超聲波輔助離子液體提取石榴籽中原花青素的工藝及其動力學(xué)與熱力學(xué)分析

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(1.棗莊學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,山東棗莊 277160;2.中國人民解放軍空軍總醫(yī)院藥學(xué)部,北京 100142)

超聲波輔助離子液體提取石榴籽中原花青素的工藝及其動力學(xué)與熱力學(xué)分析

王占一1,鄭丹丹1,張立華1,王玉海1,戴博2,李卓瓦1

(1.棗莊學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,山東棗莊 277160;2.中國人民解放軍空軍總醫(yī)院藥學(xué)部,北京 100142)

探討了超聲波輔助離子液體提取石榴籽中原花青素的工藝條件,以原花青素得率為考察指標(biāo),提取時間、提取溫度、超聲功率和離子液體濃度為實驗因子,在單因素實驗基礎(chǔ)上,通過Box-Behnken實驗設(shè)計優(yōu)化最佳提取工藝條件,并對提取過程的動力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示:原花青素的最佳提取工藝條件為:提取時間32 min、提取溫度52 ℃、超聲功率300 W、離子液體濃度1.15 mol/L,此條件下的原花青素得率達(dá)到1.718%;在該工藝參數(shù)下,提取速率常數(shù)k值為0.313 min-1,表面擴(kuò)散系數(shù)DS值為7.936×10-5cm2/min,而相同提取條件下,無水乙醇空白對照組的k值僅為0.063 min-1,表面擴(kuò)散系數(shù)DS值為1.597×10-5cm2/min,提取速率明顯提高;提取過程的熱力學(xué)參數(shù),熵ΔH為248.51 kJ/mol,焓ΔS為813.69 J/(mol·K),數(shù)值均大于零,說明離子液體提取過程為吸熱熵增加過程,自由能ΔG為-18.254 kJ/mol,小于零,為自發(fā)過程。離子液體提取的工藝參數(shù)及動力學(xué)與熱力學(xué)分析,均可用于石榴籽中原花青素提取過程的工程放大和優(yōu)化控制。

石榴籽,原花青素,超聲波,離子液體,動力學(xué),熱力學(xué)

石榴(PunicagranatumL.)是亞熱帶地區(qū)常見樹種,在我國分布區(qū)域廣泛[1]。石榴的果實類型為漿果,可食用部分為其肉質(zhì)多汁的外種皮,而內(nèi)種皮及以內(nèi)的部分,即所謂的“石榴籽”經(jīng)常作為廢物被丟棄。近年來,大量研究證明石榴籽中具有多種活性成分,且普遍具有較好的生物活性。楊麗娜等[2]研究發(fā)現(xiàn),石榴籽提取物中多糖及多酚類成分,具有較強的清除自由基能力,對四氯化碳誘導(dǎo)小鼠肝損傷保護(hù)作用效果明顯。張立華等[3]研究發(fā)現(xiàn),石榴籽提取物中酚酸類成分,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有較好的抑制作用。原花青素作為酚酸性成分廣泛存在于植物漿果種子中,目前,研究較多的為葡萄籽[4]、沙棘籽[5]、爬山虎籽[6]等,而對石榴籽中原花青素的研究鮮見文獻(xiàn)報道。王新紅等[7]研究發(fā)現(xiàn),以離子液體1-乙基咪唑四氟硼酸鹽([EIM]BF4)提取山楂中酚酸性成分,具有蒸汽壓低、揮發(fā)性小、溶解能力強、萃取能力好等諸多優(yōu)點。章凱等[8]研究發(fā)現(xiàn),以離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([BMIM]Cl)提取檸檬皮中果膠類成分,方法快速高效、操作簡單、環(huán)境友好。雖然離子液體在食品領(lǐng)域中的安全性問題不可忽視,但是其諸多的優(yōu)點和廣闊的發(fā)展前景,使其已經(jīng)成為一種新型的綠色溶劑,近幾年在食品領(lǐng)域中越來越廣泛的應(yīng)用[9]。超聲波輔助溶劑法,通過產(chǎn)生高效的空化效應(yīng),使提取過程能夠在短時間內(nèi)完成,有效避免了活性成分被氧化而使功效喪失,該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中藥有效成分提取領(lǐng)域[10-11]。但是,采用超聲波輔助離子液體提取石榴籽中原花青素類成分的研究,國內(nèi)外還未見文獻(xiàn)報道。因此,本研究以石榴籽為材料,1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([BMIM]Br)離子液體為溶劑,采用超聲波輔助提取石榴籽中原花青素,并對提取過程的動力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析,以期為該生產(chǎn)工藝的工程放大提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

