馮飛，葛永杰，代容，謝輝

南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院（南京 210023）

涉及一系列質(zhì)量傳遞的提取過(guò)程，其本質(zhì)是原料被溶劑浸潤(rùn)、滲透，成分解析并溶解于溶劑中，借助組織細(xì)胞內(nèi)外的濃度差與滲透壓差，擴(kuò)散并得到浸提液的過(guò)程。傳統(tǒng)的提取方法如煎煮、浸漬、滲漉等存在耗時(shí)長(zhǎng)、溶劑用量較大等缺點(diǎn)。面對(duì)資源人均占有量小、能源消耗量大、大氣污染嚴(yán)重等現(xiàn)狀，國(guó)家大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展理念，全面節(jié)約和高效利用資源。超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，被廣泛應(yīng)用于提取、干燥、滅菌等領(lǐng)域。超聲波輔助提取技術(shù)（ultrasound-assisted extraction，UAE）可以有效縮短提取時(shí)間、減少能源和溶劑消耗量、減少二氧化碳排放，具有節(jié)能、省時(shí)、高效等優(yōu)點(diǎn)。超聲波輔助提取技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，通過(guò)研究提取過(guò)程的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，探索超聲波提取規(guī)律，可為超聲波提取技術(shù)的深入研究與工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 超聲增強(qiáng)提取的原理

大部分學(xué)者認(rèn)為超聲輻射過(guò)程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、機(jī)械作用、熱效應(yīng)等協(xié)同作用共同導(dǎo)致提取增強(qiáng)。

1.1 非熱效應(yīng)

超聲波主要通過(guò)非熱作用實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化提取，包括超聲波空化和機(jī)械作用。

超聲波空化[1-2]是由超聲波在液體中傳播引起的獨(dú)特的物理現(xiàn)象，主要包括穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。在液體之中存在許多微小的氣泡，當(dāng)超聲波在液體中縱向傳播時(shí)會(huì)周期性的拉伸和壓縮液體，因此空化氣泡隨聲波頻率而變化，此時(shí)為穩(wěn)態(tài)空化；當(dāng)其共振頻率與超聲波頻率相等時(shí)，空化氣泡極速收縮、內(nèi)爆，產(chǎn)生高溫高壓，潰滅時(shí)產(chǎn)生沖擊波或高速射流，發(fā)生瞬態(tài)空化。由于粒子間的碰撞及溶液中空化氣泡坍塌而產(chǎn)生沖擊波，超聲空化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致易碎固體破裂，增大固體表面積，從而提高傳質(zhì)效率。

超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波，在介質(zhì)傳播過(guò)程中會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替壓縮和舒張。頻率20 kHz、聲場(chǎng)強(qiáng)度1 W/cm2的聲波在水中介質(zhì)傳播時(shí)，最大加速度可達(dá)1.44×104m/cm2，因此能夠顯著地增大溶劑的穿透力，加強(qiáng)傳質(zhì)過(guò)程，提高提取效率[3]。

1.2 熱效應(yīng)

超聲波在溶液中傳播時(shí)，其振動(dòng)能量不斷被溶液吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使自身溫度上升，產(chǎn)生超聲熱效應(yīng)。但在超聲頻率較低、溶劑吸收系數(shù)較小、較短超聲作用時(shí)間時(shí)，超聲并不會(huì)產(chǎn)生明顯的加熱[4]。

2 影響超聲提取效率的工藝參數(shù)

對(duì)超聲提取工藝參數(shù)的研究主要集中在聲學(xué)參數(shù)和溶劑、溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)方面。

2.1 超聲強(qiáng)度

超聲強(qiáng)度是超聲提取設(shè)備的固有屬性。超聲強(qiáng)度與超聲換能器振幅直接相關(guān)，振幅增加將使超聲強(qiáng)度增加，但高振幅易導(dǎo)致超聲換能器的快速劣化。

2.2 超聲頻率

常用的超聲頻率在20～100 kHz，頻率的大小影響空化氣泡的大小。在高頻率下，由于壓縮-反射周期太短，需要更大的超聲強(qiáng)度才能產(chǎn)生空化效應(yīng)。王樹(shù)寧等[5]以50%乙醇為溶劑，采用超聲波輔助浸漬法提取側(cè)柏中的總黃酮，在溫度和超聲功率一定時(shí)，超聲頻率在20～50 kHz時(shí)，黃酮得率逐漸上升，在50 kHz時(shí)達(dá)到最大值；隨著超聲頻率繼續(xù)增加，黃酮得率下降。

