食用和非食用来源的脂质是食品工业中的重要原料之一，对其需求已经覆盖到食品、制药、可再生能源及化学合成等行业。油脂作为重要的营养组分，同时也是人体细胞组成的重要成分，在保护内脏、维持体温、维持人体正常新陈代谢方面起着重要作用[1]。据世界粮农组织统计，全球56 种油料作物的总收获面积和产量分别达到3.24×104 亿平方米和1.01 亿吨，在未来油料作物的产量有望持续增长[2]。
脂质的提取是制备天然脂溶性物质的重要环节。在合成生物柴油时，仅提取油脂就消耗了整个过程近90%的能量，成本昂贵[3-4]。因此，更高效率地提取脂质尤为重要。传统的溶剂萃取方法有索氏提取法、浸渍法等，这些方法操作简单，但由于提取过程需要高温或较长的提取时间，很容易破坏提取物的结构，并导致一些挥发性成分损失[5]。传统萃取方法的效率低、生产周期长，不能满足油脂生产的需要。
近年来，超声波逐渐应用到油脂提取领域。超声波辅助提取（ultrasonic assisted extraction，UAE）作为一种新型加工提取技术，利用超声振荡产生的强烈空化、扰动、高剪切、破碎和搅拌等多重效应，加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行[6]。常用的超声设备包括超声浴和探头式超声设备，通过设定超声频率和温度控制调节脂质的萃取效率。超声波与许多技术如微波和超临界流体萃取等结合的超声耦合提取技术也不断被研究应用，通过这些技术的协同效应可以大幅改善萃取效果并提高萃取效率。如今超声耦合提取技术已被广泛应用于蛋白质和油脂提取，以及食品原料中活性成分和糖类等物质的提取分离。本文从不同种类原料中脂质的提取入手，介绍UAE 提高脂质提取效率的作用机理，详细介绍影响UAE 效率的主要因素和UAE 对脂质提取率及脂肪性质的影响，对超声耦合辅助提取技术进行总结，以期为UAE 提取食品原料中脂质提供参考。
1 超声辅助提取技术在脂质提取中的应用
脂质提取所用的原料主要包括植物、动物、微藻和真菌[2]。当前研究主要集中于植物，尤其是富含脂质的种子和橄榄。植物原料中含有更多的不饱和脂肪酸，动物原料含有更多的饱和脂肪酸。目前，对动物原料中提取脂质研究较少，且主要集中在克氏原鳌虾、太平洋白虾及其加工副产品上。近年来从真菌和微藻中提取脂质受到关注，凭借其可产业化培养的特点，使大面积稳定获取脂质进一步成为现实。其中，微藻类提取脂质由于具有产量高和环境友好的特点，被视作食物油脂生产的可持续来源，但是提取成本昂贵，仍有待进一步研究[7]。
1.1 植物来源
1.1.1 种子中脂质的提取
油质植物种子是一种可在全球范围内获得的可再生脂质资源，仅大豆就占世界油料作物产量的70%以上。许多种子的脂质含量更是占质量的30%以上[8-9]，种子中的脂质成分包括三酰基甘油和其他微量成分（如植物甾醇、酚类、类胡萝卜素、生育酚和磷脂等）[10]。植物种子可以直接用于脂质的提取，也可以在使用前进行干燥和研磨，以便获得较小的颗粒[11-12]。UAE 在此过程中最明显的优势是缩短了提取时间和减少了能源消耗，Sanwal 等[13]在提取沙棘籽油时发现UAE 提取效率明显高于溶剂萃取，在50 ℃、液样比10 ∶1（mL/g）的条件下使用700 W 的超声功率处理5 min 就可以获得最高油产量6.78%。但有研究表明某些种子通过超声辅助提取并不会明显增加油脂的提取率。唐琳琳[14]在提取红树莓籽油发现索氏提取法和UAE 的产率相似，分别为19.96%和20.34%。Pereira 等[15]使用索氏提取和亚临界流体萃取百香果种子中油脂的提取率分别为28.33%和23.68%，均高于UAE（20.96%）的提取率。UAE 有望成为小规模工业和大规模工业提取脂质的有效技术之一，在化妆品和医药行业得到广泛的应用。
