超声波联用技术在植物活性成分提取中的应用研究进展

刘星宇，廖艺超，王壹，田清云，谢可馨，欧洪*

1(重庆师范大学，重庆，401331)2(重庆大学 生物工程学院，重庆，400044)3(成都中医药大学 临床医学院，四川 成都，611137)

在实现绿色萃取的工业目标推动下，微波提取、超临界流体提取、超声波提取等新型萃取技术应运而生，这些新技术大大促进了经济作物的商业化发展。近年来，超声波提取技术在食品工业领域发展迅速。该技术不仅可以提升产品的质量，还能降低生产成本并提高生产效率和安全性[1]。超声波能在增加传质速率的过程中，有效地避免热敏性物质在高温环境下被破坏。它通过空化效应、机械效应等不断刺激胞内腺体，从而促进活性成分的快速释放[2]。该技术可以减少有机溶剂的使用，提高生物活性化合物的纯度并节省加工时间和运行成本[3]。因此，超声波辅助萃取技术在绿色生产、可持续发展、环保等方面都满足了人类的需求。

超声波在植物活性成分提取中的应用因其独特的优越性而日益受到人们的关注。研究者也在不断尝试将超声波技术与各种其他的提取设备相结合，以期发挥出更优越的提取性能。除了较为常见的超声波联用溶剂提取法以外，还有超声波联用索氏提取法、超声波联用匀浆提取法、超声波联用水蒸馏提取法、超声波联用微波提取法以及超声波联用超临界二氧化碳提取法等技术。

1 超声波提取原理

超声波被定义为是频率>20 kHz的声波，即超过了人耳听觉检测的极限[4]。超声波是一种能量密度很大的机械波。其声能输出源通常为一个振动的物体，它能引起周围介质的振动然后将能量传递给其他邻近的粒子[5]。超声波经过介质时，会引起粒子的纵向位移，这些密集的分子效应导致细胞壁破坏，并加速有效物质在介质中的传质速率，从而达到提高提取率的目的[6]。超声波提取并不是依靠单一的作用机制，而是通过机械碎裂、热效应以及空化效应等多种物理机制持续或同时发挥着作用[7]。在固液混合的匀浆中，声空化现象在液体介质中产生的微束流和微湍流会引起强烈的机械扰动，从而加剧了粒子间的碰撞，易导致一些脆性材料的分解和局部的破裂。另一方面，由于粒径的减小，增加了固体颗粒的传质速率以及固液相之间的接触面积，这些都有利于加速样品基质中内容物的溶出[8]。

空化效应是由超声波在液体内传播和震动而引起的一种独特和复杂的物理现象。它一般是指在液体中空化泡的形成、膨胀和破裂的过程[9]。简单来说，当施加高强度的超声波后，介质分子之间的引力可能会超过临界值，从而在液体中产生高剪切应力，随后形成空化泡。1个空化泡在基质表面附近形成，当经历连续的压缩-稀疏循环后，空化泡会在压缩周期中破裂并产生短暂的热能，从而会在基质表面形成高速的微射流体并产生强烈的冲击波[5]。这个过程可使周围局部温度高达约5 000 K，瞬时压力可以达到50～1 000 atm[10]。所形成的高压和高温环境会破坏植物基质的细胞壁，从而使胞内物质释放到溶液中(图1)。从CHEMAT等[9]拍摄的罗勒叶在油脂提取前后的扫描电镜图可以更形象地观察到：在提取前，其叶子上的腺体光滑饱满(图2-A)；经过浸提后开始出现干瘪，但仍保持腺体结构的完整(图2-B)；而经超声波辅助提取后，腺体完全破裂，其内容物全部释放出来(图2-C)。

A-对照；B-浸提后；C-超声波辅助提取后图2 精油腺的扫描电镜图[9]Fig.2 Scanning electron microscope observation of an essential oil gland

2 超声波联用技术在植物活性物质提取中的应用

2.1 超声波联用溶剂提取法

超声波溶剂提取法一般都是以有机溶剂作为能量传播介质，即根据要提取的目标化合物的性质而选择不同极性大小的溶剂，将溶剂与样品基质充分混合，随后施加超声波干预。该方法无需其他设备参与，直接将固液混合物置于超声波装置中进行提取，超声波通过液体介质将能量均匀地传递到样品基质中，从而达到提高提取率的目的[5]。这是超声波提取中最传统、简便、经济的方法。

