超聲波輔助提取米渣蛋白的仿真模擬

李珂昕 馬海樂 李樹君,2 杜先鋒

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，鎮(zhèn)江 212013)(國機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司2，北京 100080) (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心3，合肥 230036)

大米蛋白具有合理的氨基酸、獨(dú)特的低應(yīng)變源和高營養(yǎng)價(jià)值，被公認(rèn)為優(yōu)質(zhì)的谷物蛋白，適合添加于嬰兒食品和特殊人群的功能食品中[1-5]。目前，食品中所用的大米蛋白多采用酶法去除大米中非蛋白成分而制得。大米中蛋白含量低、提取成本高，不是理想的大米蛋白來源[2]。米渣是大米經(jīng)過高溫液化提取淀粉糖之后的副產(chǎn)物，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以上，是制備大米蛋白的理想原料。經(jīng)高溫液化，大米蛋白易被外層的糊精和寡聚糖包裹，致使蛋白不易被游離出來[6]。目前，對副產(chǎn)物的回收利用均得到一定的重視，然而從米渣中提取大米蛋白是一個(gè)耗時(shí)的過程。

在固液提取系統(tǒng)中，超聲波改善有效組分的提取率，主要是基于聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)。空化產(chǎn)生的條件是聲波在流體介質(zhì)中傳播時(shí)存在一個(gè)正負(fù)交變的聲壓，且聲壓水平大于空化閾值。因此衡量超聲波提取效果的一個(gè)重要參數(shù)就是聲場中聲壓分布[7-8]。目前，超聲波技術(shù)是一種安全、無毒、環(huán)保、新型的綠色提取技術(shù)，在國外已被廣泛應(yīng)用于提取工業(yè)中。但是，在國內(nèi)超聲波的應(yīng)用進(jìn)程還比較緩慢，大規(guī)模的應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中還存在著放大設(shè)計(jì)的難題。主要由于超聲波在液體中傳播時(shí)，衰減迅速，能夠產(chǎn)生空化的區(qū)域僅在超聲波探頭附近，對提取的作用效果很小甚至沒有。在超聲波作用區(qū)域，模擬聲波傳播，了解聲壓分布，分析空化范圍，有助于預(yù)測超聲波輔助提取的效果，這對超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中起到一定的技術(shù)支持。

本研究采用的是逆流超聲波輔助提取設(shè)備(江蘇大學(xué)自主組裝)，逆流超聲波是超聲波的傳播方向與流體介質(zhì)的流動(dòng)方向相反。如何評價(jià)逆流超聲波強(qiáng)化提取米渣蛋白的程度并以此作為設(shè)計(jì)超聲波反應(yīng)器的依據(jù)顯得極其重要。本研究首先對提取設(shè)備中超聲波在堿性溶液中傳播的物理場進(jìn)行仿真模擬，基于聲場、流體場的關(guān)系，建立一種新型的計(jì)算機(jī)模型，利用仿真軟件COMSOL Multiphysics中的聲學(xué)模塊、流體模塊進(jìn)行耦合仿真，建立聲場和流體場模型；然后探討超聲波在此設(shè)備中傳播所產(chǎn)生的物理場分布，是否有利于米渣蛋白的提取，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證模型預(yù)測的可靠性。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

1.1.1 材料

米渣粉：安徽省合肥市錦泰糖業(yè)有限公司；牛血清白蛋白(67 000 Da)：Sigma試劑公司；氫氧化鈉、福林酚等試劑均為分析純級試劑：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器

GA 92-Ⅱ DB 超聲波輔助提取機(jī)：無錫上佳生物技術(shù)有限公司；LM3100高速粉碎機(jī)：瑞典波通儀器公司；TGL-16高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)：長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司；T6紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司；DL-5C低速離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 物理場模擬計(jì)算方法

