I-O-J組合水力空化裝置協同提取葡萄籽原花青素工藝

程海濤*，申獻雙

1. 衡水學院化工學院（衡水 053000）；2. 衡水學院美術學院（衡水 053000）

原花青素，國際簡稱OPC，在清除人體內自由基方面效果最佳，是一種分子結構極其特殊的生物類黃銅物質，屬于天然抗氧化劑，同時還具有消炎、抗腫瘤的功效，在化妝品、醫療保健、食品等行業應用前景光明[1]。在植物的葉、莖、皮、殼、籽中存在大量原花青素，近幾年研究人員針對金刺梨皮、板栗殼[2]、葡萄枝蔓[3]、落葉松樹皮[4]、黑豆種皮[5]等植物組織中原花青素的提取工藝和性能進行了詳細報道。

水力空化是一種在化工領域新興的新型過程強化方法，撞擊噴射流空化形成的水力空化場強度分布勻稱、強化效果高、運行控制過程簡便[6]，在生物醫藥、環境保護、食品、化學工程等多領域有廣泛的應用[7]，例如利用水力空化強化制糖工業中蔗汁凈化[8]、強化大豆蛋白表面活性[9]、強化殼聚糖分子降解過程[10]，取得了眾多研究成果，應用前景趨勢良好。空化效應是水力空化強化過程的根源，源于空化泡在液體中瞬間潰滅過程中產生的劇烈、高溫、高壓機械沖擊波與高速度微噴射流，在液體介質內形成熱效應、機械效應、光效應、自由基效應[11-12]，產生強大能量，可有效破壞植物組織物質結構[13-14]。

試驗以衡水本地巨峰葡萄籽為研究對象，利用I-O-J組合水力空化提取葡萄籽中原花青素提取工藝。研究了液料比、I-O-J組合水力空化時間、I-O-J組合水力空化壓力、乙醇體積分數、I-O-J組合水力空化溫度對葡萄籽中原花青素得率的影響。以單因素試驗為基礎，采用響應面法優化了I-O-J組合水力空化作用強化葡萄籽中原花青素提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

葡萄籽，衡水本地巨峰葡萄籽；無水乙醇（AR）、甲醇（AR）、硫酸（AR）、香草醛（AR），天津市大茂化學試劑廠；原花青素標準品，天津市大茂化學試劑廠。

JYD-650型超聲波發生器，上海之信儀器有限公司；SFJ-400砂磨、分散、攪拌（550 W）機，上海現代環境工程技術有限公司；T6新型紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；HH-S 4型恒溫水浴鍋，北京市長風儀器儀表公司；FW 80型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；TP-A 100型電子天平，金壇市國旺實驗儀器廠；玻璃珠（d=2.5 mm），衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 I-O-J組合水力空化裝置

I-O-J組合水力空化強化大豆粕蛋白質溶解裝置如圖1所示。I-O-J水力空化組合部件包括14-1撞擊流水力空化裝置（Impinging stream cavitation device）、14-2多孔板水力空化裝置（Orifice plates device）和14-3噴射流水力空化裝置（Jet cavitation device），其構成參數如圖1所示。

圖1 水力空化組合裝置設計圖

1.2.2 標準曲線的確定

稱取0.1，0.09，0.08，0.07，0.06和0.05 g原花青素標準品，用甲醇溶解于容量瓶中，定容至100 mL。配置一些列原花青素標準品溶液，根據香草醛-鹽酸法[16]測定500 nm溶液處吸光度，繪制濃度-吸光度標準品曲線，經過回歸擬合得到標準方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 葡萄籽中提取原花青素工藝

把新鮮葡萄籽粉碎過篩，在溫度為50 ℃烘箱里烘干至恒重，低溫待用。精確稱取一定質量的粉碎葡萄籽，在試驗確定的液料比、空化-超聲-研磨時間、空化-超聲-研磨溫度、撞擊-噴射流空化壓力、超聲波功率、乙醇體積分數、研磨轉速因素水平下測定溶液吸光度，根據標準曲線，計算原花青素得率。

1.2.4 葡萄籽中原花青素得率的測定

首先利用原花青素回歸擬合標準曲線測定樣品中原花青素濃度：利用吸量管取1 mL提取液，放置于20 mL燒杯中，同時加入1%香草醛-甲醇與30%濃鹽酸-甲醇溶液，各5 mL；在溫度為30 ℃水浴條件下恒溫30 min，測定500 nm波長處吸光度，根據原花青素標準曲線，計算濃度。然后按式（1）計算彩椒中原花青素得率。