超声波提取设备有2种类型，即超声波水浴和探针式超声波设备(图3)。这两个系统都是基于换能器作为超声波来源。超声波水浴通常工作在40 kHz左右的频率，同时配备温控装置(图3-A)。设备相对便宜，能同时处理大量样品。然而，超声波浴缸中所含的水和所用的玻璃器皿会极大地消弱传递的超声波能量[3]。探针式超声波系统通常是提取应用的首选(图3-B)。由于超声波能量通过一个较小的表面传递(浸入液面下的探头尖端)，产生的超声波能直接在萃取介质中输送，因此超声波能量损失较小[9]。探头系统向液体介质传递的超声波强度会导致固液混合物的温度迅速升高，因此需要用双层外壳冷凝的玻璃器皿进行萃取。

A-超声波水浴；B-探针式超声波设备图3 常用的超声波设备[9]Fig.3 Commonly used ultrasonic equipment

国内不少学者采用这类简便经济的方法从植物样品中提取各类活性物质，并取得了很好的效果。刘艳艳[11]采用超声波辅助提取霍山石斛多糖，在最佳提取参数条件下，多糖得率可达19.96 mg/g；牛四坤[12]采用超声波辅助提取金耳香豆素，金耳菌丝体总香豆素的提取率最高达到了0.85%。与溶剂浸提法相比较，超声波溶剂提取能明显提高目标产物的提取效率，降低有机溶剂的消耗且不易破坏提取物活性。尽管如此，该方法仍要消耗一定量的有机溶剂，会导致一定程度的环境污染，且所得提取物中的有机残余物会大大影响产品品质[13]。因此，近几年一些学者开始尝试采用低共熔溶剂替换常规的提取溶剂，与超声波辅助手段结合从植物中提取各类活性成分，取得了不错的成效。低共熔溶剂是一种新型环保的离子液体，由氢键受体和氢键供体相结合而形成的共晶混合物，具有比单个组分更低的熔点[14]。低共熔溶剂无毒、价廉、制备工艺简单，且具有很好的生物降解性，是植物活性成分萃取溶剂的理想选择[15]。WANG等[16]采用超声波辅助低共熔溶剂从小叶丁香中提取紫锥菊苷和橄榄苦苷，当以氯化胆碱/甘油(1∶2，摩尔比)作为低共熔溶剂，料液比20 g/mL、温度68 ℃、含水量20%以及200 W超声波作用45 min时，其紫锥菊苷和橄榄苦苷提取率分别可达80.04%和86.21%，明显优于传统有机试剂提取的提取结果。倪玉娇等[17]利用超声波辅助低共熔溶剂获取沙棘籽粕的酚类物质，结果表明，在相同提取时间下，该方法多酚得率是热回流提取多酚得率的1.6倍。

2.2 超声波联用索氏提取法

索氏提取法是一种经典的溶剂热提法，主要用于植物基质中疏水性或芳香族化合物的提取[18]。该装置操作简便，利用溶剂回流和虹吸原理，通过沸腾溶剂的蒸汽冷凝使纯溶剂不断回流，对基质进行多次萃取[19]。然而，索氏提取法存在操作时间长、溶剂用量大、蒸发量大等缺点[18]。因此，国外的一些研究者开始尝试将超声波技术应用到索式提取器中以克服其自身的局限性。LUQUE-GARCA等[20]第一次提出了用于提取植物油的超声波联用索式提取装置(图4-A)，该设备是将索式提取器周围加入一个有超声波探头浸入的水浴槽。作者利用该装置从向日葵籽、大豆籽和油菜籽中提取总油脂，结果表明超声波的介入可将传统索氏提取所需时间缩短一半，且没有发生油脂降解。然而，该提取设备主要的缺点是超声波能量在传递过程中会被水浴槽中的水以及索氏提取室中的溶剂大大削弱。随后，DJENNI等[21]在2013年提出了另一种超声波-索式提取设备(图4-B)。他们将超声波探头直接浸入萃取室中，这样能很大程度上减少超声波传递过程中的能量损失。作者利用该超声波-索式装置从橄榄中提取橄榄油，与传统的索式提取相比较，该装置同样能大大缩短提取时间，且没有改变油脂成分和品质。

图4 两类超声波辅助索氏提取技术示意图[20-21]Fig.4 Diagram of two types of ultrasound-assisted Soxhlet extraction techniques

2.3 超声波联用匀浆提取法

匀浆提取法是指在新鲜的植物样品中加入一定量的溶剂后，在匀浆机搅拌刀的机械转动作用力下，使得细胞壁迅速破裂，胞液内容物不断溶出，从而提取植物活性物质的一种方法[22]。该方法是将植物样品和溶剂共混成匀浆状，使得原料粉碎与目标组分提取的过程同时发生，从而实现快速高效的提取路线。该方法是通过高速机械剪应力、液体切削力、搅拌、粉碎等作用促进植物基质中活性物质的释放，具有提取快速、能耗低、无需加热、得率高且不会造成粉尘污染等优点[23]。该方法被广泛运用到植物样品中各种活性化合物的提取中，并取得了很好的效果。

