TSO-IS效應提取紫芯蜜薯原花青素工藝的優化

程海濤*

衡水學院（衡水 053000）

研究人員對撞擊流（impinging streams，IS）在撞擊流流場分布、規律有關理論與技術應用進行了有關研究，研究成果表明撞擊流形成的能量場對于微觀粒子的碰撞、傳質、傳熱等有明顯強化效果[1]。

根據IS流場特征與相關形成理論，設計的兩層浸沒對置撞擊流（two-layer submerged opposed impinging stream，TSO-IS）強化設備，作為新型高效的傳質、混合、攪拌設備，具有強化混合和相間傳遞的特點[2-6]。TSO-IS形成的撞擊湍流場中產生射流撞擊、旋渦撞擊、流場與反應設備固體表面撞擊等產生橫向渦、剪切渦、縱向渦，從而進一步對流體整體流動特征起到強化效果。對置撞擊流速、湍流強度、流場能量、渦旋強度是影響整體傳質、混合、攪拌效果的主要因素[7]。

紫芯蜜薯，是蜜薯的一個品種，除具備通常蜜薯的組分與功能外，還含有原花青素等具備清除自由基，防止細胞、組織老化功能的物質。原花青素，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[8]。有關紫芯蜜薯的研究圍繞蜜薯種植與管理、蜜薯深加工、常規營養成分分析與檢測等方面展開。通過TSO-IS強化設備，針對紫芯蜜薯中原花青素提取工藝優化的研究以及相關提取物在油脂中抗氧化性的研究并未公開報道。

試驗通過雙層噴嘴對置，依據IS中流場、旋渦、能量分布客觀規律，利用兩層浸沒對置撞擊流強化設備強化紫芯蜜薯原花青素提取，通過響應面法優化提取工藝，對紫芯蜜薯原花青素的含量給出定量分析結果，同時對提取物抗氧化性能進行研究。此研究為豐富紫芯蜜薯成分分析成果，拓展紫芯蜜薯在醫藥、保健品、食品、化妝品、飼料等行業中的應用及產業化，開拓紫芯蜜薯深加工產業化方向，提高相關行業產品抗氧化等功能，在紫芯蜜薯提取原花青素工藝、設備、技術等方面提供強大的理論支撐與數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料

紫芯蜜薯（河北深州）；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（550 W）電機（上海現代環境工程技術有限公司）；RE-52AA旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）；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型超聲波清洗儀（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 兩層浸沒對置撞擊流強化設備設計原理

兩層浸沒對置撞擊流強化設備，主體結構由兩層對置噴嘴撞擊流發生器組成，每一層對置撞擊流發生器噴嘴可以調節直徑大小控制對置撞擊流流量與流速，隨著流量與流速的增加，流體湍流狀態增強，撞擊流碰撞點穩定增多，液相中傳質效果明顯增強，提高紫芯蜜薯組織內原花青素與提取液分子的物質交換，從而提高得率。兩層浸沒對置撞擊流強化設備如圖1所示（噴嘴外徑10 mm）。

圖1 兩層浸沒對置撞擊流強化設備

1.2.2 標準曲線的確定

通過高精度分析天平，精準配制2.0 mg/mL原花青素標準品標準溶液，準確量取12.50，11.25，10.00，8.75，7.50和6.25 mL該溶液置于25 mL棕色容量瓶中，用甲醇為溶劑定容，利用超聲波振蕩、搖勻，低溫保存待用。原花青素定量測定方法采用香草醛-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 紫芯蜜薯中原花青素提取工藝流程

首先將紫芯蜜薯洗凈，利用蒸餾水沖洗，洗去雜物與泥土，同時將紫芯蜜薯兩端細根部除掉，切成均勻小塊，利用勻漿機打漿，如果有未粉碎蜜薯皮需要剔除。注意利用提取液充分沖洗勻漿設備，勻漿后低溫、避光保存。改變試驗中液料比值、對置噴嘴流量、乙醇體積分數、提取時間影響三層浸沒擋板式循環撞擊流強化設備提取深州紫芯蜜薯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 紫芯蜜薯中原花青素得率的計算

利用移液槍量取1 mL提取液，加5 mL 1%香草醛-甲醇溶液，再加入5 mL 30%濃鹽酸-甲醇溶液，利用超聲波混合均勻，在30 ℃恒溫水浴鍋中恒溫30 min，然后進行稀釋，使用紫外分光光度計在500 nm處測定吸光度，利用1.2.2小節中標準曲線計算提取液濃度，再按式（1）計算得率Y。

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的質量濃度，mg/mL；n稀釋倍數；W為干燥紫芯蜜薯樣品質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比值對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在對置噴嘴流量2 000 L/h、乙醇體積分數50%、提取時間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進行液料比值不同水平對比試驗，結果如圖2所示。液料比不同的數值對得率的影響趨勢是隨著液料比值的逐步增大而先升后降的，液料比值為45 mL/g時得率最大，超初液料比值的增大為從紫芯蜜薯中提取原花青素提供了空間。但是當液料比超出一定的值，原花青素在一定提取工藝下析出是一定的，同時析出的原花青素還會發生分子間結合，造成得率降低。

