超声及微波辅助萃取

1微波与超声辅助2

超声波是指频率为2O千赫-5O兆赫的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体(介质)来进行传播。超声波在工业应用方面，可以进行清洗、干燥、杀菌、雾化及无损检测等，是一种非常成熟且广泛应用的技术。超声提取技术是近年来应用在中草药有效成分提取分离方面的一种最新的较为成熟的手段。研究表明，利用超声波产生的强烈振动、高加速度、强烈空化效应、热效应、搅拌作用等，都可以加速药物有效成分进入溶剂，从而提高提取效率，缩短提取时间，节约溶剂，并且免去了高温对提取成分的破坏。微波萃取技术是利用微波的热效应对样品及其有机溶剂进行加热，从而将目标组分从样品基体中分离出来的一种新型高效分离技术。与传统萃取技术相比，微波萃取技术具有许多独特的优点，被誉为“绿色萃取技术”，并已成为实现中药现代化的主要关键技术之一。微波与超声辅助3(1)超声辅助萃取的基本原理(2)超声提取的特点(3)超声辅助分离工程的分类(4)超声分离过程的设备及操作(5)影响超声提取分离的因素3.1超声辅助萃取Ultrasound-AssistedExtractionUAE4超声辅助萃取的基本原理

1.1原理

(1)空化效应超声提取最主要的机理是超声波产生的空化效应。超声空化是指液体中的微小泡核在超声波的作用下被激活,表现为泡核振荡、生长、收缩乃至崩毁等一系列动力学过程。泡核在瞬间空化崩毁时可形成高达5000K以上的局部热点,压力可达数十乃至上百兆帕,随着高压的释放,将在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速射流(非均相)。在提取过程中,这种强大的冲击波能够有效地减少、消除溶剂与水相之间的阻滞层,从而加大传质效率。同时,冲击波和高速射流对动植物细胞组织产生一种强大的物理剪切力,使之变形、破裂,并释放出内含物,这大大加速了提取过程。

5超声辅助萃取的基本原理1.1原理

(2)机械效应将超声波技术应用于中药材有效成分的提取，是基于惠更斯波动理论和超声波在液体连续介质中传播时特有的物理性质。惠更斯波动原理指出，波动(包括起源于波源的振动)在连续介质中传播时，在其波阵面上将引起介质质点的运动，波前在介质中达到的每一点都将引起相邻质点的震动和成为新的波源。简而言之，波动使其传播路径上的每一个质点都将获得加速度和动能。采用超声频率为f=28kHz时，经计算在水中超声波可使水的质点运动加速度达重力加速度(g=9.8m／s2)的二千倍以上。并由速度公式可计算出简谐振动的最大速度介质质点动能E=1/2mv2，换言之，水介质质点在超声波作用下，将把二千倍于重力加速度的巨大加速度和每秒钟28000次获得最大速度l17mm／s的巨大速度和动能作用于中药材有效成分质点上，使之获得巨大的速度和动能，迅速逸出药材基体而游离于水中。

6超声辅助萃取的基本原理1.1原理

(3)热效应超声波在传播过程中,其声能可以不断地被溶剂的质点吸收,溶剂将所吸收的能量全部或大部分转变热能,从而导致溶剂本身和中草药组织的温度升高,增大中草药有效成分的溶解度,加快有效成分的溶解速度。

7超声辅助萃取的基本原理1.1原理

(4)其他效应另外,超声波的许多次级效应,如溶化、扩散、击碎、化学效应、生物效应、凝聚效应等,也能加速中草药有效成分在溶剂中的扩散释放,促进中草药有效成分与溶剂混合,有利于提取。8固-液萃取液-液萃取超声强化结晶超声凝聚超声强化过滤和脱水声强强化吸附与解析超声辅助萃取的种类9超声辅助萃取的特点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．提取时间短。超声波强化中药提取通常在2O-4O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；3．不需高温，能耗低。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，同时大大节约能耗.10超声辅助萃取的特点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;5．提取药液杂质少，有效成分易于分离、纯化;6．提取工艺运行成本低，综合经济效益显著;7．操作简单易行，设备维护、保养方便。11超声辅助萃取的设备简介HF-100-500“隆达”循环超声提取机型号HF-100BHF-200BHF-500B有效容积(L)100200500超声功率(W)200-3000300-3600300-5400最大功率(W)450053006100可控温度室温-55室温-55室温-55搅拌速度(rpm)0-20000-20000-2000材料不锈钢不锈钢不锈钢处理能力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主体尺寸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超声辅助萃取的设备简介效率高采用机械搅拌和超声循环强化提取,提取时间短（常规方法的几十分之一）,工作效率高。以从青蒿（黄花蒿）提取青蒿素（一种特效的疟疾治疗药物和抗肿瘤药物等）为例，常用的提取方法提取时间在24小时至48小时，而在相同的条件下，采用循环超声提取机提取时间仅为0.5小时。50升装置的物料处理能力相当于2.4立方（2400升）常规提取罐。提取能耗低小功率超声波即可破碎提取大量物料，一般均在室温下提取，无须大功率搅拌和耗费大量加热能源。单位物料处理量能耗较常规提取方法降低50%以上。13超声辅助萃取的设备简介

