全 文 ：第 5卷第 6期 过 程 工 程 学 报 Vol.5 No.6
2005年 12 月 The Chinese Journal of Process Engineering Dec. 2005

收稿日期：2004−12−29，修回日期：2005−01−31
作者简介：关奕(1980−)，男，满族，北京市人，硕士研究生，生物化工专业；王玉春，通讯联系人，E-mail: ycwang45@yahoo.com.
新疆紫草的超声波强化提取
关 奕 1，2， 葛 锋 1， 王晓东 1， 赵 兵 1， 王玉春 1
(1. 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京 100080； 2. 中国科学院研究生院，北京 100039)
摘 要：对新疆紫草色素进行了超声提取的研究，探讨了超声波功率、液固比、提取温度、原料粒度和超声作用时间
对色素提取效果的影响，得到超声提取新疆紫草色素的优化工艺参数为：80目(180 µm)的新疆紫草根粉末，液固比为
12 mg/L，在 50℃水浴中超声处理 25 min，超声波功率 1800 W，提取率可达到 87%.
关键词：超声提取；新疆紫草；紫草宁及其衍生物
中图分类号：R284.2 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2005)06−0680−04
1 前 言
新疆紫草[Arnebia euchroma (Royle) Johnst.]的有效
成分是紫草宁及其衍生物，这些成分不但具有抗菌、抗
炎、抗癌、抗生育、抗甲状腺、抗免疫低下、降血糖、
保肝护肝等多种作用，而且还作为天然色素广泛用于医
药、化妆品和印染工业中[1]. 新疆紫草是多年生的草本
植物，其根药用，具有凉血、活血、解毒透疹的功能，
主治血热毒盛、斑疹紫黑、麻疹不透、疮疡、湿疹、水
火烫伤等症[2].
新疆紫草是现有药用紫草种类中有效成分含量最
高的. 传统提取紫草宁及其衍生物主要采用溶剂浸泡或
高温提取等方法，有效成分损失较大，提取周期长、工
序多，提取率低. 许安邦等[3]采用植物油炒制的方法，
温度高，损失大. 杨晓笛等[4]采用乙醇常温浸提法，提
取 6 d后色素含量为 1.95%.
超声波是一种弹性机械振动波，是听觉域以外的振
动. 它的强烈振动产生高速度、强烈的空化效应，造成
中草药药材的细胞因溶剂中瞬时产生的空化泡的崩溃
而破裂，使溶剂渗透到细胞内部，细胞中的化学成分溶
于溶剂中，故能提高有效成分的提出率. 另外超声波的
次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应
和热效应等也能加速被提取成分的扩散释放并充分与
溶剂混合，利于提取. 采用超声提取缩短了提取时间，
提高了提取效率，从而为中草药成分的提取提供了一种
快速、高效、易于放大的新方法[5]. 乔秀文等[6]采用超声
波清洗器对新疆紫草进行了提取，比常规浸提提取率提
高 7%，节省时间 16倍以上.
本工作以新疆紫草根为原料，系统研究了超声波强
化提取有效成分紫草宁及其衍生物过程中各因素对提
取效果的影响，并优化了提取工艺参数.
2 实验材料和方法
2.1 仪器
JY99−2D 超声波细胞破碎机，XMT102 数显调节
仪，HHS112 电热恒温水浴锅，08−2B 离心机，752 紫
外光栅分光光度计，索氏提取器，RE−52AA 旋转蒸发
器，SHB−III循环真空水泵，JA2003电子天平.
2.2 材料及试剂
新疆紫草干燥根购自新疆参茸药业有限公司，石油
醚沸程 60∼90℃，甲醇为分析纯(阿托兹精细化工有限公
司).
2.3 提取方法
将一定量新疆紫草粉末置于超声提取罐中，加入适
量石油醚作溶剂进行超声提取. 将提取液过滤、蒸干后，
得到粗品. 超声提取装置如图 1所示.