本研究是對逆流超聲波傳播的物理場進(jìn)行仿真模擬，設(shè)備示意圖如圖1所示。

注：1 料液出口，2 料液進(jìn)口，3 冷凝水出口，4 超聲波探頭，5 冷凝水進(jìn)口。
圖1 逆流超聲波輔助提取示意圖

設(shè)備壁面是由不銹鋼構(gòu)成，提取液從下方入口2進(jìn)入超聲波容器中，從出口1流出至燒杯中，再有蠕動(dòng)泵送入超聲波容器中，循環(huán)流動(dòng)。容器外圍是循環(huán)保溫液，在聲波傳播過程中維持容器中料液的溫度恒定不變。超聲波探頭是直徑2.6 cm、頻率20 kHz的鈦合金，具有5個(gè)超聲波功率(320、416、448、464、528 W)。探頭下方的容器是直徑與探頭直徑相同，高度為14 cm的管道，目的是為讓超聲波以平面波的形式全部進(jìn)入到管道中，更加有效的利用超聲波能量。

1.2.1.1 聲場的模擬計(jì)算方法

基于理想靜止?fàn)顟B(tài)下的流體介質(zhì)中的聲波波動(dòng)方程，超聲波在運(yùn)動(dòng)黏性流體中傳播的波動(dòng)方方程經(jīng)過計(jì)算可得：

(1)

當(dāng)超聲波在流速為2.82 cm/s的堿性(0.08 mol/L NaOH溶液)流體中逆向傳播時(shí)，由于流體的速度遠(yuǎn)小于聲波速度(1 480 m/s)，所以可忽略流體的初始速度(即v0=0)。對于靜止的流體，聲場的模擬采用COMSOL軟件上的壓力聲壓模塊，因此式(1)可變化為：

ω2p+c2▽2p=0

(2)

即

(3)

聲場在流體介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波在分界面處發(fā)生發(fā)射、折射和透射聲學(xué)現(xiàn)象主要是由于媒介特性阻抗的差異[11]。因此聲學(xué)的邊界條件可通過媒介特性阻抗來確定。阻抗表達(dá)式：

Z=ρc

(4)

其中，堿性流體介質(zhì)的密度可根據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算。

ρNaOH溶液=

(mNaOH+mH2O)/(mNaOH/ρNaOH+mH2O/ρH2O)

(5)

經(jīng)計(jì)算和查閱資料，空氣、不銹鋼和堿性溶液的阻抗、密度和聲速見表1。

表1 媒質(zhì)的阻抗、密度和聲速

超聲波聲源的設(shè)置可根據(jù)聲壓來確定，聲壓可根據(jù)平均能量密度表示為：

(6)

式中：pa為聲壓幅值，而平均聲能量密度又可用聲功率表示，見式(7)。

W=εcS

(7)

式中：S為垂直于聲傳播方向的面積。聯(lián)合式(6)和式(7)得：

(8)

式中：S0為超聲波探頭的橫截面積/m2；Z為堿性溶液的阻抗/kg/(m2·s)。

聲場模擬基于COMSOL Multiphysics仿真模擬軟件，網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其邊界條件設(shè)置如圖2實(shí)線部分所示。

注：實(shí)線為聲場邊界條件，虛線為流體場邊界條件。
圖2 逆流超聲波輔助提取設(shè)備幾何模型

1.2.1.2 流體場的模擬計(jì)算方法

根據(jù)雷諾數(shù)公式Re=duρ/μ[12]，容器中的流體流動(dòng)采用層流流體計(jì)算。聲波傳播時(shí)由于超聲波產(chǎn)生的體積力促使流體發(fā)生整體循環(huán)流動(dòng)的聲沖流采用湍流流體計(jì)算。流體場的邊界條件設(shè)置如圖2虛線部分所示。

本研究中所使用的堿性流體是0.08 mol/L的NaOH溶液，NaOH屬于強(qiáng)電解質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)的粘度和濃度有關(guān)，其濃度小于30%的計(jì)算公式為[13]：

