超聲波輔助提取植物活性成分的研究進展

馬亞琴，葉興乾，吳厚玖，周志欽，王 華，孫志高

超聲波輔助提取植物活性成分的研究進展

馬亞琴1,2,3，葉興乾4，吳厚玖1,3，周志欽1,2，王 華1,3，孫志高1,3

(1.西南大學柑桔研究所, 重慶 400712；2.西南大學園藝學博士后流動站，重慶 400712；3.國家柑桔工程技術研究中心，重慶 400712；4.浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州 310029)

概述超聲波強化提取的機理，綜述超聲波輔助提取植物活性物質的研究進展和現狀，并分析超聲波應用于食品加工領域進行強化提取的潛力，指出目前超聲波輔助提取技術實現工業化生產存在的難題和今后的研究方向。

超聲波；提取；植物活性成分

超聲波(ultrasound)是指頻率為2×104～109Hz的聲波，屬機械波的一種，由于超越了人類聽覺的上限，故稱為超聲波。超聲波化學是超聲波和化學相互交叉滲透的一門新的學科，作為一種邊緣性交叉學科，自80年代以來發展十分迅猛。隨著功率超聲波理論研究的深入和儀器設備制造技術的日趨完善，超聲波化學技術廣泛應用于食品檢測和加工、化工、醫療、生物工程等許多領域[1-6]。超聲波技術在食品領域中的應用根據能量強度被分為兩大類：檢測超聲波和功率超聲波[7-8]。檢測超聲波是指能量低于1W/cm2而頻率高于100kHz的超聲波，主要應用于無損檢測和食品材料中物化特性的診斷，獲得食品組成、質構、流變學性質等信息[9-12]。功率超聲波通常指能量高于1W/cm2而頻率低于100kHz的超聲波，強大的能量使得介質發生物理裂解、有效的改變食品的物化特性以及加速某些化學反應的發生，主要應用于食品加工領域[13-14]。

1 低頻高能超聲波的作用機理和特點

媒質中引入超聲波時，在介質中引起介質粒子的機械振動而與媒質發生相互作用，進而產生熱作用、機械作用和空穴作用。當超聲波在媒質中進行傳播時，其振動能量不斷地被媒質吸收導致媒質溫度升高，超聲波強度愈大，熱作用愈強；超聲波振動作用引起介質的質點發生交替壓縮伸張運動，從而引起線性或非線性的交變振動，加速質量的傳遞作用，機械作用有助于破碎、凝聚、切割等[15-16]；當液體分子間的距離超過保持液體作用的臨界分子間距時形成空穴氣泡，在超聲波連續作用下，空穴氣泡會發生持續振蕩而形成穩態空化(具有較低的能量)或瞬時空化即空化泡在瞬間絕熱收縮至崩潰時，產生高溫、高壓、強烈的沖擊作用(具有較高的能量)[17-18]。低頻超聲波在媒質中傳播時氣泡崩潰比高頻更為劇烈，超聲波的空化作用在低溫常壓下有利于促成化學反應的發生，在清洗、霧化、乳化及加速化學反應等方面有廣泛的應用[19-21]。

超聲波在食品加工中的應用就是通過超聲波產生的3種機制而實現。其中，空穴作用被認為是最重要的，

導致充氣氣泡的產生和微射流的出現[20]。Rayleigh[22]最早研究和分析了空穴和氣泡動力學，并解決了在液態媒質中空腔氣泡倒塌的一系列問題，同時也涉及了充氣氣泡，并假設充氣氣泡中的氣體經歷了非熱壓縮過程。后來的研究認為液態媒質的表面張力、黏度等都對空穴作用產生影響[18]。Laborde等[23]研究認為空穴發生的部位和空穴強度與超聲波發生器的形狀、聲學因素、換能器的結構都有關系。超聲波空穴有兩個重要的特征：第一，非線性過程即空穴氣泡半徑的變化和聲壓不成比例；第二，氣泡的高壓縮性即當氣泡在膨脹或倒塌等運動過程中累積能量而獲得更多潛在的能量[24]。在瞬時空化狀態，由于氣泡的非線性運動引起能量的轉化并集中在一個很小的空間，因此產生高壓高溫、激發化學反應的產生，引起致光超聲波等[25]。值得注意的是，在一個一定深度的柱形容器內引入超聲波，當容器內的水面為超聲波振幅的1/4的奇數倍時則會出現強壓穩態空穴，但是，當容器內的水面為超聲波振幅的1/4的偶數倍時則出現弱壓穩態空穴。如圖1所示，水槽直徑為12cm的圓柱形，低部是直徑為6cm的換能器。超聲波的這個特點在應用強化提取時具有非常重要的意義。

圖1 低頻實驗裝置(a)和壓力波的反射(b)Fig.1 Experimental setting and reflection of pressure wave at low frequency ultrasound wave