式中：V表示提取液定容體積，mL；C表示原花青素質量濃度，mg/mL；n表示稀釋倍數；W表示葡萄籽干質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比對得率的影響

在I-O-J組合水力空化時間25 min、I-O-J組合水力空化溫度45 ℃、I-O-J組合水力空化壓力0.35 MPa、乙醇體積分數30%的條件下，研究液料比對得率的影響。如圖2所示，在液料比25︰1～45︰1（mL/g）范圍內，得率先逐步提升，當液料比為40︰1（mL/g）時，得率達到最大值（7.481%）；隨著液料比繼續提升，原花青素的得率不再增大，趨勢趨于平穩。原因在于液料比越大，溶液與原花青素接觸面積越大，原花青素進入溶液量越多，得率越高，液料比增大至一定程度，能夠擺脫葡萄籽組織結構束縛，進入溶液的原花青素完全析出，得率達到最大值，液料比再增加沒有實際控制意義[15]，故液料比確定為40︰1（mL/g）。

圖2 液料比對得率的影響

2.1.2 I-O-J組合水力空化時間對得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化溫度45 ℃、I-O-J組合水力空化壓力0.35 MPa、乙醇體積分數30%的條件下，研究I-O-J組合水力空化時間對得率的影響。如圖3所示，隨著I-O-J組合水力空化時間的增加，得率先增加，當空化時間為40 min時，得率達到最大值（7.476%），空化時間再增大得率開始下降。原因在于隨著I-O-J組合水力空化時間的增加，乙醇溶液的黏度迅速降低，其降低了原花青素游離分子進入乙醇溶液的阻力；另外，破壞束縛原花青素分子自由運動的相互作用是原花青素提取主要過程，I-O-J組合水力空化初期，空化效應破壞束縛原花青素分子自由運動的相互作用持續增多，得率逐步升高。繼續利用I-O-J組合水力空化處理，能夠破壞的相互作用變少，得率不再增加，同時析出的原花青素會被水力空化效應破壞，得率反而會降低。

圖3 I-O-J組合水力空化時間對得率的影響

2.1.3 I-O-J組合水力空化溫度對得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時間40 min、I-O-J組合水力空化壓力0.35 MPa、乙醇體積分數30%的條件下，研究I-O-J組合水力空化溫對得率的影響。如圖4所示，當溫度為50 ℃時，得率達到最大值（7.481%）。結果表明，較高的溫度有利于原花青素的提取過程。一方面，隨著溫度的升高，溶液黏度和表面張力降低，原花青素分子運動較快，分子間碰撞概率增加；另一方面，隨著溫度的升高，氫鍵和鹽鍵逐漸被破壞，位阻消失。束縛原花青素相互作用變得脆弱，容易析出。溫度超過50 ℃，原花青素提取率開始降低，這可能是溫度達到一定程度后，溶液的黏度系數和表面張力降低，溶液蒸汽壓升高。因此，空化閾值降低，空化氣泡容易產生。然而，隨著溫度的升高，蒸汽壓力比溶液溫度升高得快，從而降低了空化效應產生的瞬態高溫高壓，降低了空化強度，降低了得率。

圖4 I-O-J組合水力空化溫度對得率的影響

2.1.4 I-O-J組合水力空化壓力對得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時間40 min、I-O-J組合水力空化溫度50 ℃、乙醇體積分數30%的條件下，研究I-O-J組合水力空化壓力對得率的影響。如圖5所示，原花青素得率隨著I-O-J組合水力空化壓力的增加而增大。在0.40 MPa得率達到最大值（7.481%），原因可以歸結為隨著I-O-J組合水力空化壓力的增加，液體流動速度和沖擊強度增加，從而增加了空化氣泡的數量，提高了空化強度，空化強度的增加提高了得率。然而，也觀察到當壓力大于0.4 MPa時，原花青素的得率下降。這是因為壓力超過一定的極限會發生超空化現象。雖然氣泡很多，但不易潰滅破裂，從而削弱了空化效應。同時空化壓力過高，液體里小氣泡過多，形成較大氣泡，阻礙了空化效應發揮[16]。

