超聲空化-機(jī)械研磨提取榴蓮皮中原花青素工藝優(yōu)化

程海濤，申獻(xiàn)雙

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

超聲空化是頻率高于20 000 Hz的聲波[1]，能夠破壞細(xì)泡組織、物質(zhì)結(jié)構(gòu)間相互作用力，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促使細(xì)泡組織中具有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)分子變?yōu)橛坞x態(tài)，從而提高其提取效率。

機(jī)械研磨通過研磨材料之間摩擦、碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械剪切力，對細(xì)胞組織間的相互作用產(chǎn)生破壞作用[2]，使得原花青素分子結(jié)構(gòu)的分子間作用力束縛被解放，從而使原花青素的羥基更多地被暴露，更有利于原花青素的提取。

榴蓮是一種熱帶水果，營養(yǎng)價(jià)值極高，含有多種礦物質(zhì)，同時(shí)味道很鮮，對人體有多項(xiàng)保健功能，在我國進(jìn)口量每年超過30萬 t，同時(shí)每年都在增加。目前，榴蓮的利用主要集中在榴蓮肉方面，榴蓮其余的果皮等大部分的利用價(jià)值被忽視，作為生活垃圾被丟棄。占榴蓮質(zhì)量60%的榴蓮皮如何被綜合利用成為具有極大研究價(jià)值的方向[3-5]。

原花青素是抗氧化最強(qiáng)的天然物質(zhì)，結(jié)構(gòu)當(dāng)中含有多個(gè)與雙鍵共軛的酚羥基，使得電子分布得更加均勻，分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，抗氧化能力是天然維生素E的50倍，主要提取方法原理是根據(jù)原花青素在不同溶劑中溶解度不同，選擇合適溶劑進(jìn)行提取，外加能量、微波等條件進(jìn)行原花青素提取，然后通過樹脂吸附性的差異進(jìn)行吸附分離，得到原花青素[6-11]。以往提取工藝中一般會把溫度作為主要影響因素進(jìn)行研究，高溫有利于原花青素分子動(dòng)能增加，但是高溫同時(shí)會引起原花青素與氧氣的化學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)利用超聲空化-機(jī)械研磨方法，探究真空、低溫、機(jī)械外力對于原花青素提取的影響趨勢，優(yōu)化最優(yōu)工藝，為榴蓮皮的綜合利用提供可行性理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

榴蓮（市售）；無水乙醇（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；甲醇（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；硫酸（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；香草醛（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；原花青素標(biāo)準(zhǔn)品（純度99.9%，天津市大茂化學(xué)試劑廠）。

SFJ-400砂磨、分散、攪拌機(jī)（550 W，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司）；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（日本東京理化公司）；JYD-650型超聲波發(fā)生器（上海之信儀器有限公司）；WD900G型格蘭仕家用微波爐（佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司）；T6新型紫外-可見分光光度計(jì)（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(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）；600Y型多功能粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制品有限公司）；TP-A100型電子天平（金壇市國旺實(shí)驗(yàn)儀器廠）；AR1140型離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 超聲空化-機(jī)械研磨協(xié)同設(shè)備設(shè)計(jì)

超聲空化-機(jī)械研磨協(xié)同設(shè)備如圖1所示。設(shè)備主要由可移動(dòng)超聲空化發(fā)生器（4）以及機(jī)械研磨裝置（10）組成，機(jī)械研磨裝置中由研磨材料研磨攪拌器組成。機(jī)械研磨裝置下部槳式攪拌器起到分散作用。恒溫水槽（3）主要功能在于把超聲空化-機(jī)械研磨過程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)移走，保證體系恒溫、低溫。真空抽氣口7作用在于把體系抽成真空，減少原花青素與氧氣作用的機(jī)會。

圖1 水力空化強(qiáng)化反應(yīng)設(shè)備

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定

稱取0.1，0.09，0.08，0.07，0.06和0.05 g原花青素標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇溶解于容量瓶中，定容至100 mL。配置一系列原花青素標(biāo)準(zhǔn)品溶液，根據(jù)香草醛-鹽酸法[12]測定500 nm處溶液的吸光度，繪制濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)品曲線。經(jīng)過回歸擬合得到標(biāo)準(zhǔn)方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 超聲空化-機(jī)械研磨提取榴蓮皮中原花青素的工藝流程

