沖泡過程對條斑紫菜多糖溶出的影響及其動力學研究

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(江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

沖泡過程對條斑紫菜多糖溶出的影響及其動力學研究

劉戀,楊小明*,馬海樂

(江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

基于Fick第二定律,對顆粒狀和片狀條斑紫菜沖泡過程中多糖的溶出進行動力學分析。測定條斑紫菜沖泡液中多糖溶出隨沖泡水溫及時間的變化,建立顆粒狀和片狀條斑紫菜沖泡過程的多糖溶出動力學模型。結果表明在整個沖泡過程中,顆粒狀紫菜中多糖溶出率均大于片狀紫菜。對于顆粒狀紫菜,沖泡水溫的影響大于沖泡時間,以363.15 K(90 ℃)熱水或373.15 K(100 ℃)沸水沖泡20 min,其多糖溶出率達到62.07%和64.05%。實驗數據與動力學模型計算值吻合良好(R>0.933);紫菜多糖溶出表觀速率常數和擴散系數均隨沖泡溫度的升高而增加;顆粒狀和片狀紫菜多糖溶出過程的活化能分別為5.984、1.406 kJ/mol;多糖溶出相對萃余率符合指數模型。該動力學模型可為條班紫菜多糖最佳沖泡方式奠定理論基礎。

條斑紫菜,多糖,溶出,動力學模型

條斑紫菜(Porphyrayezoensis)屬于紅藻門紅毛菜科紫菜屬,作為一種營養(yǎng)豐富的食用海藻,深受人們喜愛。多糖是條斑紫菜中最主要的活性成分,具有提高免疫力[1]、抗腫瘤[2]、降血壓[3]和抗氧化[4]等多種生物活性功能。除了開發(fā)為保健品的高純度紫菜多糖外,日常飲食中最為常見的紫菜湯或即食海苔片是人們攝入紫菜多糖的主要途徑。由于紫菜細胞壁的保護,干食紫菜中多糖在人消化道中的溶出受到限制[5]。而多糖的水溶性特點決定了其易溶于湯料中,紫菜湯是飲食中紫菜多糖最豐富的來源之一。紫菜多糖在湯中的溶出率很大程度上將影響食用過程中人體對紫菜多糖的攝入量,但目前尚未見有關其沖泡過程中多糖的動態(tài)溶出研究報道。研究紫菜多糖在湯料烹飪過程中的溶出,進而從理論上歸納這種動力學[6-8]變化卻是速溶紫菜粉或者其他新型紫菜產品開發(fā)的重要理論依據。

本研究基于Fick第二定律,以江蘇產條斑紫菜(Porphyrayezoens)為原料,選擇模擬紫菜湯料的顆粒狀和即食紫菜的條片狀為實驗模型,對沖泡不同形狀紫菜過程中多糖溶出的動力學進行了研究,并由此推算出沖泡過程中的表觀速率常數、擴散系數、活化能和相對萃余率等動力學函數值,為條班紫菜多糖最佳沖泡方式及紫菜資源的深加工和新產品的開發(fā)奠定理論基礎。

1 材料和方法

1.1材料及儀器

條斑紫菜(Porphyrayezoens,生產批次Lot#20150708,產地江蘇連云港) 上海海天下冷凍食品有限公司;重蒸酚 北京華越洋生物科技有限公司;氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、3,5-二硝基水楊酸、亞硫酸鈉、85%磷酸、四硼酸鈉、濃硫酸、葡萄糖、乙醇等 均為國藥分析純。

BS-124S電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;DFT-100高速粉碎機 浙江臺州林大機械有限公司;315-15型數顯測厚儀(分辨率0.01 mm) 上海川陸量具有限公司;UV-1000紫外分光光度計 翱藝儀器上海有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 樣品制備 干燥條斑紫菜樣品粉碎過篩,選取40～60目篩分級的物料為顆粒狀模型,粒徑取平均值為50目(孔徑0.28 mm)。另一份樣品剪成20 mm×10 mm的片狀為條片狀平板模型,游標卡尺多次測定片狀紫菜厚度,取厚度平均值為0.568 mm。

