超聲波在植物提取中的應用

    天然植物藥用成分大多為(wei) 細胞內(nei) 產(chan) 物，提取時往往需要將細胞破碎，而現有的機械或化學破碎方法有時難於(yu) 取得理想的破碎效果，超聲波在陸地及海洋植物藥用成分的提取中已顯示出了明顯的優(you) 勢。

1　超聲波作用基本原理

　　超聲波在媒質中傳(chuan) 播可使媒質質點在其傳(chuan) 播空間內(nei) 進入振動狀態強化溶質擴散、傳(chuan) 質，即超聲波機械機製。超聲波在媒質質點傳(chuan) 播過程中其能量不斷被媒質質點吸收變成熱能，導致媒質質點溫度升高，即超聲波熱學機製。同時當大能量的超聲波作用於(yu) 提取介質，在振動處於(yu) 稀疏狀態時，介質被撕裂成許多小空穴，這些小空穴瞬時即閉合，閉合時產(chan) 生高達幾千大氣壓的瞬時壓力，即空化現象。
　　在超聲場中由於(yu) 被破碎物等所處的浸提介質中含有大量的溶解氣體(ti) 及微小的雜質，它們(men) 包圍在被破碎物等的膠質外膜周圍，為(wei) 超聲波作用提供了必要條件。空化中產(chan) 生的極大壓力造成被破碎物細胞壁及整個(ge) 生物體(ti) 破裂，而且整個(ge) 破裂過程在瞬間完成，同時超聲波產(chan) 生的振動作用加強了胞內(nei) 物質的釋放、擴散及溶解。超聲波破碎過程是一個(ge) 物理過程，浸提過程中無化學反應，被浸提的生物活性物質在短時間內(nei) 保持不變，生物活性不減，同時提高了破碎速度，縮短了破碎時間，可極大地提高提取效率^〔1〕。
　　超聲波作用時其效果不僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 超聲波的強度和頻率，而且與(yu) 被破碎物的結構功能有一定關(guan) 係。計算表明：在水中當超聲波輻射麵上強度達3000 W/m²時就會(hui) 產(chan) 生空化，氣泡在瞬間就很快閉合，閉合時產(chan) 生的壓力脈衝(chong) 形成瞬間的球形衝(chong) 擊波，從(cong) 而導致被破碎生物體(ti) 及細胞的*破裂。從(cong) 理論上確定被破碎物所處介質中氣泡大小後即可選擇適宜的超聲波頻率^〔2〕。由於(yu) 提取介質中氣泡尺寸不是單一的，而是存在一個(ge) 分布範圍，所以超聲波頻率應有一定範圍的變化，即有一個(ge) 帶寬。