把新鮮榴蓮的皮烘干粉碎成小塊，利用多功能粉碎機(jī)達(dá)成細(xì)粉（過60目篩子），利用真空袋低溫保存，待用。按照試驗(yàn)中確定的液料比值、研磨-超聲時(shí)間、提取溫度、超聲功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)、研磨粒徑、研磨轉(zhuǎn)速等因素水平進(jìn)行提取試驗(yàn)，利用紫外-可見分光光度計(jì)測定溶液在波長500 nm處的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算原花青素得率。

1.2.4 榴蓮皮中原花青素得率的測定

利用原花青素回歸擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線測定樣品中原花青素質(zhì)量濃度。利用吸量管取1 mL提取液，放置于20 mL燒杯中，同時(shí)加入1%香草醛-甲醇與30%濃鹽酸-甲醇溶液，體積分別為5 mL，在溫度為30 ℃水浴條件下恒溫30 min，測定500 nm波長處的吸光度，根據(jù)原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算濃度。

按式（1）計(jì)算榴蓮皮中原花青素得率。

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為榴蓮皮干質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 機(jī)械研磨研磨材料體積與乙醇溶液體積比（研溶比mL/mL）對榴蓮皮原花青素得率的影響

在液料比值30 mL/g、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間30 min、溫度50 ℃、超聲空化功率350 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 600 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對研溶比與榴蓮皮中原花青素得率的相互關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)研溶比為1.5∶1（mL/mL）時(shí)，榴蓮皮中原花青素得率為2.968 mg/g，當(dāng)研溶比增大或變小時(shí)，原花青素得率均有所下降。研溶比增大，研磨材料與榴蓮皮研磨接觸面積增大，更多地破除束縛原花青素的結(jié)構(gòu)，有利于其析出，得率逐步增大；研溶比過高，會造成研磨材料間空間過小，雖然研磨作用力很大但是榴蓮皮減少，造成得率降低。

圖2 研溶比對得率的影響

2.1.2 液料比值對榴蓮皮原花青素得率的影響

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間30 min、溫度50 ℃、超聲空化功率350 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 600 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對液料比值與榴蓮皮中原花青素得率的相互關(guān)系進(jìn)行研究，變化規(guī)律如圖3所示。隨著液料比值的增加，榴蓮皮中原花青素得率逐步提高，當(dāng)液料比值為35（mL/g）時(shí)得率最大，液料比值繼續(xù)增加得率變化趨于平緩。榴蓮皮中原花青素的含量是一定的，同時(shí)超聲空化-機(jī)械研磨能夠解放的被束縛的原花青素也是能夠預(yù)測的，另外原花青素在溶液中溶解度是確定的，因此得率隨液料比的變化趨勢如圖3所示。

圖3 液料比值對得率的影響

2.1.3 超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間對榴蓮皮中原花青素得率的影響

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、溫度50 ℃、超聲空化功率350 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 600 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，探究原花青素得率隨超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間變化的規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。隨著超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間的增加，原花青素得率先增加后降低，當(dāng)時(shí)間為40 min時(shí)得率最大。超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間越長，原花青素被解放得越多，但是超聲空化-機(jī)械研磨能夠破壞的作用力完全破壞后，時(shí)間再增加，會造成原花青素結(jié)構(gòu)變化，造成得率降低。

圖4 超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間對得率的影響

2.1.4 溫度對榴蓮皮中原花青素得率的影響

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間40 min、超聲空化功率350 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 600 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，探究原花青素得率隨研磨-超聲時(shí)間變化的規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。研磨-超聲溫度在45～65 ℃范圍內(nèi)，榴蓮皮原花青素得率先穩(wěn)步提升，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，得率出現(xiàn)最大值；研磨-超聲溫度繼續(xù)增加，得率逐步下降。溫度會使自由原花青素分子動(dòng)能增加，更多地克服相互作用進(jìn)入溶液，得率提升較快，但是溫度過高會破壞游離原花青素分子結(jié)構(gòu)，得率開始下降。