1.2.2 條斑紫菜中多糖含量的分析 條斑紫菜顆粒樣品以1∶30的料液比,373.15 K(100 ℃)水浴浸提2 h,4500 r/min離心10 min,分離上清液,殘渣同樣條件下重復提取5次,至上清液苯酚硫酸法檢測不出總糖為止,合并上清液,減壓濃縮定容。DNS法[9]測還原糖含量,苯酚硫酸法[10]測總糖含量。

條斑紫菜中還原糖和總糖含量計算:

Yi(mg/g干重)=(ci×Vi)/m

式(1)

式中:Yi為還原糖或總糖含量(mg/g干重);ci為由回歸方程計算得到的濃縮定容液中還原糖或總糖濃度(mg/mL);Vi為溶液定容體積(mL);m為干條斑紫菜粉質量(g)。

紫菜多糖含量=總糖含量-還原糖含量。

1.2.3 條斑紫菜多糖在水中的溶出實驗 按照通常的沖泡習慣,將條斑紫菜與水的料液比固定為1∶30。分別于250 mL具塞錐形瓶中加入150 mL蒸餾水,置于303.15、318.15、333.15、348.15、363.15、373.15 K(30、45、60、75、90、100 ℃)水浴中恒溫后,加入5.00 g紫菜樣品,使樣品全部浸沒于水中。分別浸泡 20、40、60、80、100和120 min后,4000 r/min離心15 min,收集上清液,減壓濃縮,濃縮液定容至50 mL。苯酚硫酸法測總糖含量,DNS法測還原糖含量。實驗進行3次平行。

條斑紫菜沖泡液中多糖濃度計算如下:

C=[(c2-c1)×V1]/V2

式(2)

式中:C為多糖濃度(mg/mL);c1和c2分別為由回歸方程計算得到的濃縮液中還原糖和總糖濃度(mg/mL);V1為濃縮液定容體積(mL);V2為條斑紫菜沖泡液體積(mL)。

條斑紫菜沖泡液中多糖溶出率計算如下:

式(3)

式中:D為多糖溶出率(%);C為條斑紫菜沖泡液中多糖濃度(mg/mL);V2為條斑紫菜沖泡液體積(mL);5.0為條斑紫菜樣品質量(g);Y1和Y2分別為條斑紫菜中的還原糖和總糖含量(mg/g)。

1.2.4 條斑紫菜多糖溶出過程動力學模型 多糖的溶出過程是一個傳質過程,為三步:一是溶劑浸濕紫菜表面并溶解其中多糖;二是溶解的多糖從物料內表面向外表面擴散;三是多糖從植物外表面向溶液主體擴散[7]。對于整個溶出過程而言,第二步進行較慢,因此溶劑在紫菜內部的擴散就是溶出過程的控制步驟,這是一個非穩(wěn)態(tài)的擴散過程。

1.2.4.1 條斑紫菜多糖溶出的球狀模型建立 將粉碎過篩后的紫菜粉顆粒視為大小均一的球型,半徑為R,為了便于建立模型,做以下假設:溶出過程中,顆粒內各成分是均勻穩(wěn)定分布的,紫菜多糖的質量濃度和擴散系數不變;多糖的擴散是從顆粒內部擴散至顆粒表面的;紫菜顆粒表面的傳質阻力忽略不計;同一溶出溫度下,多糖的擴散系數為恒定常數[11]。

根據上述假設,則基于Fick第二定律的球狀模型動力學方程可表達為[6-8]。

式(4)

式中:C為任意t時刻溶液主體中多糖的質量濃度;C0和C∞分別為初始t時刻和溶出達到平衡時沖泡液中多糖的質量濃度;Ds為擴散系數,表示物質在介質中的擴散能力,mm2/s。

由于濃度的高次項趨近為零可以忽略不計,因此上式n=1時,則有[8]:

式(5)

由于初始時刻C0=0,對式(5)兩邊取對數得:

ln[C∞/(C∞-C)]=kt+b

式(6)

上式中,k為表觀速率常數,反映了物質在介質中擴散速率的快慢,s-1;且有

k=π2Ds/R2

式(7)