野生石榴采自魯南地區(qū)嶧城“萬畝石榴園”主產(chǎn)區(qū),經(jīng)棗莊學(xué)院閆志佩教授鑒定為正品石榴科石榴(PunicagranatumL.),石榴籽經(jīng)過手工搓洗,在50 ℃條件下干燥72 h,粉碎,過24目篩(顆粒半徑R約為0.05 cm),備用。原花青素對照品(純度>98%) 合肥博美生物科技有限責(zé)任公司;1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽([EMIM]Br)、1-丙基-3-甲基咪唑溴鹽([PMIM]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([BMIM]Br)、1-己基-3-甲基咪唑溴鹽([HMIM]Br)、1-辛基-3-甲基咪唑溴鹽([OMIM]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([BMIM]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑碘鹽([BMIM]I) 阿拉丁試劑(上海)有限公司(純度>99%);無水乙醇、香草醛、硫酸(均為分析純) 天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠;蒸餾水 棗莊學(xué)院生物學(xué)省級教學(xué)示范中心提供。

1.2儀器與設(shè)備

TU-1800SPC型紫外-可見光分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;DGH-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;FW135型多功能粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司;EB-280-12型電子分析天平 日本島津公司;HN-CQY型低溫超聲波萃取儀 上海汗諾儀器有限公司;DK-80型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市醫(yī)療儀器廠;RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 河南鞏義予化儀器儀器有限公司;SH2-Ⅲ型循環(huán)水真空泵 上海亞榮生化儀器廠;標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩 浙江上虞華美儀器紗篩廠。

1.3實驗方法

1.3.1 原花青素含量測定 采用香草醛-濃硫酸法[12-13]。精密稱取干燥至恒重的原花青素對照品2.5 mg,用無水乙醇溶解并定容至25 mL,即得0.1 mg/mL的原花青素對照品溶液。精確吸取原花青素對照品溶液0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL分別用無水乙醇定容至10 mL,分別吸取1 mL置于10 mL具塞比色管中,先后依次加入3%香草醛-乙醇溶液2.5 mL和體積分?jǐn)?shù)30%的濃硫酸-乙醇溶液2.5 mL,充分搖勻后,于30 ℃恒溫水浴鍋中保溫20 min,用無水乙醇定容后,于500 nm波長處測定吸光度(A值),并以A值為縱坐標(biāo),原花青素系列濃度為橫坐標(biāo),繪制原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線,求得回歸方程為:A=3.76C+0.0013,R2=0.9992,原花青素含量在0～0.005 mg/mL范圍內(nèi)與A值之間線性關(guān)系良好。

1.3.2 樣品處理方法 準(zhǔn)確稱取粉碎至規(guī)定粒度的石榴籽粉末5.0 g,置于250 mL干燥錐形瓶中,加入不同濃度離子液體的乙醇溶液至設(shè)定料液比例,用保鮮膜封住瓶口,設(shè)置超聲波輸出功率,在超聲波萃取儀上提取到設(shè)定時間[14]。反應(yīng)結(jié)束后,提取液在3000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min,取上清液用0.45μm微孔濾膜過濾,適當(dāng)濃縮后定容,作為供試品溶液。準(zhǔn)確量取1 mL于10 mL具塞比色管中,按照“1.3.1”項下實驗方法測定A值,計算樣品中原花青素含量及得率[15]。

式(1)