μsol/μH2O=2

因此，根據(jù)公式可以求出20 ℃時(shí)0.08 mol/L的NaOH的黏度為2.008×10-3Pa·s。

1.2.2 逆流超聲波輔助提取米渣蛋白的方法

根據(jù)1∶25 g/mL料液比稱取一定量的米渣粉(粒徑≤0.08 mm)與已準(zhǔn)備好的0.08 mol/L、480 mL NaOH溶液混合、攪拌。在磁力攪拌的條件下，混合液通過蠕動(dòng)泵以150 r/min轉(zhuǎn)速送入超聲波反應(yīng)腔體中，當(dāng)混合液循環(huán)1周后開啟超聲波發(fā)生器，以間歇比為2/2 (s/s)的脈沖模式、在提取溫度為40 ℃的條件下處理25 min。超聲波處理后，首先將料液在5 000 r/min 條件下離心15 min，取上清液，再取適量于12 000 r/min 條件下離心15 min，取中層的清液，待做福林酚實(shí)驗(yàn)，以測定溶液中的可溶性蛋白的含量。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。

在對照實(shí)驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)堿液提取米渣蛋白。所有的試驗(yàn)均重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型模擬結(jié)果與分析

2.1.1 聲場的模擬結(jié)果與分析

當(dāng)超聲波功率為448 W、頻率為20 kHz、傳播介質(zhì)溫度為20 ℃和流體介質(zhì)濃度為0.08 mol/L的NaOH溶液時(shí)，設(shè)定吸聲系數(shù)為1 m-1[14]，聲場仿真模擬結(jié)果如圖3a～圖3d所示。圖中顏色代表聲壓的變化。在探頭的下方，聲波以平面波的形式正負(fù)交錯(cuò)向下方傳播(見圖3a)，雖然聲壓振幅隨距離的增加而降低 (見圖3c)，但是總聲壓在傳播距離范圍內(nèi)沒有發(fā)生衰減趨勢，最大值依然保持為1.59 MPa(見圖3 b)。由圖3a可已看出，沿著x軸方向，聲壓呈現(xiàn)兩邊高中間低的趨勢。資料表明，高壓易于空化現(xiàn)象的發(fā)生，并給出水中空化閾值為0.64 MPa[8]。由于本實(shí)驗(yàn)所用提取溶劑NaOH的濃度較低，可以將提取液看作水，以水的空化閾值作為提取液中產(chǎn)生空化泡的最低聲壓振幅水平，將最大聲壓振幅與空化閾值對比可得，本實(shí)驗(yàn)所用提取設(shè)備探頭以下部分均滿足產(chǎn)生空化的條件。這種聲壓隨傳播距離沒有迅速衰減而能夠保持不變且管道兩邊和中間聲壓不同的現(xiàn)象，可能是由于超聲波在溶液中傳播時(shí)，容器壁對聲波的反射波與超聲波行波反復(fù)疊加的結(jié)果[8,14]。超聲波反應(yīng)器中聲場的仿真模擬已有研究報(bào)道[8,14]，反應(yīng)器所用材料、尺寸和形狀都是影響內(nèi)部聲場分布的主要因素。本實(shí)驗(yàn)中所采用的超聲波輔助提取設(shè)備有利于空化范圍的增加，此仿真模型可預(yù)測此設(shè)備有利于米渣蛋白的提取。

在初始溫度20 ℃、超聲波頻率20 kHz、超聲波傳播介質(zhì)0.08 mol/L NaOH溶液的條件下，設(shè)定吸聲系數(shù)為1 m-1時(shí)，超聲波聲壓隨超聲波功率的變化如圖3c。隨著超聲波功率(320、416、448、464、528 W)的升高，超聲波聲壓振幅隨功率的增加而增加，其值依次為1.35、1.53、1.59、1.62、1.73 MPa。隨著功率的增加，振幅也隨之增加；隨著傳播距離的增加，振幅隨之降低。值得注意的是，除了功率為320 W在入口附近的聲壓振幅小于0.6 MPa時(shí)，聲壓振幅的最小值均大于0.64 MPa，這也說明了聲波在容器中傳播時(shí)，由于反射波和行波的反復(fù)疊加形成正負(fù)聲壓交錯(cuò)的高壓場，隨著功率的增加，空化發(fā)生的區(qū)域也隨之增加。

