超声波辅助提取法虽然提取产率高、提取时间短,但大规模应用到工业化生产中还存在放大设计的难题。主要原因包括:(1)目前对超声提取过程所涉及的物理场缺乏有效的评价标准;(2)驻波效应导致声场分布不均匀,使空化效应难以发生;(3)超声波强化流体传质的机理尚不明确。基于上述情况,本研究构建了超声提取过程的多物理场耦合模型,实现了超声设备物理场分布的可视化;建立了提取过程中声场分布特性的评价指标,重点研究了不同声学参量、物理参量、换能器布阵方式对声场分布特性的影响,进一步阐明超声波的作用机理。以提取大豆蛋白为例,研究超声频率对蛋白提取率和微观结构的影响,从而验证超声波的作用效果和数值模拟的可靠性。研究结论如下:(1)分析超声提取过程中客观存在的物理场及其相互作用方式,基于声波产生机理、声流作用机理,推导了声固耦合、流固耦合的控制方程,建立了超声提取过程多物理场耦合的数学模型。(2)基于多场耦合的数学模型,通过添加合适的边界条件对超声提取过程进行仿真计算。声场仿真结果表明:超声波传播过程中存在多个正负压强的交变周期,引起媒质分子以平衡位置为中心的振动;随着功率密度的增大,绝对声压先增大后趋于平缓,声场的不均匀程度不断变大;随着超声频率的变化,绝对声压和相对标准差按照同样趋势变化,表明若要提高绝对声压,则声场均匀性变差,若要改善声场均匀性,则绝对声压变小;相对于系统流量,动力粘度、换能器间距及其布阵方式对声场分布特性有更大程度的影响。圆筒状超声设备可以通过调频改善声场分布的均匀性,促使大面积空化效应的发生;模型运算发现,该设备在共振频率28 kHz、35 kHz、45 kHz及其附近频率处超声提取的作用效果较好。流场的仿真结果表明:超声诱导的涡流效应能够增强流体扰动、改变流场分布、促进传质混合。(3)以提取大豆蛋白为例,通过单因素和正交试验确定了蛋白提取最佳工艺条件:功率密度120 W/L,提取时间25 min,料液比1:20 g/mL,pH为11.0,提取温度45℃,粉碎细度80目。最佳条件超声提取均显著优于最佳条件传统碱提(p<0.05),且提取率随超声频率的增大不断减小,共振频率及其附近频率处超声提取的作用效果较好;紫外差光谱(UV)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、荧光光谱(AFS)和圆二色谱(CD)结果表明,相对于高频超声,低频对蛋白结构的影响更为显著,共振频率会破坏蛋白的结构使其极端变性。数值模拟与试验结果相吻合,验证了超声波的作用效果和数值模拟的可靠性。