随后，一些研究者尝试将超声波装置安装至匀浆机中，旨在通过超声波进一步提高匀浆法的提取效率。图5为超声波-匀浆提取装置的示意图。整个提取室呈“U”型，一个端口是通过搅拌刀将植物组织切磨成匀浆，而另一个端口则通过超声波探头不断施加超声波，植物组织在双重强力作用的干预下，能充分释放活性成分，从而提高提取产率。

该装置由太阳能驱动系统、遥控及控制系统、四轮驱动装置和切割及收集装置组成。草坪割草装置的设计方案如图1所示。

LIU等[24]通过超声波-匀浆法同时提取落叶松中的二氢槲皮素和阿拉伯半乳聚糖，在最优工艺参数条件下，阿拉伯半乳聚糖和双氢槲皮素提取率分别达到了(152.48±5.78)、(53.09±2.24) mg/g，明显优于它们各自单独提取率；CHEN等[25]采用超声波-匀浆法提取偃松核油，在最优提取条件下，核油得率达到了(31.89±1.12)%；HOU等[26]采用超声波-匀浆法提取山桐子中的果油，在优化后的提取条件下，果油提取率达到了(79.36±0.17)%，其产率和油品质都优于传统的索氏提取法。上述实验结果表明，超声波-匀浆提取法是一种有效、经济且环境友好的获取植物活性成分的方法。

1-换能器；2-搅拌器；3-加热器；4-温度传感器；5-进口；6-出口；7-超声波发生器；8-回流循环控制器；9-排气口；10-控制系统图5 超声波均质萃取设备原理图[23]Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic homogenate extraction equipment

2.4 超声波联用水蒸馏法

水蒸馏法是目前最传统的用于提取植物挥发油的方法，其中以Clevenger仪器测定植物挥发油含量最为常用，具有操作方法简便、环保和提取成本低等优点[27]。挥发油又称精油，是一类易挥发的脂溶性小分子化合物，当细胞中的精油受热会发生一系列物理变化和热扩散，使得油分子和水蒸气一起被蒸馏出来[28]。细胞壁是挥发油扩散最大的阻碍因素，因此整个蒸馏过程变得异常耗时[29]。此外，沸水不均匀的热能传导很难受控制，易造成挥发油中一些热不稳定的化合物发生水解作用[30]。由此，长时间的提取周期不仅会造成更高的能耗，还会使得精油产率降低以及一些挥发性成分的损失[28]。因此，为了对这种经典的挥发油提取技术进行改进，近几年一些研究者想到了将超声波引入到Clevenger提取装置中，旨在通过破坏植物细胞壁和提高挥发成分的扩散率缩短挥发油的萃取时间和减少能源消耗，以获得一个更加经济环保的植物挥发油提取工艺。

超声波-Clevenger提取装置如图6所示。底部使用的是一个放置植物基质和蒸馏水的三口圆底烧瓶，中间瓶口连接Clevenger提取器；左侧瓶口密封；右侧瓶口上装备超声波探头，这样超声波就可以在提取过程中直接进入样品中，从而促进精油从新鲜的植物基质中释放出来。连接的超声波发生器一般都可以调节功率、频率和振幅等参数，使设备能更好地适应提取条件。

图6 超声波-Clevenger装置示意图[32]Fig.6 Schematic diagram of Sono-Clevenger equipment

PINGRET等[31]通过超声波-Clevenger装置从橘子皮中提取挥发油，结果表明，与传统的挥发油提取方法比较，超声波-Clevenger装置能大大缩短提取时长且不会引起挥发油成分的变化。LIU等[32]同样使用该联合装置提取屈曲花挥发油，结果表明，超声波的引入使挥发油得率提高了近1倍，还大大缩短了提取周期。此外，SOLANKI等[33]通过超声波-Clevenger装置分离香茅油，结果表明，与传统的水蒸气蒸馏法相比较，超声波-Clevenger装置使得能量消耗减少了40%、碳排放量减小了47%。因此，超声波联用水蒸馏法是一个高效、经济、绿色的挥发油提取工艺。