1.1.2 橄榄中脂质的提取
作为亚热带树种之一，油橄榄的主要用途是生产橄榄油。橄榄油一般从它的果实、叶子和种子中获取[16]。当前超声波已广泛应用于橄榄油提取，提取溶剂一般选用水。Chanioti 等[17]发现应用超声技术可以实现约88.93%的橄榄油回收率，且提取物中的不皂化物、多酚含量和抗氧化活性均优于传统溶剂萃取。Bejaoui 等[18]开发了用于超声处理的实验室规模设备，明显提高了橄榄油的可萃取性和工业产量。Taticchi 等[19]推出了一种大功率工业超声波设备，处理能力达到了2 t/h，相较于传统萃取方法提取率提高了22.7%。
1.2 动物食品中脂质的提取
动物是脂质的重要来源之一。作为太平洋白虾的副产物，其头胸中富含n-3 脂肪酸、β-胡萝卜素和虾青素等脂质[20]。由于太平洋白虾成本低、易获得，当前对它的脂质提取的研究居多。Sinthusamran 等[21]通过对水解虾头胸蛋白所获得的含脂固体残渣进行超声辅助提取，证明了UAE 可以提取所需脂质，可以从其头胸蛋白中提取到二十二碳六烯酸、二十碳五烯酸、类胡萝卜素、虾青素、虾青素单酯、虾青素二酯和角黄素等脂质。Gulzar 等[22]发现当通过UAE 在80%的超声振幅条件下以连续模式提取25 min 时，经过预热的样品的脂质产量最高（13.3 g/100 g～14.1 g/100 g），且通过预热和添加单宁酸在一定程度上可以减少脂质的氧化，优化了太平洋白虾的提取技术。
1.3 真菌中脂质的提取
真菌可以在较短孵化时间内产生大量脂类物质且具有可再生和环保的优势，容易实现大规模生产。Mortierella isabelline、Trichosporon sp.和Yarrowia lipolytica 是主要研究的3 种用于脂类物质生产的真菌。Drévillon 等[23]研究发现在对Yarrowia lipolytica 细胞预处理提取脂质时，UAE 相较于传统萃取技术可以明显地促进脂质溶解和缩短提取时间。Jeevan Kumar 等[24]发现产油酵母在30 ℃、2 800 W 和20 min 条件下，UAE比索氏提取的萃取率高13%。通过基因技术改造的真菌已被开发用于生产食用脂质，在未来有望成为脂质的主要来源之一。
1.4 微藻中脂质的提取
微藻具有快速生长、合成和积累大量脂质（占干重的20%～50%）的优势，因此从微藻中提取油脂是其主要用途之一。但是微藻的细胞壁不容易破坏，会阻碍脂质的释放，导致油脂的生产成本高、产品收率低[25]。可利用超声技术对微藻细胞进行机械破裂，超声触发的冲击可破坏坚硬的细胞壁，使细胞的内容物更好地溶解在溶剂中便于提取。徐开伟等[26]发现与传统提取方法相比，UAE 提取微藻中脂质可缩短9/10 的时间，提取效率可提高50 倍～500 倍。通过超声耦合提取技术还可以获得更高的破碎效率和更小的颗粒尺寸。Blanco-Llamero等[27]提取微藻细胞中脂质时发现，超声辅助酶处理与水解酶组合处理相比，可以获得较高的糖脂提取率，为44.54%。超声辅助提取不同原料中的脂质见表1。
表1 超声辅助提取不同原料中的脂质
Table 1 Ultrasound-assisted extraction of lipids from different raw materials
注：/表示文献中没有相关参数。