圖5 I-O-J組合水力空化壓力對得率的影響

2.1.5 乙醇體積分數對得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時間40 min、I-O-J組合水力空化溫度50 ℃、I-O-J組合水力空化壓力0.40 MPa的條件下，研究乙醇體積分數對得率的影響。由圖6可知，隨著乙醇體積分數的增加，原花青素的得率逐漸增加，當乙醇體積分數為60%時，原花青素的得率達到最大值（7.482%），乙醇體積分數繼續增大，原花青素的得率下降。原因是乙醇體積分數增加提高了溶液極性，有助于原花青素的析出，得率升高。根據相似相溶的原理，當乙醇溶液極性和原花青素分子極性一致時得率最大，當乙醇體積分數再增大，婆棗中的脂溶性雜質將和原花青素將競爭與乙醇作用，影響原花青素分子析出，得率降低。

圖6 乙醇體積分數對得率的影響

2.2 響應面優化提取工藝

2.2.1 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，根據影響因素對得率的影響趨勢，確定液料比40︰1（mL/g），選取得率為響應值Y，I-O-J組合水力空化時間（X1）、I-O-J組合水力空化壓力（X2）、乙醇體積分數（X3）、I-O-J組合水力空化溫度（X4）為變化因素，根據Box-Benhnken的試驗設計原理，通過SAS軟件對試驗數據進行回歸分析，確定最佳工藝。響應面優化試驗因素水平見表1。

2.2.2 響應面優化工藝回歸方程建立

四因素三水平的響應面試驗結果見表2，回歸分析結果見表3。通過擬合回歸處理數據得到擬合函數模型：Y=7.5+0.116 897X1+0.134 167X2+0.087 5X3+0.078 333X4-0.435 417X12-0.123 1X1X2-0.009 9X1X3-0.098 6X1X4-0.469 167X22-0.21X2X3-0.079 998X2X4-0.484 167+0.047 5-0.290 417

由回歸結果看出，函數模型R2=99.62%，失擬項p=0.087 2＞0.05，說明預測模型和預測情況擬合性充分，真實反映了不同影響因素間的關系。

表1 響應面因素和水平

表2 響應面試驗方案及試驗結果

2.2.3 響應面優化工藝驗證試驗

對經過響應面優化得到的數學回歸方程進行求極大值，得到X1為43 min，X2為0.43 MPa，X3為61%，X4為53 ℃，得率最大值為Y為7.61%。根據響應面優化結果和綜合因素影響得到超聲波-微波協同提取葡萄籽原花青素最佳工藝：液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時間43 min、I-O-J組合水力空化壓力0.43 MPa、乙醇體積分數61%、I-O-J組合水力空化溫度53 ℃。在最優條件下進行3次試驗，得率分別為7.68%，7.67%和7.69%，平均值為7.68%，與數學模型求極值得到數值相差很小，同時證明得到的數學回歸擬合模型可信度很高。

2.2.4 對比試驗

對擠壓-超聲[17]、超聲波-微波法[18]提取葡萄籽原花青素，與撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨提取原花青素得率進行比較，結果見圖7。I-O-J組合水力空化對葡萄籽原花青素提取效果較好，得率較高。

表3 回歸分析結果

圖7 不同提取方法原花青素得率比較

3 結論

以影響I-O-J組合水力空化提取葡萄籽原花青素得率因素的單因素試驗為基礎，利用SAS軟件，根據Box-Benhnken的試驗設計原理，利用響應面優化超聲波-微波協同提取葡萄籽原花青素的提取工藝，回歸方程為：Y=7.5+0.116 897X1+0.134 167X2+0.087 5X3+0.078 333X4-0.435 417X12-0.123 1X1X2-0.009 9X1X3-0.098 6X1X4-0.469 167X22-0.21X2X3-0.079 998X2X4-0.484 167+0.047 5-0.290 417。二次回歸方程可信度高。通過回歸數學模型計算以及對工藝條件的驗證試驗得到最優工藝條件：液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時間43 min、I-O-J組合水力空化壓力0.43 MPa、乙醇體積分數61%、I-O-J組合水力空化溫度53 ℃，得率平均值為7.68%。與擠壓-超聲、超聲波-微波法等提取工藝相比，I-O-J組合水力空化對葡萄籽原花青素提取效果較好，得率較高。