響應(yīng)面優(yōu)化撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽原花青素工藝研究

程海濤，申獻雙

(1.衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水 053000； 2.衡水學(xué)院 美術(shù)學(xué)院，河北 衡水 053000)

原花青素是一種分子結(jié)構(gòu)極其特殊的生物類黃酮物質(zhì)，在清除人體內(nèi)自由基方面效果較佳，屬于天然抗氧化劑，同時還具有消炎、抗腫瘤的功效，在化妝品、醫(yī)療保健、食品等行業(yè)應(yīng)用前景光明[1]。在植物的葉、莖、皮、殼、籽中存在大量原花青素，近幾年研究人員針對金刺梨皮[1]、板栗殼[2]、葡萄枝蔓[3]、落葉松樹皮[4]、黑豆種皮[5]等植物組織中原花青素的提取工藝和性能進行了詳細報道。

撞擊噴射流空化屬于水力空化的一種，是一種在化工領(lǐng)域新興的新型過程強化方法，其具有形成的水力空化場強度分布均勻、強化效果高、運行控制過程簡便等優(yōu)點[6]，在生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、食品、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[7]，如利用水力空化強化制糖工業(yè)中蔗汁凈化[8]、強化大豆蛋白表面活性[9]、強化殼聚糖分子降解過程[10]。空化效應(yīng)是水力空化強化過程的根源，源于空化泡在液體中瞬間潰滅過程中產(chǎn)生的劇烈、高溫、高壓機械沖擊波與高速度微噴射流，在液體介質(zhì)內(nèi)形成熱效應(yīng)、機械效應(yīng)、光效應(yīng)、自由基效應(yīng)[11-12]，產(chǎn)生強大能量，會有效破壞植物組織物質(zhì)結(jié)構(gòu)[13-14]。

超聲波方向性強、穿透力好，同時在溶液中能夠形成超聲空化效應(yīng)，產(chǎn)生強大機械效應(yīng)、熱效應(yīng)等，可有效破壞特定結(jié)構(gòu)[15]。機械研磨利用研磨介質(zhì)間高速摩擦、碾壓產(chǎn)生強大機械剪切力熱效應(yīng)，有利于原花青素的析出，提高原花青素的得率。

本研究以衡水本地巨峰葡萄籽為研究對象，利用撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽中原花青素。研究了液料比、空化-超聲-研磨時間、空化-超聲-研磨溫度、撞擊噴射流空化壓力、超聲波功率、乙醇體積分數(shù)、研磨轉(zhuǎn)速對葡萄籽中原花青素得率的影響。以單因素實驗為基礎(chǔ)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化了撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽中原花青素工藝條件。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

葡萄籽，衡水本地巨峰葡萄籽；無水乙醇、甲醇、硫酸、香草醛，均為分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；原花青素標(biāo)準(zhǔn)品，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.1.2 儀器與設(shè)備

JYD-650型超聲波發(fā)生器，上海之信儀器有限公司；SFJ-400砂磨、分散、攪拌(550 W)多用機，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；T6新型紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；HH-S4型恒溫水浴鍋，北京市長風(fēng)儀器儀表公司；FW80型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；TP-A100型電子天平，金壇市國旺實驗儀器廠；玻璃珠(3 mm)，衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 葡萄籽中原花青素的提取

采用圖1的撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取裝置進行原花青素的提取。

注：1.渦輪泵；2.循環(huán)泵；3.壓力表；4.超聲波發(fā)生器；5.加料槽；6.攪拌器；7.反應(yīng)器；8.熱水儲槽；9.截止閥；10.球閥；11.加料槽；12.閥門；13.研磨材料；14.撞擊流空化反應(yīng)器；15.噴射流空化反應(yīng)器。

圖1 撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取裝置

將新鮮葡萄籽粉碎過100目篩，在50℃烘箱中烘干至恒重，低溫待用。按照一定料液比通過加料槽5加入葡萄籽粉到反應(yīng)器7中，通過加料槽11加入一定體積分數(shù)的乙醇溶液，啟動設(shè)備1渦輪泵，水力空化壓力由閥門9控制，啟動研磨裝置內(nèi)攪拌器6(研磨裝置內(nèi)有直徑為3 mm的玻璃珠，總體積約為液體體積1/3)，同時啟動超聲波發(fā)生器4，啟動循環(huán)泵2穩(wěn)定提取溫度，同時開始計算時間，提取一定時間后通過閥門12放出提取液，靜置24 h后離心，取上清液測定原花青素含量。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱量原花青素標(biāo)準(zhǔn)品0.1、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05 g，用甲醇溶解于容量瓶中，定容至100 mL。配制一系列原花青素標(biāo)準(zhǔn)品溶液，根據(jù)香草醛-鹽酸法[16]測量500 nm處溶液吸光度，繪制原花青素質(zhì)量濃度(y)-吸光度(x)曲線，經(jīng)過回歸擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 葡萄籽中原花青素得率的測定

