3層浸沒循環撞擊流設備提取黃驊冬棗原花青素工藝

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）

Elperin[1]首次對撞擊流（IS）內涵提出具體定義，以此為基礎圍繞基礎撞擊理論與應用技術進行了系列研究，研究成果表明IS對均相體系微觀傳質、混合、傳熱有顯著強化作用。利用IS有關理論，設計的浸沒循環撞擊流（ICIS）強化設備，具有優異的微觀強化效果，其傳質效率與傳統攪拌技術相比有2～3數量級的顯著提高[2]。

黃驊冬棗，具有上千年的歷史，本身所含物質種類豐富，主要包括黃酮類、酚類物質，因此在機體免疫功能、延緩衰老、抗氧化作用方面具有顯著功效[3-4]。其中，起到抗氧化作用的成分主要是原花青素，其具有多個酚羥基基團與雙鍵有共軛效應結構，其微觀電子分布均勻，使得其結構穩定，抗氧化效果是同種天然抗氧化物質維生素E的50倍[5-7]。有關與黃驊冬棗的研究主要集中于常見維生素、膳食纖維、糖類等常規成分含量自動化儀器分析、冬棗樹苗培育與嫁接技術等方面[8-10]，利用ICIS技術針對黃驊冬棗中原花青素提取工藝優化的研究較少。

試驗以IS理論為基礎，設計3層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備，用于強化黃驊冬棗原花青素提取，通過響應面法優化提取工藝，對于黃驊冬棗中原花青素含量給出定量分析結果，豐富黃驊冬棗成分分析成果，拓展黃驊冬棗在食品、化妝品、飼料等行業中的應用及產業化，豐富冬棗產業化路徑，提高相應產品抗氧化等功能，在工藝、技術、設備等方面提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

冬棗（河北黃驊市）；無水C2H5OH、CH3OH、H2SO4、濃鹽酸、香草醛（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；原花青素標準品（純度99.9%，天津市大茂化學試劑廠）。

攪拌電機（550 W，上海現代環境工程技術有限公司）；RE-52A旋轉蒸發儀（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

儀器有限責任公司）；TP-A100型電子天平（金壇市國旺實驗儀器廠）；JYD-650型超聲波發生器（上海之信儀器有限公司）；DJ13B-D81SG組織破壁勻漿機（九陽股份有限公司）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；HH-S4型恒溫水浴鍋（北京市長風儀器儀表公司）；AR1140-1型離心機（上海安亭科學儀器廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 3層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備設計原理3層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備，主體結構由3層浸沒式循環撞擊流發生器組成，每一層之間設有擋板以消除攪拌槳旋轉過程中打旋帶來影響，隨著攪拌速度的增加，每層之間流體湍流狀態增強，流速加快撞擊流碰撞點穩定增多，液相中傳質效果明顯增強，提高冬棗組織內原花青素與提取液分子的物質交換，從而提高得率，如圖1所示。

圖1 3層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備

1.2.2 標準曲線的確定

利用高精度分析天平精準稱取0.025 0，0.022 5，0.020 0，0.017 5，0.015 0和0.012 5 g原花青素標準品，以甲醇為溶劑溶于25 mL棕色容量瓶中，定容，低溫保存待用。原花青素定量測量方法采用香草醛-鹽酸法[11]，在500 nm處通過紫外分光光度計測定溶液吸光度，以吸光度為縱坐標，系列濃度為橫坐標，繪制標準曲線，對所得曲線進行擬合處理，得到標準方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 冬棗中原花青素提取工藝流程

將冬棗洗凈，利用蒸餾水沖洗，去掉棗核，棗核外棗肉要盡量去除干凈，利用勻漿機打漿，注意利用提取液充分沖洗勻漿設備，勻漿后低溫、避光保存。改變液料比值（mL/g）、轉速（r/min）、乙醇體積分數（%）、提取時間（min）影響3層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備提取黃驊冬棗中原花青素因素水平，進行單因素試驗與響應面優化試驗，離心過濾，對提取液進行吸光度測定，計算原花青素得率。

1.2.4 冬棗中原花青素得率的計算公式

利用移液槍量取1 mL提取液，加5 mL 1%香草醛-甲醇溶液，加入5 mL 30%濃鹽酸-甲醇溶液，利用超聲波混合均勻，在30 ℃恒溫水浴鍋中保溫30 min，稀釋，在紫外分光光度計500 nm處測定吸光度，利用

1.2.2中標準曲線計算提取液質量濃度，按式（1）計算得率。

式中：V為提取液過濾、離心后體積，mL；C為利用標準曲線計算所得質量濃度，mg/mL；n稀釋倍數；W為干燥冬棗質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比值對冬棗中原花青素得率的影響

在轉速1 000 r/min、乙醇體積分數60%、時間15 min、溫度50 ℃條件下，進行不同液料比值對比試驗，原花青素得率隨液料比變化的趨勢如圖2所示。隨著液料比增加，冬棗中原花青素得率逐步升高，液料比值40 mL/g時達到最大值2.067%。液料比比值越大說明提取溶液量越多，撞擊流和冬棗中原花青素進行傳質交換析出的原花青素溶解量越多，但是傳質交換在現有設備與條件下是有最大限度的，因此得率會出現下降趨勢。

