天然產(chǎn)物化學(xué)第8章超聲波提取課件

第八章超聲波萃取Ultrasoundextraction概述超聲波萃取的基本原理影響超聲波萃取的參數(shù)超聲波提取技術(shù)的特點(diǎn)超聲波提取技術(shù)的應(yīng)用一、概述

超聲波萃取是基于超聲波技術(shù)發(fā)展起來(lái)的近幾十年來(lái)經(jīng)常采用的樣品前處理方法。該方法利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化效應(yīng)、擾動(dòng)效應(yīng)、高加速度、擊碎和攪拌作用等多級(jí)效應(yīng)，增大物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而加速目標(biāo)成分進(jìn)人溶劑，促進(jìn)提取的進(jìn)行。（二）超聲波萃取的分類1、靜態(tài)法

廣泛地應(yīng)用于固體樣品，包括植物、土壤、沉積物等的提取實(shí)驗(yàn)中。靜態(tài)法僅僅應(yīng)用了超聲波的空化作用，通過(guò)強(qiáng)烈的超聲空化作用，縮短了目標(biāo)物到達(dá)分配平衡的時(shí)間。2、動(dòng)態(tài)法

基于流動(dòng)的提取溶液連續(xù)地通過(guò)固體基質(zhì)將目標(biāo)物質(zhì)提取出來(lái)。當(dāng)提取液連續(xù)地通過(guò)基質(zhì)時(shí),降低了提取相中目標(biāo)分子的濃度，因而促進(jìn)了目標(biāo)分子向提取相的轉(zhuǎn)移。再加上超聲波能量的輔助作用，能夠在有限的時(shí)間內(nèi)將目標(biāo)分子“完全”提取。(一)超聲波萃取的基本原理超聲波萃取技術(shù)的基本原理主要是利用超聲波的空化作用來(lái)增大物質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)頻率和速度，從而增加溶劑的穿透力，提高被提取成分的溶出速度。此外，超聲波的次級(jí)效應(yīng)，如熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等也能加速被提取成分的擴(kuò)散并充分與溶劑混合，因而也有利于提取。二、超聲波萃取的基本原理1、熱力學(xué)機(jī)理

超聲波是一種機(jī)械波，超聲能也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。生成熱能的多少取決于介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收。所吸收的能量大部分或全部轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度的升髙。超聲波作用到樣品提取系統(tǒng)中，可以使體系介質(zhì)內(nèi)部溫度迅速升髙，加快固體樣品中化合物質(zhì)的擴(kuò)散速度，改變目標(biāo)物質(zhì)在固-液兩相中的分配常數(shù)。在實(shí)際樣品提取時(shí)，欲維持體系溫度恒定，必須將超聲波本身所產(chǎn)生的熱量有效地釋放至體系外。3、空化效應(yīng)

富含能量的超聲波作用于提取體系內(nèi)，液體內(nèi)部可能被撕裂成很多小的孔穴，當(dāng)這些孔瞬間閉合時(shí)，產(chǎn)生瞬間的高壓，即稱之為空化效應(yīng)?？栈F(xiàn)象包括氣泡的形成、成長(zhǎng)和崩潰過(guò)程，是超聲化學(xué)的主要?jiǎng)恿Γ沽Ｗ拥倪\(yùn)動(dòng)速度加快，破壞粒子的力的形成，使許多物理化學(xué)和化學(xué)過(guò)程急劇加速，對(duì)分散、萃取等過(guò)程有很大的促進(jìn)作用。對(duì)植物樣品提取而言空化效應(yīng)有利于加速待測(cè)物中有效成分進(jìn)入溶劑，縮短體系到達(dá)平衡的時(shí)間。（二）超聲波提取技術(shù)的特點(diǎn)1.提取效率高