利用吸量管取1 mL提取液，放置于20 mL燒杯中，同時加入1%香草醛-甲醇與30%濃鹽酸-甲醇溶液，體積分別為5 mL，在30℃水浴條件下恒溫30 min，測量500 nm處吸光度，根據(jù)原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算原花青素質(zhì)量濃度。然后按照如下公式計算原花青素得率(Y)。

式中：V為提取液體積， mL；C為原花青素質(zhì)量濃度，mg/mL；n為稀釋倍數(shù)；W為葡萄籽干重，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 液料比對原花青素得率的影響

在空化-超聲-研磨時間25 min、空化-超聲-研磨溫度45℃、撞擊噴射流空化壓力0.35 MPa、超聲波功率300 W、乙醇體積分數(shù)30%、研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究液料比對原花青素得率的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 液料比對原花青素得率的影響

由圖2可知，液料比在(20～45)∶1范圍內(nèi)，原花青素得率先逐步提升，在液料比為35∶1時達到最大，繼續(xù)增大液料比原花青素得率變化不大。原因在于一定溶劑溶解原花青素的量是一定的，液料比較小時能夠從葡萄籽析出、自由運動進入溶劑的原花青素量受到溶劑量的限制，所以得率較低，當(dāng)液料比達到一定限值，原花青素完全析出，得率就不再增大。

2.1.2 空化-超聲-研磨時間對原花青素得率的影響

在液料比35∶1、空化-超聲-研磨溫度45℃、撞擊噴射流空化壓力0.35 MPa、超聲波功率300 W、乙醇體積分數(shù)30%、研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究空化-超聲-研磨時間對原花青素得率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 空化-超聲-研磨時間對原花青素得率的影響

由圖3可知，空化-超聲-研磨時間為35 min時原花青素得率最大，空化-超聲-研磨時間短于或長于35 min，原花青素得率都有所下降。隨空化-超聲-研磨時間延長，協(xié)同效應(yīng)會逐步增大，原花青素得率逐步提升，當(dāng)空化-超聲-研磨時間達到一定極限，協(xié)同效應(yīng)達到最大，析出的原花青素最多，得率最高。繼續(xù)延長空化-超聲-研磨時間，析出的原花青素會被協(xié)同效應(yīng)破壞，得率降低。

2.1.3 空化-超聲-研磨溫度對原花青素得率的影響

在液料比35∶1、空化-超聲-研磨時間35 min、撞擊噴射流空化壓力0.35 MPa、超聲波功率300 W、乙醇體積分數(shù)30%、研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究空化-超聲-研磨溫度對原花青素得率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 空化-超聲-研磨溫度對原花青素得率的影響

由圖4可知，空化-超聲-研磨溫度為55℃時原花青素得率最大。溫度低原花青素分子得到自由運動動能低，析出進入溶劑的量小，得率低，但是溫度過高會破壞析出原花青素分子結(jié)構(gòu)，造成得率降低。

2.1.4 撞擊噴射流空化壓力對原花青素得率的影響

在液料比35∶1、空化-超聲-研磨時間35 min、空化-超聲-研磨溫度55℃、超聲波功率300 W、乙醇體積分數(shù)30%、研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究撞擊噴射流空化壓力對原花青素得率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 撞擊噴射流空化壓力對原花青素得率的影響

由圖5可知，撞擊噴射流空化壓力為0.45 MPa時原花青素得率最大，隨著空化壓力增加空化效應(yīng)增大，得率增加，當(dāng)空化壓力過大會產(chǎn)生超空化現(xiàn)象，降低空化效應(yīng)的效率，得率降低。

2.1.5 超聲波功率對原花青素得率的影響

在液料比35∶1、空化-超聲-研磨時間35 min、空化-超聲-研磨溫度55℃、撞擊噴射流空化壓力0.45 MPa、乙醇體積分數(shù)30%、研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究超聲波功率對原花青素得率的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 超聲波功率對原花青素得率的影響

由圖6可知，超聲波功率為400 W時原花青素得率最大，一定超聲波功率破壞束縛原花青素的組織結(jié)構(gòu)是一定的，析出原花青素也是確定的，因此在超聲波功率達到400 W后原花青素得率增加不再顯著。

2.1.6 乙醇體積分數(shù)對原花青素得率的影響

在液料比35∶1、空化-超聲-研磨時間35 min、空化-超聲-研磨溫度55℃、撞擊噴射流空化壓力0.45 MPa、超聲波功率400 W、研磨轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，研究乙醇體積分數(shù)對原花青素得率的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 乙醇體積分數(shù)對原花青素得率的影響