图 1 超声提取装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic extraction apparatus
2.4 标准曲线的绘制
按叶和春等[7]的方法进行标准曲线的绘制，得到
C=268.363OD−0.98676, R=0.9995，其中 C 为紫草宁及
其衍生物提取液的浓度(mg/mL), OD为紫草宁及其衍生
6
1
3
2
5
4
1. Ultrasonic wave probe
2. Ultrasonic wave generator
3. Temperature probe
4. Temperature control panel
5. Extract solution
6. Water bath
第 6期 关奕等：新疆紫草的超声波强化提取 681
物提取液的吸光度.
2.5 紫草宁及其衍生物含量的测量
将提取液以 3500 r/min离心 15 min，取上清液，稀
释至恰当浓度，测定其吸光度，并计算出浓度.
提取率 RE按照以下公式计算：
RE=CV/(1000WCS)×100%,
其中 V为提取液体积(mL)，W为紫草根粉末用量(g), CS
为索氏提取法提取的紫草宁及其衍生物总含量(4.58%).
3 结果与分析
采用正交实验对超声提取新疆紫草有效成分的条
件进行研究，以石油醚为溶剂. 选用药材粉末粒度、药
材与溶剂的液固比、超声提取温度、超声提取时间和超
声功率 5个因素，每个因素 3个水平，采用 L18(37)正交
实验设计表进行实验，如表 1.
表 1 正交实验因素水平
Table 1 Factor levels of orthogonal experiments
Level
A, powder size
(mesh)
B, L/S
(mL/g)
C, temp.
(℃)
D, time
(min)
E, power
(W)
1 10 5 30 10 1 000
2 40 10 40 20 1 400
3 80 15 50 30 1 800
3.1 正交实验结果分析
正交实验共进行 18组，结果见表 2. 同时对实验进
行方差分析(a=0.05)，结果如表 3. 提取效果最好的条件
为 A2B2C2D3E3，提取率达到 76.85%，效果最差的条件
为 A1B1C1D1E1，提取率仅为 37.15%. 对提取效果的影
响 E>B>C>A>D，即超声功率对紫草宁及其衍生物提取
的影响最大，功率加大，提取率明显提高，其次是液固
比和提取温度，紫草粉碎粒度和提取时间影响较小.
采用最佳工艺条件，即 80 目(180 µm)紫草粉末，
液固比 10 mL/g，在 50℃条件下超声提取 20 min，超声
波功率为 1800 W. 验证实验得到的最佳提取率为
77.73%.
表 2 正交实验结果
Table 2 Results of orthogonal experiment
Factor No.
A B C D E
Error RE (%)
1 1 1 1 1 1 1 1 37.15
2 1 2 2 2 2 2 2 52.90
3 1 3 3 3 3 3 3 67.90
4 2 1 1 2 2 3 3 56.87
5 2 2 2 3 3 1 1 76.85
6 2 3 3 1 1 2 2 57.03
7 3 1 2 1 3 2 3 63.41
8 3 2 3 2 1 3 1 62.39
9 3 3 1 3 2 1 2 61.22
10 1 1 3 3 2 2 1 49.63
11 1 2 1 1 3 3 2 68.54
12 1 3 2 2 1 1 3 52.76
13 2 1 2 3 1 3 2 47.01
14 2 2 3 1 2 1 3 54.59
15 2 3 1 2 3 2 1 59.17
16 3 1 3 2 3 1 2 65.49
17 3 2 1 3 1 2 3 44.43
18 3 3 2 1 2 3 1 56.41
K1 54.813 53.260 54.563 56.188 50.128 58.010 56.933
K2 58.587 59.950 58.223 58.263 55.270 54.428 58.698
K3 58.892 59.082 59.505 57.840 66.893 59.853 56.660
R 4.079 6.690 4.942 2.075 16.765 5.425 2.038
表 3 方差分析
Table 3 Variance analysis
Factor Sum of squares of deviation Freedom F Significance
A 61.928 2 1.168
B 158.804 2 2.996
C 78.917 2 1.489
D 14.426 2 0.272
E 885.208 2 16.702 *
Error 106.00 4

3.2 单一因素对提取效果的影响
根据正交实验结果，依据各因素对提取效果的影响
大小，依次进行单因素实验，确定最佳提取条件.
3.2.1 超声波功率的影响
682 过 程 工 程 学 报 第 5卷

如图 2所示，超声波功率从 1000 W升至 1800 W，
提取效果随之增加，特别是 1400∼1600 W之间，提取
率大增，功率增加到 1700 W以后，再增加提取功率，
提取率增加不大. 超声波的破碎作用不仅取决于超声波
的性质，如功率、频率等，而且取决于被破碎体系的性
质，如被破碎物的结构性质、提取介质的物理化学性质
等. 在实验条件下，超声波作用功率越大，气泡闭合时
产生的激波强度越大，空化作用越明显，色素提取率越
高. 但当超声波功率超过 1700 W后，提取率增加变得
缓慢，因此超声波功率选择在 1700∼1800 W比较合适.











图 2 超声波功率对提取效果的影响
Fig.2 Influence of ultrasonic power on the extraction of shikonin
3.2.2 液固比的影响
如图 3所示，当液固比从 8 mg/L升至 10 mg/L，提
取效率提高很快，液固比从 10 mg/L升至 20 mg/L，提
取效率有所提高，但增长缓慢，并且液固比过大，会大
大降低设备的处理能力，同时使后续的分离纯化过程成
本大大提高，因此液固比选在 12 mg/L左右比较合适.











图 3 液固比对提取效果的影响
Fig.3 Influence of liquid-to-solid ratio on extraction
3.2.3 提取温度的影响
由图 4 可见，提取率随着提取温度的增加而上升.
当温度上升至 50℃时，提取率达到最高. 因此选择 50℃
为最佳提取温度.











图 4 提取温度对提取效果的影响
Fig.4 Influence of temperature on the extraction rate
由图 5 可见，药粉粒度对色素的提取影响比较显
著，随着粒度的减小，色素的提取率明显增加. 当粒度
减小至 60目(250 µm)后，继续减小粒度，提取率的增加
不再显著 . 因此适当的药材粒度应控制在 60∼80 目
(180∼250 µm)左右.