1.3.3 提取工藝優(yōu)化設(shè)計 單因素實驗中,固定不變條件為:選擇離子液體[BMIM]Br、提取時間30 min、料液比1∶25、提取溫度50 ℃、超聲功率250 W、離子液體濃度1.0 mol/L。考察離子液體種類、提取時間(15、20、25、30、35、40 min)、料液比(1∶10、1∶15、1∶20、、1∶30、1∶35)、提取溫度(20、30、40、50、60、70 ℃)、超聲功率(100、150、200、250、300、350 W)和離子液體濃度(0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mol/L)6個因素對石榴籽中原花青素得率的影響。在單因素實驗基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken實驗設(shè)計,以石榴籽中原花青素得率(Y)為響應(yīng)值,通過響應(yīng)面分析優(yōu)化提取工藝條件。表1為響應(yīng)面實驗因素水平表。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平表Table 1 Levels and factors Table ofresponse surface experiment

1.3.4 提取過程動力學(xué)分析 精密稱取5.0 g石榴籽干燥粉末(顆粒半徑R約為0.05 cm),共計15份,分別置于15支250 mL錐形瓶中,將15支錐形瓶隨機分為5組,每組3支作平行實驗。再以小組為單位,分別加入1.15 mol/L的[BMIM]Br離子液體125 mL,超聲波功率設(shè)置為300 W,在不同溫度條件下(315、320、325、330、335 K)進(jìn)行超聲波輔助提取。同時,在相同工藝參數(shù)下,以無水乙醇空白溶劑作對照實驗。反應(yīng)11 min后,每隔3 min取樣0.1 mL,直至32 min提取完全為止,分別進(jìn)行石榴籽中原花青素的質(zhì)量濃度測定,根據(jù)測得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行動力學(xué)與熱力學(xué)分析。

中藥有效成分的提取過程中,當(dāng)有效成分從植物顆粒內(nèi)部向介質(zhì)中擴(kuò)散時,是一種非穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)散過程,當(dāng)傳質(zhì)過程的外部阻力可以忽略不計,并假設(shè)樣品粉末為球形顆粒時,濃度差異只與傳質(zhì)徑向相關(guān),擴(kuò)散速率可以采用Fick擴(kuò)散公式來計算,用如下方程進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)擬合[16-17],為了方便表達(dá),假設(shè)Y=ln[C∞/(C∞-C)]。

式(2)

式中:C∞為提取平衡時刻,介質(zhì)中原花青素的質(zhì)量濃度,mg/mL;C為t時刻,介質(zhì)中原花青素的質(zhì)量濃度,mg/mL;C0為介質(zhì)中原花青素的初始質(zhì)量濃度,mg/mL;k為提取速率常數(shù),min-1;DS為表面擴(kuò)散系數(shù),cm2/min;r為假設(shè)石榴籽粉末顆粒為球形的半徑,cm。

1.3.5 提取過程熱力學(xué)分析 在一定溫度下,當(dāng)達(dá)到提取平衡時,石榴籽中原花青素提取過程的熱力學(xué)參數(shù)ΔG、ΔH和ΔS可以通過Van’t Hoff方程計算[18],公式如下:

式(3)

式中:ΔG為提取過程的自由能,kJ/mol;ΔH為提取過程的熵,kJ/mol;ΔS為提取過程的焓,J/(mol·K);R為摩爾氣體常數(shù),數(shù)值為8.314J/(mol·K);T為提取溫度,K。