2.3 超聲功率

超聲功率一般指超聲提取設(shè)備的電功率。原料組織結(jié)構(gòu)、粒度大小、所提取成分的性質(zhì)不同時(shí)，超聲功率對(duì)提取的影響程度有差異。曹雁平等[6]采用65%乙醇作溶劑從姜黃中浸提姜黃素，研究發(fā)現(xiàn)超聲功率在0.05～0.45 W/cm2范圍內(nèi)，姜黃素的擴(kuò)散系數(shù)隨超聲功率的增加而增加，表明一定范圍內(nèi)超聲功率的增加可加快姜黃素的浸提。

2.4 溶劑

溶劑的性質(zhì)影響超聲空化效應(yīng)，尤其影響空化閾值?？栈?yīng)的發(fā)生需克服液體分子之間的內(nèi)聚力，溶劑黏度增大或表面張力增加將會(huì)導(dǎo)致分子間作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致空化閾值提高。因此，在滿足相似相溶條件的前提下，低蒸汽壓、低黏度溶劑是超聲提取溶劑的首選。

2.5 溫度

溫度影響提取溶劑的性質(zhì)，如表面張力、蒸汽壓、黏度等。通常隨著溫度升高，溶劑的黏度和表面張力降低，溶劑萃取效率提高；但同時(shí)溶劑蒸汽壓升高，蒸汽大量進(jìn)入氣泡腔和空化氣泡中，超聲空化效應(yīng)減弱，從而影響超聲提取效果。

2.6 料液比

不同料液比影響溶劑對(duì)活性成分的溶解能力，同時(shí)也影響著超聲場(chǎng)的聲壓分布均勻性。料液比例較低時(shí)，固體顆粒分散密度較高，阻礙了超聲波在提取體系內(nèi)的傳播，從而使部分區(qū)域聲壓不足，難以產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)。孫朋垚等[7]研究發(fā)現(xiàn)超聲功率較低為30 W時(shí)，不同料液比例下的提取率差異性較大，提高超聲功率至45 W時(shí)，不同料液比例下的提取率顯著性差異消失。

2.7 其他影響因素

原料預(yù)處理、提取時(shí)間等因素均影響超聲提取效果。原料經(jīng)過(guò)粉碎后，粒度減小，比表面積增大，在超聲過(guò)程中細(xì)胞破壁程度更大，有效成分易溶出。秦令祥等[8]研究超微粉碎協(xié)同超聲波輔助提取法提取香菇多糖，研究表明隨著香菇粒度減小，多糖提取率不斷上升。

3 超聲提取過(guò)程的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究

研究提取過(guò)程的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，對(duì)控制提取過(guò)程，進(jìn)而提高提取效率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

3.1 基于Fick第一定律建立的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型

Fick擴(kuò)散第一定律描述穩(wěn)態(tài)下的提取狀況?；贔ick第一定律建模均有以下假設(shè)：（1）原料顆粒是球形且均勻；（2）擴(kuò)散朝著顆粒徑向方向；（3）被提取的活性成分分布均勻；（4）原料顆粒與溶劑分散均勻、溫度一致。

3.1.1 傳統(tǒng)傳質(zhì)提取動(dòng)力學(xué)模型

提取過(guò)程主要為分子傳質(zhì)，又稱為擴(kuò)散。在提取過(guò)程中，固液兩相之間溶質(zhì)的濃度差是擴(kuò)散傳質(zhì)的推動(dòng)力。提取過(guò)程中活性成分的傳質(zhì)理論公式如式（1）所示。

式中：dc/dt為提取速率，kobs為表觀速率常數(shù)（與原料的組織結(jié)構(gòu)、粒度、提取溫度及活性成分性質(zhì)有關(guān)）；ceq為提取平衡時(shí)提取物的濃度；c為t時(shí)刻溶液中提取物的濃度。

范建鳳等[9]、張金生等[10]基于傳質(zhì)理論公式，研究超聲提取動(dòng)力學(xué)過(guò)程?？紤]初始條件t=0時(shí)，c=0，對(duì)式（1）積分，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，求解表觀速率常數(shù)kobs，與阿倫尼烏斯公式聯(lián)立，建立超聲提取傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型，如式（2）所示。研究結(jié)果表明提取過(guò)程符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)升高溫度可加速提取。驗(yàn)證結(jié)果表明試驗(yàn)值和模型預(yù)測(cè)值擬合較好，此動(dòng)力學(xué)模型能夠較好描述超聲輔助提取過(guò)程。