式(5)即為得到的球狀模型動力學方程。

1.2.4.2 條斑紫菜多糖溶出的片狀模型建立 由于條斑紫菜作為食物或者調味品,除了球狀顆粒以外,更常見的是片狀,片狀條斑紫菜的溶出動力學方程式有別于球狀模型[12]。為了便于建立片狀動力學模型,做如下假設:相對于片狀條斑紫菜的厚度來說,片狀條斑紫菜可以看成是無限薄板;多糖是從薄板厚度的中心擴散至薄板表面的;紫菜片表面的傳質阻力忽略不計;同一溶出溫度下,多糖的擴散系數為恒定常數;溶出過程中,薄板內各成分是均勻穩(wěn)定分布的。

Stapley[12]提出當葉片完全浸沒時,無限薄板中有效成分在極長時間內溶出的動力學方程式如下:

式(8)

上式中,L是薄板的半厚度,表觀速率常數用k=π2Ds/4L2表示。

式(7)即為得到的片狀模型動力學方程。

1.3數據處理

實驗數據以3次獨立樣品測定結果的平均值±標準差表示;數據分析采用SPSS 19.0軟件,p<0.05 有統(tǒng)計學意義;Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1條斑紫菜中多糖含量分析

還原糖的標準曲線為:y=0.5799x-0.0617(線性范圍為0.2～1.2 mg,R2=0.9978);總糖的標準曲線為:y=7.2742x-0.0513(線性范圍0.02～0.20 mg,R2=0.9982)。按照1.2.2方法,條斑紫菜中多糖含量為101.5 mg/g干重。

2.2沖泡溫度和沖泡時間對紫菜湯中多糖濃度及溶出率的影響

由圖1和圖2可見,提高水溫或延長沖泡時間均能增加多糖的濃度和溶出率。沖泡20～120 min,與303.15 K熱水相比,以373.15 K沸水沖泡,顆粒狀條斑紫菜湯液中多糖濃度增加了65.16%～88.11%,片狀條斑紫菜湯液中多糖濃度增加了36.26%～57.01%。分別采用303.15～373.15 K熱水沖泡,與沖泡時間20 min比較,沖泡時間延長至120 min時,顆粒狀條斑紫菜湯液中多糖濃度增加了28.05%～55.56%,而片狀條斑紫菜湯液中多糖濃度增加了57.1%～80.82%。說明對顆粒狀條斑紫菜中多糖的溶出,沖泡水溫的影響大于沖泡時間,而片狀條斑紫菜則相反。另外,由圖1中可以看出,高溫(≥333.15 K)更有助于顆粒狀條斑紫菜中多糖的溶出。因此,沖泡水溫對顆粒狀條斑紫菜中多糖溶出的影響大于沖泡時間,沖泡溫度最低為333.15 K時,其多糖溶出率在短時間內(20 min)可達到50%以上;對于片狀條斑紫菜,在提高水溫的同時還需要延長沖泡時間才能促使較多的多糖溶出,在373.15 K的熱水中沖泡120 min,多糖溶出率接近平衡(49.78%)。

圖1 顆粒狀條斑紫菜在不同溫度沖泡液中多糖濃度(a)和溶出率(b)與沖泡時間的關系Fig.1 Relationship between the concentration(a)and dissolution rate(b)of polysaccharides in Porphyra yezoensis soup and immersing time under different temperature

圖2 片狀條斑紫菜在不同溫度沖泡液中多糖濃度(a)和溶出率(b)與沖泡時間的關系Fig.2 Relationship between the concentration(a)and dissolution rate(b)of polysaccharides in Porphyra yezoensis soup and immersing time under different temperature

由圖1和圖2可見,在同等沖泡溫度和時間條件下,顆粒狀條斑紫菜的多糖溶出量顯著高于片狀條斑紫菜,因為相比于片狀模型,球形結構有較大的表面積,多糖從固相原料溶出后滲透到水相的傳質面積較大,有利于多糖快速溶出,因此日常沖泡條斑紫菜,選擇顆粒狀能溶出更多的紫菜多糖。當沖泡溫度高于348.15 K時,60 min內多糖的溶出率明顯增大,60 min后增大趨勢開始下降。以顆粒狀條斑紫菜為例,在363.15或373.15 K的熱水中沖泡20 min,多糖溶出率達到62.07%和64.05%,當沖泡時間延長到120 min,多糖溶出率為79.5%(363.15 K)和85.5%(373.15 K),溶出率增加有限,因此實際沖泡過程中并非時間越長越好。對于日常飲用紫菜湯來說,以363.15 K熱水或373.15 K沸水沖泡20 min,多糖已達到較高的溶出率,為增加多糖的溶出率而延長沖泡時間意義不大。

