超聲波輔助植物提取設(shè)備系統(tǒng)的研制

蔡婀娜，湯須崇

（華僑大學(xué) 化工學(xué)院，福建 廈門 361021）

·實(shí)驗(yàn)儀器研制·

超聲波輔助植物提取設(shè)備系統(tǒng)的研制

蔡婀娜，湯須崇

（華僑大學(xué) 化工學(xué)院，福建 廈門 361021）

將超聲波破碎原理與植物中有效成分的提取工藝和技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行外加熱循環(huán)、超聲波破碎及電動(dòng)攪拌裝置協(xié)同作用的提取罐設(shè)計(jì)，并利用原有的設(shè)備資源，制作了一套適用于本科教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)的超聲波輔助植物提取設(shè)備系統(tǒng)。該設(shè)備系統(tǒng)由加熱裝置、提取裝置和控制裝置3部分組成。系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于茶葉中的茶多酚提取實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

超聲波；植物提取；設(shè)備；研制

植物中的有效成分大部分存在于細(xì)胞內(nèi)，如何將其高效提取出來(lái)，應(yīng)用于生物醫(yī)藥和食品化工等行業(yè)，為人類造福？這是現(xiàn)階段科研課題的研究熱點(diǎn)之一。探索先進(jìn)的提取工藝、開(kāi)發(fā)高效率的植物提取設(shè)備，是研究植物有效成分提取的關(guān)鍵所在。

超聲波破碎法是破碎細(xì)胞或細(xì)胞器的一種有效方法，其機(jī)理與超聲波作用溶液時(shí)，從氣泡產(chǎn)生、長(zhǎng)大，到氣泡破碎的空化現(xiàn)象有關(guān)。空化現(xiàn)象引起的沖擊波和剪切力使細(xì)胞裂解，細(xì)胞內(nèi)的有效成分瞬間釋放到溶劑中，從而提高提取效率，縮短提取時(shí)間。采用超聲波破碎技術(shù)進(jìn)行植物提取，具有提取速度快、提取率高、選擇性好等特點(diǎn)［1］；而且超聲波提取具有一次性處理量大、重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波提取技術(shù)廣泛應(yīng)用于植物的有效成分提取。該技術(shù)在植物浸取領(lǐng)域，取得了一定的效果，發(fā)揮了重要的作用。

1 超聲輔助植物提取設(shè)備的研制

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的超聲波提取設(shè)備主要有水浴式超聲波提取器和探頭式超聲波提取器兩種，即超聲波清洗器和超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)兩種設(shè)備。超聲波清洗器的超聲換能器吸附在不銹鋼浴槽的底部，其特點(diǎn)是采用多換能器組合工作，超聲波總功率可以做得比較大，但單位體積的功率較小。超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)的探頭式換能器則可以插入任何需要的提取容器中，其特點(diǎn)是采用單個(gè)大功率超聲波換能器，通過(guò)聚焦使單位體積的功率較大，但總功率相對(duì)較?。?-3］。探頭式超聲波提取器的提取效果優(yōu)于水浴式超聲波提取器。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的植物提取設(shè)備均為工業(yè)生產(chǎn)型，提取罐容量較大，不適宜教學(xué)和科研使用。通過(guò)調(diào)研，了解了目前國(guó)內(nèi)外植物有效成分提取技術(shù)及設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［4-7］。針對(duì)華僑大學(xué)化工學(xué)院的具體情況和實(shí)際需求，我們結(jié)合現(xiàn)有條件和設(shè)備資源，進(jìn)行了外加熱循環(huán)、超聲波破碎及電動(dòng)攪拌裝置相結(jié)合的提取罐設(shè)計(jì)，制作了一套由加熱裝置、提取裝置和控制裝置3部分組成的探頭式超聲波輔助植物提取設(shè)備系統(tǒng)，其中的提取罐設(shè)計(jì)是該設(shè)備研制的關(guān)鍵。

1.1 加熱裝置

市售的探頭式超聲波提取設(shè)備大多采用空氣浴加熱及恒溫，其加熱溫度不均衡，也不容易保持穩(wěn)定，極易產(chǎn)生局部過(guò)熱、焦化、粘結(jié)等現(xiàn)象，大大影響了提取液的質(zhì)量，影響植物提取效率。采用超級(jí)恒溫水浴進(jìn)行外部加熱，利用水浴循環(huán)泵將熱水引入提取罐夾套，對(duì)提取罐中的物料進(jìn)行加熱，使物料快速升溫，并恒定在所需要的提取溫度；從而避免提取罐中的固體物料直接與加熱筒壁和底部接觸而發(fā)生焦化、核變的現(xiàn)象。

1.2 提取裝置

相對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)提取罐或帶攪拌的提取罐而言，本提取設(shè)備將超聲波裝置和電動(dòng)攪拌裝置組合在一起，既簡(jiǎn)化了設(shè)備，節(jié)省了空間，又利用超聲波提取的先進(jìn)工藝和電動(dòng)攪拌的協(xié)同作用，使物料均勻受熱，避免因局部溫度過(guò)高而破壞熱敏性提取物的活性，從而保證了提取物的品質(zhì)。

超聲輔助植物提取罐設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 植物提取罐設(shè)計(jì)圖

