3層浸沒循環(huán)撞擊流設(shè)備提取黃驊冬棗原花青素工藝

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）

Elperin[1]首次對撞擊流（IS）內(nèi)涵提出具體定義，以此為基礎(chǔ)圍繞基礎(chǔ)撞擊理論與應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系列研究，研究成果表明IS對均相體系微觀傳質(zhì)、混合、傳熱有顯著強(qiáng)化作用。利用IS有關(guān)理論，設(shè)計(jì)的浸沒循環(huán)撞擊流（ICIS）強(qiáng)化設(shè)備，具有優(yōu)異的微觀強(qiáng)化效果，其傳質(zhì)效率與傳統(tǒng)攪拌技術(shù)相比有2～3數(shù)量級的顯著提高[2]。

黃驊冬棗，具有上千年的歷史，本身所含物質(zhì)種類豐富，主要包括黃酮類、酚類物質(zhì)，因此在機(jī)體免疫功能、延緩衰老、抗氧化作用方面具有顯著功效[3-4]。其中，起到抗氧化作用的成分主要是原花青素，其具有多個(gè)酚羥基基團(tuán)與雙鍵有共軛效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其微觀電子分布均勻，使得其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗氧化效果是同種天然抗氧化物質(zhì)維生素E的50倍[5-7]。有關(guān)與黃驊冬棗的研究主要集中于常見維生素、膳食纖維、糖類等常規(guī)成分含量自動化儀器分析、冬棗樹苗培育與嫁接技術(shù)等方面[8-10]，利用ICIS技術(shù)針對黃驊冬棗中原花青素提取工藝優(yōu)化的研究較少。

試驗(yàn)以IS理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)3層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備，用于強(qiáng)化黃驊冬棗原花青素提取，通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，對于黃驊冬棗中原花青素含量給出定量分析結(jié)果，豐富黃驊冬棗成分分析成果，拓展黃驊冬棗在食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，豐富冬棗產(chǎn)業(yè)化路徑，提高相應(yīng)產(chǎn)品抗氧化等功能，在工藝、技術(shù)、設(shè)備等方面提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

冬棗（河北黃驊市）；無水C2H5OH、CH3OH、H2SO4、濃鹽酸、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）。

攪拌電機(jī)（550 W，上海現(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）；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）；TP-A100型電子天平（金壇市國旺實(shí)驗(yàn)儀器廠）；JYD-650型超聲波發(fā)生器（上海之信儀器有限公司）；DJ13B-D81SG組織破壁勻漿機(jī)（九陽股份有限公司）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制品有限公司）；HH-S4型恒溫水浴鍋（北京市長風(fēng)儀器儀表公司）；AR1140-1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 3層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)原理3層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備，主體結(jié)構(gòu)由3層浸沒式循環(huán)撞擊流發(fā)生器組成，每一層之間設(shè)有擋板以消除攪拌槳旋轉(zhuǎn)過程中打旋帶來影響，隨著攪拌速度的增加，每層之間流體湍流狀態(tài)增強(qiáng)，流速加快撞擊流碰撞點(diǎn)穩(wěn)定增多，液相中傳質(zhì)效果明顯增強(qiáng)，提高冬棗組織內(nèi)原花青素與提取液分子的物質(zhì)交換，從而提高得率，如圖1所示。

圖1 3層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定

利用高精度分析天平精準(zhǔn)稱取0.025 0，0.022 5，0.020 0，0.017 5，0.015 0和0.012 5 g原花青素標(biāo)準(zhǔn)品，以甲醇為溶劑溶于25 mL棕色容量瓶中，定容，低溫保存待用。原花青素定量測量方法采用香草醛-鹽酸法[11]，在500 nm處通過紫外分光光度計(jì)測定溶液吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)，系列濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對所得曲線進(jìn)行擬合處理，得到標(biāo)準(zhǔn)方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 冬棗中原花青素提取工藝流程

將冬棗洗凈，利用蒸餾水沖洗，去掉棗核，棗核外棗肉要盡量去除干凈，利用勻漿機(jī)打漿，注意利用提取液充分沖洗勻漿設(shè)備，勻漿后低溫、避光保存。改變液料比值（mL/g）、轉(zhuǎn)速（r/min）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（%）、提取時(shí)間（min）影響3層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備提取黃驊冬棗中原花青素因素水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，離心過濾，對提取液進(jìn)行吸光度測定，計(jì)算原花青素得率。

1.2.4 冬棗中原花青素得率的計(jì)算公式

利用移液槍量取1 mL提取液，加5 mL 1%香草醛-甲醇溶液，加入5 mL 30%濃鹽酸-甲醇溶液，利用超聲波混合均勻，在30 ℃恒溫水浴鍋中保溫30 min，稀釋，在紫外分光光度計(jì)500 nm處測定吸光度，利用

1.2.2中標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算提取液質(zhì)量濃度，按式（1）計(jì)算得率。

式中：V為提取液過濾、離心后體積，mL；C為利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算所得質(zhì)量濃度，mg/mL；n稀釋倍數(shù)；W為干燥冬棗質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 液料比值對冬棗中原花青素得率的影響