由圖7可知，乙醇體積分數(shù)為50%時原花青素得率最高，乙醇的加入提高了溶液極性，有利于原花青素的析出，但是乙醇濃度過高會大量析出其他物質(zhì)，影響原花青素在溶液中的溶解，造成得率降低。

2.1.7 研磨轉(zhuǎn)速對原花青素得率的影響

在液料比35∶1、空化-超聲-研磨時間35 min、空化-超聲-研磨溫度55℃、撞擊噴射流空化壓力0.45 MPa、超聲波功率400 W、乙醇體積分數(shù)50%條件下，研究研磨轉(zhuǎn)速對原花青素得率的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 研磨轉(zhuǎn)速對原花青素得率的影響

由圖8可知，在研磨轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時原花青素得率最大，原花青素得率的高低受能夠自由運動析出的原花青素分子多少限制，機械研磨能夠破壞束縛原花青素的組織結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)速越高得率越大，但是機械研磨能夠破壞的組織結(jié)構(gòu)是有限的，因此得率達到一定程度后，轉(zhuǎn)速再增加得率不會明顯提高。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

2.2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，確定液料比35∶1、超聲波功率400 W、研磨轉(zhuǎn)速3 500 r/min，選取原花青素得率為響應(yīng)值(Y)，空化-超聲-研磨時間(X1)、撞擊噴射流空化壓力(X2)、乙醇體積分數(shù)(X3)、空化-超聲-研磨溫度(X4)為變化因素，根據(jù)Box-Benhnken實驗設(shè)計原理，通過SAS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，確定最佳工藝條件。響應(yīng)面實驗因素水平見表1。響應(yīng)面實驗方案及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平

表2 響應(yīng)面實驗方案及結(jié)果

2.2.2 模型的擬合及顯著性檢驗

通過擬合回歸處理數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)模型：

回歸模型方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析

由回歸結(jié)果得到的函數(shù)模型R2為99.76%，說明模型計算值和實驗值擬合度高，模型確定的方程預(yù)測撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽原花青素得率最大值是可信的[15-16]。由表3可以看出，4個因素對原花青素得率影響程度由大到小依次為X2>X1>X4>X3，因素之間的交互作用X1X3不顯著(P>0.05)，其余項影響顯著。

2.2.3 驗證實驗

對經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)回歸方程求極大值，得到X1為37 min，X2為0.48 MPa，X3為53%，X4為56℃，原花青素得率最大值為7.09%。根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果和綜合因素影響得到撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽原花青素最佳工藝條件為：液料比35∶1，超聲波功率400 W，研磨轉(zhuǎn)速3 500 r/min，空化-超聲-研磨時間37 min，撞擊噴射流空化壓力0.48 MPa，乙醇體積分數(shù)53%，空化-超聲-研磨溫度56℃。在最優(yōu)條件下進行3次實驗，原花青素得率分別為7.10%、7.11%、7.12%，平均值為7.11%，與數(shù)學(xué)模型求極值得到的數(shù)值相差很小，同時證明得到的數(shù)學(xué)回歸擬合模型可信度很高。

2.3 對比實驗

葡萄籽中原花青素含量較高，不同產(chǎn)地葡萄籽含量略有差別，能夠定量測量的原花青素的量和提取工藝有直接關(guān)系，一般在8%上下略有浮動，取葡萄籽中原花青素含量為中間值8%。采用擠壓超聲聯(lián)用[17]、超聲波-微波法[18]與撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨提取原花青素，計算原花青素得率，按照葡萄籽中原花青素平均含量為8%，換算成提取率進行比較，結(jié)果見圖9。

注：A.擠壓超聲聯(lián)用；B.超聲波-微波法；C.撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨。

圖9 不同工藝對葡萄籽原花青素提取效果比較

由圖9可以看出，撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨對葡萄籽原花青素提取效果較好，提取率最高。

3 結(jié) 論

本研究以影響撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽原花青素得率的單因素實驗為基礎(chǔ)，利用SAS軟件，根據(jù) Box-Benhnken 實驗設(shè)計原理，利用響應(yīng)面優(yōu)化撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨協(xié)同提取葡萄籽原花青素工藝條件。通過回歸數(shù)學(xué)模型計算以及對工藝條件的驗證實驗得到最優(yōu)工藝條件：液料比35∶1，超聲波功率400 W，研磨轉(zhuǎn)速3 500 r/min，空化-超聲-研磨時間37 min，撞擊噴射流空化壓力0.48 MPa，乙醇體積分數(shù)53%，空化-超聲-研磨溫度56℃。在最優(yōu)工藝條件下，原花青素得率為7.11%。與擠壓超聲聯(lián)用、超聲波-微波法等提取工藝相比，撞擊噴射流空化-超聲波-機械研磨對葡萄籽原花青素提取效果較好，得率較高。