1.4數(shù)據(jù)分析

BBD實驗設(shè)計采用Design-Expert8.0.5統(tǒng)計分析軟件,圖形制作采用Excel數(shù)據(jù)處理軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1原花青素的提取工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1.1 離子液體種類對原花青素得率的影響 如圖1所示,前5種離子液體的陰離子均為[Br-],在無水乙醇中均有很好的溶解度,但是它們對原花青素的提取效果不同,隨著陽離子烷基鏈由1-乙基-3-甲基咪唑到1-丁基-3-甲丁基咪唑的加長,原花青素得率逐漸增大,當(dāng)從1-丁基咪唑再增大到1-辛基咪唑時,原花青素得率反而下降。說明陽離子為1-丁基-3-甲基咪唑的離子液體,比較適合原花青素的提取,烷基鏈太短,離子液體與細(xì)胞壁纖維素形成氫鍵后,纖維素微纖絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空隙太小,不利于活性成分的溶出[19];烷基鏈太長,突出的位阻效應(yīng)減弱了咪唑環(huán)與原花青素結(jié)構(gòu)上芳香環(huán)之間的色散力,其次,烷基鏈加長,導(dǎo)致離子液體粘度相對增大,不利于活性成分的溶出[7]。后2種離子液體的陽離子均為1-丁基-3-甲基咪唑,在實驗中也比較常見,但是,其對原花青素的提取能力不如陰離子為[Br-]的離子液體,原因是陰離子主要控制離子液體的溶解性,其對活性成分的多重交互作用如π-π鍵、溶劑效應(yīng)等不同,對原花青素的提取能力不同。因此本實驗選擇[BMIM]Br作為提取溶劑。

圖1 離子液體種類對原花青素得率的影響Fig.1 Effects of ionic liquid typeon the extraction yield of proanthocyanidins

2.1.1.2 提取時間對原花青素得率的影響 如圖2所示,原花青素得率隨著提取時間的增加而增大,30 min后降低。原因是原花青素從固相向液相傳遞是一個復(fù)雜過程,故而延長提取時間,原花青素得率升高。但是,提取時間太長,部分產(chǎn)物被分解,或者是原料中雜質(zhì)不斷溶入而影響了提取效果,從而使得原花青素得率升高趨勢緩慢。因此,提取時間初步確定為30 min。

圖2 提取時間對原花青素得率的影響Fig.2 Effects of extraction timeon the extraction yield of proanthocyanidins

2.1.1.3 料液比對原花青素得率的影響 如圖3所示,原花青素得率隨著溶劑用量的增加而提高,當(dāng)料液比超過1∶25后,產(chǎn)物得率隨料液比變化幅度不大。原因是原料質(zhì)量一定,增大溶劑用量,會提高原花青素得率,但是,當(dāng)料液比達(dá)到一定值后,材料中的原花青素基本提取完全,故再增加料液比,原花青素得率不再提高,基于經(jīng)濟(jì)方面考慮,料液比1∶25為宜。

圖3 料液比對原花青素得率的影響Fig.3 Effects of solid-liquid ratioon the extraction yield of proanthocyanidins

2.1.1.4 提取溫度對原花青素得率的影響 如圖4所示,隨著提取溫度的提高,原花青素得率升高趨勢明顯,溫度超過50 ℃后,原花青素得率升高趨勢非常緩慢。原因是超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)、機械效應(yīng)和熱效應(yīng)能夠破壞植物組織細(xì)胞壁,增大溶劑的運動頻率和速度,提高提取效率[20]。但是,如果溫度過高,這些效應(yīng)及其協(xié)同作用貢獻(xiàn)不大,因此對原花青素得率的貢獻(xiàn)不明顯,從節(jié)約能源角度考慮,確定提取溫度為50 ℃。

圖4 提取溫度對原花青素得率的影響Fig.4 Effects of extraction temperatureon the extraction yield of proanthocyanidins

2.1.1.5 超聲功率對原花青素得率的影響 如圖5所示,隨著超聲功率的增大,原花青素得率也隨之增大,當(dāng)超聲功率超過250 W后,原花青素得率隨超聲功率增加變化并不明顯,從節(jié)約能源角度考慮,確定超聲功率為250 W。

圖5 超聲功率對原花青素得率的影響Fig.5 Effects of ultrasonic poweron the extraction yield of proanthocyanidins

2.1.1.6 離子液體濃度對原花青素得率的影響 如圖6所示,離子液體濃度對原花青素得率的影響相對較大,隨著離子液體濃度的增加,原花青素得率隨之增加,當(dāng)離子液體濃度達(dá)到1.0 mol/L時,原花青素得率達(dá)到最大值,此后,隨著離子液體濃度的增加,產(chǎn)物得率呈下降趨勢。原因是離子液體濃度太低,無法起到增溶作用,而濃度太高,溶液粘度也會隨之增大,有效成分的擴(kuò)散能力下降,從而影響得率,因此選擇離子液體濃度為1.0 mol/L。