動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方法求解相關(guān)參數(shù)值，計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但是缺乏對(duì)超聲功率、超聲頻率等關(guān)鍵工藝參數(shù)推導(dǎo)論證，應(yīng)用范圍有限。

3.1.2 考慮湍流擴(kuò)散的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型

在超聲提取過(guò)程中，除了分子擴(kuò)散傳質(zhì)外，還存在超聲作用引起的湍流擴(kuò)散。在考慮湍流擴(kuò)散的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型中，擴(kuò)散系數(shù)由分子擴(kuò)散系數(shù)DM和渦流擴(kuò)散系數(shù)DE兩部分組成。其中，DM是提取成分濃度與擴(kuò)散體系溫度的函數(shù)，取決于提取溫度、原料粒度、溶質(zhì)總擴(kuò)散系數(shù)等，而DE則取決于溶液的湍流程度，與超聲功率、超聲頻率、溫度相關(guān)[11-12]。

曹雁平等[6]和魚(yú)強(qiáng)花等[13]提出了擴(kuò)散系數(shù)D與超聲功率P、頻率f、提取溫度T關(guān)系方程為D=DM+DE=DM（1+K1Pλ+K2fδ+K3Tε）。令ξ=1+K1Pλ+K2fδ+K3Tε，則超聲輔助浸提活性成分動(dòng)力學(xué)方程如式（3）所示。

式中：ξ為超聲功率、頻率與溫度影響綜合系數(shù)；對(duì)于確定的原料；α、β均為常數(shù)；σ為原料粒度；M為溶劑倍量；R為干燥原料的吸溶劑率。利用動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較，結(jié)果表明建立的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型能夠較好地模擬試驗(yàn)結(jié)果。

3.1.3 考慮破壁效應(yīng)的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型

由于超聲作用，原料顆粒與提取溶劑的接觸面上除了產(chǎn)生湍流、沖流、空化效應(yīng)，還會(huì)因空化效應(yīng)而產(chǎn)生沖擊波和剪切力將植物細(xì)胞壁破碎或?qū)㈩w粒切碎，這種效應(yīng)被稱為超聲破壁。在超聲提取模型中，基于Fick第一定律建立的提取模型中固液擴(kuò)散面積恒定不變，未考慮超聲破壁效應(yīng)。

丘泰球等[14]研究發(fā)現(xiàn)超聲功率與細(xì)胞破壁率成線性關(guān)系，因此固液擴(kuò)散面積被修正為式（4）。

式中：S0為破壁前擴(kuò)散面積；B為原料細(xì)胞破壁擴(kuò)散面積系數(shù)；B與超聲功率P呈正比，即B=μ×P，μ為相關(guān)系數(shù)，與原料顆粒形狀相關(guān)。

趙銳[15]、徐春龍等[16]基于Fick第一定律，建立超聲破壁提取動(dòng)力學(xué)模型，如式（5）所示。

式中：對(duì)于確定的原料α′、β′均為常數(shù)。

基于Fick第一定律建立的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型，可定量表征提取物濃度與提取時(shí)間、原料粒度、料液比、超聲功率、頻率、溫度等影響因素之間的關(guān)系，優(yōu)化超聲提取工藝參數(shù)，但是Fick第一定律模型不能描述濃度未達(dá)到平衡時(shí)的任一擴(kuò)散過(guò)程，因此具有一定的局限性。

3.2 基于Fick第二定律建立的超聲提取動(dòng)力學(xué)模型

Fick第二定律是在Fick第一定律基礎(chǔ)上推導(dǎo)得到，描述擴(kuò)散通量隨時(shí)間及空間的變化?；贔ick第二定律的提取動(dòng)力學(xué)建?；诠餐僭O(shè)：（1）原料顆粒為球型或圓柱體，大小均一；（2）提取成分在原料內(nèi)部均勻分布，且外部溶液為均勻場(chǎng)；（3）提取成分不分解或揮發(fā)；（4）傳質(zhì)過(guò)程由內(nèi)擴(kuò)散控制，有效成分沿徑向擴(kuò)散；（5）忽略顆粒表面?zhèn)髻|(zhì)阻力。

儲(chǔ)茂泉等[17]基于Fick第二定律，假設(shè)原料顆粒為球型，擴(kuò)散過(guò)程由內(nèi)擴(kuò)散控制，內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)為Ds，考慮到粒度、溶劑倍量、浸提溫度等因素對(duì)浸提濃度的影響，邊界條件為f=0，r=0，r=R，，建立提取動(dòng)力學(xué)模型，如式（6）所示。