2 超聲波輔助提取植物活性成分的研究現狀及其發展趨勢

2.1 超聲波輔助提取植物活性成分的研究現狀

在食品加工領域，提取技術是一項非常重要的技術。在提取分離植物、動物、微生物中活性物質或其他一些所需成分，以及食品成分的分析都需要有效的提取和分離方法來完成。因此，高效低成本的提取方法為研究人員所關心。20世紀50年代，超聲波技術首次在實驗室應用于增強提取量的研究。隨后，超聲波技術逐漸被認可并發展迅猛，不斷滲透到食品加工的各個領域。目前，超聲波技術應用于提取植物活性物質的研究主要有三方面：從單個活性成分的提取到多組分的提??；從單純的增加提取量到對提取物結構、活性的鑒定以及引入更多超聲波參數(超聲波能量、超聲波頻率)對提取過程影響的研究；從實驗室研究型向工業化規模化生產應用型的思考和轉變。

2.1.1 超聲波輔助提取單一植物活性成分

“Specht等首次利用超聲波技術進行了強化啤酒花的提取研究，并與傳統的煮沸提取法對提取物含量的影響進行了比較；隨后Schmall等研究表明生產啤酒中超聲波處理比傳統的加工方法節省30%～40%的啤酒花原料；Hoggan研究發現超聲波處理啤酒花不僅可以節省原材料而且還有助于提高啤酒的品質”[26]。20世紀60年代以來，超聲波輔助提取植物活性物質的報道有所增加，并得到一致的結論：超聲波輔助提取較傳統的提取方法其優勢表現在縮短提取時間和提高提取效率。隨后，deMaggio等[27]提取曼陀蘿中的生物堿，30min后浸泡提取生物堿的含量僅為超聲波提取的9%；Ovadia等[28]利用超聲波處理杜根，超聲波處理30s其提取效率高于5h索式提取；“Gilyus等應用超聲波提取甜菜中的糖，結果表明在19.3kHz，60～70℃的條件下，超聲波處理比傳統的提取方法縮短45～60min，而在100kHz、50℃的條件下縮短30～60min”[29]。Feng等[30]綜述了1970年至1996年間中國超聲波在聚合物學、有機合成、化學分析、生物化學、天然材料的提取和分離、離子交換樹脂的再生以及結晶過程等各個領域內的基礎研究及應用，在提取方面超聲波技術主要應用于對蕓香科植物中藥成分的提取和分離，超聲波提取在室溫的條件下利用乙醇溶劑就能有效的提取多種中藥成分(如豆腐果苷、鹽酸小檗堿、巖白菜素等)。郭孝武等[31]利用超聲波提取黃岑苷，認為超聲波提取10min比常規煎煮法處理3h的提取效率高；隨后他們利用超聲波從黃連根莖中提取黃連素的研究發現，20kHz頻率的超聲波有利于提取黃連素，與浸泡提取法比較，具有省時高效的優勢[32]。

21世紀初，利用植物組織結構的電鏡圖片對超聲波強化的機理給出了直接的證據。隨著對超聲波波理論研究的深入，超聲波頻率和超聲波能量作為重要的超聲波參數在超聲波提取過程中可能產生的影響被研究人員所認識和關注，并進行此方面的初步探索和研究。此外，隨著生活水平的不斷提高，健康成了公眾關心的焦點之一，天然活性物質的保健作用日益被消費者所認可，植物材料作為天然活性物質的豐富來源，期望產生的商業化利潤和巨大的市場潛力掀起了加快超聲波技術提取植

物活性物質應用的熱潮。

Toma等[33]考察了超聲波處理與傳統的提取方法對幾種植物材料溶脹系數、提取含量和細胞結構的變化。結果表明超聲波處理1h，金盞花、酸橙、茴香種子、駱駝蓬屬種子、啤酒花球果、土木香根、薄荷葉吸水的體積分別為6、5、4、3、3、2.5、2.5mL，溶脹率分別增加了27%、20%、100%、60%、43%、55%、38%。而提取溶劑對提取含量有最直接的影響，但是超聲波處理后提取物的含量均比浸泡提取的高。此外，通過掃描電鏡圖片觀察了超聲波處理后對植物材料細胞組織結構的影響，發現植物組織的細胞結構明顯被破壞，使得提取物易于從植物材料快速溶到提取溶劑，進而提高了提取效率，這首次從細胞結構的角度解釋了超聲波強化的機理。Li等[34]進行了超聲波提取大豆油的研究，同樣利用大豆粉末細胞組織結構的電鏡圖片探討了超聲波增強的機理。Albu等[35]利用直插式和水浴式超聲波輔助提取了蕓香科植物鮮樣和干樣中的鼠尾草酸，并與熱處理比較，發現超聲波處理15min達到較高的提取量，認為水浴超聲波有利于大規模生產。結果肯定了超聲波作為一種更經濟、環保、安全的技術應該充分考慮在溶劑提取領域內的應用潛力。