在轉(zhuǎn)速1 000 r/min、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、時(shí)間15 min、溫度50 ℃條件下，進(jìn)行不同液料比值對比試驗(yàn)，原花青素得率隨液料比變化的趨勢如圖2所示。隨著液料比增加，冬棗中原花青素得率逐步升高，液料比值40 mL/g時(shí)達(dá)到最大值2.067%。液料比比值越大說明提取溶液量越多，撞擊流和冬棗中原花青素進(jìn)行傳質(zhì)交換析出的原花青素溶解量越多，但是傳質(zhì)交換在現(xiàn)有設(shè)備與條件下是有最大限度的，因此得率會出現(xiàn)下降趨勢。

2.1.2 轉(zhuǎn)速對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、時(shí)間15min、溫度50 ℃條件下，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速對比試驗(yàn)，原花青素得率隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢如圖3所示。隨著轉(zhuǎn)速增加，冬棗中原花青素得率逐步增大，1 500 r/min后得率變化趨于平緩。轉(zhuǎn)速增加溶液中撞擊流穩(wěn)定撞擊點(diǎn)逐步增多，傳質(zhì)效果提升，得率升高，但是轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度后溶液體系撞擊點(diǎn)不再增加，因此得率趨于平緩。

圖2 液料比值對原花青素得率的影響

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、轉(zhuǎn)速1 500 r/min、時(shí)間15 min、溫度50 ℃條件下，進(jìn)行不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對比試驗(yàn)，原花青素得率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)變化的趨勢如圖4所示。隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增大，冬棗中原花青素得率逐步提升，體積分?jǐn)?shù)65%時(shí)得率出現(xiàn)最大值，繼續(xù)增大得率出現(xiàn)下降趨勢。乙醇體積分?jǐn)?shù)增大，增加溶液極性，有利于原花青素析出，體積分?jǐn)?shù)過高會引起原花青素分子間締合，得率降低。

圖3 轉(zhuǎn)速對原花青素得率的影響

圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對原花青素得率的影響

2.1.4 時(shí)間對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、轉(zhuǎn)速1 500 r/min、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、溫度50 ℃條件下，進(jìn)行不同時(shí)間下對比試驗(yàn)，原花青素得率隨時(shí)間變化的趨勢如圖5所示。隨著時(shí)間增加，冬棗原花青素得率先提升后降低，冬棗中原花青素與溶液傳質(zhì)需要時(shí)間的積累，傳質(zhì)結(jié)束后，由于原花青素間相互作用及氧化作用會造成得率相應(yīng)降低。

圖5 時(shí)間對原花青素得率的影響

2.1.5 溫度對冬棗中原花青素得率的影響

在液料比值40 mL/g、轉(zhuǎn)速1 500 r/min、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、時(shí)間20 min條件下，進(jìn)行不同溫度對比試驗(yàn)，原花青素得率隨溫度變化的趨勢如圖6所示。隨著溫度升高，冬棗原花青素得率逐步提升，溫度55 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值，溫度繼續(xù)上升，得率不再明顯變化，趨于平穩(wěn)。溫度升高會增加溶液分子、原花青素分子動能，傳質(zhì)效果提升，所以原花青素得率起始階段隨溫度升高而增大，但是在同一相內(nèi)動能增加是有最大限度的，達(dá)到極值后溫度再增加，得率不再升高。

圖6 溫度對原花青素得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化冬棗中原花青素提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，在確定溫度55 ℃基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，選取響應(yīng)值Y為原花青素得率，液料比（X1）、轉(zhuǎn)速（X2）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X3）、時(shí)間（X4）為響應(yīng)面試驗(yàn)因素，以Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)，利用SAS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析，得到相應(yīng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定優(yōu)化提取工藝。試驗(yàn)因素與水平選取如表1所示。

表1 響應(yīng)面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

通過Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)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回歸分析可以看出，建立的預(yù)測模型p＜0.000 1＜0.05，另外R2=99.70%，說明該模型能夠精確模擬99.70%的響應(yīng)面值，失擬項(xiàng)不顯著（p=0.115 3＞0.05），說明預(yù)測模型和預(yù)測情況擬合性充分，能夠真實(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)

以響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，經(jīng)極值求解得到最優(yōu)工藝參數(shù)X1、X2、X3、X4理論值，液料比值（X1）為44 mL/g、轉(zhuǎn)速（X2）為1 550 r/min、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X3）為67%、時(shí)間（X4）為22 min，模型預(yù)測計(jì)算得率極值為2.215%。結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)及單因素試驗(yàn)，得到最佳工藝：液料比值44 mL/g、轉(zhuǎn)速1 550 r/min、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%、時(shí)間22 min、溫度55 ℃。在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行實(shí)際3次試驗(yàn)以驗(yàn)證工藝優(yōu)化實(shí)際效果，得率分別為2.214%，2.213%和2.212%，得率平均值為2.213%，將試驗(yàn)得到的平均得率與優(yōu)化數(shù)學(xué)模型得到的預(yù)測計(jì)算得率極值進(jìn)行誤差分析，相對誤差較小，擬合函數(shù)模型可信度高。

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

3層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備提取冬棗中原花青素優(yōu)化工藝條件為液料比值44 mL/g、轉(zhuǎn)速1 550 r/min、乙醇體積分?jǐn)?shù)67%、時(shí)間22 min、溫度55 ℃。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)對最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證，得率為2.213%。與理論計(jì)算極值相對誤差較小，擬合函數(shù)模型可信度高。此次試驗(yàn)拓展黃驊冬棗在食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，提高相應(yīng)產(chǎn)品抗氧化等功能，在工藝、技術(shù)、設(shè)備等方面提供理論支持。