超聲波提取機(jī)原理

1. 概念

       超聲波指頻率﹥20KHz，人的聽覺閾以外的聲音。它可在介質(zhì)中傳播，利用其空化、機(jī)械、熱、化學(xué)、生物等效應(yīng)對介質(zhì)施加的作用向體系提供能量，從而用來強(qiáng)化過程或化學(xué)反應(yīng)，如攪拌、分散霧化、凝聚、沖擊破碎、加熱、促進(jìn)氧化-還原反應(yīng)、促進(jìn)高分子聚合或解聚反應(yīng)等。超聲波輔助浸提是中藥工業(yè)領(lǐng)域近年來興起的以強(qiáng)化浸提為目標(biāo)的現(xiàn)代技術(shù)，適宜功率與強(qiáng)度的超聲波在藥材-溶劑的固液體系中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象（cavitationeffect）是運(yùn)用超聲技術(shù)于中藥成分浸提的根本。當(dāng)大能量超聲作用于提取介質(zhì)時(shí)，存在于液體中的微小氣泡（空腔或空化核）在聲波的負(fù)壓半周期時(shí)體積迅速增大，而接下來的聲波正壓周期時(shí)氣泡又會被絕熱壓縮，空腔尺寸迅速變小直到*閉合，在此瞬間空腔及周圍空間內(nèi)出現(xiàn)熱點(diǎn)?？栈瘯r(shí)微小氣泡的爆裂所產(chǎn)生巨大壓力是被破裂物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體的破裂在瞬間完成，縮短了破碎時(shí)間，超聲波發(fā)生的振動(dòng)作用加強(qiáng)了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散、溶解，因?yàn)槭俏锢磉^程而對被提取物質(zhì)的生物活性沒有什么影響?？栈l(fā)生時(shí)，液體中的微小氣泡核在高強(qiáng)度超聲波作用下發(fā)生震蕩、生長、收縮及崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過程，在崩潰的極短時(shí)間內(nèi)，空化泡周圍產(chǎn)生高溫、高壓、強(qiáng)烈沖擊波和時(shí)速400km/h以上的微射流，在固體表面的剝離、凹蝕和粉碎作用創(chuàng)造了新的活性表面，使傳質(zhì)表面增大?？栈瘯r(shí)產(chǎn)生的湍動(dòng)效應(yīng)使固液傳質(zhì)邊界層變薄，導(dǎo)致界面層中溶質(zhì)的濃度梯度減少，傳質(zhì)速度大大高于其他方法。空化產(chǎn)生的微擾效應(yīng)使固液傳質(zhì)過程的微孔擴(kuò)散得以強(qiáng)化，渦流擴(kuò)散加強(qiáng)，加快了浸提過程。

1. 超聲波的頻率                                                                              

多數(shù)研究在藥材成分浸提時(shí)使用低頻率超聲，以20～45 KHz為zui常用；但也見有在高頻超聲中浸提的，如1000 KHz.超聲浸提時(shí)，超聲波作用于藥材-溶劑的固液體系，超聲波的頻率與藥材-溶劑體系有一個(gè)適配問題，有些超聲浸提研究會考慮這一因素，應(yīng)尋找不同超聲頻率對藥材成分浸提收得率的影響，zui終確定適宜的超聲頻率。如自黃芩根浸提黃芪苷時(shí)，頻率為20KHz時(shí)浸提收得率zui高；麻黃超聲浸提時(shí)用50KHz較25KHz浸取得率高；浸提益母草總堿、薯蕷皂苷時(shí)則以1000KHz為好?？梢娝幉某煞纸釙r(shí)，要因藥材種類、部位、所含成分的化學(xué)形式、生物形式等因素的不同來選擇適宜的超聲頻率。一般講，超聲頻率愈低，空化作用愈強(qiáng)，對生物組織的破壞也會愈強(qiáng)，但并不是愈大的破壞下才有好的進(jìn)出效果。

1. 超聲波的強(qiáng)度

       通常文獻(xiàn)中對超聲波強(qiáng)度的表述方法有W/㎡(超聲波輻射的垂直方向，每1㎡受照面積上得到的超聲波功率W)或?qū)τ谔囟ǖ脑囼?yàn)裝置中輸出的超聲波功率（W）。除了頻率與藥材-溶劑固液體系適配外，功率的大小對超聲浸提效率影響重大，有實(shí)驗(yàn)表明0.5 W/㎡已能使固液體系產(chǎn)生強(qiáng)大的空化作用，但是過大的超聲功率下浸提收得率也不一定更大。如用不同強(qiáng)度的超聲浸提大黃年蒽醌時(shí)，0.5 W/㎡低強(qiáng)度下浸提收得率為；再如0.28 W/㎡下超聲浸提黨參皂苷收得率是常規(guī)浸提方法的2倍，其純度也有提高。從工業(yè)化超聲浸提裝備開發(fā)的角度看，藥材成分浸提時(shí)的超聲波功率也不宜太大，比起小實(shí)驗(yàn)裝置因?yàn)橥读狭砍砂贁?shù)千倍的增加，將增加超聲波發(fā)生器因大功率造成的研制難度。

1. 超聲波的作用時(shí)間                            

       超聲波浸提與常規(guī)浸提相比，其作用時(shí)間相對要短，一般在20～45min已有好的效果、如在益母草的益母草總生物堿、黃芩的黃芩苷、漏蘆的蛻皮甾酮的浸提中，在40min、50min、60min時(shí)浸提收得率分別出現(xiàn)一個(gè)峰值。在超聲波輔助浸提的各種影響因素中，超聲波作用時(shí)間的影響與其他因素相比并不顯著。

       超聲浸提過程中并不是全部浸提時(shí)間都有超聲作用，一般是作用-間歇-作用-間歇。。。。的周期性變化過程，如果作用時(shí)間為U，間歇時(shí)間為D， 將U/D稱作占空比。占空比用來控制超聲浸提的空話作用及其他附加作用，是實(shí)驗(yàn)研究中值得注意的一個(gè)參數(shù)。占空比對藥材成分浸提收得率、浸提效率、雜質(zhì)含量、成分的化學(xué)穩(wěn)定性等可能產(chǎn)生影響。

                                                           （感謝曹光明等老師）