全 文 ：收稿日期:2005-11-25;修回日期:2006-01-20
基金项目:广东省科技计划项目(2003B31709)
作者简介:贲永光(1978-),男,广西宜州人,博士生,主要从事天然产
物声化学技术研究。
1 引 言
从植物中提取有效成分的传统方法为水或有
机溶剂浸取,这些方法耗时长,得率低,有效成分易
被破坏,且污染环境严重。由于超声的空化效应与
机械效应使之具有破坏生物细胞,强化传质传热的
功能,因此,用它强化天然产物的提取已成为当前研
究的一个热点。所有这些研究的结果均表明:超声强
化提取的温度低,时间短,提取率高。但这些研究全
采用单频超声辐照。1997年,冯若等首次将28kHz与
0.8MHz超声组合成X-Z轴向双频正交辐照系统,并
用电化学法与碘释放法对该辐照系统的声化学效应
进行了实验研究,结果发现,该辐照系统给出的声化
学产额远远超出两个单独辐照产额之和[1]。然而,由
于进行此项研究的时间不长,许多研究尚有待深入,
双频超声强化从海金沙中提取黄酮的实验研究
贲永光,丘泰球,阎 杰
(华南理工大学轻化工研究所,广州 510640)
摘要:采用双频超声强化从海金沙中提取黄酮的研究结果显示:在 27℃,海金沙质量与乙醇体积比为 0.05g/ml,搅拌
器转速、超声功率及频率不变的条件下,质量浓度达到平衡时的 60%,搅拌提取需 700min以上,槽式超声需
105min,探头式超声需45min,而双频超声所需时间不到20min;若提取时间均为60min,则双频超声的提取率为搅拌
的11倍,为槽式超声的 2倍,为探头式超声的 1.8倍。通过选择乙醇浓度、溶剂用量、超声作用时间、浸泡时间因素
进行正交实验,得出双频超声提取最佳工艺条件:浓度 70%用量为 40ml的乙醇,超声作用时间 30min,浸泡时间为
4h。机理探讨表明,当两束超声波同时传播时,超声作用的均匀性增强,声强增大,使得海金沙颗粒的边界层变薄,外
表面剥落,甚至使其颗粒发生碎裂,传质速率大大提高,试验结果表现为双频超声对提取过程具有协同增强作用。
关键词:双频超声;搅拌;槽式超声;探头式超声
中图分类号:TQ460.2 文献标识码:A 文章编号:1000-3630(2006)-03-0209-05
Extractingflavonefromlygodiumjaponicum(Thunb.)Sw.
assistedbybifrequencyultrasound
BIYong-guang,QIUTai-qiu,YANJie
(LightIndustryandChemicalEngineeringInstitute,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)
Abstract: Thispaperstudiesextractionofflavonefrom Lygodium japonicum (Thunb.) Sw.
assistedbybifrequencyultrasoundundervariousconditions.Theresultshowsthat,withthesame
concentration, stirerneedsmorethan700mins, tankmodesultrasound105mins, probemodel
45mins, andbifrequencyultrasoundlessthan20mins. Theoptimum estractionconditionsof
flavonoidswereinvestigatedbyusinganorthogonalexperimentaldesign.Themechanismindicates
thatthebifrequencyultrasoundcanmaketheNernstlayerthin,flaketheexteriorsurface,crack
theparticleandimprovetheefectofextraction. Thisisshownintheresultofexperimentby
bifrequencyultrasound′smultiplicativeefectintheextractionprocess.