由于提取温度低，最大限度保持了物料中原有的各种有效成份（特别是各种热敏性成份等），可达到提高药效、减少用量的目的。同时，由于提取时间短使提取产品中其它无用的杂组份含量减少,提高了提取产品品质，而且为后续分离纯化过程奠定了良好基础，可显著降低单一组份等其它高端产品的生产成本。目标提取物提取得率高由于采用超声破碎提取技术，使药材中的有效成分得以充分释出，从而使目标提取物的提取率提高。以从青蒿中提取青蒿素为例，可以提高25%以上。14超声辅助萃取的设备简介管道式超声波提取成套设备

连续化管道式超声波提取成套设备，是一套先进的机电一体化成套设备，其主体是管道式超声波提取机，配备药材输送、温度调控、料液调控、药渣处理、药液处理、WIP在线清洗、集中电气操作控制等辅助系统构成。超声提取管段解决了超声波提取工业化应用的技术难题，151、超声参数的选择超声波频率超声波强度超声时间溶剂浸渍时间2、溶剂选择影响超声辅助萃取的因素16超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用1、多糖类成分

最近的研究表明，多糖具有抗肿瘤、抗病毒和降血糖等功效。植物多糖通常采用热水回流或浸提方法提取，需要较长时间和较多的能耗。ZdenaHromddkovd等比较了用传统方法和超声提取法提取玉米芯中的水溶性木聚糖，发现用NaOH溶液作为提取溶剂，用超声提取法可在较短时间内、较低的碱质量浓度和提取温度下获得较高的提取效率，并且超声法获得的木聚糖的生物活性要高于常规方法。17超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用2、黄酮类成分黄酮类化合物具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功效，广泛存在于天然产物中。黄酮类化合物的传统提取方法主要有水煎煮法、浸渍法和碱提酸沉法，缺点是费时、费工，且收率较低。

MauricioARostagno等用超声法提取大豆异黄酮，发现用体积分数50%的乙醇做溶剂，在60℃下提取20min便可获得最佳的提取效率，且高于常规的提取方法。18超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用3、皂苷类成分

皂苷是存在于植物中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渍提取，耗时长，提取效率低。

Jianyongwu等用超声提取技术提取人参皂苷，比常规提取方法快3倍，提取效率高，更易于纯化，并且由于其提取温度低，所得的人参皂苷的活性也较常规方法高。19超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用4、生物碱类成分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，是中草药中重要的有效成分之一。常规的提取方法时间长，效率低。

YuegangZuo等提取药物配方中的烟碱，发现用超声提取法提取不到20min就可获得常规冷浸法24h的提取效率，并且溶剂用量只有常规方法的1／6。20超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用5、萜类和挥发油

萜类化合物是一类具有广泛生物活性的天然药物有效成分，而植物中的挥发油大多富含萜和倍半萜类化合物。挥发油的沸点较低，其传统提取工艺是水蒸气蒸馏法，但该法存在提取温度高、提取时间长、易破坏有效成分的缺陷，导致提取收率较低。

AthanasiosCKimbaris等同时用水蒸馏提取法、微波辅助水蒸馏提取法和超声提取法提取大蒜中的挥发油，比较发现3种方法所得的挥发油的得率和性质不尽相同，但超声提取法可减少对热敏性化合物的破坏，并且实验操作简单，具有工业化生产的价值。21超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用6、有机酸类成分

有机酸是一类含羧基的化合物(不包括氨基酸)，广泛分布在中草药中，是很多中药的活性成分。

HuiLi等用超声提取法提取新鲜杜仲叶中的绿原酸，发现最佳条件为体积分数7O％的甲醇溶液，料液比1:2O，提取时间30min，提取3次，用该条件提取新鲜的杜仲叶、新鲜的杜仲皮、杜仲皮饮片和其它4种中药中的绿原酸，得率均高于传统提取方法。22超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用7、蛋白质、酶类成分传统的碱提法提取蛋白质和酶效率低、纯度低，而且耗时，生产成本高；而酶法虽然可以提高提取效率，但是酶易失活，价格昂贵，故生产过程难以控制，生产成本高。

FurukiTakao等人利用超声波对细胞壁的破碎能力提取大肠杆菌中的苹果酸酶，发现对于100mL的大肠杆菌样品，超声处理20min就可获得最高的提取效率，优于常规方法。238、油脂类成分

