超声波辅助植物提取设备系统的研制

蔡婀娜，汤须崇

（华侨大学 化工学院，福建 厦门 361021）

·实验仪器研制·

超声波辅助植物提取设备系统的研制

蔡婀娜，汤须崇

（华侨大学 化工学院，福建 厦门 361021）

将超声波破碎原理与植物中有效成分的提取工艺和技术相结合，进行外加热循环、超声波破碎及电动搅拌装置协同作用的提取罐设计，并利用原有的设备资源，制作了一套适用于本科教学和科研实验的超声波辅助植物提取设备系统。该设备系统由加热装置、提取装置和控制装置3部分组成。系统实际应用于茶叶中的茶多酚提取实验，取得了良好的效果，具有一定的实用价值。

超声波；植物提取；设备；研制

植物中的有效成分大部分存在于细胞内，如何将其高效提取出来，应用于生物医药和食品化工等行业，为人类造福？这是现阶段科研课题的研究热点之一。探索先进的提取工艺、开发高效率的植物提取设备，是研究植物有效成分提取的关键所在。

超声波破碎法是破碎细胞或细胞器的一种有效方法，其机理与超声波作用溶液时，从气泡产生、长大，到气泡破碎的空化现象有关。空化现象引起的冲击波和剪切力使细胞裂解，细胞内的有效成分瞬间释放到溶剂中，从而提高提取效率，缩短提取时间。采用超声波破碎技术进行植物提取，具有提取速度快、提取率高、选择性好等特点［1］；而且超声波提取具有一次性处理量大、重复性好、操作简便等优点。因此，超声波提取技术广泛应用于植物的有效成分提取。该技术在植物浸取领域，取得了一定的效果，发挥了重要的作用。

1 超声辅助植物提取设备的研制

实验室规模的超声波提取设备主要有水浴式超声波提取器和探头式超声波提取器两种，即超声波清洗器和超声波细胞粉碎机两种设备。超声波清洗器的超声换能器吸附在不锈钢浴槽的底部，其特点是采用多换能器组合工作，超声波总功率可以做得比较大，但单位体积的功率较小。超声波细胞粉碎机的探头式换能器则可以插入任何需要的提取容器中，其特点是采用单个大功率超声波换能器，通过聚焦使单位体积的功率较大，但总功率相对较小［2-3］。探头式超声波提取器的提取效果优于水浴式超声波提取器。

国内现有的植物提取设备均为工业生产型，提取罐容量较大，不适宜教学和科研使用。通过调研，了解了目前国内外植物有效成分提取技术及设备的现状与发展趋势［4-7］。针对华侨大学化工学院的具体情况和实际需求，我们结合现有条件和设备资源，进行了外加热循环、超声波破碎及电动搅拌装置相结合的提取罐设计，制作了一套由加热装置、提取装置和控制装置3部分组成的探头式超声波辅助植物提取设备系统，其中的提取罐设计是该设备研制的关键。

1.1 加热装置

市售的探头式超声波提取设备大多采用空气浴加热及恒温，其加热温度不均衡，也不容易保持稳定，极易产生局部过热、焦化、粘结等现象，大大影响了提取液的质量，影响植物提取效率。采用超级恒温水浴进行外部加热，利用水浴循环泵将热水引入提取罐夹套，对提取罐中的物料进行加热，使物料快速升温，并恒定在所需要的提取温度；从而避免提取罐中的固体物料直接与加热筒壁和底部接触而发生焦化、核变的现象。

1.2 提取装置

相对于传统的静态提取罐或带搅拌的提取罐而言，本提取设备将超声波装置和电动搅拌装置组合在一起，既简化了设备，节省了空间，又利用超声波提取的先进工艺和电动搅拌的协同作用，使物料均匀受热，避免因局部温度过高而破坏热敏性提取物的活性，从而保证了提取物的品质。

超声辅助植物提取罐设计图如图1所示。

图1 植物提取罐设计图

本文提取罐选用不锈钢材质，罐体采用夹套式圆柱形桶体设计，桶体直径为20 cm，高度为50 cm，径高比为2∶5，容积约为15 L。提取罐桶体顶盖设计超声波探头插入孔（Ø40）和电动搅拌器搅拌棒接入口（Ø26），同时设计温度探测器连接管、采样管和放气管（直径各为Ø10的接口），以便实时监测提取温度和提取效果。提取罐罐体容量较小，结构简单，操作方便，适用于实验教学和科研试验。