来源 原料 萃取溶剂 技术参数 产率/% 参考文献植物 种子 沙棘 正己烷 50 ℃、552 W、8.28 min 23.70 [13]红树莓 正己烷 30 ℃、120 W、25 min 20.34 [14]百香果 乙醇 60 ℃、165 W、60 min 20.96 [15]橄榄 橄榄果渣 正己烷 60 ℃、12 mL/g、1 h 11.03 [17]橄榄果实 / 200 W，600 kHz，20 min 75.3 [18]橄榄叶 水 2.8 kW、3 bars 18.1 [19]动物 太平洋白虾头胸部 异丙醇与正己烷体积比为1∶1 600 W，20 min 13 [21]太平洋白虾头胸部 异丙醇与正己烷体积比为1∶1 0.12 W/cm3、25 min 14.1 [22]真菌 Yarrowia lipolytica 氯仿与甲醇体积比为2∶1 400 W、24 kHz、50%占空比、60 min 35.5 [23]Trichosporon sp. 氯仿与甲醇 30 ℃、50 Hz、2 800 W、20 min 43 [24]微藻 淡水小球藻 正己烷与异丙醇体积比为4∶1 254 W、40 Hz、13 min 18.91 [26]微拟球藻 氯仿与甲醇体积比为2∶1 55 ℃、37 kHz、160 W、6 h 21.86 [27]
2 超声辅助提取提高脂质提取率的机制
以植物细胞为例，采用超声辅助提高油脂提取率的机制见图1。
图1 超声波作用于细胞诱导提取脂质的机制
Fig.1 Mechanism of ultrasound-assisted extraction of lipids from cells
在溶剂萃取中，溶剂渗透入植物细胞基质中会溶解脂质并开始从细胞中流出，但由于细胞壁和细胞膜的结构较为紧密，阻碍脂质的释放，只有极少部分脂质由于细胞内外浓度差而扩散出来。由图1（a）可知，当释放超声波时，溶液内会形成不均匀的压力场，迫使溶剂快速振动[28]。当局部压力降低至低于饱和蒸汽压时，溶剂会被汽化为空化核。它会使溶液中的其他空化核在声场下振动和生长。由于超声波在介质中传播，空化核的表面压力会随着高频发生剧烈变化，同时随之振动并进一步发展[29]。在某一时刻，施加在气泡表面的快速变化的交变应力会导致气泡剧烈破裂，产生空化效应，从而导致许多次生现象，如冲击波、自由基等。气泡的周期性产生和破灭会相继发生并产生周期性的空化效应[30]。这种作用会破坏细胞壁和细胞组织，使其被降解并释放内容物，增加了溶剂穿透力，从而提高了脂质的萃取效率，如图1（b）所示。在脂质提取中，超声、溶剂和基质之间的相互作用是复杂的。目前已经确定在超声辅助提取中提高提取率的机制包括碎裂、侵蚀、毛细作用、声孔效应、局部剪切应力、去纹理以及它们的综合效应，宏观上体现为超声辅助提取的传质效应。
3 影响超声辅助提取效率的主要因素
3.1 溶剂
溶剂的种类会明显影响UAE 的萃取效率，这与超声时的空化效应有关。溶剂开始空化时需要克服液体分子之间的内聚力来稀薄循环期间的负压。溶剂黏度的升高或表面张力的升高均会引起这些分子间相互作用的增加，空化阈值明显提高。因此，在处理高黏度样品时，振幅应增大。Perrier 等[31]利用UAE 提取油菜籽油时分别以己烷、异丙醇和乙醇作溶剂，发现产率存在明显差异，证明了溶剂的不同，其溶剂特性会影响萃取效率。因此，在选择溶剂时要考虑到目标提取物的溶解度、溶剂的黏度、表面张力和蒸气压等物理参数。超声溶剂主要分为单一溶剂和复合溶剂。在实际操作中优先选择单一溶剂。其中以正己烷和水最为常用。正己烷的脂溶性优于水，而水在提取脂质方面具有自然分层的优势，离心后可以更容易的分离和定位上层的脂质。在超声的作用下可以产生乳化后的小液滴，促进乳化效应，提高脂质的提取率。
3.2 温度