采用超聲波技術(shù)來(lái)強(qiáng)化提取過(guò)程，提取時(shí)間僅為常規(guī)溶劑提取法的幾分之一，因而提取效率較高。2.能耗低

施加小功率的超聲波即可破碎提取大量的物料，且提取過(guò)程可在室溫下進(jìn)行，無(wú)需大功率電源。與常規(guī)的溶劑提取法相比，單位能耗可下降一半以上。3.提取物的質(zhì)量高由于提取過(guò)程的溫度較低，因而可最大限度地保持物料中原有的各種有效成分，尤其是熱敏性有效成分的性質(zhì)。同時(shí)由于提取時(shí)間較短，因而可降低提取物中的雜質(zhì)含量，提高提取物的質(zhì)量。4.提取物的提取率高超聲波所引起的空化效應(yīng)可使細(xì)胞壁及整個(gè)生物體破裂，使有效成分得以充分釋出，從而可提高目標(biāo)提取物的提取率。5.適用范圍廣

超聲提取中藥材不受成分、極性和分子量的限制，適用于絕大多數(shù)有效成分的提取，如生物堿、黃酮類化合物、醌類化合物、萜類化合物、鞣質(zhì)、脂質(zhì)及揮發(fā)油等的提取。6.易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和自動(dòng)控制目前的超聲波提取設(shè)備大多可自行設(shè)定提取時(shí)間、提取溫度、循環(huán)速度等主要操作參數(shù)，并可對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制,從而可減少外界因素的干擾，這對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定與提高是非常有利的。

3.聲波頻率

超聲波的熱效應(yīng)受超聲波頻率影響顯著。一般來(lái)說(shuō)，超聲頻率越低，產(chǎn)生的空化效應(yīng)、粉碎、破壁等作用越強(qiáng)，越有利于目標(biāo)物質(zhì)的溶出。研究表明，對(duì)于大多數(shù)樣品而言,當(dāng)其他條件一定時(shí),目標(biāo)成分的提取率隨超聲波頻率的增加而下降。但用超聲波提取技術(shù)提取益母草總生物堿時(shí)，超聲波頻率越大，提出率就越大，這表明不同樣品的目標(biāo)成分都有自己適宜的提取頻率。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)針對(duì)具體的樣品和被提取組分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定適宜的超聲波頻率。4.超聲時(shí)間

超聲提取通常比常規(guī)提取的時(shí)間要短。一般情況下，超聲處理時(shí)間在20~45min以內(nèi)即可獲得較好的提取效果。5.提取溶劑的性質(zhì)

在選擇提取用的溶劑時(shí)，最好能結(jié)合植物有效成分的理化性質(zhì)進(jìn)行篩選。如在提取皂苷、多糖類成分時(shí)，可利用它們的水溶性特性選擇水作溶劑；在提取生物堿類成分時(shí)，可利用其與酸反應(yīng)成鹽的性質(zhì)而采用酸浸提方法等。一般混合溶劑具有較寬的提取能力，因此在超聲波輔助提取的多目標(biāo)化合物分析中，如多酚一般采用兩種或兩種以上的溶劑提取，但也降低了對(duì)目標(biāo)分子提取的選擇性。6.樣品顆粒的大小

樣品顆粒的大小影響到提取的速率。顆粒小，比表面積大，與溶劑接觸的面積大，有利于目標(biāo)成分的擴(kuò)散，在較短的時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到固液分配平衡。同時(shí)，顆粒減小，比表面積增大，表面張力增加，因而增加了物理吸附，進(jìn)而影響目標(biāo)分子在固體界面上的活度，可能對(duì)熱力學(xué)平衡常數(shù)產(chǎn)生影響。一般粉碎的植物樣品要求過(guò)60?100目篩（0.250?0.149mm)后再進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，既增加了提取的速率，又有利于植物樣品均勻混合，保證稱取的樣品具有代表性。四、超聲波提取設(shè)備

