超聲-射流-撞擊空化提取柚子皮原花青素

程海濤，申獻雙

1.衡水學(xué)院化工學(xué)院（衡水 053000）；2.衡水學(xué)院美術(shù)學(xué)院（衡水 053000）

射流-撞擊流溶液空化將文丘里管式空化器底部添加擋板，有利于壓力增大，為空化泡破裂更有利創(chuàng)造條件，同時將改進文丘里管式空化器浸沒到溶液內(nèi)部，充分利用溶液空化效應(yīng)，提高空化提取效果。

超聲空化由超聲波（聲波頻率高于20 000 Hz），在液體介質(zhì)中傳播，造成液體內(nèi)部壓力局部升高或降低，在低壓區(qū)空化泡開始生成、長大，高壓區(qū)空化泡潰滅，產(chǎn)生高壓、高溫、高沖擊壓噴射流、沖擊流、湍流、局部高剪切力的現(xiàn)象[1]。超聲波-射流-撞擊流溶液空化效應(yīng)能夠破壞細泡組織、物質(zhì)結(jié)構(gòu)間相互作用力，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促使細泡組織中具有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)分子變?yōu)橛坞x態(tài)，從而提高物質(zhì)提取效率。

柚子皮是柚子外皮，占柚子大部分比例，柚子皮中含有蛋白質(zhì)、人體必需的礦質(zhì)元素、抗氧化性物質(zhì)（維生素C、原花青素）及多種營養(yǎng)物質(zhì)，可以清除血液中自由基降低血脂、促進傷口愈合。柚子皮大部分被廢棄，浪費資源，為了拓展柚子皮在食品、化妝品、飼料等行業(yè)應(yīng)用，需要對于其含有物質(zhì)及提取工藝進行理論研究[2-3]。原花青素是抗氧化最強的天然物質(zhì)，抗氧化能力是天然維生素E的50倍，結(jié)構(gòu)當(dāng)中含有多個與雙鍵共軛的酚羥基，使得電子分布的更加均勻，分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，主要提取方法原理是根據(jù)原花青素在不同溶劑中溶解度不同，選擇合適溶劑進行提取，外加能量、微波等條件進行原花青素提取，在通過樹脂吸附性的差異進行吸附分離，得到原花青素[4-9]。提取工藝中一般把溫度作為主要影響因素進行研究，高溫有利于原花青素分子動能增加，但是高溫同時會引起原花青素與氧氣的化學(xué)反應(yīng)。

試驗利用超聲波-射流-撞擊流溶液空化協(xié)同裝置，提取柚子皮中原花青素，通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，定量測定柚子皮中原花青素的含量，為柚子皮在食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化提供工藝、技術(shù)、設(shè)備等理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

柚子皮（河北衡水萬德福超市）；無水C2H5OH（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；CH3OH（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；H2SO4（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；香草醛（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；原花青素標(biāo)準(zhǔn)品（純度99.9%，天津市大茂化學(xué)試劑廠）。

攪拌電機（550 W，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司）；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（日本東京理化公司）；T6新型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；JYD-650型超聲波發(fā)生器（上海之信儀器有限公司）；FW80型高速萬能粉碎機（天津市泰斯特儀器有限公司）；HH-S4型恒溫水浴鍋（北京市長風(fēng)儀器儀表公司）；TP-A100型電子天平（金壇市國旺實驗儀器廠）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；AR1140-1型離心機（上海安亭科學(xué)儀器廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 超聲波-射流-撞擊流溶液空化反應(yīng)設(shè)備

超聲波-射流-撞擊流溶液空化提取裝置，將以往水力空化儀主要部件（3）從循環(huán)管路，直接浸沒到攪拌反應(yīng)器中，減少循環(huán)管路，減少水力空化效應(yīng)的減損，降低循環(huán)過程的能量、物質(zhì)消耗。另外文丘里管式水力空化器底部設(shè)置擋板，有利于水力空化過程中空化泡的潰滅，供提高水力空化效率，擋板形成的沖擊流直接和超聲波發(fā)生器形成的超聲空化能量場相遇，強化提取過程。過程中水力空化壓力由電機功率改變液體流速而變化。通過設(shè)計改造形成超聲波-射流-撞擊流溶液空化裝置，強化空化效應(yīng)。

