利用超聲波(頻率大于20千赫)的空化效應、熱效應和機械作用使植物細胞壁及整個(gè)生物體在瞬間破裂，同時(shí)超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)作用加強了胞內物質(zhì)的釋放、擴散和溶解，從而高效提取化學(xué)成分的方法。超聲輔助萃取是經(jīng)濟、簡(jiǎn)單且有效的提取技術(shù)，能在一定程度上取代傳統的提取方法。 超聲輔助萃取的作用機制是，在機械力以及液體中微氣核空化化泡在聲波的作用下振動(dòng)所發(fā)生的生長(cháng)和崩潰的兩大作用力下，細胞壁破裂使微粒尺寸減小，促進(jìn)了物質(zhì)通過(guò)細胞膜的傳質(zhì)過(guò)程。超聲波能在彈性介質(zhì)中以縱波的方式進(jìn)行傳播，超聲波發(fā)生器將輸入的交流電轉化為高頻交流電信號，再通過(guò)超聲波換能器將高高頻交流電信號轉換為高頻機械振動(dòng)。超聲場(chǎng)因超聲能量大小的不同，可分為高頻超聲和功率超聲。超聲波的波長(cháng)短，頻率高，因因此其能量高，穿透能力強，束射性和方向性好。其原理主要是超聲波的空化作用和次級效應。 超聲波通過(guò)液體介質(zhì)向四周傳播，當聲能足夠高時(shí)，在疏松的半周期內，液相分子間的吸引力被打破，形成空化核?？栈说膲勖s為0.1微秒，它在爆炸的瞬間可以產(chǎn)生大約4000開(kāi)和1000兆帕的局部高溫高壓環(huán)境，并產(chǎn)生速度約110米/秒的具有強烈沖擊力的微射流，然后該熱點(diǎn)隨之冷卻，冷卻率達10°開(kāi)/秒，并并在液體中伴有強大的沖擊波，使有機物在空化氣泡內發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、水相燃燒、高溫分解或自由基反應，為有機物的降解創(chuàng )造造極端的物理環(huán)境。 湍動(dòng)效應主要是超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，空化作用產(chǎn)生的微射流和沖擊波加速了體系的湍動(dòng)和固體顆粒間的碰撞，使固體微粒獲得高加速度和動(dòng)能，固體表面不斷被剝離變薄，產(chǎn)生新的活活性表面，從而增加了固液接觸面積，加快了傳質(zhì)速率。同時(shí)，微射流和沖擊波還會(huì )對細胞組織產(chǎn)生強烈的物理剪切作用，使細胞損傷、破裂并釋放出內含物，促使萃取液向胞內擴散滲透，提高細胞內有效成分的提取率。 聚能效應是指空化泡在超聲場(chǎng)作用下破碎、聚集的能量瞬時(shí)釋放時(shí)，產(chǎn)生的局部高溫高壓可能破壞固體微粒之間的次級鍵，降低相互作用力，從而提高傳質(zhì)速率。同時(shí)，超聲波在介質(zhì)中作傳播時(shí)，聚集的能量不斷被介質(zhì)吸收，轉變?yōu)闊崮?，導致體系溫度升高。溫度適當升高有利于有效成分的溶解，提高傳質(zhì)速率和有有效成分的提取率。 在含少量聚合物的多相體系中，空化氣泡崩滅會(huì )使傳聲媒質(zhì)質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)速度和加速度，引起劇烈的振動(dòng)，這種劇烈的振動(dòng)在宏觀(guān)上表現出強大的液體力學(xué)剪切力，使大分子主鏈鏈上的碳鍵產(chǎn)生斷裂，可導致高分子降解。 超聲波對混凝具有促進(jìn)作用，當超聲波通過(guò)有微小絮體顆料粒的液體介質(zhì)時(shí)，其中的懸浮粒子開(kāi)始與介質(zhì)一起振動(dòng)，但由于大小不同的粒子具有不同的振動(dòng)速度，顆粒將相互碰撞、黏合，體積增大，最后沉淀。 超聲波提取技術(shù)是一種溫和的物理方法，影響提取率的因素主要有萃取劑、液料比、萃取溫度、超聲波功率、超聲波處理時(shí)間和超聲波處理次數。一般以單因素試驗為基礎設計正交試驗2，進(jìn)行響應面分析或回歸分析，來(lái)確定其最佳工藝條件。根據目標物質(zhì)的極性，運用相似相溶原理，來(lái)選擇合適的提取劑，但要考慮成本、環(huán)境污染等因素。液料比大，則提取效果較好，但給后續濃縮干燥增加難度，提取成本加大。溫度低會(huì )限制傳質(zhì)速率區，但溫度高一些化學(xué)物質(zhì)容易受破壞。超聲波功率越大，越有利于物質(zhì)的溶出，但當物質(zhì)溶解達到平衡時(shí)，超聲波功率再大物質(zhì)也難以溶解。一定時(shí)間內處理時(shí)間越長(cháng)，提取率越高，但時(shí)間太長(cháng)會(huì )使后續分離干燥困難。超聲波處理次數越多，提取效果越好 但超聲波處理次數過(guò)多會(huì )增加各種成本。 超聲輔助萃取技術(shù)已在環(huán)境、食品和天然產(chǎn)物樣品的分離分分析中得到了廣泛的應用，尤其在中草藥有效成分如多酚、蒽醌類(lèi)和多糖等的萃取分離中得到了良好應用。此外，超聲波還具有行很好的殺菌作用，可以保證粗提液不變質(zhì)。在傳統的索氏提取法中輔以超聲波的作用，能明顯縮短萃取時(shí)間，提高萃取效率。 隨著(zhù)固相微萃取、液相微萃取、分散液液微萃取等樣品前處處理方法的發(fā)展，超聲波與微萃取方法結合能大大加快微萃取中的萃取平衡，從而提高萃取效率;此外，一些新型材料如離子液依體、碳納米管也逐漸作為超聲輔助萃取的萃取介質(zhì)，用于環(huán)境污染物、天然產(chǎn)物有效成分的分離分析等領(lǐng)域，進(jìn)一步拓展了超聲轉輔助萃取技術(shù)的應用與研究。
當然，近些年在世界咖啡師賽場(chǎng)上也屢見(jiàn)超聲波裝置的應用。簡(jiǎn)單闡述下其原理及作用，期待大家發(fā)現更多有趣的應用。