温度主要是通过影响溶剂的性质来影响萃取效率。当温度升高时，溶剂黏度和表面张力降低，导致蒸汽压升高。蒸汽压升高会导致更多的溶剂蒸汽进入气泡腔和空化气泡，减弱气泡坍塌剧烈程度并减弱超声处理效果[32]。一般脂质的提取温度为30 ℃～60 ℃，UAE在该范围内获得的脂质提取效率较高。但是当温度接近溶剂的沸点时，提取效率变化不明显。Zhang 等[33]使用正己烷为溶剂萃取亚麻籽油时发现当温度从30 ℃升高至50 ℃时，亚麻籽油的回收率仅增加约0.1%。
3.3 溶解气体及外部压力
溶解的气体是溶剂中空化气泡形成的基础。这些溶解在溶剂中的气体在超声波的作用下形成空化泡中的核[34]。通常，萃取时溶解于溶剂中的气体成分不受控制。外部压力的大小会影响超声时声压的变化。当外部压力增加时，需要更大的声压来诱发空化。如果在外部压力（＞101 325 Pa）下达到空化阈值，空化气泡破裂的强度比没有压力的情况下要高，会明显增强声化学效应[32]。
3.4 其他因素
除以上因素外，UAE 的效率还受其他条件的影响。包括原料的预处理[35]、结构、可塑性和成分差异等[36]。还与超声波的物理参数有关，相关情况如表2 所示。
表2 影响萃取效率的超声物理参数
Table 2 Ultrasound parameters affecting extraction efficiency
物理参数 影响原因 优化方案 参考文献功率和频率 改变空化时的剪切力大小增加超声功率、减少原料水分及优化温度[37]强度 改变声压的大小，导致声化学效应的强度变化根据提取介质不同特性优化超声强度参数[38]反应器的形状和尺寸超声波接触到固体表面时会反射，导致能量的衰减，影响空化效应的强度选择较薄的平底容器，注意发射器相对于换能器的位置，保持超声波探头和容器壁之间的最小空间[39]
4 超声辅助提取对脂质提取率及脂肪性质的影响
4.1 脂质萃取效率
萃取效率是选择脂质提取技术时考虑的重要因素，大多数研究表明UAE 的提取率高于溶剂萃取，这与超声引起的空化效应分不开。王维亚[40]采用Burton 法、回流法、UAE 提取乌骨鸡磷脂时发现UAE 的提取方法最佳，Burton 法、回流法的磷脂相对提取率最高为45.69%和42.5%，并通过正交试验得出在溶剂为正己烷∶异丙醇=3 ∶1（体积比）、固液比1 ∶7（g/mL）、30 ℃、超声40 min 重复提取2 次的最佳工艺条件下可以得到85.29%的提取率。在某些情况下UAE 可能不会明显增加脂质含量[41-42]，但与溶剂萃取相比，UAE具有节省时间和能量的优点，这是能源输入形式造成的。UAE通过空化效应将能量输入溶剂，而溶剂萃取通过热输入能量，UAE 可以大量减少溶液升温过程中的能源消耗[43]，因此在超声条件下可以明显改善脂质提取的动力学、提高脂质提取效率并缩短平衡时间。
4.2 脂质提取组分
超声辅助提取对脂质提取成分影响不大，但对提取的脂质中脂肪酸含量可能产生一定的影响[44]。与溶剂萃取相比，通常超声得到的不饱和脂肪酸略高，饱和脂肪酸略低，这有可能与每种提取条件所需处理温度不同有关。此外超声波会引起脂质的氧化，这可能与过氧化氢的形成有关[45]。超声时间和功率对脂质的氧化也有一定的影响[46]。Liu 等[11]在利用UAE 制取屈曲花籽油时检测了不同超声强度对脂肪成分、饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸含量的影响。发现脂肪酸谱和饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸没有明显变化，单不饱和脂肪酸略有增加，饱和脂肪酸略有减少，这表明脂肪酸含量可能不受超声波强度的影响。如今高效超声已经用于脂质组学，以改善脂肪酸等多种代谢物的浸出和提高样品制备效率。
4.3 脂质稳定性