圖5 溫度對得率的影響

2.1.5 超聲空化功率對榴蓮皮中原花青素得率的影響

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間40 min、溫度50 ℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 600 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，探究原花青素得率隨超聲功率變化的規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。超聲功率在300～500 W范圍內(nèi)，榴蓮皮中原花青素得率隨超聲功率增加而逐步提高；當(dāng)超聲功率為450 W時(shí)，得率最大；繼續(xù)增加超聲功率，得率有所下降，但是下降趨勢比較平緩。

圖6 超聲空化功率對得率的影響

2.1.6 乙醇體積分?jǐn)?shù)對榴蓮皮中原花青素得率的影響

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間40 min、溫度50 ℃、超聲空化功率450 W、機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速1 600 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，探究原花青素得率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律，結(jié)果如圖7所示。得率在乙醇體積分?jǐn)?shù)45%～65%范圍內(nèi)，先逐步升高，在55%時(shí)得率最高；乙醇體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，得率不再增大，開始下降。乙醇的體積分?jǐn)?shù)的增大，提高了溶液的極性，有利于原花青素的析出。但是隨著體積分?jǐn)?shù)提高到特定數(shù)值，會溶解不同物質(zhì)，同時(shí)會析出一些物質(zhì)，降低這些物質(zhì)的溶解度，造成原花青素得率的降低。

圖7 乙醇體積分?jǐn)?shù)對得率的影響

2.1.7 研磨轉(zhuǎn)速對榴蓮皮中原花青素得率的影響

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間40 min、溫度50 ℃、超聲空化功率450 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)55%條件下進(jìn)行試驗(yàn)，探究原花青素得率隨研磨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。機(jī)械研磨轉(zhuǎn)速對原花青素的得率影響不是十分顯著，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200～2 000 r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，得率變化范圍較?。划?dāng)轉(zhuǎn)速超過1 800 r/min時(shí)，得率不再明顯提高。轉(zhuǎn)速的提高可以縮短原花青素析出時(shí)間，但是改變不了得率的大小。

圖8 研磨轉(zhuǎn)速對得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化超聲空化-機(jī)械研磨提取榴蓮皮中原花青素工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定超聲空化功率450 W、研磨轉(zhuǎn)速1 800 r/min、溫度55 ℃，選取原花青素得率為響應(yīng)值Y，液料比值（X1）、研溶比（X2）、超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間（X3）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X4）為變化因素，根據(jù)Box-Behnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過SAS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定最佳工藝。響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

利用Box-Behnken的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其結(jié)果見表2，回歸分析見表3。通過擬合回歸處理數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)模型：

由表3可以看出，建立的預(yù)測模型p＜0.000 1＜0.05，R2=99.67%，說明該模型能夠精確模擬99.67%的響應(yīng)面值；失擬項(xiàng)不顯著（p=0.344 4＞0.05），說明預(yù)測模型和預(yù)測情況擬合性充分，可真實(shí)反映不同影響因素間的關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化工藝實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)

對擬合函數(shù)模型進(jìn)行求解，計(jì)算極大值：X1為37（mL/g），X2為1.6∶1（mL/mL），X3為42 min，X4為56%，極大值Y為3.265 mg/g。根據(jù)響應(yīng)面多元二次方程求解以及單因素試驗(yàn)，得到最佳工藝：超聲空化功率450 W，研磨轉(zhuǎn)速1 800 r/min，溫度55 ℃，液料比值37（mL/g），研溶比1.6∶1（mL/mL），超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間42 min，乙醇體積分?jǐn)?shù)56%。在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得率分別為3.272，3.271和3.270 mg/g，平均值為3.271 mg/g，與擬合函數(shù)模型最大計(jì)算值相比相差很小，相對誤差為0.2%，擬合函數(shù)模型是可用的。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 回歸分析結(jié)果

3 結(jié)論

超聲波-機(jī)械研磨協(xié)同提取榴蓮皮中原花青素的優(yōu)化工藝條件為：超聲空化功率450 W，研磨轉(zhuǎn)速1 800 r/min，溫度55 ℃，液料比值37（mL/g），研溶比1.6∶1（mL/mL），超聲空化-機(jī)械研磨時(shí)間42 min，乙醇體積分?jǐn)?shù)56%。在優(yōu)化工藝條件下榴蓮皮中原花青素得率為3.271 mg/g。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，預(yù)測回歸方程模型預(yù)測最大得率與驗(yàn)證試驗(yàn)得率相對誤差為0.2%，擬合函數(shù)模型是可用的。