超声波萃取的工作原理及优势

简介

    超声波萃取利用超声波辐射压强产生的强烈空化应效应、机械振动、扰动效应、高的加速度、乳化、扩散、击碎和搅拌作用等多级效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。

原理

    超声波是一种弹性机械振动波，与电磁波本质上不同。因为电磁波在真空中传播，而超声波必须在介质中传播，穿过介质时，形成膨胀和压缩的全过程。

    在液体中，膨胀过程形成负压。如果超声波能量足够强，膨胀过程会在液体中生成气泡或将液体撕裂成很小的空穴。这些空穴瞬间闭合，闭合时产生高达3000MPa 的瞬间压力，称为空化作用，整个过程在400μs 内完成。 

    空化作用细化物质以及制造乳液，加速目标成分进入溶剂，提高提取率。除空化作用外，超声波的许多次级效应也都利于目标成分的转移和提取。 

    成穴现象的重要意义在于气泡破裂时发生的反应。一些点位，气泡不再吸收超声波能量，而产生内爆。气泡或空穴里的气体和蒸汽快速绝热压缩，产生极高的温度和压力 。 

    气泡体积相对液体总体积来说极微，因此产生的热量瞬间散失，对环境条件不会产生明显影响，空穴泡破裂后的冷却速度估计约为10℃/s 。 

    超声空穴提供能量和物质间独特的相互作用，产生的高温高压能导致游离基和其它组份的形成。

    纯液体中，空穴破裂时，由于周围条件相同，因此总保持球形；然而紧靠固体边界处，空穴的破裂是非均匀的，产生高速液体喷流，使膨胀气泡的势能转化成液体喷流的动能，在气泡中运动并穿透气泡壁。 

    喷射流在固体表面的冲击力非常强，能对冲击区造成*的破坏，从而产生高活性的新鲜表面。破裂气泡形变在表面上产生的冲击力比气泡谐振产生的冲击力要大数倍。

    施加超声波，在有机溶剂和固体基质接触面上产生的高温、高压，加之超声波分解产生的游离基的氧化能等，从而提供了高的萃取能。

超声波萃取仪特点：

    1.同常规萃取方法相比，超声波萃取技术萃取效率高、萃取时间短；

    2.超声波萃取不容易受使用溶剂的限制，允许添加共萃取剂，以进一步增大液相的极性，提高萃取效率；

3.与超临界CO2萃取和超高压萃取相比，超声波萃取设备简单，萃取成本低；

    4.大多数情况下超声波萃取操作步骤少，萃取过程简单，不易对萃取物造成污染，萃取温度较低，适合热敏目标成分的萃取。

优点

    超声波萃取和常规萃取技术相比，超声波辅助萃取快速、价廉、高效。

    超声波萃取与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点：

    1.无需高温；

    2.常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便；

    3.萃取效率高；

    4.具有广谱性。适用性广，绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取；

    5.超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质关系小；

    6.减少能耗；

    7.药材原料处理量大，成倍或数倍提高，且杂质少，有效成分易于分离、净化；

    8.萃取工艺成本低，综合经济效益显著。

应用

   1.在烟碱提取中的应用

   烟草中的烟碱成分在农业和医药上均具有很高的使用价值，利用超声波萃取技术可以有效地提取烟草中的烟碱成分。 在这方面的应用研究中，研究者主要考察了提取剂浓度、固液比、提取时间、超声温度等因素对烟碱成分提取效率的影响。丛秀芝用40%的甲醇作提取剂，固液比为1∶20，提取时间为30min，超声温度为150℃，烟碱的提取率能达到7%左右。储志兵等采用0.4%的NaOH作提取剂，固液比为1∶40，常温超声提取时间4h，其烟碱提取率为2.12%。采用78%的乙醇作提取剂，固液比为1∶5，提取时间30min，超声温度52℃，烟碱提取量为23.1mg/mL。采用pH =4的95%乙醇作溶剂，固液比1∶15，超声温度80℃ 提取2次，每次45min，烟碱提取率可达到95.42%，对比分析显示，其提取效果明显优于加热回流提取(后者仅为84.79%)。