脂质的稳定性与温度和超声功率等操作条件紧密相关[47]。过氧化值通常用来表征基于脂质氧化获得过氧化物和氢过氧化物的脂质稳定性。通常，较长的曝光时间和较高的温度会导致热氧化并带来较高的过氧化值。因此，通过应用UAE 节省的提取时间和能量可以提高提取的脂质质量[48]。通过正己烷提取植物甾醇和生育酚的方法获得脂质的含量较低，这也是氧化诱导时间较短的原因，因为这些活性化合物的抗氧化作用有助于提高油的氧化稳定性[47]。尽管高温条件下溶剂提取时间延长，木瓜籽油的热降解作用更大，但超声波的应用使木瓜籽油更加稳定[49]。
4.4 脂质抗氧化性和抗菌性
抗氧化性是脂质最重要的特性之一。超声波可以增强脂质的抗氧化性，这与提取的脂质中化学成分存在差异有关。UAE 提取物中具有更高的含氧成分，如醛基活性基团和羟基活性基团[50]。Bejaoui 等[51]测试了超声波频率对初榨橄榄油品质的影响。结果表明，不同超声频率的油质指标之间没有明显差异，乙酯含量远低于欧洲法规EEC 2568/91 规定的橄榄油标准含量限值，没有观察到氧化状态的改变。Clodoveo 等[52]的结果表明通过UAE 获得的橄榄油属于“特级初榨”的标准类别。Gila 等[53]检测了不同超声波时间处理后的初榨橄榄油氧化参数发现UAE 不会影响或降解油，也不会改变成分中的脂质和热特性。因此，UAE 可用于生产商业油。应当注意的是，UAE 应在无氧条件下进行，避免因氧气的存在而形成氢过氧化物导致脂质氧化[54-55]。
抗菌性能是化合物的功能特性指标之一。在食品加工业中，超声波处理常用于清洗、提取、提纯、嫩化和灭菌[56-58]。一直以来，无论是单独作用效果，还是与其他抗菌药物和策略的联合作用效果，超声技术都被视作一种广泛抗菌的有效方法[59]。由于存在鞣花酸、单宁等多酚类物质，石榴提取物以其抗菌特性而闻名[60]。Okan等[61]研究了石榴籽油对5 种不同植物病原体的抗真菌效果，发现在1 000 mg/kg 浓度下石榴籽油可以抑制约20%的菌丝生长。此外，食品的抗菌特性也与脂质尤其是油酸的含量有关，提高对应的脂质含量可以提高抗菌能力[9]。因此，UAE 可以通过提高某些脂质成分的含量来改善脂质的抗菌效果。
5 超声耦合提取技术
5.1 超声辅助索氏提取
索氏提取法是提取脂质的传统方法，如今已广泛应用于环境、食品和制药等领域。其原理是依靠沸腾溶剂的冷凝蒸汽对原料迭代渗透来进行的，相对简单。但是由于其操作时间长、溶剂体积大等缺点，Luque-García 等[62]和Djenni 等[63]研究开发了超声辅助索氏提取的方法，通过在提取室外部或内部应用超声波以增强固液提取和代谢物从固体基质向溶剂的迁移，明显缩短了提取时间，而不会影响目标提取物的组成和质量。该系统可用于提取油质种子的油脂和脂肪酸成分、香肠产品中的脂质、奶酪和烘焙产品中的脂肪。
5.2 超声波辅助克莱文格（Clevenger）蒸馏
克莱文格（Clevenger）蒸馏是一种从植物材料中分离挥发性化合物获得精油的传统方法。该方法通过芳烃基质的反复蒸馏和沸腾进行，一般需要大量的水和能量，提取时间为6 h～24 h。在蒸馏过程中，芳香植物暴露在沸水或蒸汽中，会蒸发释放其精油。随着香精香料行业的发展以及对更多天然产品的需求不断增加，提高产物的萃取效率就显得愈发重要，这促进了超声波与克莱文格（Clevenger）蒸馏的结合，与传统工艺相比，超声辅助克莱文格（Clevenger）蒸馏提取大大缩短了提取时间，并提高了目标产量，这种方法还可以保存热敏感的原材料。
5.3 超声辅助微波提取