在初始溫度20 ℃、超聲波功率448 W、超聲波傳播介質(zhì)0.08 mol/L NaOH溶液的條件下，設(shè)定吸聲系數(shù)為1 m-1時(shí)，超聲波頻率(10、 20、 30、 40、50 kHz)對聲壓分布的影響如圖3d所示。隨著超聲波頻率的增加，聲壓分布顯著變化，聲壓振幅也隨著頻率的升高依次增加，分別為1.59、1.59、1.74、2.0、2.1 MPa。空化閾值是超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生空化現(xiàn)象的最低聲強(qiáng)或者聲壓振幅，其值除了與液體介質(zhì)的黏度有關(guān)外，還隨超聲波頻率的增加而增加[7]。因此，使用超聲波進(jìn)行輔助提取時(shí)，為保證空化的發(fā)生，頻率不易選取過大。

圖3 超聲波聲壓分布

2.1.2 流體場的模擬結(jié)果與分析

在初始溫度20 ℃、超聲波功率448 W、頻率20 kHz 的條件下，設(shè)定吸聲系數(shù)為1 m-1，超聲波在流體介質(zhì)中傳播時(shí)流體的速度分布和壓強(qiáng)分布如圖4所示。顏色代表流體的流動(dòng)速度大小。運(yùn)動(dòng)流體是進(jìn)口速度為2.82 cm/s。與沒有超聲波傳播的運(yùn)動(dòng)流體場相比，超聲波的傳播使得運(yùn)動(dòng)流體的最大速度從0.06 m/s增加到了0.08 m/s；容器中流體的最大壓強(qiáng)從2.43 Pa增加到6.65 Pa。

圖4 超聲波對流體介質(zhì)的影響

從圖4c可以看出，超聲波在靜止流體中傳播，能夠產(chǎn)生聲沖流，流體速度最大為0.04×10-2m/s，最小值為7.06×10-6m/s，壓力為負(fù)值。聲沖流是超聲波在流體中傳播時(shí)，發(fā)生空化的條件下，多泡流體使得超聲波能量被吸收引起的宏觀流體流動(dòng)，稱為聲沖流[15]。通常情況下，聲沖流是在超聲波探頭附近產(chǎn)生射流，在兩側(cè)形成偶數(shù)倍的對流循環(huán)[16-18]。關(guān)于超聲波在液體介質(zhì)中傳播引起的這種水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，目前國內(nèi)外已有很多有關(guān)這方面的研究[16,19-20]。有研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波探頭附近聲沖流速度大約在0.3～0.5 m/s[19]。在本研究中可能是由于超聲波輔助提取設(shè)備探頭下方的管道管徑較小，產(chǎn)生的聲沖流沒有足夠的空間完成回流，以至于流體流動(dòng)受阻，導(dǎo)致速度較小，負(fù)壓過大。從圖中容器中軸線上流體速度的變化也可以看出，超聲波不管是在運(yùn)動(dòng)流體還是在靜止流體中傳播時(shí)，都能造成流體的速度產(chǎn)生波動(dòng)，這種現(xiàn)象有助于流體的充分混合。Vichare等[15]也認(rèn)為，聲沖流在液體中具有混合效應(yīng)。顯然，這種混合作用相當(dāng)于機(jī)械攪拌，易于有效成分的移出。