2.3溶出過程動力學結果分析

表1 不同溫度下條斑紫菜多糖溶出動力學方程參數和相關系數Table 1 Kinetic model parameters and correlation coefficients of kinetic model for dissolution process of polysaccharides from Porphyra yezoensis

2.3.1 表觀速率常數的求解 分別將303.15、318.15、333.15、348.15、363.15和373.15 K溫度下,顆粒狀和片狀條斑紫菜沖泡過程中的ln[C∞/(C∞-C)]與沖泡時間t之間進行線性擬合,得到擬合方程ln[C∞/(C∞-C)]=kt+b,表觀速率常數k即為回歸線的斜率,擬合方程的參數如表1所示。由表1可見,各溫度下的擬合方程均顯示出良好的相關系數(r>0.933)表明實驗數據與動力學模型計算值吻合良好,該模型適用于預測條斑紫菜沖泡過程中多糖的溶出行為。

從表1可知,無論是球狀模型還是平板模型中,表觀速率常數k隨溫度增加逐漸增大,說明條斑紫菜沖泡液中多糖的溶出速率隨溫度上升而增大,因此高溫有助于多糖的溶出。同時,實驗結果顯示各溫度下球狀模型中的k值高于平板模型中的k值。這可能是由于條斑紫菜經過粉碎破壁后,紫菜顆粒中的細胞內多糖更容易穿過破碎的細胞壁或細胞膜,從而更快地被釋放到細胞外的溶劑中。食用尺寸較大的片狀紫菜時可能會出現細胞中的紫菜多糖還未完全溶出就被排出體外的情況[5]。

表2 不同溫度下紫菜多糖相對萃余率對時間回歸結果Table 2 Relationship between y and t at different temperatures

2.3.2 擴散系數的求解 擴散系數可由表觀速率常數計算得到,它表示多糖在紫菜內部的擴散快慢。由球狀和平板模型的動力學公式中k=(π2Ds/R2)和k=π2Ds/4L2可知,表觀速率常數是擴散系數與紫菜顆粒半徑(R)或紫菜片半厚度(L)的函數。顆粒狀和片狀條斑紫菜沖泡過程的Ds對溫度T作圖得圖3。根據得到的回歸方程可分別計算出兩種紫菜形狀模型的有效擴散系數。由圖3(a)可回歸出如下方程:104Ds=0.4473e0.006T,R2=0.895;由圖3(b)可回歸出如下方程:104Ds=1.297e0.001T,R2=0.9382。由擴散方程可知,擴散系數符合指數方程模型,其擬合精度稍差,這是因為擬合方程是在假設紫菜沖泡過程中的顆粒半徑和薄片半厚度不改變的情況而計算得到的數據來進行擬合得到的,但是在實際操作中,條斑紫菜中多糖的擴散發(fā)生在非均勻的多孔介質結構中,顆粒狀紫菜由于機械粉碎發(fā)生一定的破損,而片狀紫菜具有更多的肉眼可見的破碎孔隙。另外紫菜顆粒粒徑過小產生吸附作用[13],也會造成擬合方程的精度較差。

圖3 球狀模型(a)和平板模型(b)中Ds與溫度T的關系Fig.3 Relationship between Ds and T in spherical model(a)and slab model(b)

2.3.3 相對萃余率的求解 相對萃余率y=C∞-C/C∞,反映了溶出過程中物料中還未溶出的有效成分與有效成分溶出達到平衡時有效成分的質量濃度的比值,式(6)和式(8)可變?yōu)閥=a·exp(-kt)。以y對沖泡時間t作圖并擬合,得到擬合方程結果見表2。

表2可以看出,擬合方程的復相關系數r均在0.937以上,說明方程的擬合精度較高。因此可知,條斑紫菜多糖的溶出過程更加符合于指數的數學模型。比較表1、表2中的數據可看出,兩種方程擬合得到的速率常數有一定的誤差,引起這一結果的原因很可能是因為采用了不同的模型擬合所引起的。通過模型計算得到球狀模型中條斑紫菜在溫度為363.15或373.15 K的熱水中沖泡20 min,多糖的相對萃余率分別為29.03%和28.38%,理論計算值與實驗測定值吻合良好,說明擬合效果較好。