Keywords:bifrequencyultrasound;stir;tankmodelultrasound;probemodelultrasound
第25卷第3期
2006年06月
声 学 技 术
TechnicalAcoustics
Vol.25,No.3
Jun.,2006
声 学 技 术 2006年
故有关双频超声强化在提取及相关领域的应用研究
还未见报道。
海金沙(Lygodiumjaponicum(Thunb.)Sw.)为海
金沙科蕨类植物,又称左转藤、铁线藤、蛤蟆藤等,具
清热利湿功能,为治疗淋症药物,主产于广东、浙江、
江苏、江西、湖南、湖北、广西、云南、四川、贵州、陕
西、河南等省。有资料报道,海金沙中含有黄酮[2],它
的提取方法有热回流法、冷浸法和逆流提取法等,采
用溶剂多为乙醇或甲醇。这些方法有着传统溶剂提
取的缺点,本文首次采用双频超声强化从海金沙中
提取黄酮,并与搅拌、单频超声强化进行对比研究。
2 材料和方法
2.1 材料、仪器
海金沙市售;芦丁标准品(上海生物试剂二厂);
752紫外光栅分光光度计;超声波清洗槽(槽式超声,
40kHz,100W);探头式超声波处理机(25kHz,功率
可调,试验恒定为 100W);双频声化学反应器(自
制,见图 1,其中 1为探头式超声(25kHz,100W);2
为槽式超声(40kHz,100W);3为循环水进口;4为循
环水出口;5玻璃反应容器;6超声波发生器);超级
恒温水浴锅;所有化学试剂均为分析纯。本文双频
超声装置为探头式超声与槽式超声组合而成。探头
式超声工作10s停 10s,当它与槽式超声作用时,其
实际作用时间仅为槽式超声的一半,为了实验方便,
本文探头式超声的作用时间以总时间(作用时间与
间隔时间之和)计。
2.2 测定方法
标准曲线,按文献[2]并略作改进。
(1)标准液制备:准确称取120℃干燥恒重的芦
丁10.0mg,用60%微热乙醇定容至100ml,摇匀得浓
度为0.1mg/mL的标准溶液。
(2)标准曲线的制作:准确吸取标准溶液0、2.5、
5、7.5、10、12.5ml于6只25ml容量瓶中,加30%乙
醇使成 12.5ml,加 5%的 NaNO2溶液 1ml,摇匀,放
置 6min,加 10%Al(NO3)3溶液 1ml,摇匀,放置
6min,加 1mol/lNaOH溶液 10ml,加水定容,摇匀,
放置10min~15min,于510nm波长处测定吸光度。绘
制浓度-吸光度(c-a)的标准曲线,经最小二乘法进
行线性回归,得回归方程为:c=0.1221a-0.0002197,
相关系数为r=0.9994。
(3)质量浓度的测定:估计样品的质量浓度,取
1ml~3ml提取液于25ml容量瓶中,其余操作同步骤
(2)的制作。
(4)平衡质量浓度的测定:将样品在恒定温度与
料液比的情况下不断搅拌提取,每隔 4~5小时取样
测定黄酮的质量浓度,以其不再上升的质量浓度作
为平衡质量浓度。
(5)海金沙中总黄酮含量的测定:精确称量海金
沙粉末0.5000g,置索氏提取器中,用60%乙醇溶液
250ml进行回流提取,提取液抽滤定容,按2.2方法测
定A,计算提取液黄酮的含量,求出海金沙总黄酮的
含量为5.11%。并以此计算出各处理的黄酮提取率。
3 结果与讨论
3.1 几种方法提取效果的比较
按海金沙质量与无水乙醇体积比为 0.05g/mL
加入三口瓶中,水浴控制温度在 27℃,定时取样测
定提取液中黄酮的质量浓度。超声强化提取过程中,
功率均恒定为100W,将三口瓶固定在超声波的清
洗槽中,探头式超声的变幅杆插入瓶中的位置每次
试验保持不变。
图1 双频超声提取试验装置
Fig.1Experimentalequipmentofdual-freuuencyultrasoundextraction
图2 搅拌加速提取
Fig.2 AcceleratingExtractionbystiring
时间/min
C
t/C
e
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 200 400 600 800
210
贲永光等:双频超声强化从海金沙中提取黄酮的实验研究第3期
由图 2知,提取 480min以后,提取液的质量浓
度为平衡质量浓度的 50%左右,此时质量浓度上升
极缓慢,提取速率极低。由图 3知,提取 140min以
后,提取液的质量浓度为平衡质量浓度的 73%左
右,此时质量浓度上升较缓慢。
Ce为达平衡时,溶液中黄酮的质量浓度,Ct为 t
瞬间溶液中黄酮的质量浓度(下文同)。
由图4可以看出,探头式超声提取的前期速率
较快,提取 210min以后,提取液的质量浓度为平衡
质量浓度的90%左右,此时浓度上升仍较快。由图5
知,双频超声提取的前20min速率特别快,提取液的
浓度呈跳跃式上升,此后相对较慢,提取时间达
100min时,体系已达平衡状态。
综合分析图 2~图 5,达到相同的提取率(取质
量浓度为平衡质量浓度的 60%),搅拌方法需
700min以上 (回归预测为998min),槽式超声约需
105min,探头式超声约需45min,而双频超声所需时