圖6 離子液體濃度對原花青素得率的影響Fig.6 Effects of ionic liquid concentrationon the extraction yield of proanthocyanidins

2.1.2 Box-Behnken實驗設(shè)計及顯著性分析 參照單因素實驗結(jié)果,根據(jù)Design-Expert8.0.5軟件中所提供的實驗方案,確定提取時間、提取溫度、超聲功率和離子液體濃度4個因素為影響原花青素得率比較顯著的因素,依次編碼為X1、X2、X3、X4,以3次平行實驗中原花青素得率(Y)的平均值作為響應(yīng)值進(jìn)行實驗。響應(yīng)面實驗方案與實驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面實驗方案與實驗結(jié)果Table 2 Arrangement and corresponding results of Box-Behnken experimental design

表3 回歸方程方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of regression equation

注:**.差異極顯著(p<0.01);*.差異顯著(p<0.05)。 應(yīng)用Design-Expert8.0.5軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到石榴籽中原花青素得率(Y)對響應(yīng)變量X1、X2、X3、X4的二次回歸方程為:

Y=1.64-0.029X1-0.052X2+0.083X3+0.13X4-0.04X1X2+0.18X1X3+0.019X1X4+0.11X2X3+0.045X2X4+0.1X3X4-0.38X12-0.16X22-0.12X32-0.15X42

式(4)

由表3可知,回歸模型的決定系數(shù)R2=0.9051,p<0.0001,達(dá)到極顯著水平,失擬項p=0.0615>0.05,影響不顯著,說明該方程對實驗數(shù)據(jù)的擬合情況良好,誤差小。可以應(yīng)用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。超聲功率(X3)和離子液體濃度(X4)的p值小于0.05,表明其對原花青素得率的影響顯著。4個影響因素中,對原花青素得率影響最大的為離子液體濃度,其次為超聲功率和提取溫度,影響最小的為提取時間。

2.1.3 兩兩因素交互效應(yīng)分析 圖7為兩兩因素之間交互影響的響應(yīng)面圖[21-22],由圖可知,響應(yīng)面為開口向下的平滑曲面,說明曲面上存在最大響應(yīng)值,且能夠在各因素水平范圍內(nèi)找到最佳提取工藝條件。影響因素之間,X1與X3交互作用極其顯著(p<0.01),表現(xiàn)為曲線比較陡峭,說明提取時間和超聲功率的交互作用對原花青素的得率影響較大,其它各因素間交互作用的影響較小。各因素間交互作用對石榴籽中原花青素得率的影響大小依次為X1X3>X2X3>X3X4>X2X4>X1X2>X1X4。

圖7 提取時間與超聲功率交互作用對原花青素得率的影響Fig.7 Interactive effects of extraction timeand ultrasonic power on the yield of proanthocyanidins

2.1.4 最佳工藝條件的確定及驗證 根據(jù)回歸模型,預(yù)測得到超聲波輔助離子液體提取石榴籽中原花青素的最佳工藝條件:提取時間31.8 min,提取溫度52.4 ℃,超聲功率295.5 W,離子液體濃度1.152 mol/L,原花青素得率的模型預(yù)測值為1.721%?？紤]到實際操作的可行性,將工藝參數(shù)修正為:提取時間32 min,提取溫度52 ℃,超聲功率300 W,離子液體濃度1.15 mol/L。采用該工藝條件,進(jìn)行3次平行驗證實驗,測得原花青素平均得率為1.718%,基本與預(yù)測值相符,說明應(yīng)用Box-Behnken實驗設(shè)計所得的最佳工藝參數(shù)可靠,具有實際應(yīng)用價值。

2.2原花青素提取過程的動力學(xué)分析

在不同提取溫度(315、320、325、330、335 K)下,分別應(yīng)用[BMIM]Br離子液體和無水乙醇為試劑,功率為300 W超聲波輔助提取,得到石榴籽中原花青素得率隨超聲時間(t)的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 原花青素得率與提取時間的關(guān)系Fig.8 Relationship between the yield ofproanthocyanidins and extraction time