2　超聲波在植物提取中的應用

2.1　陸地植物：超聲波應用於(yu) 生物技術是一個(ge) 較新的研究領域。研究表明，超聲波作用可激活某些酶與(yu) 細胞參與(yu) 的生理生化過程，通過改變反應物的質量傳(chuan) 輸機製，提高酶的活性、加速細胞新陳代謝過程^〔3〕。超聲波用於(yu) 澱粉的降解，可顯著增加澱粉在水中的溶解度而保留明顯的澱粉特征，但超聲波多次處理後酶活性有所降低；超聲波用於(yu) 降解殼多糖速度快、成本低、氨基酸含量不變；超聲波用於(yu) 提取真菌多糖，如蟲草多糖、香菇多糖、猴頭多糖等，超聲波酶法與(yu) 傳(chuan) 統工藝比較提取率高、反應過程無物料損失和副反應；此外超聲波還用於(yu) 降解提取多種葡聚糖等^〔4〕。靈芝多糖是一種實體(ti) 木質化的真菌多糖，細胞壁有蛋白質、幾丁質、纖維素及木質素等，其結構緊密，一般的處理方法難於(yu) 將細胞壁破壞，有效成分提取困難。通過120 W超聲波作用使其相對結晶度從(cong) 23.4降低到0，比表麵積增加85.5%，水解速度顯著增加^〔5〕。
　　目前對超聲波用於(yu) 從(cong) 陸地植物中提取藥用有效成分亦進行了一些研究。應用超聲從(cong) 大黃中提取蒽醌類成分的研究表明：超聲處理10 min，總提取率可達95.25 %，而煎煮3 h，總提取率僅(jin) 為(wei) 63.27 %；超聲提取20 min，提取率可達99.82%；用紙層析及HPLC對兩(liang) 種方法提取產(chan) 物進行分析，表明超聲處理對產(chan) 物結構無影響^〔6〕。在研究從(cong) 黃連根莖中提取黃連素時，分別對超聲波處理時間、超聲波頻率及硫酸濃度等進行了考察。結果表明用20 kHz超聲波提取30 min與(yu) 浸泡24 h提取率相同（8.12 %），核磁共振波譜儀(yi) 對提取產(chan) 物研究說明超聲波對黃連素結構無影響^〔7〕。用不同頻率的超聲波從(cong) 槐米中提取芸香苷與(yu) 熱堿提取—酸沉澱比較，超聲法無需加熱，隻需用頻率20 kHz的超聲波處理30 min，提取率就可提高47.6 %^〔8〕。超聲波用於(yu) 從(cong) 黃連中提取小檗堿的常規堿性浸泡工藝中，超聲提取30 min所得到的小檗堿提取率比堿性浸泡24 h高50 %以上^〔9〕。中科院化冶所生化工程國家重點實驗室在承擔的國家“九^.五”攻關(guan) 重點項目“植物細胞大規模培養(yang) 生產(chan) 青蒿素”中，采用超聲波強化石油醚提取青蒿素，使得提取率增加，提取時間大大縮短，降低了溶劑消耗，而且提取產(chan) 物經紫外分光光度法和HPLC法檢驗，表明雜質含量亦較少。
2.2　海洋藻類植物：鹽藻含有豐(feng) 富的β-胡蘿卜素。從(cong) 鹽中提取β-胡蘿卜素的首要條件是將鹽藻破碎，使β-胡蘿卜素能夠快速、地進入水溶液等提取介質。由於(yu) 被提取物多為(wei) 胞內(nei) 物質，提取過程中一般需要將細胞破碎。由於(yu) 過程中有化學反應發生，采用化學破碎方法容易造成被提取物結構性質等變化而失去活性，用機械破碎又難於(yu) 將細胞有效破碎。路德明等^〔10〕在20℃條件下，分別采用超聲波為(wei) 30 kHz、150 V，46 kHz、105 V，4.64 kHz、107 V,48.2 kHz、109 V對鹽藻進行破碎，通過顯微鏡觀察記數得到鹽藻的*破碎率可達87%。藻膽體(ti) 是某些藻類的捕光色素，藻膽體(ti) 的光譜性質不僅(jin) 反應了其組成和結構特征，而且還可以反應藻類物種的差異和進化地位。研究藻膽體(ti) 的光譜性質必須得到完整的藻膽體(ti) 。在采用化學及機械破碎方法均不能從(cong) 龍須藻中獲得理想的藻體(ti) 時，采用頻率為(wei) 20～50 kHz，電壓為(wei) 60 V超聲波處理10 min就得到了完整的藻膽體(ti) 。超聲波作用的目的是將龍須菜細胞打破，露出內(nei) 囊體(ti) ，然後將藻膽體(ti) 從(cong) 內(nei) 囊體(ti) 膜上振動下來^〔11〕。
　　目前海藻多糖提取一般采用水煮法及乙醇沉澱，回收率很低。中科院化冶所生化工程國家重點實驗室承擔的海洋“八六三”青年基金項目“海藻多糖的超聲浸提及凝聚相萃取分離方法研究”，正在研究超聲波用於(yu) 海藻多糖的破碎浸提過程，並同時研究解決(jue) 超聲波應用中工程放大問題，以期擴大超聲波在海洋活性物質提取中的應用。

3　結語

　　超聲波在陸地植物和海洋藻類植物天然成分提取中的應用已經顯示出明顯的優(you) 勢，並已逐步被人們(men) 所注意。目前雖然已進行了一些研究，但都是僅(jin) 在實驗室的很小規模上，針對某些單個(ge) 具體(ti) 提取對象進行簡單的工藝條件實驗。
　　在超聲波用於(yu) 植物天然成分提取時，應對其作用機製進行深入研究，以便建立一套較為(wei) 通用的模型，為(wei) 不同提取對象操作條件提供依據。同時注重有關(guan) 工程問題研究，解決(jue) 超聲提取工程放大問題。

參考文獻
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