圖1 超聲波-射流-撞擊流溶液空化反應(yīng)設(shè)備

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定

精確稱取0.050，0.045，0.040，0.035，0.030和0.025 g原花青素標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇充分溶解并且用50 mL定容，搖勻冷藏待用。依照香草醛-鹽酸法[10]，利用紫外分光光度計測定配置的一系列標(biāo)準(zhǔn)品溶液500 nm處的吸光度，根據(jù)測定數(shù)值，以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對繪制曲線進行擬合得到標(biāo)準(zhǔn)方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 改進水力空化-超聲波協(xié)同提取柚子皮中原花青素的工藝流程

把新鮮干燥柚子皮用多功能粉碎機粉碎成細粉，過100目篩子，利用真空袋低溫保存，待用。按照試驗中確定的在射流-撞擊流空化壓力（MPa）、液料比值（mL/g）、協(xié)同空化時間（min）、溫度（℃）、超聲波功率（W）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（%）因素水平進行提取試驗，利用紫外-可見分光光度計測量溶液對波長500 nm的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算求得提取液原花青素濃度，根據(jù)得率公式計算得率。

1.2.4 柚子皮中原花青素得率的計算方法

利用1 mL吸量管精準(zhǔn)吸取1 mL柚子皮中原花青素提取液，轉(zhuǎn)移至燒杯中待用，分別加入1%香草醛-甲醇溶液5 mL與30%濃鹽酸-甲醇溶液5 mL，在燒杯中混合均勻然后在30 ℃水浴中恒溫反應(yīng)30 min，將溶液稀釋至合適體積利用紫外分光光度計在500 nm處測定吸光度，根據(jù)1.2.2中確定的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算稀釋后溶液濃度，利用式（1）計算得率。

式中：V為提取后最終體積，mL；C為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到的質(zhì)量濃度，mg/mL；n為提取液稀釋倍數(shù)；W為提取時加入干燥柚子皮的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲波功率對柚子皮中原花青素得率的影響

在射流-撞擊流空化壓力0.15 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、協(xié)同空化時間15 min、液料比值30 mL/g、溫度45 ℃條件下，對超聲波功率影響柚子皮中原花青素提取進行研究，結(jié)果如圖2所示。隨著超聲波功率逐步增加，原花青素得率逐步升高，功率400 W時得率最大，為11.06 mg/g。功率繼續(xù)增大得率開始降低。超聲波功率的增大會增加超聲空化效應(yīng)，增加提取體系中自由基的含量，自由基會與原花青素反應(yīng)，造成原花青素得率下降。

圖2 超聲波功率對得率的影響

2.1.2 射流-撞擊流空化壓力對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、協(xié)同空化時間15 min、液料比值30 mL/g、溫度45 ℃因素水平下進行試驗，對射流-撞擊流空化壓力對柚子皮中原花青素得率的影響進行分析與探討，結(jié)論如圖3所示。伴隨空化壓力逐步升高，柚子皮中原花青素得率也逐漸增大，空化壓力0.2 MPa時得率出現(xiàn)最大值為11.08 mg/g，空化壓力提升，得率出現(xiàn)下降趨勢。原因可能是水力空化壓力越大，空化效應(yīng)越強，柚子皮中阻礙原花青素提取的因素被破壞越多，得率會逐步升高，但是空化效應(yīng)增強還會帶來自由基的增多，引起原花青素減少，會出現(xiàn)得率下降趨勢。

圖3 射流-撞擊流空化壓力對得率的影響

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、協(xié)同空化時間15 min、液料比值30 mL/g、溫度45 ℃條件下，研究乙醇體積分?jǐn)?shù)對柚子皮中原花青素得率的影響，影響趨勢如圖4所示。

乙醇體積分?jǐn)?shù)得增大，使得柚子皮中提取的原花青素增加，得率升高。體積分?jǐn)?shù)增大到60%左右，得率出現(xiàn)極值11.03 mg/g，繼續(xù)增加乙醇在提取液中所占比重，得率開始降低。乙醇的加入增加提取溶液極性，為原花青素析出創(chuàng)造有利條件，但是乙醇在空化效應(yīng)作用下產(chǎn)生自由基更容易、更多，所以得率有先增加后降低趨勢。

圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對得率的影響

2.1.4 超聲波-射流-撞擊流空化時間對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、液料比值30 mL/g、溫度45℃水平條件下進行試驗，探討空化時間與原花青素得率之間的關(guān)系，變化趨勢如圖5所示。伴隨協(xié)同空化時間增加，原花青素得率先增大，達到極值后逐步降低。隨著協(xié)同空化時間增加，空化效應(yīng)增強原花青素析出逐漸增多，得率增大，同時隨著空化效應(yīng)會使得溶液中自由基數(shù)量增加，同時直接破壞原花青素結(jié)構(gòu)，造成得率降低。