目前，工业生产多采用浸渍法和冷榨法提取油脂，浸渍法提取时间长，溶剂挥发损失较多，成本增加，且提取率低；冷榨法产率低，精制工艺繁琐，油品色泽不理想。

JLLeque-Garcia等用超声辅助索氏提取向日葵、油菜和大豆等种子中的油脂，可以大大减少索氏提取的时问，提取相同数量的油脂，用超声辅助索氏提取，可以节约一半以上的时间，并且提取的油脂的性质与常规方法相同。24超声辅助萃取技术展望1、超声提取过程基础理论的深化研究

目前，虽然国内外工作者在这方面做了不少工作，并提出了一些超声提取的机理，但是超声提取是多种效应共同作用的结果，再加上目标提取物和提取溶剂结构的影响，在提取机理方面还有很多工作要做，以期建立完善的超声提取过程的动力学模型，从而为超声提取过程的设计和优化提供理论依据。252、超声提取过程的强化研究由于超声提取的机理尚未完全解释清楚，一些未知的因素也会影响超声提取的效率，如采用复频共振方式，比单一频率提取效率大大提高，此外，占空比对超声提取效率及提取物的纯度也有一定的影响。为进一步提高提取效率，也可考虑将超声提取技术与微波提取技术联用。263、超声提取实验设备的改进及工业化设备的研究与应用目前超声提取实验设备都是通过水将超声波间接作用于样品，为提高超声波作用效率，可进一步开发能满足复频、占空比等研究需要的实验设备。今后还应进一步加强对超声提取工业化设备的研究，解决相关的工程技术问题，以促进超声提取技术在制药工业中的应用。27(1)微波辅助萃取的基本原理(2)微波辅助萃取的特点(3)微波辅助萃取的操作及步骤(4)影响微波辅助萃取分离的因素3.2微波辅助萃取Microwave-AssistedExtractionMAE28微波萃取微波金属水分29微波萃取3031微波辅助萃取的基本原理1.1原理

微波是波长1mm-1m、频率300-300000MHz的电磁波。

MAE的原理涉及两方面：一是微波辐射能穿透提取介质，到达物料内部，使基质内部温度迅速上升，增大了被分离物质在介质中的溶解度；二是微波所产生的电磁场加速了被萃取成分向溶剂的扩散。微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的“体加热”或“内加热”。微波加热是通过空间或媒质以电磁波形式将微波电磁能转变成热能，其机理包括离子传导机理和偶极子转动机理，物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关系.

32MAE机理是复杂的，它与目标物和基质特性有关，目前还没有统一完整的理论。1991年Pare等提出了微波辅助提取天然产品成分的机理假设：微波射线自由透过对微波透明的溶剂，到达植物物料的内部维管束和腺细胞内，细胞内温度突然升高，连续的高温使其内部压力超过细胞壁膨胀的能力，致细胞破裂，细胞内的物质自由流出传递至周围的溶剂中被溶解。李核等的研究结果也证实了这一机理。(1)微波辅助萃取的基本原理33Eskilsson等根据微波的频率与分子转动频率的关联性阐述了MAE机理，认为物质的介电常数、比热、形状及含水量的不同，各物质吸收微波能的能力不同，其产生的热能及传递给周围环境的热能也不同，这种差异使萃取体系中的某些组分或基体物质的某些区域被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离出来，进入介电常数小、微波吸收能力差的萃取剂中。不同种类的物质在不同微波条件下其耗散因子(tanα=介电损耗／物质的介电常数)的变化规律不同，通过控制微波辐射频率和功率改变tanα，可使某种萃取组分微波吸收达到最大，从而实现提高萃取速率和选择性的目的。范华均等的研究结果也表明微波对中药材的作用与其结构有关，作用效果有别。对于鳞茎基质坚韧、富有弹性的石蒜，和木质基质致密、脆硬的虎杖，其影响程度有较大差异，它们在MAE提取过程中所表现的提取行为和动力学过程特征，分别符合扩散传质机制和细胞破壁机制。34(2)微波辅助萃取的特点

微波具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大特点，这决定了微波萃取具有以下特点。试剂用量少、节能、污染小。(2)加热均匀，且热效率较高。传统热萃取是以热传导、热辐射等方式自外向内传递热量，而微波萃取是一种“体加热”过程，即内外同时加热，因而加热均匀，热效率较高。微波萃取时没有高温热源，因而可消除温度梯度，且加热速度快，物料的受热时间短，因而有利于热敏性物质的萃取。35(2)微波辅助萃取的特点(3)微波萃取不存在热惯性，因而过程易于控制。

(4)微波萃取无需干燥等预处理，简化了工艺，减少了投资。

(5)微波萃取的处理批量较大，萃取效率高、省时。与传统的溶剂提取法相比，可节省50％-90％的时间。36(6)微波萃取的选择性较好。由