间不到20min(回归预测为16min)。在同样的时间
(取60min),双频超声的提取率为搅拌的11倍,槽
式超声的2倍,探头式超声的1.8倍。
以上分析可以看出,双频超声协同强化提取的
效果非常显著。
根据文献报道,在提取柑桔中水溶物及茶叶中
咖啡因的动力学研究中[3-8],应用了常见的“恒态提
取”理论公式,即:ln(Ce
Ce-Ct
)=kobst+e其中 kobs为表观
速率常数。
令y=ln(Ce
Ce-Ct
),将y对t作图,即可求出kobs与
截距e。再令Ct=
1
2
Ce,根据以上公式,可求出提取液
浓度达平衡浓度一半所需的时间和t1/2,结果见表1:
由表1可以看出,超声的强化作用使kobs提高,
使t1/2大幅度缩短,它强化提取的作用非常显著,且
双频超声优于探头式超声,探头式超声优于槽式超
声。双频超声的表观速率常数比两个相应单频超声
的速率常数之和大得多,它的作用效果并非是两个
单频超声作用效果的简单相加,它们存在协同作用。
3.2 双频超声(40kHz+25kHz)强化提取的优化
影响总黄酮提取的因素有乙醇浓度、溶剂用量、
超声作用时间、浸泡时间、超声功率、溶剂种类等。
但是在实际的操作中,各因素是相互交差影响的。
因此,为了方便实验和全面考察影响因素,设计了四
因素三水平正交实验,结果见表2,表3。
通过对乙醇浓度、溶剂用量、超声作用时间、浸
泡时间的综合评价,对提取率影响的主次顺序为A>
图3 槽式超声强化提取
Fig.3 Extractionenhancedbyultrasonicbath
时间/min
图4 探头式超声强化提取
Fig.4 Extractionbyultrasonichorn
时间/min
图5 双频超声强化提取
Fig.5 Extractionenhancedbybifrequencyultrasound
时间/min
表1 各方法的动力学参数
Table1 Dynamicsparameterofmethods
方法 kobs/min-1 截距e t1/2/min 相关系数
搅拌 0.0013 0.0368 504.9 0.987
槽式超声 0.009 0.0119 75.7 0.994
探头式超声 0.0099 0.0701 62.9 0.977
双频 0.0299 0.4018 9.7 0.996
C
t/
C
e
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 50 100 150
C
t/
C
e
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100 150 200 250
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 20 40 60 80 100 120 140
C
t/
C
e
211
声 学 技 术 2006年
B>C>D,上述结果表明:乙醇浓度对海金沙总黄酮的
提取结果影响最大,浸泡时间影响最小。根据实验
结果与分析,最佳的提取工艺条件为 A2B3C3D2即以
浓度70%,用量为40ml的乙醇,超声作用时间为
30min,浸泡时间为4h。在这个最佳条件下试验,总
黄酮提取率86.25%。
3.3 机 理
黄酮的提取过程可分为三个步骤:第一步,海
金沙表面的黄酮溶解,溶剂向海金沙内部渗透;第
二步,黄酮溶解后扩散到固液界面,此时靠分子扩
散;第三步,黄酮从固液界面向溶液主体扩散,这一
步通过边界层(Nernst层),该层阻力大,扩散缓慢,
速率低。
当固液界面受到超声波作用时,固体表面成核
产生空泡,该空泡会发生变形,它破裂时朝着固体表
面产生高速喷射作用,并且,由于空化泡破裂所产生
的冲击波也会冲击、剥离、侵蚀固体表面进而使得相
界面得以更新。这一作用必然使边界层发生局部湍
动,甚至出现空洞,边界层变薄,阻力减小;同时,超
声还能在固体颗粒内传播,改变颗粒的组织结构,甚
至使其碎裂,传质速度加快。但超声波传播的方向
性较强且衰减迅速,故它作用的均匀性较差。当双
频超声在溶液中同时传播时,其中一束声波空化泡
崩溃所产生的微小气泡既可作为自身再空化的泡
核,又可作为另一束声波空化的泡核,空化现象大大
增加,另一方面,不同频率声波的叠加既利于提高声
强,又利于消除驻波,增强超声作用的均匀性。不难
设想,当双频超声强度足够大时,不仅海金沙颗粒的
边界层完全消失,外表面发生剥落,甚至使颗粒破
碎,比表面积增大,粒径减小,这导致主体溶液的浓
度瞬间增大,提取速率增加。
4 结论与展望
对比试验显示,超声对海金沙中黄酮的提取有
显著的强化作用,探头式超声的强化效果优于槽式
超声,而双频超声强化效果最好。表观动力学研究
表明,双频超声对于从海金沙中提取黄酮有协同强
化作用,其表观速率常数比各个单频超声相应速率
常数之和大得多。机理分析表明,双频超声协同作
用时,声波在液体中传播的均匀性增强,空化强度增
大,使得海金沙颗粒的边界层消失,外表面剥落,甚
至碎裂,比表面积增大,粒径减小,故提取速率大大
提高。
本实验结果表明:影响双频超声波法强化提取
海金沙中总黄酮提取率的主次因素为:乙醇浓度>