2.5 超声波联用微波提取法

微波能量是一种穿透力极强的非接触式热源，它会被溶剂偶极吸收，而将辐射能量转化为热能。随后溶剂迅速受热升温，导致溶剂内部产生温度和压力的巨大梯度[34]。因此，内部的极端条件产生了破坏植物细胞壁的驱动力，同时也加速了基质中目标化合物的吸附和解吸过程，从而促进了细胞内容物的溶出[35]。此外，微波是一种非电离辐射，它们不会破坏分子化学键而引起化合物结构变化[34]。与传统提取方法相比，微波辅助提取具有提取速率快、工艺步骤简单、设备尺寸小、萃取收率高等优点[36]。因此，微波提取法在各类天然化合物的提取中得到了广泛应用。在食品加工领域，微波和超声波都是清洁高效的现代提取手段，但是微波辐射易导致基质受热不均，而超声波产生的热效应偏弱[37]。因此，若两种提取方法互补结合，可同时利用超声波产生的高强度空化效应以及微波辐射产生的高热量，使细胞内的活性成分迅速溶出，从而在提高产率的同时还能大大降低提取时长和能耗。

超声波-微波组合提取器示意图如图7所示。通常该装置是在微波提取室内配置1个超声波探头，三口圆底烧瓶内放置样品和溶剂。左边瓶口塞住以防止溶剂受热而挥发流失；中间瓶口连接超声波探头并直接作用于样品基质；右边瓶口连接冷凝管，起冷凝回流的作用。XU等[38]采用超声波-微波协同提取尖顶羊肚菌多糖，在最佳提取参数条件下，其多糖得率为(7.53±0.17)%，显著高于它们各自单辅助提取的产率；LIEW等[39]利用超声波-微波协同提取技术从柚子皮中提取果胶，所得最高产率为36.33%，高于采用超声波和微波单辅助提取的果胶得率。

图7 超声波-微波协同提取装置原理图[35]Fig.7 Schematic diagram of synergistic ultrasound-microwave extraction apparatus

2.6 超声波联用超临界CO2提取法

超临界CO2提取法是一类新颖的绿色提取方式，和常见的溶剂提取法作比较，该技术具备对目标产物高选择性、提取物无残留、可在温和条件下提取热不稳定化合物等优点[40],因此，该方法已被广泛应用到植物各种活性化合物的提取中。CO2因其低的临界常数(P≥74 bar；T≥31 ℃)而成为应用最广泛的超临界溶剂[41]。CO2是一种不易燃易爆、非腐蚀性、廉价、无臭、无色、无毒的清洁溶剂，在食品、化妆品、保健品和药品等行业中被普遍认为是一种无害的成分[42]。超临界状态下的CO2同时具备气体的高溶质扩散性和液体的溶解性，从而能有效地促进提取进程中的传质速率，以此提升提取效率[22]。另外，超临界CO2的溶剂性质能通过调节提取压力和/或温度来实现控制，进而可以实现对目标产物提取的高选择性[43]。然而，由于CO2较低的介电常数，极性化合物很少易溶于纯的超临界CO2，所以往往需要在提取过程中添加适当的夹带剂来提高超临界CO2的极性。夹带剂既能提高溶质在超临界CO2中的溶解度，又能与样本基质上的活性位点相互作用，从而大大提高萃取效率[44]。虽然该技术具备诸多优势，但是超临界CO2提取技术所需的设备昂贵以及运行和维护的成本较高，因此一些研究者开始考虑结合超声波技术与其产生协同效应来提高萃取效率，以达到节约运行成本和植物资源的目的。

A-超声波探头式(V-1, V-2, V-3, V-4, V-5-控制阀；V-6-测微阀；SV-安全阀；C-压缩机；F-压缩空气过滤器；CF-二氧化碳过滤器；B1-冷却浴；P-泵；B2-热浴；I-1, I-2-压力指示器；I-3-温度指示器；IC-1-超声波功率控制器；IC-2-提取釜温度指示器；IC-3-测微阀温度指示器；U-超声波探针；R-流量积算器；F-流量计；EC-提取釜)；B-超声波水浴式(V1, V2, V3, V4-节流阀；HPA, HPB-注射泵；M-混合器；CB-循环浴；CH-循环加热器；MV1, MV2-微调阀；HC-加热线圈；E-提取釜；PG-压力计；BR-反压力调节器；FF-浮子式量计；T-热电偶；TM-玻璃管水银温度计)图8 超声波辅助超临界流体提设备取示意图Fig.8 Schematic diagram of ultrasound-assisted supercritical fluid extraction equipment