式中：k為表觀速率常數(shù)，k=m12/（K2r2）×Ds；K為空隙的形狀因子；Ds為內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)，r為原料顆粒半徑。

王占一[18]、李小菊等[19]、李蘭蘭等[20]、趙少甫等[21]基于Fick第二定律，建立超聲提取動(dòng)力學(xué)模型，同式（6）。該模型反映成分質(zhì)量濃度與原料粒度、提取溫度、提取時(shí)間、料液比、超聲功率之間的關(guān)系。模型驗(yàn)證結(jié)果表明，模型計(jì)算預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差值大多低于10%，模型吻合良好，證明了超聲提取動(dòng)力學(xué)模型具有較好的合理性及應(yīng)用型。

廖建慶等[22]以70%乙醇超聲輔助浸提甘草中甘草酸，提出超聲強(qiáng)化機(jī)理是通過(guò)提高渦流擴(kuò)散系數(shù)來(lái)增加提取物的分子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合前文所述，D=DM+DE=DM（1+k4k1T+k4k2P+k4k3f），對(duì)式（6）進(jìn)行修正。建立提取濃度隨超聲功率、超聲頻率、提取溫度、提取時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)方程。

通過(guò)基于Fick第二定律研究超聲提取動(dòng)力學(xué)，可為工業(yè)生產(chǎn)提供預(yù)測(cè)，以篩選出最佳提取工藝參數(shù)。但是在提取溶劑量較低、顆粒數(shù)量多且粒徑過(guò)小、超聲功率過(guò)低時(shí)，模型可能不適用；Fick定律適用于單相的均勻介質(zhì)，對(duì)于含多組分的原料需要進(jìn)一步改進(jìn)以適應(yīng)多組分浸提過(guò)程。

4 超聲協(xié)同新型輔助提取技術(shù)

4.1 超聲微波協(xié)同提取技術(shù)

微波可均勻高效地加熱溶劑和固體基質(zhì)。植物基質(zhì)中的水吸收微波能量，內(nèi)部過(guò)熱促進(jìn)細(xì)胞分裂、化學(xué)成分解吸，從而提高有效成分的提取率[23]。不同組分的介電常數(shù)、比熱、含水量不同，微波吸收程度不一，某些組分可能被選擇性地加熱，使之與基體分離，進(jìn)入到介電常數(shù)小、吸收能力差的溶劑中。微波輔助提?。╩icrowave-assisted extraction，MAE）廣泛用于提取多糖類、黃酮類、揮發(fā)油類、多酚類等活性成分。

有研究表明UAE與MAE結(jié)合提取均較單一方法提取效果好。岳崢嶸等[24]采用超聲微波聯(lián)合提取法提取血紅鉚釘菇中多糖，提取得率為8.69%，較傳統(tǒng)水提取法相比提高12.89%，較超聲單一提取法相比提高8.63%，時(shí)間縮短30.00%。此外采用UMAE提取法所得的多糖體外抗氧化活性較其他兩種方法更強(qiáng)，原因可能是影響多糖的理化性質(zhì)，具體機(jī)理有待深入研究。

4.2 超聲逆流提取技術(shù)

連續(xù)逆流提?。╟ontinuous countercurrent extraction，CCE）過(guò)程中原料與提取溶劑運(yùn)動(dòng)方向相反，溶劑中存在著連續(xù)的濃度梯度，形成較大的傳質(zhì)推動(dòng)力。將其與超聲提取技術(shù)相結(jié)合，可進(jìn)一步縮短提取時(shí)間，提高提取效率。

周丹丹等[25]在通過(guò)正交試驗(yàn)確定單罐超聲輔助提取猴頭菇多糖最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立超聲輔助罐組式多態(tài)逆流提取方法。研究結(jié)果表明，采用3個(gè)串聯(lián)超聲輔助罐組式動(dòng)態(tài)逆流提取猴頭菇多糖比傳統(tǒng)單罐3次提取法得率提高50%以上，提取時(shí)間縮短3 h，節(jié)約40%以上溶劑。

4.3 超聲協(xié)同生物酶解提取技術(shù)

生物酶解輔助提取法是利用酶反應(yīng)具有極高催化活性和高度專一性的特點(diǎn)，浸提時(shí)添加適量果膠酶、纖維素酶、淀粉酶或蛋白酶等水解酶，酶解細(xì)胞壁中半纖維素、纖維素、果膠等成分，降低細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的致密程度，從而減小浸提阻力，提高浸提效率的一種提取方法。近年來(lái)生物酶解輔助提取技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多糖、生物堿、皂苷、有機(jī)酸類等活性成分的提取，所用的酶可以是游離酶，也可以是固定化酶。其工藝關(guān)鍵在于選擇恰當(dāng)?shù)拿负蛯ふ易钸m的酶解條件，達(dá)到最優(yōu)的提取效果。