溶剂用量>超声作用时间>浸泡时间。最佳提取工艺
为浓度 70%的乙醇,乙醇用量为 40ml,超声作用时
间为30min,浸泡时间为4h。在这个最佳条件下试
验,总黄酮提取率86.25%。
单频超声在溶液中传播时衰减快,不均匀,双频
超声同时传播时,克服了这一缺点,使得它协同强化
提取的效果极其显著。双频超声提取方法的出现将
改变从中药材及其它天然产物中提取有效成分的落
后面貌,使传统溶剂提取技术领域发生根本改变。
有关双频超声对传质系数的影响,功率、频率如何匹
配及温度对提取的影响有待于进一步研究。
表2 40kHz+25kHz双频超声试验的因素及水平
Table2 Factorsandlevelsofexperimentwith40kHz
& 25kHzDual-frequencyultrasound
A B C D
水平 乙醇浓度 溶剂用量 超声作用时间 浸泡时间
/% /ml /min /h
1 60 20 10 0
2 70 30 20 4
3 80 40 30 12
表3L9(34)40kHz+25kHz双频正交实验结果与分析
Table3 L9(34)orthogonalexperimentresultswith40kHz&
25kHzdual-frequencyultrasoundandanalysis
编号 A B C D 黄酮提取率/%
1 1 1 1 1 39.25
2 1 2 2 2 54.42
3 1 3 3 3 58.33
4 2 1 2 2 62.15
5 2 2 3 1 64.72
6 2 3 1 2 67.41
7 3 1 3 2 48.52
8 3 2 1 3 45.12
9 3 3 2 1 50.28
K1 152 149.92 151.78 154.25
K2 194.28 164.26 166.85 170.35
K3 143.92 176.02 171.57 165.60
K1均值 50.67 49.97 50.59 51.42
K2均值 64.76 54.75 55.62 56.78
K3均值 47.79 58.67 57.19 55.20
R 16.79 8.70 6.60 5.36
212
贲永光等:双频超声强化从海金沙中提取黄酮的实验研究第3期
参 考 文 献
[1]冯若,朱昌平,赵逸云,等.双频正交辐照的声化学效
应研究[J].科学通报,1997,42(9):925-928.
FENGRuo,ZHUChangPing,ZHAOYiYun,etal.
Researchofsonochemistryefectofbifrequencyultrasonic
orthogonaliradiation[J].ChineseScienceBuletin,1997,
42(9):925-928.
[2]蔡建秀,吴文珊,吴凌云,等.22种药用蕨类植物的总
黄酮含量研究[J].福建师范大学学报(自然科学版),
2000,16(4):63-66.
CAIJX,WUW S,WULY,etal.Studyonthetotal
favonoidscontentof22kindofthemedicialpterido-
phytes[J].JFujianNormalUniv-NatSci,2000,16(4):
63-66.
[3]CrankJ.Themathematicsofdifusion[M].Oxford:Oxford
UniversityPress.1975.
[4]SpiroM,JagoDS.Kinetics,EquilibriaofTeaInfusion
[J].JournaloftheChemistrySociety,FaradayTransactions
I,1982,78:295-305.
[5][苏]B.B.福明著,张帆译.萃取动力学[M].原子能出
版社,1988.8.
[Soviet]B.B.FuMing,ZhangFan.ExtractionDynamics
[M].AtomicEnergypress,1988.8.
[6]ClarkChambers,KimExandi-Larsen,WiliamE.Price.
Aqueousextractionofsolublesfromoranges:akinetics
study[J].FoodChemistry,1996,59(4):483-486.
[7]DeogratiusJaganyi,RobertD.Price.Kineticsofteain-
fusion:theefectofthemanufacturingprocessontherate
ofextractionofcafeine[J].FoodChemistry,1999,64:
27-31.
[8]DeogratiusJaganyi,ThamsanqaNdlovu.Kineticsoftea
infusion.Part3:theefectofteabagsizeandshapon
the rate ofcafeine extraction from Ceylon orange
pekoetea[J].Food Chemistry,2001,75:63-66.
213