2.7 其他超声波联用提取技术

除了上述介绍的这些超声波联用提取手段以外，一些研究者也尝试将超声波引入到其他更多的提取方法中，以期不断扩大超声波在植物萃取方面的应用。国内一些研究者将超声波技术与酶法提取相结合从植物样品中提取各类活性物质。酶法提取是利用水解酶对植物样品进行处理，以解除细胞壁对胞内活性物质的束缚，从而提高目标化合物的提取率[47]。酶法提取具有提取条件温和、操作简便、卫生安全以及能耗低等优点[48]。杨秀艳等[49]采用超声波联合复合酶(木瓜蛋白酶和纤维素酶)提取红芪多糖，在优化后的提取参数下其得率为(14.01±0.64)%。此外，赵城彬等[50]采用超声波联合复合酶(纤维素酶0.7%、半纤维素酶0.7%、果胶酶1.6%,质量分数)获取黑豆蛋白，在优化后的提取参数下该蛋白提取比率达到了91.28%，高于传统的碱提酸沉法所得蛋白提取率。

此外，ALLAF等还提出了超声波结合瞬控降压提取技术[51]。瞬控降压过程是根据瞬态热力学为主要原理开发的一种热机械加工技术。瞬控降压提取是一种高温短时工艺，通过将待提取样品从高蒸汽压力快速过渡到真空状态，使样品内部的水分迅速蒸发，导致植物基质膨胀、孔隙率升高以及比表面积增大，从而引起颗粒破碎和细胞内容物的渗出[52]。ALLAF等[53]将瞬控降压(压力现象)与超声波(空化效应)相结合从桔皮中提取挥发油，结果表明，采用超声波结合瞬控降压提取的挥发油得率是传统水蒸气蒸馏法的8.4倍。一方面，瞬控降压通过瞬时的大幅度降压，使样品基质膨胀而降低扩散阻力；另一方面，超声波通过空化效应引起细胞壁破裂以及强烈的机械扰动，同时增强了基质内外的传质速率。因此，超声波联用瞬控降压技术能有效提高萃取效率。

另外，超声波联用挤压技术也被应用到了植物活性物质的提取中。挤压提取技术是指植物样品在挤压筒内受螺杆推动作用力后，植物样品中过压状态的水分子发生瞬时的汽化蒸发，从而促使样品颗粒膨化形成多孔状结构，再通过孔口挤出的方法[54]。超声波辅助挤压提取装置如图9所示。即在挤压机装置的基础上，挤压筒外部连接两个超声波传感器，这样在提取过程中通过向挤压机施加纵向超声波振动可以降低挤出力、物料流动应力以及模具与元件之间的摩擦力[9]。一般情况下，平均挤出力随超声波振幅的增大而减小，相应的挤出性能就更好[55]。该装置可以作为植物油脂工业规模提取的一种不错的选择。

图9 超声波挤压系统示意图[9]Fig.9 Diagram of ultrasound-extrusion system

综上所述，超声波技术能很好地与各类提取方法兼容互补，实现了快速高效的现代提取工艺。由表1可知，在各种超声波联用技术提取不同植物活性成分的过程中，超声波联用提取试验组目标活性成分的提取效率均显著高于未施加超声波的对照组。

超声波联用提取技术能有效降低设备运行成本、减少有机试剂用量、提高目标萃取物质量、扩大植物资源利用率[9]，其表现出的高效性、节能减排性、可操作性和良好的兼容性能为植物活性成分的工业生产实施带来诸多优势。

3 展望

超声波联用的现代萃取技术表现出了高效、绿色、经济等诸多优势，它能很好适应其他萃取工艺特点，并实现协同互补，为传统食品加工提取技术带来了巨大的性能提升，这对于植物资源的开发起到更好地促进作用。虽然近些年超声波联用技术越来越受到研究者的青睐，但还有很多方面值得进一步探索：(1)各类超声波联用技术获取植物活性成分的萃取原理错综复杂，应加大力度深入研究，为植物活性成分的高效提取提供广泛的理论依据；(2)在工业生产中，高效地从植物资源中获取某一类特定结构功能的活性物质或许更具有实际的运用价值。因此，如果能够建立针对超声波提取技术的参数设定与目标产物高效提取的对应关系的数据库，这将对于开发一个成熟的天然产物工业化定向萃取体系具有重大意义；(3)目前大多数论文研究采用的都是小型超声提取装置，若扩大生产规模，以及想为工业生产提供更为准确的技术指导，需要对中试范围进行更全面的提取效率及产物稳定性的评估；(4)超声波提取过程中由于热效应和空化效应等因素易使提取设备温度上升，对于工业上萃取植物源热敏性物质来说会造成一定的经济损失。因此，如何优化超声波设备温控装置以及提高超声波联用设备的稳定性和安全性也是待解决的关键问题。

表1 超声波联用技术与传统方法提取活性成分的比较Table 1 The comparison of extraction of active ingredients between ultrasound hyphenated techniques and traditional methods