2.1.2 超聲波輔助提取多組分植物活性成分

20世紀70年代后，隨著相關學科的發展、交叉學科的興起以及功率超聲波設備的發明與制造技術的不斷完善，超聲波技術在食品加工領域快速發展。超聲波輔助提取技術從研究的對象、內容和深度都大大拓展。這一時期也初步進行了超聲波同時提取多組分活性物質的研究，更值得注意的是對高能超聲波工業化規模化應用的思考。Shoh[36]綜述了高能超聲波的工業化應用，并闡述了在應用中的優勢和局限性。McClements[8]綜述了超聲波在食品加工和分析中的研究進展，認為加快高能超聲波波在工業上的應用很大程度上依賴于成本低廉且可行有效的超聲波設備，并分析了超聲波技術從實驗室研究向大規模的生產轉變需要解決的一些難題。

Ebringerova等[37]研究了超聲波處理對玉米水溶性木質素的主要成分(β-(1-＞4)-D-xylopyranan)在分子結構、分子特性、免疫活性等方面的影響，通過研究認為在一定的超聲波條件下不會造成水溶性木質素分子結構的破壞和分子特性的改變；免疫細胞實驗證明超聲波有利于增強提取物的生物活性。但是，極端的超聲波條件會破壞木質素的分子鏈，降低生物活性。進一步的研究表明[38]，超聲波處理較熱處理能明顯提高阿拉伯糖、木糖、半乳糖、葡萄糖、樹膠醛糖的含量，不破壞分子結構并增強生物活性。隨后, Hromadkova等[39]更詳細的研究了超聲波處理對玉米穗軸水溶性和水不溶性木質素的影響，結果表明有效的超聲波提取依賴于溶劑類型，在5% NaOH溶液、60℃的條件下，超聲波提取木質素的含量最高、分子結構穩定、生物活性也增強。增加超聲波能量(從100W到270W)可能由于超聲波的強化和機械作用造成木質素支鏈分子的不正常降解。此外，對玉米殼中半纖維素的6種多糖組分也進行了超聲波提取的研究[40]。超聲波技術也成功地應用在小麥秸稈的半纖維素[41]、木質素[42]和酚酸類物質、以及蕎麥殼中半纖維素的提取[43]。Zhao等[44]對1997年至2002年間超聲波化學在中國的研究現狀和發展概況進行了綜述，指出基礎研究的方向之一是多頻超聲波與空穴量之間的聯系，認為雙頻或多頻超聲波比單頻超聲波能顯著的提高空穴量，并進一步探討了空穴量增加的機理；超聲波在提取方面仍然以提取藥材中的有效成分為主，所涉及的植物材料和提取成分非常廣泛：如從黃連、黃檗羅中提取小檗堿；從長梗絞股藍提取絞股藍皂苷；從海帶中提取多糖硫酸鹽等。羅登林等[45]綜述了超聲波在分離技術方面的應用，并指出超聲波提取技術今后研究的重點即建立超聲波場特性參數及體系物性與附加效應的對應關系。

Smelcerovic等[46]比較了超聲波輔助提取、索式提取、快速溶劑提取的方法對提取金絲桃中的金絲桃素、假金絲桃雙蒽醌、金絲桃苷、蘆丁、槲皮素和金絲桃素6種藥劑活性物質的影響，發現直插式超聲波提取效率最高。然而超聲波處理后，不同的藥劑活性成分的最佳超聲波提取條件是不相同的，這很可能由于不同活性物質理化結構的差異所引起。另一方面，從超聲波角度而言，超聲波參數是通過單個變量作用還是通過個多個變量的結合作用來影響植物材料，目前仍然不清楚[47]。因此，超聲波同時提取多種活性物質需要考慮超聲波參數的結合效應和活性物質理化結構的差異，這為超聲波同時提取多種活性物質特別是不穩定的活性物質的提取給出了新的視角。

2.2 超聲波輔助提取植物活性成分的發展趨勢

超聲波輔助提取植物材料在實驗室的研究基礎上被廣泛報道。隨著食品工業的迅速發展和消費觀念的轉變，天然活性物質的保健食品更為消費者所青睞，這極大的推動了商業化、市場化的發展潛力。科技的進步推動了超聲波輔助提取技術的精準化和多元化應用趨勢。

Romdhane等[48]利用自動裝置在線檢測最佳的超聲波頻率和超聲波能量以便最大限度的增強提取效率和節約成本；張曉燕等[49]研究了多頻超聲波處理對葛根有效部位提取率的影響，認為在相同的超聲波條件下，三頻超聲波和雙頻超聲波均比單頻超聲波具有提取效率高、提取時間短等優點，并發現三頻超聲波具有更大的提取優勢；賁永光等[50]利用雙頻超聲波強化提取了三七總皂苷的研究，發現在同樣的條件下，雙頻超聲波(40kHz/25kHz)對三七總皂苷的提取率高于單頻超聲波

