超聲波的空化作用及其對(duì)多酚穩(wěn)定性的影響

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(1. 江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013; 2. 美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系,美國(guó)加州 95616)

超聲波是指頻率超過(guò)20000Hz,人耳無(wú)法識(shí)別的聲波,其頻率最高可達(dá)1011Hz[1]。超聲波按照其應(yīng)用的不同,分為檢測(cè)超聲與功率超聲。檢測(cè)超聲頻率高而功率低,頻率一般在0. 5 ～ 20MHz,功率一般小于1W/cm2;功率超聲頻率低但功率較高,功率可達(dá)10 ～ 100W/cm2,頻率在15 ～ 60kHz[2 - 3]。

多酚是一大類(lèi)具有結(jié)構(gòu)共性的物質(zhì),廣泛存在于植物中,尤其在水果、蔬菜和茶葉中含量較高。多酚具有多種生物活性,能延緩衰老[4]、預(yù)防癌癥[5 - 6]、預(yù)防老年性癡呆[7]及心腦血管疾病[8],還可以促進(jìn)排鉛[9]、預(yù)防齲齒[10]、保護(hù)血腦屏障[11]。

由于多酚具有多種保健功效且來(lái)源廣泛,近年來(lái)多酚的提取成為研究熱點(diǎn),而超聲輔助提取廣泛應(yīng)用其中以期縮短提取時(shí)間、提高得率。但超聲的空化作用會(huì)產(chǎn)生局部高溫、高壓以及誘發(fā)產(chǎn)生自由基,這改變了提取體系的微物理化學(xué)環(huán)境,對(duì)多酚的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

1 超聲波的空化作用

1. 1 空化成因

在流體中,當(dāng)流體某處的壓力低于空氣分離壓時(shí),原來(lái)溶解在流體中的氣體就會(huì)解析出來(lái),在流體內(nèi)部或者表面形成氣泡,這些氣泡稱(chēng)為空穴,空穴(氣泡)的形成、發(fā)展和淬滅的過(guò)程,稱(chēng)為空化[12]。

超聲空化是超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)特有的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí),它將引起介質(zhì)分子以其平衡位置為中心的振動(dòng)。在聲波壓縮相內(nèi),分子間的距離減小;在稀疏相(即負(fù)壓相)內(nèi),分子間的距離增大。對(duì)于強(qiáng)度為I的聲波來(lái)說(shuō),其作用于介質(zhì)的聲壓為:

Pa=PAsinωt

式(1)

式(1)中PA為聲壓振幅;ω為聲波的角頻率。

式(2)

式(2)中ρ為介質(zhì)的密度;c為聲速。

在聲波的負(fù)壓相內(nèi),介質(zhì)受到的作用力為(Ph-Pa),Ph為液體的靜壓力。那么由(1)(2)式我們不難得出,如果聲強(qiáng)增大,則聲壓振幅增大,即作用于介質(zhì)的壓力將增大,如果這個(gè)壓力足夠大,大到使分子間的距離超過(guò)極限距離,液體的完整結(jié)構(gòu)將被破壞,空穴由此形成。

1. 2 影響空化的因素

影響超聲空化的因素很多,超聲參數(shù)、介質(zhì)本身的物理性質(zhì)以及外界環(huán)境都可以影響空化。具體說(shuō)來(lái)包括:

1. 2. 1 聲強(qiáng) 聲強(qiáng)直接決定空化是否能夠發(fā)生,只有聲強(qiáng)達(dá)到空化閾值才可以發(fā)生空化。一定范圍內(nèi),聲強(qiáng)越大,空化越強(qiáng)烈,但空化飽和后,聲強(qiáng)的增大帶來(lái)的是大量的無(wú)用氣泡,這些氣泡甚至在壓縮相內(nèi)來(lái)不及崩潰,形成氣體屏障,加重了超聲波的散射與衰減,對(duì)空化不利[13]。

1. 2. 2 頻率 頻率的增大會(huì)提高空化閾值,不容易產(chǎn)生氣泡。但有必要指出的是,空化的強(qiáng)烈程度與空化的化學(xué)效應(yīng)不是一個(gè)概念,趙逸云等[14]對(duì)比了38. 4kHz和800kHz所產(chǎn)生的聲化學(xué)效果,發(fā)現(xiàn)高頻超聲化學(xué)效應(yīng)更強(qiáng)烈(TA熒光法)。這是因?yàn)榈皖l超聲激發(fā)的空化泡半徑大、崩潰時(shí)釋放的能量也大,但是正是由于瞬間產(chǎn)生了大量的羥自由基,羥自由基局部濃度瞬時(shí)增高,羥自由基更易結(jié)合生成過(guò)氧化氫。高頻超聲雖然激發(fā)產(chǎn)生的羥自由基不如低頻激發(fā)的多,但是羥自由基卻不容易因?yàn)闈舛冗^(guò)高進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)而“消失”。