2.3.4 活化能的求解 多糖溶出的表觀速率常數k與提取溫度T的關系符合阿雷尼烏斯(Arrhenius)方程,其對數形式:

式(8)

式中:k為表觀速率常數,s-1;R0=8.314 J·mol-1·K-1;A為指前因子;Ea為活化能,J/mol。

圖4 球狀模型(a)和平板模型(b)中多糖溶出動力學的阿雷尼烏斯關系圖Fig.4 Arrhenius-type relationship of dissolution kinetics of polysaccharides in spherical model(a)and slab model(b)

3 結論

研究沖泡溫度和沖泡時間對顆粒狀和片狀條斑紫菜沖泡液中多糖的濃度的影響,以Fick第二定律為理論基礎,建立顆粒狀和片狀條斑紫菜沖泡過程中多糖溶出的動力學模型。實驗結果表明沖泡水溫對顆粒狀條斑紫菜中多糖溶出的影響大于沖泡時間,合適的沖泡溫度最低為333.15 K時,其多糖溶出率在20 min內可達到50%以上;對于片狀條斑紫菜,在提高水溫的同時還需要延長沖泡時間才能促使較多的多糖溶出;顆粒狀條斑紫菜的多糖溶出量在整個沖泡過程中均大于片狀紫菜,采用顆粒狀紫菜在溫度為363.15或373.15 K的熱水中沖泡20 min,多糖溶出率達到62.07%和64.05%,對于日常飲用紫菜湯來說已達到較高的溶出率。通過實驗數據驗證了推導的動力學模型,并求得了相關動力學參數,紫菜多糖溶出的表觀速率常數和擴散系數均隨沖泡溫度的升高而增加,顆粒狀和片狀紫菜多糖溶出過程中的活化能分別為5.984、1.406 kJ/mol;多糖溶出的相對萃余率符合指數模型。該動力學模型可為條班紫菜多糖最佳沖泡方式奠定理論基礎,對同類研究也具有一定的參考價值。

由于物料所含功能成分的多樣性以及浸提過程的復雜性,同時物料組織結構(孔隙率、彎曲系數和孔隙結構等)也決定功能成分在液相主體中的傳質和擴散[14],探索和建立適用范圍更廣的動力學模型仍是該領域研究的核心問題;而對于應用研究,改進模型參數的確定方法,提高模型在提取或溶出工藝優(yōu)化方面的實用性和預測精度應是研究的重點[15]。

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權威·核心·領先·實用·全面

TheinfluenceofimmersingprocessonthedissolutionofpolysaccharidesfromPorphyrayezoensisanditskineticsresearch

LIULian,YANGXiao-ming*,MAHai-le

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The diffusion kinetic models established based on Fick’s second law for polysaccharides fromPorphyrayezoensisof both spherical and slab geometries were investigated in this paper. The polysaccharide concentrations in thePorphyrayezoensissoup were measured at different immersing temperature and different time. Results showed that the dissolution of polysaccharides fromPorphyrayezoensisin the spherical model was significantly higher than that in the slab one. The polysaccharide dissolution rates of 62.07% and 64.05% were gained at 363.15 and 373.15 K for 20 min. Statistical results suggested that the kinetic model calculation values coincide well with the experimental data. And a series of kinetic parameters were gained. The apparent kinetic constants and diffusion coefficients both increased with temperature. The apparent activation energy were 5.984 kJ/mol and 1.406 kJ/mol in the spherical and slab models,respectively. The relative yield of the polysaccharide dissolution was in accordance with exponential model. The kinetic models established the theoretical foundation for the optional immersing process forPorphyrayezoensispolysaccharides.

Porphyrayezoensis;polysaccharide;dissolution;kinetic model

2017-02-07

劉戀(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：食品科學與工程，E-mail：liulianlian2011@126.com。

*通訊作者:楊小明(1963-)，女，博士，教授，研究方向：天然產物分離及活性，E-mail：XM_Yang1963@126.com。

國家自然科學基金(81372404)；鎮(zhèn)江市社會發(fā)展基金(SH2015072)。

TS254.9

:A

:1002-0306(2017)16-0014-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.004