图 5 药粉粒度对提取效果的影响
Fig.5 Influence of herbal powder size on extraction
3.2.5 超声作用时间的影响
色素在超声场内的提取主要受超声波产生的空化
作用的影响，空化作用的时间越长，提取效率越高. 由
图 6可知，提取率随超声作用时间的增加而增加，当超
声作用时间超过 20 min 后，提取效果提高不明显，因
此适当的提取时间应控制在 20∼25 min.
3.3 与传统提取方法的比较
经过正交实验和单因素实验得到了超声提取的最
佳操作条件为：采用 80目(180 µm)的新疆紫草粉末，液
固比 12 mg/L，提取功率 1800 W，在 50℃下提取 25 min，
提取率可达到 87%.
1300 1400 1500 1600 1700 1800
72
74
76
78
80
82
84
R
E (
%
)
Power (W)
Particle size 80 mesh
L/S=10 mg/L
T=50oC
t=20 min
8 10 12 14 16 18 20
76
78
80
82
84
86
Particle size 80 mesh
Power 1800 W
T=50oC
t=20 min
R
E (
%
)
Ratio of liquid to solid (mL/g)
35 40 45 50 55
76
78
80
82
84
86
Particle size 80 mesh
Power 1800 W
L/S=12 mg/L
t=20 min
R
E (
%
)
Temperature (℃)
10 20 30 40 50 60 70 80
74
76
78
80
82
84
86
Power 1800 W
L/S=12 mg/L
T=50℃
t=20 min
R
E (
%
)
Powder size (mesh)
第 6期 关奕等：新疆紫草的超声波强化提取 683









图 6 超声作用时间对提取效果的影响
Fig.6 Influence of ultrasonic working time on the extraction rate
表 4对比了超声提取法与索氏提取法、浸泡提取法
各自的提取时间和提取率. 可以看出，超声提取法是一
种省时、高效的提取方法.
表 4 三种提取方法结果的比较
Table 4 Comparison of the results from three extraction methods
Extraction method Time RE (%)
Soxhlet′s extraction 12 h 100
Digestion extraction 24 h 48
Ultrasonic extraction 25 min 87
4 结果与讨论
由实验可以看出，超声波功率对提取的影响最显
著，其次为液固比的影响. 提取温度、药粉粒度和超声
波作用时间对提取的影响相对较小. 超声提取新疆紫草
色素的优化工艺参数为：采用 80目(180 µm)的新疆紫草
粉末，液固比 12 mg/L，超声波功率为 1800 W，在 50℃
下超声提取 25 min.
本实验结果表明，超声波的应用大大提高了提取的
速率. 天然产物有效成分提取的过程主要分三步，首先
是溶剂扩散至天然产物细胞内，然后是有效成分溶解于
溶剂中，第三是有效成分扩散到外部溶剂中. 超声波能
提高提取的速率，主要是从热效应、机械效应及空化效
应等方面发挥作用，加强了溶剂扩散和有效成分的溶解.
超声能可转化为热能，介质所吸收的能量将大部分或全
部转化为热能，从而导致组织温度升高，加速有效成分
的溶解. 超声波的机械作用主要是辐射压强和超声压强
引起的. 辐射压强可使蛋白质变性、细胞组织变形. 而
超声压强以压强波的形式传播，使细胞壁上的有效成分
溶解于溶剂中[8].
同时，在超声场中由于被破碎物等所处的浸提介质
中含有大量的溶解气体及微小的杂质，它们包围在被破
碎物的胶质外膜周围，为超声波作用提供了必要条件.
空化中产生的极大压力造成被破碎物细胞及整个生物
体破裂，而且整个破裂过程在瞬间完成. 同时超声波破
碎过程是一个物理过程，浸提过程中无化学反应，被浸
提的生物活性物质在短时间内保持不变，生物活性不
减，同时提高了破碎速度，缩短了破碎时间，可极大地
提高提取效率[9]. 由此可见，超声波强化提取可以大大
提高提取的速率，有很大的发展前途.
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Effect of Ultrasonic Wave on the Extraction of Shikonin and
Its Derivatives from Arnebia euchroma Roots
GUAN Yi1,2, GE Feng1, WANG Xiao-dong1, ZHAO Bing1, WANG Yu-chun1
(1. State Key Lab. Biochem. Eng., Institute of Process Engineering, CAS, Beijing 100080, China;
2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)
Abstract: The ultrasonic extraction technique was used to extract shikonin and its derivatives from Arnebia euchroma roots. The effects
of ultrasonic power, temperature, extracting time, herbal powder size and liquid-to-solid ratio on the extraction of shikonin were studied.
The ultrasonic wave extraction results showed that the optimal extraction conditions were as follows: the powder size of Arnebia euchroma
roots was 80 mesh (180 µm), liquid-to-solid ratio 12 mg/L, temperature 50℃, extraction time 25 min and ultrasonic power 1800 W.
Key words: ultrasonic extraction; Arnebia euchroma (Royle) Johnst.; shikonin; derivatives
10 15 20 25 30
74
76
78
80
82
84
86
88
Particle size 80 mesh
Power 1800 W
L/S=12 mg/L
T=50℃
R
E (
%
)
Time (min)