超聲可以與單一酶協(xié)同提取[26]，也可以和復(fù)合酶協(xié)同提取。孫朋垚等[27]提取黃芪多糖時(shí)研究發(fā)現(xiàn)采用超聲耦合纖維素酶、果膠酶綜合作用下提取效果優(yōu)于單一水解酶強(qiáng)化效果，提取率具有顯著性差異。此外研究發(fā)現(xiàn)提取過(guò)程中，超聲場(chǎng)強(qiáng)化作用促進(jìn)非均相酶解反應(yīng)，對(duì)于不添加底物的均相體系酶具有破壞作用，可改變酶二級(jí)結(jié)構(gòu)，破壞酶活力。

4.4 超聲協(xié)同靜電場(chǎng)提取技術(shù)

電場(chǎng)強(qiáng)化提取是近年來(lái)新型的強(qiáng)化萃取技術(shù)，具有提取效率高、低能耗、易于通過(guò)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)勢(shì)。超聲輔助提取法與電場(chǎng)提取法相結(jié)合，由于靜電場(chǎng)的存在，對(duì)溶液產(chǎn)生微干擾，溶液中大直徑氣泡增多，增加超聲空化效應(yīng)；另一方面，靜電場(chǎng)作用于空化氣泡，使處于穩(wěn)態(tài)空化核中的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)空化，增加了空化效應(yīng)，能夠充分提取植物中的有效成分[28]。且無(wú)論靜電場(chǎng)與超聲場(chǎng)方向是正交耦合或是平行耦合，靜電場(chǎng)都能促進(jìn)超聲空化反應(yīng)，且平行耦合的效果好于正交耦合[29]。

5 結(jié)語(yǔ)

超聲輔助提取不僅可與煎煮法等傳統(tǒng)提取方法聯(lián)用，還可與微波提取、連續(xù)逆流提取等新型提取方法聯(lián)用，提高提取效率，節(jié)約溶劑，減少能耗。原料組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成分多樣且性質(zhì)各異，超聲提取過(guò)程中多成分提取傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)有待深入研究。陳思陽(yáng)等[30]提出基于超分子“印跡模板”作用特征規(guī)律的提取工藝研究策略，分析提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)與各組分“印跡模板”特征關(guān)系，對(duì)活性成分群進(jìn)行定性與定量，可實(shí)現(xiàn)較為全面的提取過(guò)程目標(biāo)優(yōu)化。響應(yīng)面法[31]是可用于研究超聲輔助提取的非參數(shù)模型，可優(yōu)化提取過(guò)程，不需要表達(dá)提取過(guò)程的物理意義，還可描述不同變量間的互相作用對(duì)結(jié)果的影響。此外，計(jì)算機(jī)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[31]可模擬超聲增強(qiáng)提取過(guò)程，不需要先驗(yàn)知識(shí)，通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)以作系統(tǒng)識(shí)別，可用于非線性過(guò)程的數(shù)學(xué)處理，將是今后研究的重要輔助手段。

提取過(guò)程中超聲波對(duì)不同類型活性成分理化性質(zhì)及生物的影響尚缺乏系統(tǒng)研究?，F(xiàn)有研究表明，低頻高能超聲波可影響蛋白質(zhì)、多糖等成分的流變學(xué)性能及生物活性。在食品科學(xué)領(lǐng)域，高能超聲被應(yīng)用于增加不同食物來(lái)源的蛋白質(zhì)溶解度，減少顆粒蛋白，改善蛋白質(zhì)膠凝特性[32]，但是長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度超聲可能引起蛋白質(zhì)變性、酶活力喪失[33]。因此有必要深入研究超聲波提取技術(shù)對(duì)不同活性成分提取應(yīng)用的適宜性。

超聲輔助提取在實(shí)驗(yàn)室中得到廣泛應(yīng)用，但由于大功率超聲換能器研究尚未成熟，阻礙了超聲波提取在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)、在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，多種提取技術(shù)聯(lián)用的超聲提取分離設(shè)備將向著專業(yè)化、自動(dòng)化、功能多樣化、應(yīng)用擴(kuò)大化方向發(fā)展，以滿足食品、藥品等領(lǐng)域的生產(chǎn)需要。