圖5 超聲波-射流-撞擊流空化時間對得率的影響

2.1.5 液料比值對柚子皮原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、協(xié)同空化時間25 min、溫度45 ℃因素水平條件下進行試驗，試驗結(jié)果所得協(xié)同空化時間與得率關(guān)系變化趨勢如圖6所示。隨著液料比值增加，得率起初逐步增大，在液料比值35 mL/g時得率出現(xiàn)最大值，為11.08 mg/g，繼續(xù)增大液料比值，得率曲線變化平緩。液料比值增加為原花青素的溶解提供充分空間，液料比值越大溶解的原花青素越多，但是工藝條件下能夠析出原花青素是相對確定的，因此隨著液料比值的增大得率會出現(xiàn)極值，繼續(xù)增大略微會有所下降。

圖6 液料比值對得率的影響

2.1.6 溫度對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、協(xié)同空化時間25 min、液料比值35 mL/g條件下進行研究，試驗結(jié)果如圖7所示。溫度在40～50 ℃，得率穩(wěn)步提高，50 ℃出現(xiàn)極值，繼續(xù)升高溫度，得率出現(xiàn)降低趨勢。溫度升高會使體系中各物質(zhì)分子動能增加，增加原花青素析出量，但是溫度升高會使得自由基、雜質(zhì)增多，原花青素結(jié)構(gòu)被破壞增多，因此得率會有降低趨勢。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化柚子皮中原花青素提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，確定液料比值35 mL/g，溫度50 ℃，選取原花青素得率為響應(yīng)值Y，超聲功率（X1）、射流-撞擊流空化壓力（X2）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X3）、協(xié)同空化時間（X4）為變化因素，根據(jù)Box-Behnken的試驗設(shè)計原理，通過SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，確定最佳工藝。響應(yīng)面優(yōu)化試驗因素水平見表1。

圖7 溫度對得率的影響

表1 響應(yīng)面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

利用Box-Behnken的響應(yīng)面試驗設(shè)計原理，進行四因素三水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計試驗結(jié)果如表2，試驗結(jié)果回歸分析如表3。

通過擬合回歸處理數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)模型：Y=11.186 67+0.222 75X1+0.253X2+0.141 167X3+0.173 25X4-0.888 542X12-0.236 5X1X2-0.027 5X1X3-0.189 75X1X4-0.925 667X22-0.376 75X2X3-0.156 75X2X4-0.961 417X32+0.068 75X3X4-0.586 042X42。

由表3回歸分析可以看出，建立的預(yù)測模型（p＜0.000 1＜0.05），另外R2=99.66%說明該模型能夠精確模擬99.65%的響應(yīng)面值，失擬項不顯著（p=0.725 0＞0.05），說明預(yù)測模型和預(yù)測情況擬合性充分，真實反應(yīng)不同影響因素間的關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化工藝實際驗證試驗

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型，對模型公式進行極值求解得到X1、X2、X3、X4理論最優(yōu)工藝參數(shù)：超聲功率408 W、射流-撞擊流空化壓力0.22 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)60.5%、協(xié)同空化時間26 min。結(jié)合響應(yīng)面及單因素試驗得到最佳工藝為：液料比值35 mL/g、溫度50 ℃、超聲功率405 W、射流-撞擊流空化壓力0.22 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)60.5%、協(xié)同空化時間26 min。在最優(yōu)工藝條件下進行3次實際試驗驗證，得率分別為11.325，11.326和11.327 mg/g，得率平均值為11.326 mg/g，將試驗得到的平均得率與優(yōu)化數(shù)學(xué)模型得到的計算得率極值進行誤差分析，相對誤差較小，擬合函數(shù)模型可信度高。

表2 響應(yīng)面試驗方案及試驗結(jié)果

表3 回歸分析結(jié)果

3 結(jié)論

超聲波-射流-撞擊流溶液空化提取柚子皮中原花青素優(yōu)化工藝條件為：液料比值35 mL/g、溫度50 ℃、超聲功率405 W、射流-撞擊流空化壓力0.22 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)60.5%、協(xié)同空化時間26 min。經(jīng)實際試驗對最優(yōu)條件進行驗證，計算所得得率為11.326 mg/g。與理論計算極值相對誤差較小，擬合函數(shù)模型可信度高。試驗為柚子皮在食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化提供工藝、技術(shù)、設(shè)備等理論支持。