1. 2. 3 脈沖寬度 莫喜平[15]等研究發(fā)現(xiàn)脈沖寬度也可以影響空化。

1. 2. 4 液體的粘滯系數(shù)與表面張力系數(shù) 液體越粘稠,空化越難發(fā)生。表面張力系數(shù)增大,即空化泡收縮力增大,空化越難發(fā)生。

1. 2. 5 蒸汽壓 液體蒸汽壓升高,空化減弱。

1. 2. 6 溫度 溫度對(duì)空化的影響是多方面的,一方面溫度升高,導(dǎo)致表面張力系數(shù)降低,粘性系數(shù)降低,這些都會(huì)使空化閾值降低,空化變得容易;另一方面溫度升高使得蒸汽壓升高,又弱化了空化效應(yīng),所以綜合考慮,要想獲得良好的空化效果,應(yīng)該在低溫下進(jìn)行,并且選用低蒸汽壓的液體。

1. 2. 7 液體中的含氣量與含氣種類(lèi) 溶解在液體中的氣體越多,即液體中的微小泡核越多,空化閾值越低,使得空化變得容易,但空化強(qiáng)度卻會(huì)減弱;溶解的氣體的比熱越大,空化效應(yīng)越大,比如單原子氣體比雙原子氣體空化效應(yīng)大。

1. 2. 8 外界環(huán)境壓力 外壓增高會(huì)提高空化閾值,同時(shí)使氣泡崩潰程度加劇[12,16 - 17]。

2 超聲輔助提取多酚

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)物理或化學(xué)的變化,這些變化并非單一獨(dú)立發(fā)生,而是同時(shí)出現(xiàn)。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)會(huì)吸收超聲波,然后將超聲波的振動(dòng)能全部或大部分轉(zhuǎn)化為熱能使自身溫度升高,這稱(chēng)之為超聲波的熱作用。熱作用使介質(zhì)溫度升高,從而加速了有效成分的溶解。超聲的高頻振動(dòng)使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài),交替壓縮伸張,產(chǎn)生線形或非線形交變振動(dòng),引起相互作用的伯努利力、粘滯力,這稱(chēng)之為超聲波的機(jī)械作用。機(jī)械作用加速了介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)也強(qiáng)化了組織內(nèi)物質(zhì)的釋放與溶解。另外超聲空化作用產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓提高了組織細(xì)胞的破碎效率、縮短了破碎時(shí)間,直接有利于目標(biāo)物質(zhì)的溶出[2,18]。基于上述機(jī)理,超聲波輔助提取可以獲得較高的提取效率。超聲輔助提取沒(méi)有目標(biāo)物質(zhì)的限定,油脂[19]、蛋白質(zhì)[20]、淀粉[21]、多糖[22]及其它活性物質(zhì)[23]都可以應(yīng)用超聲輔助提取,多酚也不例外。

Carla等人[24]在研究從葡萄籽中提取多酚時(shí)發(fā)現(xiàn)提取等量的多酚,傳統(tǒng)浸提需要12h,但運(yùn)用20kHz、150W超聲后,只需要15min,大大縮短了提取時(shí)間;Leandro等人[25]在研究從黑果梨提取多酚的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)運(yùn)用超聲后效果顯著不同,在超聲的作用下,多酚的產(chǎn)量提高到了85%。Daniella等人[26]從制作蘋(píng)果汁的果渣中提取多酚,超聲提取組的總酚含量(兒茶素當(dāng)量)比傳統(tǒng)提取組的總酚含量(兒茶素當(dāng)量)提高了30%。陶令霞等人[27]也運(yùn)用超聲從蘋(píng)果皮渣中提取多酚,在最優(yōu)參數(shù)下,取得到較高的多酚得率(4. 29g/kg)。潘忠禮等人[28]利用連續(xù)超聲和脈沖超聲輔助提取石榴皮渣中的多酚,發(fā)現(xiàn)兩種超聲模式下多酚提取率均高于傳統(tǒng)提取率且提取時(shí)間均少于傳統(tǒng)提取。