微波是一种300 MHz～300 GHz 的电磁波，其强度可以破坏细胞壁。它通过加热或蒸发植物细胞内的H2O 等极性分子，从而产生高内压并分解细胞壁[64]。超声辅助微波萃取快速高效，是最有前途的混合技术之一。Gumaling 等[65]研究了超声辅助微波预处理对紫藤种子生物油产率的影响，研究发现经过2.45 GHz 频率、180 W 的UAE 处理7 min 的微波预处理结合60 ℃、50 μm 共振振幅、15 min 的UAE 处理，生物油产率提高了5%，回收率达到了43%。通过傅里叶变换红外线光谱技术对产生的生物油进行分析，发现提取的生物油与常规预处理种子中功能基因相似，表明超声辅助微波提取不会破坏种子中存在的化合物。不同技术对大部分脂肪酸和植物甾醇的含量没有明显差异，但超声辅助微波提取的提取物的抗氧化能力较高[66]。超声辅助微波提取对物质的结构具有一定的影响，因此处理时需要控制输入功率。
5.4 超声辅助超临界流体萃取
超临界流体萃取技术主要是基于流体在其临界点以上增强了溶剂的萃取能力，它具有预浓缩效果，清洁安全、产量更高、操作简单的优点。但使用超临界流体萃取从固体基质中提取脂质的动力学较低[67]。Santos等[42]发现超临界CO2 萃取在60 ℃、20 MPa 获得最高产率仅为2.23%，远低于同试验中UAE 最高70%的产率。UAE 与超临界流体萃取结合可以缩短提取时间并减少溶剂体积，因此促进了超声辅助超临界流体萃取方法的产生，超声波可以在超临界流体中产生强烈的机械效应以促进萃取，增强目标物质从固相到萃取的溶剂传质[68-69]。Liu 等[11]采用超声辅助超临界流体萃取屈曲花籽油，发现萃取得到的种子油提取率比对照组高28%。与传统方法相比，超声辅助超临界流体萃取可以有效提高油品质量，略微提高单不饱和脂肪酸的选择性，并提高脂质中的植物化合物含量和抗氧化活性。超声辅助超临界流体萃取受到压力、CO2 流速和时间等参数的影响，一般它们的影响是积极的，但也有研究发现压力和高温的负面影响[70-71]。虽然超声辅助超临界流体萃取对萃取装置的要求较高，但由于无毒、无污染、萃取剂便宜、提取后易处理的优点，可以有效地应用于工业规模的油脂提取，促进可持续发展。
5.5 超声辅助酶提取
植物细胞壁主要由果胶和纤维素组成，其紧密的结构阻碍了细胞内化合物的释放，因此破坏细胞壁是提高萃取效率的关键步骤。传统的方法是采用水酶法如果胶酶、纤维素酶等水解和破坏细胞壁，它存在成本高、处理时间长等缺点。通过超声波辅助可以有效改善提取效果，超声波可以破坏细胞壁，并将酶分散在反应溶液中来提高提取效率[72]。Long 等[73]通过应用超声辅助酶提取处理亚麻籽可以获得最高68.1%的采油率，油品相较于溶剂萃取含有更高的单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，其多不饱和脂肪酸浓度高达69.1%，同时表现出更高的抗氧化活性，这些结果与芝麻油水酶法提取的数据一致[74]。在实际操作中需要考虑到超声强度对酶活性的影响以及提取时间和酶浓度对空化效应效果的影响[75]。
6 结语
UAE 作为一种近年新兴的提取技术可以有效提高脂质的提取效率，弥补了传统萃取时间长、效率低的局限性，而且操作简单、能耗低、对食品的品质和营养价值影响较小，表现出很好的市场潜力。超声耦合辅助提取技术具有提高提取效率和脂质质量的优势，为实际应用提供更优的解决方案，有望在未来得到更加广泛的应用。但是UAE 具体机制尚不清楚，在试验设计中仍然受到一定阻碍，超声过程中溶剂系统的相互作用影响也缺乏足够的关注。对如何扩大生产规模实现工业化仍需要进一步讨论。总之，超声辅助技术的出现为食品行业对提高脂质产量提供了更多选择，为脂质研究提供了一定帮助。
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