2.1.2 轉速對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、乙醇體積分數60%、時間15min、溫度50 ℃條件下，進行不同轉速對比試驗，原花青素得率隨轉速變化的趨勢如圖3所示。隨著轉速增加，冬棗中原花青素得率逐步增大，1 500 r/min后得率變化趨于平緩。轉速增加溶液中撞擊流穩定撞擊點逐步增多，傳質效果提升，得率升高，但是轉速達到一定程度后溶液體系撞擊點不再增加，因此得率趨于平緩。

圖2 液料比值對原花青素得率的影響

2.1.3 乙醇體積分數對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、轉速1 500 r/min、時間15 min、溫度50 ℃條件下，進行不同乙醇體積分數對比試驗，原花青素得率隨乙醇體積分數變化的趨勢如圖4所示。隨著乙醇體積分數增大，冬棗中原花青素得率逐步提升，體積分數65%時得率出現最大值，繼續增大得率出現下降趨勢。乙醇體積分數增大，增加溶液極性，有利于原花青素析出，體積分數過高會引起原花青素分子間締合，得率降低。

圖3 轉速對原花青素得率的影響

圖4 乙醇體積分數對原花青素得率的影響

2.1.4 時間對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、轉速1 500 r/min、乙醇體積分數65%、溫度50 ℃條件下，進行不同時間下對比試驗，原花青素得率隨時間變化的趨勢如圖5所示。隨著時間增加，冬棗原花青素得率先提升后降低，冬棗中原花青素與溶液傳質需要時間的積累，傳質結束后，由于原花青素間相互作用及氧化作用會造成得率相應降低。

圖5 時間對原花青素得率的影響

2.1.5 溫度對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、轉速1 500 r/min、乙醇體積分數65%、時間20 min條件下，進行不同溫度對比試驗，原花青素得率隨溫度變化的趨勢如圖6所示。隨著溫度升高，冬棗原花青素得率逐步提升，溫度55 ℃時出現最大值，溫度繼續上升，得率不再明顯變化，趨于平穩。溫度升高會增加溶液分子、原花青素分子動能，傳質效果提升，所以原花青素得率起始階段隨溫度升高而增大，但是在同一相內動能增加是有最大限度的，達到極值后溫度再增加，得率不再升高。

圖6 溫度對原花青素得率的影響

2.2 響應面優化冬棗中原花青素提取工藝

2.2.1 響應面試驗

結合單因素試驗結果，在確定溫度55 ℃基礎上，進行響應面試驗優化，選取響應值Y為原花青素得率，液料比（X1）、轉速（X2）、乙醇體積分數（X3）、時間（X4）為響應面試驗因素，以Box-Behnken試驗設計原理為基礎，利用SAS軟件對試驗數據處理與分析，得到相應優化數學模型，確定優化提取工藝。試驗因素與水平選取如表1所示。

表1 響應面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

通過Box-Behnken試驗設計原理，設計四因素三水平的響應面試驗，試驗結果見表2，相應試驗數據回歸分析見表3。

通過擬合回歸處理數據得到擬合函數模型：

由表3回歸分析可以看出，建立的預測模型p＜0.000 1＜0.05，另外R2=99.70%，說明該模型能夠精確模擬99.70%的響應面值，失擬項不顯著（p=0.115 3＞0.05），說明預測模型和預測情況擬合性充分，能夠真實反映不同影響因素間的關系。

2.2.3 響應面優化工藝實際驗證試驗

以響應面試驗優化得到的數學模型為基礎，經極值求解得到最優工藝參數X1、X2、X3、X4理論值，液料比值（X1）為44 mL/g、轉速（X2）為1 550 r/min、乙醇體積分數（X3）為67%、時間（X4）為22 min，模型預測計算得率極值為2.215%。結合響應面試驗及單因素試驗，得到最佳工藝：液料比值44 mL/g、轉速1 550 r/min、乙醇體積分數67%、時間22 min、溫度55 ℃。在最優工藝條件下進行實際3次試驗以驗證工藝優化實際效果，得率分別為2.214%，2.213%和2.212%，得率平均值為2.213%，將試驗得到的平均得率與優化數學模型得到的預測計算得率極值進行誤差分析，相對誤差較小，擬合函數模型可信度高。

表2 響應面試驗方案及試驗結果

表3 回歸分析結果

3 結論

3層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備提取冬棗中原花青素優化工藝條件為液料比值44 mL/g、轉速1 550 r/min、乙醇體積分數67%、時間22 min、溫度55 ℃。經實際試驗對最優條件進行驗證，得率為2.213%。與理論計算極值相對誤差較小，擬合函數模型可信度高。此次試驗拓展黃驊冬棗在食品、化妝品、飼料等行業中的應用及產業化，提高相應產品抗氧化等功能，在工藝、技術、設備等方面提供理論支持。