40kHz和25kHz的提取率，主要的原因可能是雙頻超聲波的空化產額遠高于單頻超聲波的空化產額，采用多頻超聲波可以減少聲場的不均勻性，提高空化效應，進而提高提取效率；應用多頻超聲波連續逆流浸取黃芩中的黃芩苷的研究表明[51]：25kHz/50kHz雙頻復合連續逆流浸取27min，提取率比單頻、雙頻交變連續逆流浸取分別提高18.6%和17.4%，是回流提取的492倍、超聲波間歇浸取的131倍?；祛l超聲波無論是在提取效率還是能量分布的均勻性等方面均較單頻超聲波具有優勢而引起了研究人員的極大關注[52-54]。這將是未來超聲波波技術應用于輔助提取有待于進一步開展研究的新方向。此外，超聲波在交叉學科領域內的應用也得到了廣泛的關注，利用超聲波強化亞臨界水萃取[55]及強化近臨界CO2流體萃取[56]，其萃取效果更具優勢。

目前，由于商業化迫切需求更為經濟有效的提取技術，加快了超聲波輔助食品加工技術從最初的實驗室研究向實際生產應用的思考和轉變。Vilkhu等[57]對超聲波輔助提取動植物材料中的多酚、多糖、花色苷等多種功能性成分的研究及其今后在食品加工領域的發展前景進行了綜述，提出了超聲波規?；崛』钚晕镔|的一些關鍵問題：1)植物材料細胞組織結構特性；2)提取成分在植物組織中所在的部位；3)超聲波提取前對植物組織的處理；4)提取成分的理化性質；5)超聲波對植物材料表面的破壞及生物量轉變、減少提取時間、增加提取效率等許多因素。Patist等[58]探討了超聲波技術在食品領域內可能的商業化應用以及工業化規模生產面臨的挑戰及其未來的發展趨勢，認為超聲波加工技術具備大規模商業化生產的先決條件：強化加工過程、提高產品的質量、迅速回攏資金以及低成本等優勢。羅登林等[59]針對超聲波強化提取技術在工業化應用方面的限制，設計了一種管道螺桿傳輸式雙頻超聲波動態逆流連續提取裝置。該設備根據超聲波波的傳播特性和作用效應，結合管道螺桿傳輸的特點，對超聲波頻率和功率進行合理配置與組合，克服了超聲波提取在工業放大時能量快速衰減的缺點，并具有多次反復提取，連續生產的優勢。中國山東濟寧金百特工程機械有限公司開發了連續逆流超聲波提取成套設備，實現了提取容積最大達到6359L，提取量為355～1346kg/h的超聲波工業化應用設備，這將為超聲波的商業化規?；瘧闷鸬椒e極的推動作用。

3 結 語

超聲波輔助提取技術具有加快提取效率、節約能源以及環保等優勢，因而被看作是“綠色技術”。超聲波技術在提取熱不穩定活性物質和要求低溫加工的食品方面具有廣闊的應用前景。作為一項有效的食品新技術，超聲波輔助提取技術得到了研究人員極大關注和廣泛興趣，標準的商業化超聲波設備快速發展，但是在工業生產上的應用目前仍然比較滯后，其制約的主要瓶頸是缺乏消費者需求的設備裝置和相應的性能。由此可以看出，超聲波提取技術商業化應用的關鍵在于設計符合和滿足不同消費領域各異需求的超聲波設備。

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Advances in Ultrasound-assisted Extraction of Bioactive Compounds from Plants

MA Ya-qin1,2,3，YE Xing-qian4，WU Hou-jiu1,3，ZHOU Zhi-qin1,2，WANG Hua1,3，SUN Zhi-gao1,3
(1. Citrus Research Institute, Southwest University, Chongqing 400712, China；2. Post-Doctoral Mobile Stations of Horticulture, Southwest University, Chongqing 400712, China；3. National Citrus Engineering Research Center, Chongqing 400712, China；4. School of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China)

In this paper, the mechanisms of ultrasound-assisted extraction are briefly introduced. Current research progress and future development trends related to ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds from plants are reviewed. Application potential of ultrasound-assisted extraction technology in food processing is analyzed. Problems existing in the realization of industrial control of ultrasound-assisted extraction at present and future research direction are critically discussed.

ultrasound；extraction；bioactive compounds

TS201.1

A

1002-6630(2010)21-0459-05

2010-03-01

柑橘學重慶市市級重點實驗室開放基金項目(CKLC200805)

馬亞琴(1978—)，女，副研究員，博士，研究方向為食品科學。E-mail：myaya211@163.com