2.2 實(shí)驗(yàn)與模型驗(yàn)證分析

2.2.1 設(shè)備中聲源處聲壓與模型預(yù)測值的比較

采用聲壓儀對超聲波聲源處進(jìn)行了聲壓測試，結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果的比較如表2所示。由相對偏差可以看出，模型預(yù)測值與聲壓測量差相對偏差均小于5%，可以認(rèn)為仿真模型比較可靠。有資料表明[21]，空化作用與單位面積上的超聲波功率有關(guān)，當(dāng)頻率一定時(shí)，功率增加，聲壓增大，空化強(qiáng)度也相應(yīng)增大，但是達(dá)到一定值后，空化趨于飽和，繼續(xù)增加超聲波功率，則會(huì)產(chǎn)生大量無用氣泡，增加散射衰減，減低空化強(qiáng)度。由于超聲波輔助提取的基礎(chǔ)所在即是空化作用，空化強(qiáng)度越大，有效成分的提取率也越高。因此根據(jù)聲壓與米渣蛋白提取率之間的正相關(guān)關(guān)系，可通過2.2.2的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證仿真模型的預(yù)測效果。

表2 聲源聲壓測量值與模型預(yù)測值之間的比較

2.2.2 不同功率下逆流超聲波輔助提取米渣蛋白的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示，與未經(jīng)過超聲波輔助提取的米渣蛋白提取率相比，超聲波輔助提取的米渣蛋白提取率顯著提高。超聲波功率在320～448 W的范圍內(nèi)，米渣蛋白提取率隨功率的增加顯著增加，但大于448 W時(shí)，提取率變化不顯著。有人認(rèn)為[22]，當(dāng)超聲波功率過低時(shí)，產(chǎn)生空化現(xiàn)象較為困難，包裹在蛋白質(zhì)外面的糊精和寡聚糖不能被充分擊破，以至于蛋白質(zhì)不容易被提取；而超聲波功率過高時(shí)，空化泡能夠成長到足夠大，但沒有足夠的時(shí)間崩潰，這些無用氣泡增加了散射衰減，使得空化作用減弱，另外，隨著超聲波功率的增加，可溶性蛋白質(zhì)易于發(fā)生聚集形成聚集體，致使蛋白質(zhì)的溶解性降低，以至提取率也隨之降低。

根據(jù)對聲場和流體場的模型計(jì)算可知空化范圍的增加和混合作用的發(fā)生，由此可預(yù)測超聲波在相同的固液比、提取溫度和提取時(shí)間下能夠顯著提高有效成分的提取率。這與仿真模擬的預(yù)測結(jié)果相一致，說明仿真模型具有一定的可靠性。但是，隨著超聲波功率的增加，米渣蛋白的提取率沒有依次增加，可能是由于空化強(qiáng)度的降低、蛋白質(zhì)本身的聚集性導(dǎo)致了米渣蛋白提取率沒有相應(yīng)的增加，這也是以后仿真模擬的研究中所需要完善的問題。由此可知，仿真模型雖然有一定的不完善性，但是可以定性的預(yù)測實(shí)驗(yàn)效果，對超聲波能夠更加有效的應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中起到了一定的理論指導(dǎo)意義，為超聲波廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖5 不同超聲波功率時(shí)超聲波處理后米渣蛋白提取率的變化

3 結(jié)論

通過仿真模擬軟件中的聲壓和流體模塊，建立了超聲波輔助提取米渣蛋白時(shí)聲場和流體場的模型并計(jì)算出超聲波在堿液中傳播時(shí)的聲壓和流體速度的分布。結(jié)果表明，聲壓振幅隨超聲波功率和頻率的增加而增加，在不銹鋼材質(zhì)的容器中，隨傳播距離的增加而基本趨于平衡，空化效應(yīng)較容易發(fā)生，范圍增加；聲波傳播使得流體的速度增加，壓強(qiáng)增大，有利于混合效應(yīng)的發(fā)生。根據(jù)聲源處聲壓的測定和超聲波輔助提取米渣蛋白的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，仿真模型可以預(yù)測超聲波輔助提取米渣蛋白的實(shí)驗(yàn)效果、形象直觀的了解物理場變化、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)輔助提取設(shè)備，為超聲波更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。