3 超聲波的空化作用對(duì)多酚穩(wěn)定性的影響

與傳統(tǒng)提取相比,超聲輔助提取多酚雖然可以縮短時(shí)間、提高得率,但提取過(guò)程中,超聲波空化作用對(duì)多酚穩(wěn)定性的破壞也不容忽視。

超聲波空化有兩種形式,穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化。穩(wěn)態(tài)空化在較低聲強(qiáng)作用下即可發(fā)生,氣泡在負(fù)壓半周期內(nèi)緩慢膨脹,在正壓半周期內(nèi)緩慢收縮但不致破裂,氣泡做周期性的、非線形的振蕩運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)態(tài)空化氣泡壽命相對(duì)較長(zhǎng),空化程度較為緩和,對(duì)介質(zhì)微環(huán)境影響較小。瞬態(tài)空化在較強(qiáng)聲強(qiáng)下才能發(fā)生。瞬態(tài)空化氣泡在負(fù)壓半周期內(nèi)急劇膨脹,在進(jìn)入正壓半周期后又劇烈收縮直至崩潰。在這瞬時(shí)劇烈的膨脹又收縮直到最后的崩潰期間,氣泡內(nèi)會(huì)產(chǎn)生局部高溫(5000K)與高壓(50MPa),還伴隨強(qiáng)大沖擊波(均相)、高速(>110m/s)微射流(非均相)的產(chǎn)生。瞬態(tài)空化程度劇烈,使介質(zhì)形成多個(gè)局部極端的物理化學(xué)環(huán)境,對(duì)介質(zhì)微環(huán)境有較大影響[29 - 30]。瞬態(tài)空化正是以這種特殊的能量形式加速了某些化學(xué)反應(yīng),又為某些反應(yīng)啟通了新的通道[30]。

當(dāng)介質(zhì)中存在水時(shí),瞬態(tài)空化產(chǎn)生的高溫高壓會(huì)激發(fā)羥自由基(hydroxyl free radical)的產(chǎn)生[31]

H2O→·OH+·H

式(3)

Milino等[32]早在1982年就利用電子自旋共振法(ESR)在超聲處理后的水體中檢測(cè)出了羥自由基。后來(lái)眾多的研究者也用不同的自由基檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)出了超聲致水體產(chǎn)生的羥自由基[30,33]。

羥自由基是最活潑的一種活性分子,氧化性極強(qiáng),氧化電位高達(dá)2. 80V,氧化能力與氟(F)相當(dāng),幾乎能與所有的生物大分子、有機(jī)物或無(wú)機(jī)物發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)[34]。多酚是一大類(lèi)具有結(jié)構(gòu)共性的化合物,含有兩個(gè)或兩個(gè)以上羥基與芳香環(huán)直接相連的結(jié)構(gòu)[35]。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),多酚很容易被氧化失活[36]。并且羥自由基參與的反應(yīng)屬于游離基反應(yīng),反應(yīng)速度極快。所以超聲波空化作用產(chǎn)生的羥自由基可以快速氧化多酚,嚴(yán)重威脅著多酚的穩(wěn)定性。

不僅如此,Castellanos等[37]還認(rèn)為超聲產(chǎn)生的羥自由基會(huì)彼此結(jié)合生成過(guò)氧化氫:

·OH+·OH→H2O2

式(4)

過(guò)氧化氫也是一種周知的強(qiáng)氧化劑,也可氧化多酚使其失活[31]。

空化作用主要是通過(guò)這兩大途徑影響著多酚的穩(wěn)定性。另外,超聲的空化作用對(duì)多酚穩(wěn)定性的影響,還與多酚自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),多酚苯環(huán)上的取代基越多,越不穩(wěn)定,相同取代基數(shù)量的情況下,羥基取代基越多,越不穩(wěn)定,而甲氧基取代基越多,越穩(wěn)定[38]。

許多研究者的成果表明超聲波的空化作用確實(shí)會(huì)破壞多酚的穩(wěn)定性,并且也佐證著空化作用影響多酚穩(wěn)定性的機(jī)理。

Metalitza等[39]研究發(fā)現(xiàn)超聲空化作用可以引起尿素酶的降解失活,而多酚不僅可以保護(hù)尿素酶不在低頻超聲(27kHz,60W/cm2)環(huán)境中降解,而且在高頻超聲(2. 64MHz,1W/cm2)環(huán)境中同樣起到保護(hù)作用。沒(méi)食子酸丙酯可以使尿素酶在低頻超聲環(huán)境中的失活率降低3倍,并且完全抑制尿素酶在高頻超聲環(huán)境中的失活。