由圖8可以看出,在不同提取溶劑下,原花青素得率均隨時間的延長而逐漸提高。離子液體提取組,原花青素得率明顯較高,最高值接近1.72%,高于無水乙醇對照組原花青素得率1.31%,兩者間存在顯著性差異,p<0.05。同時,離子溶液提取組達(dá)到提取平衡所需要的時間縮短,當(dāng)提取溫度高于52 ℃(325 K),提取時間到達(dá)20 min時,材料中的原花青素已經(jīng)接近提取完全。國內(nèi)有學(xué)者,應(yīng)用咪唑類離子液體提取肉桂中原花青素和揮發(fā)油類成分,微波輔助提取時間為10 min,產(chǎn)物得率提高接近40%[23]。本研究,采用[BMIM]Br離子液體為溶劑提取石榴籽中原花青素,產(chǎn)物得率提高31.3%,研究結(jié)果相近。說明以離子液體作為提取溶劑,既可以提高原花青素得率,又可以提高提取效率,縮短提取時間。不同溶劑提取的動力學(xué)方程及動力學(xué)參數(shù)見表4。

由表4可以看出:不同提取試劑在不同的提取溫度下,相關(guān)系數(shù)R2均大于0.911,說明方程擬合精度較高,離子液體提取與傳統(tǒng)提取方法相似,為簡單的一級傳質(zhì)動力學(xué)過程。離子液體提取組,在提取溫度較低時,提取速率常數(shù)k值增加明顯:315 K,k值為0.126 min-1,325 K時,k值0.313 min-1;但是,提取溫度從325 K提高到335 K時,提取速率常數(shù)k變化幅度不大。這充分證實提取工藝參數(shù)中,提取溫度確定為52 ℃(325 K),既能有很好的提取效果,又達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的,可操作性更強。同時,離子液體提取組的提取速率常數(shù),均大于相同提取條件下的無水乙醇對照組,提取溫度為325 K時,無水乙醇對照組的k值僅為0.063 min-1,僅為離子液體提取組的1/5左右。表面擴(kuò)散系數(shù)(DS),離子液體提取組在數(shù)值上也均大于相同提取條件下的無水乙醇對照組,從微觀角度證實了有效成分分子運動速度明顯加快。以上數(shù)據(jù)充分證明,以離子液體作為提取試劑,在提取速率上具有明顯優(yōu)勢。

表4 不同溶劑提取的動力學(xué)方程及參數(shù)Table 4 Kinetic equations and parameters of different solvent extraction

2.3原花青素提取過程的熱力學(xué)分析

在離子液體為溶劑提取條件下,假設(shè)提取溫度為335 K,提取時間在32 min時,系統(tǒng)達(dá)到提取平衡,此時,C=C∞,且該數(shù)值為實驗條件下,材料中原花青素固有得率。根據(jù)公式(3),將ln[C∞/(C∞-C)]和1/T進(jìn)行線性擬合可得:ln[C∞/(C∞-C)]=-29.89/T+97.87,R2=0.963。直線的斜率和截距分別為-ΔH/R和ΔS/R,由此可以計算熱力學(xué)參數(shù)熵ΔH值、焓ΔS值和自由能ΔG值[24]。提取溫度在315、320、325、330 K下的動力學(xué)參數(shù)值可以計算,但是,溫度為335 K時熱力學(xué)參數(shù)無法計算,結(jié)果見表5。

由表5可以看出:在不同提取溫度下,ΔH值和ΔS值均大于零,表明離子液體提取過程為吸熱熵增加的過程[24]。ΔG數(shù)值小于零,表明提取過程為自發(fā)過程,且隨著提取溫度的提高,ΔG值逐漸減小,提示提取過程越容易進(jìn)行[25]。但是,當(dāng)提取溫度超過325 K后,ΔG值變化較小,進(jìn)一步證實提取工藝參數(shù)中,提取溫度確定為52 ℃(325 K)是可靠的。