超聲波提取設(shè)備主要由提取槽、超聲波發(fā)生器和電源等部分組成。提取槽是盛放提取物系的容器，一般由不銹鋼制成，其內(nèi)安裝有加熱及控溫裝置，底部粘接超聲波換能器。超聲波換能器是超聲波提取設(shè)備的關(guān)鍵部件，其作用是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。目前，超聲波提取設(shè)備使用的換能器主要有磁力換能器和壓電換能器兩種類型。磁力換能器是用會(huì)在變化的磁場(chǎng)中發(fā)生變形的材料，如鎳或鎳合金材料制成；而壓電換能器則由可產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料，如鋯鈦酸鉛或其他陶瓷材料制成。若將壓電材料置于電壓變化的電場(chǎng)中則會(huì)產(chǎn)生變形，這就是壓電效應(yīng)。無(wú)論使用何種換能器，其基本因素常是空化效應(yīng)的強(qiáng)度。五、超聲波提取技術(shù)的應(yīng)用

與傳統(tǒng)提取相比，超聲波萃取已證明在天然物質(zhì)提取中可獲得比常規(guī)方法更佳的提取效果和提取率，有著廣闊的應(yīng)用前景。超聲波輔助提取法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、容易操作、成本低和產(chǎn)量大等特點(diǎn)。1.生物堿的提取

采用常規(guī)提取技術(shù)提取中藥中的生物堿往往具有提取時(shí)間長(zhǎng)、提取收率低等缺陷，而采用超聲技術(shù)提取生物堿具有工藝簡(jiǎn)單、省時(shí)、提取率高等優(yōu)點(diǎn)。郭孝武等人分別用超聲和常規(guī)回流兩種提取方法從益母草中提取益母草總生物堿，結(jié)果表明，用110kHz的超聲波提取40min的提取率比常規(guī)回流提取2h的提取率高出1倍，且具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需加熱的優(yōu)點(diǎn)。2.苷類物質(zhì)的提取

與傳統(tǒng)的水煎煮法或溶劑浸提法相比，用超聲技術(shù)提取苷類物質(zhì)具有省時(shí)、雜質(zhì)少、提取率高等優(yōu)點(diǎn)。

王昌利等人利用超聲技術(shù)從穿山龍中提取薯蕷皂甙，結(jié)果表明超聲提取法具有省時(shí)、節(jié)能、提取率高等特點(diǎn)。

宋小妹等人利用超聲技術(shù)從長(zhǎng)梗絞股藍(lán)中提取絞股藍(lán)皂苷，結(jié)果表明，與常規(guī)的乙醇回流提取法相比，絞股藍(lán)皂苷的得率顯著提高。

張崇禧等人以人參須根為原料，分別對(duì)傳統(tǒng)水煎法、溫浸法、乙醇回流法、微波萃取法和超聲提取法提取人參總皂苷的工藝進(jìn)行了考察，結(jié)果表明超聲提取法具有快速、安全、簡(jiǎn)便、成本低、提取率高等特點(diǎn)，且不破壞皂苷成分。

4.蒽醌類物質(zhì)的提取

蒽醌類衍生物在植物體內(nèi)的存在形式比較復(fù)雜,游離態(tài)與結(jié)合態(tài)經(jīng)常共存于同一種中草藥中,其常規(guī)提取方法都是采用乙醇或稀堿水溶液來(lái)提取，缺點(diǎn)是有效成分會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間受熱而被破壞，因而提取率較低。郭孝武利用超聲技術(shù)從大黃中提取大黃蒽醌類物質(zhì)，結(jié)果表明以頻率為20kHz的超聲波提取10min比常規(guī)煎煮法提取3h的提取率要高。

牛棟等人在復(fù)方首烏口服液的提取工藝中，利用超聲技術(shù)對(duì)含有大量蒽醌苷類衍生物的何首烏、大黃、番瀉葉進(jìn)行提取，從而可避免蒽醌苷類物質(zhì)因久煎而破壞有效成分的風(fēng)險(xiǎn)。

5.多糖類物質(zhì)的提取

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)多糖類化合物具有抗腫瘤和增強(qiáng)免疫的功能，其傳統(tǒng)提取方法主要有水煎法和浸泡法，缺點(diǎn)是提取率低、費(fèi)時(shí)。若用超聲法提取多糖類物質(zhì)，則可縮短提取時(shí)間，提高提取率。李鐘玉等人以水為溶劑，利用超聲技術(shù)從靈芝中提取靈芝多糖，結(jié)果表明,