Potapovich等[40]研究發(fā)現(xiàn)從歐洲羽節(jié)蕨地上部分提取出的沒(méi)食子酸丙酯及其二硫聚合物、黃氏甙、六種兒茶酚的叔丁基衍生物均可以保護(hù)暴露在超聲環(huán)境中的過(guò)氧化氫酶的活性,并且其中4 - 叔丁基兒茶酚、黃氏甙的效果最好。

Entezar等[41]在研究超聲降解多酚取代物時(shí)發(fā)現(xiàn),單純的超聲處理就對(duì)某一類(lèi)結(jié)構(gòu)的多酚替代物有著顯著的降解效果。

馬亞琴[42]在研究超聲輔助提取柑橘中酚酸時(shí)發(fā)現(xiàn),在經(jīng)20kHz超聲在40℃處理20min后,多種酚酸發(fā)生了降解,其中咖啡酸和對(duì)羥基苯甲酸降解最嚴(yán)重,分別高達(dá)48. 90%和35. 33%,其它酚酸含量也有不同程度的降低。

Rawson等[43]研究脈沖超聲波處理新鮮哈密瓜汁時(shí)發(fā)現(xiàn),多酚含量在6min內(nèi)不受影響,但10min后超聲處理組的多酚含量較對(duì)照組顯著下降(p<0. 05)。同樣地Tiwari[44]研究超聲處理草莓汁也發(fā)現(xiàn),處理前期花色苷含量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,但隨著時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng),花色苷的含量反而下降。

Paniwnyk等[45]探究超聲輔助提取蘆丁時(shí)發(fā)現(xiàn),提取溶劑的選擇很重要,甲醇作為提取溶劑時(shí),提取時(shí)間明顯縮短,并且得率顯著提高,但水系溶劑卻對(duì)提取不利。

Fonteles等[46]研究超聲對(duì)哈密瓜汁品質(zhì)影響時(shí)發(fā)現(xiàn),超聲處理后,過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶顯著降低(p<0. 05),并且多酚含量也降低了30%。值得注意的是該研究結(jié)果中,相同的超聲處理?xiàng)l件,低溫短時(shí)處理組的降解率卻明顯高于高溫長(zhǎng)時(shí)處理組。

喬麗萍等[47]以對(duì)羥基苯甲酸(p - hydroxybenzoic acid)、原兒茶酸(protocatechuic acid)、香草酸(vanillic acid)、對(duì)香豆酸(p - coumaric acid)、咖啡酸(caffeic acid)、阿魏酸(ferulic acid)、芥子酸(sinapic acid)七種酚酸為研究對(duì)象,采用高效液相色譜法分析經(jīng)超聲處理60min后的樣品,發(fā)現(xiàn)咖啡酸和芥子酸確實(shí)發(fā)生了降解,在80%乙醇水溶液中二者降解率分別達(dá)到8. 9%和11. 88%,在純水溶液中,芥子酸的降解率甚至達(dá)到了16. 34%。研究還發(fā)現(xiàn),溶劑類(lèi)型和溫度顯著影響降解效果,溶劑的類(lèi)型甚至直接決定降解作用是否發(fā)生。無(wú)水系的溶劑組并沒(méi)有觀測(cè)到降解現(xiàn)象,并且低溫處理組的降解率高于高溫處理組。

4 結(jié)論與展望

超聲波被大量應(yīng)用于多酚的輔助提取中,但目前研究表明,超聲波空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓以及誘導(dǎo)產(chǎn)生的羥自由基和過(guò)氧化氫對(duì)多酚的穩(wěn)定性存在影響。為了避免或減弱該影響,建議在用超聲輔助提取多酚時(shí)重視溶劑的選擇,盡量不要選用水系溶劑,或者盡可能降低溶劑中水分的比例。

目前雖已明確空化作用影響多酚穩(wěn)定性的主體在于羥自由基,但還有一些機(jī)理尚不明確,比如多酚的含量雖然下降,但反應(yīng)是聚合還是分解并不能完全確定。另外,多酚是一大類(lèi)具有多種化學(xué)結(jié)構(gòu)的物質(zhì),是否所有類(lèi)型的多酚都會(huì)發(fā)生降解,發(fā)生降解的多酚有沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的共性,多酚的降解究竟是發(fā)生怎樣的反應(yīng),遵循怎樣的規(guī)律,降解后的多酚是否還具備生物活性等等,這些都是值得關(guān)注、探究的問(wèn)題。

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