表5 不同提取溫度下的熱力學(xué)參數(shù)Table 5 Thermodynamic parameters ofdifferent extraction temperatures

3 結(jié)論

本實驗以[BMIM]Br離子液體作為提取試劑,在單因素實驗基礎(chǔ)上,選取提取時間、提取溫度、超聲功率和離子液體濃度4個因素進(jìn)行響應(yīng)面分析,通過回歸模型的方差分析結(jié)果可知,各因素對于原花青素得率影響的主次順序為:離子液體濃度>超聲功率>提取溫度>提取時間。超聲波輔助離子液體提取石榴籽中原花青素的最優(yōu)工藝條件為:提取時間32 min,提取溫度52 ℃,超聲功率300 W,離子液體濃度1.15 mol/L,原花青素得率的實測值為1.718%,接近原花青素得率的預(yù)測值。提取過程的動力學(xué)和熱力學(xué)分析表明,以離子液體為溶劑,對原花青素提取速率常數(shù)k值和表面擴(kuò)散系數(shù)DS值明顯增大;離子液體提取過程為吸熱熵增加過程,ΔG值小于零,為自發(fā)過程。該研究為離子液體在食品工業(yè)中的深入研究和實際應(yīng)用提供了理論參考。離子液體與目標(biāo)物質(zhì)分離較為困難,這也使得離子液體的應(yīng)用目前只停留在食品功能分子的提取與分析階段,尚未在食品工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。

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Optimizationandkinetic/thermodynamicsanalysisofionicliquidbasedultrasonic-assistedextractionofproanthocyanidinsfrompomegranateseeds

WANGZhan-yi1,ZHENGDan-dan1,ZHANGLi-hua1,WANGYu-hai1,DAIBo2,LIZhuo-wa1

(1.College of Life Sciences,Zaozhuang University,Zaozhuang 277160,China;2.Department of Pharmacology,General Hospital of Air Force,People’s Liberation Army of China,Beijing 100142,China)

The ionic liquid based ultrasonic-assisted extraction conditions of proanthocyanidins from pomegranate seeds were studied. Single factor test and Box-Behnken experimental design were used to optimize the extraction process employing proanthocyanidins yield as the response,and extraction time,extraction temperature,ultrasonic power and concentration of ionic liquid were used as independent variables. The kinetics and thermodynamics of extraction process was studied basing the optimized extraction conditions. Results showed that the optimal extraction conditions for proanthocyanidins were determined as follows:extraction time of 32 min,extraction temperature of 52 ℃,ultrasonic power of 300 W,and concentration of ionic liquid of 1.15 mol/L. Under these conditions,the yield of proanthocyanidins was 1.718%. Kinetic parameters showed that extraction rate constant k value was 0.313 min-1,surface diffusion coefficient DSvalue was 7.936×10-5cm2/min while those of ethanol control group were 0.063 min-1and 1.597×10-5cm2/min,respectively,and the extraction rate was significantly improved. Thermodynamics parameters showed that entropy ΔH was 248.51 kJ/mol,enthalpy ΔS was 813.69 J/(mol·K),the values were all greater than zero,indicating that the ionic liquid extraction process was an endothermic process of increasing entropy,at the same time,the free energy ΔG was-18.254 kJ/mol,less than zero,indicating that the ionic liquid extraction process was a spontaneous process. Both the optimized ionic liquid extraction technique and dynamics/thermodynamics analysis can be used for industrial scale-up and optimal control of proanthocyanidins extraction from pomegranate seeds.

pomegranate seed;proanthocyanidins;ultrasonic;ionic liquid;kinetic analysis;thermodynamics analysis

TS255.1

B

1002-0306(2017)19-0154-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.029

2017-04-14

王占一(1980-)，男，碩士，講師，主要從事天然藥物活性成分提取與分離研究，E-mail：zhyiwang@126.com。

2015年度國家星火計劃項目(2015GA740027)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2013BL018)；山東省重點研發(fā)計劃項目(2016GSF202010)。