先进的分离技术，必将发挥出更大的作用，以保证更多安全可靠、质量稳定的医药产品进入国际市场。参考文献1 Suslick KSThe Chemical Effects of UltrasoundJ Scientiific American，1989,26（2）：80862 Crocker MJEncyclopedia of AcousticsJ New York：John Wiley & Sons，1997：26