1.3 控制装置

利用超级恒温水浴及循环水泵的协同作用，达到提取液循环温度的自动控制；利用自动分步收集器和循环泵系统对提取液进行自动取样，从而对提取过程参数进行监控，保证提取效率。

2 设备系统的组成及工作原理

本文提取设备系统主要包括超级恒温水浴、植物提取罐、超声波细胞粉碎机、电动搅拌器、自动部分收集器等组成部件。提取设备系统示意图如图2所示。

图2 提取设备系统示意图

设备系统采用超声波浸提技术进行植物提取，其工作原理是利用超声波的空化现象、机械作用和热效应等特点，促使被提取物的有效成分迅速释放到溶剂中，达到快速提取的目的。超声破碎的效率取决于声频、声能、处理时间、细胞浓度及细胞类型等。

设备系统工作过程中采用超级恒温水浴加热并精确控制所需要的提取温度，将预先加热的水浴引入提取罐夹套内，通过循环水浴对物料进行快速加热并自动控温。由于水浴温度可控范围广，较适用于天然产物的低温提取操作。采用夹套式不锈钢提取罐设计，利用夹套水浴对物料进行加热，有利于物料均匀受热，避免局部焦化。通过罐体顶部加入超声波探头，利用超声波细胞粉碎机进行超声浸提，可以大大提高植物有效成分的提取效率。同时在提取罐中加入电动搅拌器，不断搅拌翻动提取罐内的物料，有利于提高浸提效率。采用自动部分收集器，设定分时段取样，分析植物的有效成分，监测提取效果，使提取过程实时可控。

3 植物提取设备系统的特点

1）本设备系统采用外部水浴循环加热、超声波破碎及电动搅拌装置相结合的提取罐设计，具有热效率高、耗能少、提取物质量好和提取率高等优点，很好地解决了传统的浸提法、压榨法、萃取法、回流提取法等提取方法存在的提取效率低、提取时间长、得率较低、能耗较大等问题。

2）目前市场上销售的小型超声波提取设备，价格普遍较高，单台售价最低也要五万元，而且都是采用空气浴对物料进行加热，稳定性不能保证；或者由于提取罐体积大，容量大（40 L以上），占地多，用料多，不适宜实验室使用。本提取设备系统的提取罐体积较小，结构简单，操作方便，较适用于实验教学和科研试验，体现了价廉物美的优势。

3）利用原有的超级恒温水浴、超声波细胞粉碎机、自动分步收集器和蠕动泵等设备资源，并利用废旧的电动搅拌器等部分配件，经过加工、改造、组合和配套，进行本提取设备系统的设计制作；既达到设计的目的和要求，又充分利用废旧设备的有效价值，节约了实验经费，提高了投资效益。

4 结束语

采用外部加热循环系统结合超声波辅助技术，设计制作适用于天然产物有效成分提取的实验设备，达到了提高热效率，加快提取速度，提高提取率的目标。实际应用于茶叶中的茶多酚提取实验［8-10］，取得了良好的效果，具有一定的实用价值。预计该设备系统在植物中的多糖类物质的提取、多酚类物质的提取、黄酮类物质的提取等方面，具有广阔的应用前景。

［1］杨再，陈佳铭，黄晓兰，等.天然植物有效成分的超声提取技术［J］.饲料博览，2008（2）:41-44.

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Development of Ultrasonic Assisted Phyto-extraction Device System

CAI Ena，TANG Xuchong
（College of Chemical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

We combine the principle of ultrasonic fragmentation and the technology of extraction of active principle from plant to design an extraction pot，with which external heating cycle，ultrasonic fragmentation and electronic mixing device will take effect coordinately.Based on the existing devices resources，we have made a set of ultrasonic assisted phyto-extraction device system，which is applicable to undergraduate education and experimental research.This device system consists of heating device，extracting device and controlling device.The system has been applied to the experiment of tea polyphenols extraction in tea，and has achieved good results，which has a certain practical value.

ultrasonic；phyto-extraction；device；development

TQ028.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.020

2015-03-21；修改日期：2016-07-04

华侨大学实验教改课题（66661221Z）。

蔡婀娜（1962-），女，高级实验师，主要从事实验教学与实验室管理工作。