本文提取罐選用不銹鋼材質(zhì)，罐體采用夾套式圓柱形桶體設(shè)計(jì)，桶體直徑為20 cm，高度為50 cm，徑高比為2∶5，容積約為15 L。提取罐桶體頂蓋設(shè)計(jì)超聲波探頭插入孔（?40）和電動(dòng)攪拌器攪拌棒接入口（?26），同時(shí)設(shè)計(jì)溫度探測(cè)器連接管、采樣管和放氣管（直徑各為?10的接口），以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提取溫度和提取效果。提取罐罐體容量較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研試驗(yàn)。

1.3 控制裝置

利用超級(jí)恒溫水浴及循環(huán)水泵的協(xié)同作用，達(dá)到提取液循環(huán)溫度的自動(dòng)控制；利用自動(dòng)分步收集器和循環(huán)泵系統(tǒng)對(duì)提取液進(jìn)行自動(dòng)取樣，從而對(duì)提取過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，保證提取效率。

2 設(shè)備系統(tǒng)的組成及工作原理

本文提取設(shè)備系統(tǒng)主要包括超級(jí)恒溫水浴、植物提取罐、超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、電動(dòng)攪拌器、自動(dòng)部分收集器等組成部件。提取設(shè)備系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 提取設(shè)備系統(tǒng)示意圖

設(shè)備系統(tǒng)采用超聲波浸提技術(shù)進(jìn)行植物提取，其工作原理是利用超聲波的空化現(xiàn)象、機(jī)械作用和熱效應(yīng)等特點(diǎn)，促使被提取物的有效成分迅速釋放到溶劑中，達(dá)到快速提取的目的。超聲破碎的效率取決于聲頻、聲能、處理時(shí)間、細(xì)胞濃度及細(xì)胞類型等。

設(shè)備系統(tǒng)工作過(guò)程中采用超級(jí)恒溫水浴加熱并精確控制所需要的提取溫度，將預(yù)先加熱的水浴引入提取罐夾套內(nèi)，通過(guò)循環(huán)水浴對(duì)物料進(jìn)行快速加熱并自動(dòng)控溫。由于水浴溫度可控范圍廣，較適用于天然產(chǎn)物的低溫提取操作。采用夾套式不銹鋼提取罐設(shè)計(jì)，利用夾套水浴對(duì)物料進(jìn)行加熱，有利于物料均勻受熱，避免局部焦化。通過(guò)罐體頂部加入超聲波探頭，利用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)進(jìn)行超聲浸提，可以大大提高植物有效成分的提取效率。同時(shí)在提取罐中加入電動(dòng)攪拌器，不斷攪拌翻動(dòng)提取罐內(nèi)的物料，有利于提高浸提效率。采用自動(dòng)部分收集器，設(shè)定分時(shí)段取樣，分析植物的有效成分，監(jiān)測(cè)提取效果，使提取過(guò)程實(shí)時(shí)可控。

3 植物提取設(shè)備系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）本設(shè)備系統(tǒng)采用外部水浴循環(huán)加熱、超聲波破碎及電動(dòng)攪拌裝置相結(jié)合的提取罐設(shè)計(jì)，具有熱效率高、耗能少、提取物質(zhì)量好和提取率高等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了傳統(tǒng)的浸提法、壓榨法、萃取法、回流提取法等提取方法存在的提取效率低、提取時(shí)間長(zhǎng)、得率較低、能耗較大等問(wèn)題。

2）目前市場(chǎng)上銷售的小型超聲波提取設(shè)備，價(jià)格普遍較高，單臺(tái)售價(jià)最低也要五萬(wàn)元，而且都是采用空氣浴對(duì)物料進(jìn)行加熱，穩(wěn)定性不能保證；或者由于提取罐體積大，容量大（40 L以上），占地多，用料多，不適宜實(shí)驗(yàn)室使用。本提取設(shè)備系統(tǒng)的提取罐體積較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，較適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研試驗(yàn)，體現(xiàn)了價(jià)廉物美的優(yōu)勢(shì)。

3）利用原有的超級(jí)恒溫水浴、超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、自動(dòng)分步收集器和蠕動(dòng)泵等設(shè)備資源，并利用廢舊的電動(dòng)攪拌器等部分配件，經(jīng)過(guò)加工、改造、組合和配套，進(jìn)行本提取設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作；既達(dá)到設(shè)計(jì)的目的和要求，又充分利用廢舊設(shè)備的有效價(jià)值，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，提高了投資效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用外部加熱循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合超聲波輔助技術(shù)，設(shè)計(jì)制作適用于天然產(chǎn)物有效成分提取的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，達(dá)到了提高熱效率，加快提取速度，提高提取率的目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用于茶葉中的茶多酚提取實(shí)驗(yàn)［8-10］，取得了良好的效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。預(yù)計(jì)該設(shè)備系統(tǒng)在植物中的多糖類物質(zhì)的提取、多酚類物質(zhì)的提取、黃酮類物質(zhì)的提取等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Development of Ultrasonic Assisted Phyto-extraction Device System

CAI Ena，TANG Xuchong
（College of Chemical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

We combine the principle of ultrasonic fragmentation and the technology of extraction of active principle from plant to design an extraction pot，with which external heating cycle，ultrasonic fragmentation and electronic mixing device will take effect coordinately.Based on the existing devices resources，we have made a set of ultrasonic assisted phyto-extraction device system，which is applicable to undergraduate education and experimental research.This device system consists of heating device，extracting device and controlling device.The system has been applied to the experiment of tea polyphenols extraction in tea，and has achieved good results，which has a certain practical value.

ultrasonic；phyto-extraction；device；development

TQ028.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.020

2015-03-21；修改日期：2016-07-04

華僑大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改課題（66661221Z）。

蔡婀娜（1962-），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理工作。