圖2 液料比對得率的影響

2.1.2 噴嘴流量對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、乙醇體積分數50%、提取時間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進行噴嘴流量不同水平對比試驗，結果如圖3所示。噴嘴流量的變化會對能量場、噴射流強度、渦旋強度產生影響。流量增大，能量場、噴射流強度、渦旋強度隨之增大，對置流流場傳質、能量交換增強，得率增大。達到最大值后，噴嘴流量再增大會造成部分原花青素的損失，得率會有少量降低趨于平緩的趨勢。

圖3 噴嘴流量對得率的影響

2.1.3 乙醇體積分數對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、提取時間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進行乙醇體積分數不同水平對比試驗，結果如圖4所示。隨著乙醇體積分數的增大，得率出現平緩增大后逐步降低的趨勢。乙醇體積分數的增大增加了提取溶液的極性，這有利于原花青素的析出與溶解。但是濃度過高會溶解蜜薯中其他組分，影響吸光度測定而出現降低趨勢。

圖4 乙醇體積分數對得率的影響

2.1.4 提取時間對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、乙醇體積分數55%、提取溫度50 ℃條件下，進行時間不同水平下對比試驗，結果如圖5所示。紫芯蜜薯中原花青素得率隨著時間的增加先升高后降低趨于平緩。提取時間的增加會使能量場、噴射流強度、渦旋強度作用效果增強，因此得率穩步提升。達到極值后，時間積累的能量會破壞一定析出的原花青素分子，因此得率會降低后趨于平緩。

圖5 提取時間對得率的影響

2.1.5 溫度對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、乙醇體積分數55%、提取時間30 min條件下，進行溫度不同水平下對比試驗，結果如圖6所示。紫芯蜜薯原花青素得率先隨著溫度升高而逐步提升，當溫度為55 ℃時，得率出現最大值。溫度升高會提升體系能量，這有利于對置流流場能傳質效果的提升。但當溫度＞55 ℃時，受原花青素本身含量極值限制以及溫度對原花青素分子結構的影響，得率會出現降低后趨于平緩的規律。

圖6 溫度對得率的影響

2.2 響應面優化紫芯蜜薯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，選取原花青素得率為響應值Y，液料比（X1）、噴嘴流量（X2）、提取時間（X3）、乙醇體積分數（X4）為響應面試驗因素，在溫度55 ℃的基礎上，進行響應面優化試驗。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，試驗結果如表2所示，相應試驗數據回歸分析如表3所示。

表2 響應面試驗方案及試驗結果

表3 回歸分析結果

通過擬合回歸處理數據，得到擬合函數模型：Y=4.9+0.100 833X1+0.115X2+0.062 5X3+0.08X4-0.395 417X12-0.102 5X1X2-0.012 5X1X3-0.082 5X1X4-0.416 667X22-0.17X2X3-0.077 5X2X4-0.430 417X32+0.035X3X4-0.259 167X42。

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=99.75%，說明該模型能夠精確模擬99.75%的響應面值，失擬項不顯著（p=0.164 2＞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，對回歸方程進行極值求解，得到最優工藝參數X1、X2、X3、X4理論值，即液料比值（X1）46 mL/g、噴嘴流量（X2）2 700 L/h、提取時間（X3）32 min、乙醇體積分數（X4）57%。經模型預測計算，得率極值為4.92%。

結合響應面及單因素試驗得到最佳工藝：液料比值46 mL/g、噴嘴流量2 700 L/h、提取時間32 min、乙醇體積分數57%、提取溫度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，其得率分別為4.94%，4.95%和4.96%，得率平均值為4.95%。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。

2.2.4 對比試驗

為了對比TSO-IS效應對蜜薯中原花青素提取效率的提高，在液料比值46 mL/g、提取時間32 min、乙醇體積分數57%、提取溫度55 ℃條件下進行只有機械槳式攪拌（mechanical paddle mixing，MPM）的提取試驗進行對比，結果如表4所示。結果表明TSO-IS效應對于增強原花青素提取效果顯著。

表4 對比試驗得率 單位：%

3 結論

TSO-IS提取紫芯蜜薯中原花青素優化工藝條件為液料比值46 mL/g、噴嘴流量2 700 L/h、提取時間32 min、乙醇體積分數57%、提取溫度55 ℃。經實際試驗對最優條件進行驗證，計算所得得率為4.95%，與理論計算極值相對誤差較小，說明擬合函數模型可信度高。

相關研究成果拓展了深州紫芯蜜薯在食品、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、設備等方面提供了強有力理論支持。