TSO-IS效應提取紫芯蜜薯原花青素工藝的優(yōu)化

程海濤*

衡水學院（衡水 053000）

研究人員對撞擊流（impinging streams，IS）在撞擊流流場分布、規(guī)律有關理論與技術應用進行了有關研究，研究成果表明撞擊流形成的能量場對于微觀粒子的碰撞、傳質(zhì)、傳熱等有明顯強化效果[1]。

根據(jù)IS流場特征與相關形成理論，設計的兩層浸沒對置撞擊流（two-layer submerged opposed impinging stream，TSO-IS）強化設備，作為新型高效的傳質(zhì)、混合、攪拌設備，具有強化混合和相間傳遞的特點[2-6]。TSO-IS形成的撞擊湍流場中產(chǎn)生射流撞擊、旋渦撞擊、流場與反應設備固體表面撞擊等產(chǎn)生橫向渦、剪切渦、縱向渦，從而進一步對流體整體流動特征起到強化效果。對置撞擊流速、湍流強度、流場能量、渦旋強度是影響整體傳質(zhì)、混合、攪拌效果的主要因素[7]。

紫芯蜜薯，是蜜薯的一個品種，除具備通常蜜薯的組分與功能外，還含有原花青素等具備清除自由基，防止細胞、組織老化功能的物質(zhì)。原花青素，具有多個酚羥基基團，與雙鍵有共軛效應結(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[8]。有關紫芯蜜薯的研究圍繞蜜薯種植與管理、蜜薯深加工、常規(guī)營養(yǎng)成分分析與檢測等方面展開。通過TSO-IS強化設備，針對紫芯蜜薯中原花青素提取工藝優(yōu)化的研究以及相關提取物在油脂中抗氧化性的研究并未公開報道。

試驗通過雙層噴嘴對置，依據(jù)IS中流場、旋渦、能量分布客觀規(guī)律，利用兩層浸沒對置撞擊流強化設備強化紫芯蜜薯原花青素提取，通過響應面法優(yōu)化提取工藝，對紫芯蜜薯原花青素的含量給出定量分析結(jié)果，同時對提取物抗氧化性能進行研究。此研究為豐富紫芯蜜薯成分分析成果，拓展紫芯蜜薯在醫(yī)藥、保健品、食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應用及產(chǎn)業(yè)化，開拓紫芯蜜薯深加工產(chǎn)業(yè)化方向，提高相關行業(yè)產(chǎn)品抗氧化等功能，在紫芯蜜薯提取原花青素工藝、設備、技術等方面提供強大的理論支撐與數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

紫芯蜜薯（河北深州）；無水C2H5OH、CH3OH、H2SO4、濃鹽酸、香草醛（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；原花青素標準品（純度99.9%，天津市大茂化學試劑廠）。

攪拌（550 W）電機（上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術有限公司）；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；T6新型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；TP-A100型電子天平（金壇市國旺實驗儀器廠）；JYD-650型超聲波清洗儀（上海之信儀器有限公司）；DJ13B-D81SG組織破壁勻漿機（九陽股份有限公司）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；HH-S4型恒溫水浴鍋（北京市長風儀器儀表公司）；AR1140-1型離心機（上海安亭科學儀器廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 兩層浸沒對置撞擊流強化設備設計原理

兩層浸沒對置撞擊流強化設備，主體結(jié)構(gòu)由兩層對置噴嘴撞擊流發(fā)生器組成，每一層對置撞擊流發(fā)生器噴嘴可以調(diào)節(jié)直徑大小控制對置撞擊流流量與流速，隨著流量與流速的增加，流體湍流狀態(tài)增強，撞擊流碰撞點穩(wěn)定增多，液相中傳質(zhì)效果明顯增強，提高紫芯蜜薯組織內(nèi)原花青素與提取液分子的物質(zhì)交換，從而提高得率。兩層浸沒對置撞擊流強化設備如圖1所示（噴嘴外徑10 mm）。

圖1 兩層浸沒對置撞擊流強化設備

1.2.2 標準曲線的確定

通過高精度分析天平，精準配制2.0 mg/mL原花青素標準品標準溶液，準確量取12.50，11.25，10.00，8.75，7.50和6.25 mL該溶液置于25 mL棕色容量瓶中，用甲醇為溶劑定容，利用超聲波振蕩、搖勻，低溫保存待用。原花青素定量測定方法采用香草醛-鹽酸法[11]，在500 nm處通過紫外分光光度計測定溶液吸光度，以吸光度為縱坐標，系列濃度為橫坐標，繪制標準曲線，對所得曲線進行擬合處理，得到標準方程y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 紫芯蜜薯中原花青素提取工藝流程

首先將紫芯蜜薯洗凈，利用蒸餾水沖洗，洗去雜物與泥土，同時將紫芯蜜薯兩端細根部除掉，切成均勻小塊，利用勻漿機打漿，如果有未粉碎蜜薯皮需要剔除。注意利用提取液充分沖洗勻漿設備，勻漿后低溫、避光保存。改變試驗中液料比值、對置噴嘴流量、乙醇體積分數(shù)、提取時間影響三層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強化設備提取深州紫芯蜜薯中原花青素因素水平，進行單因素試驗與響應面優(yōu)化試驗，離心過濾，對提取液進行吸光度測定，計算原花青素得率。

1.2.4 紫芯蜜薯中原花青素得率的計算

利用移液槍量取1 mL提取液，加5 mL 1%香草醛-甲醇溶液，再加入5 mL 30%濃鹽酸-甲醇溶液，利用超聲波混合均勻，在30 ℃恒溫水浴鍋中恒溫30 min，然后進行稀釋，使用紫外分光光度計在500 nm處測定吸光度，利用1.2.2小節(jié)中標準曲線計算提取液濃度，再按式（1）計算得率Y。

式中：V為提取液過濾、離心后體積，mL；C為利用標準曲線計算所得的質(zhì)量濃度，mg/mL；n稀釋倍數(shù)；W為干燥紫芯蜜薯樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 液料比值對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在對置噴嘴流量2 000 L/h、乙醇體積分數(shù)50%、提取時間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進行液料比值不同水平對比試驗，結(jié)果如圖2所示。液料比不同的數(shù)值對得率的影響趨勢是隨著液料比值的逐步增大而先升后降的，液料比值為45 mL/g時得率最大，超初液料比值的增大為從紫芯蜜薯中提取原花青素提供了空間。但是當液料比超出一定的值，原花青素在一定提取工藝下析出是一定的，同時析出的原花青素還會發(fā)生分子間結(jié)合，造成得率降低。

圖2 液料比對得率的影響

2.1.2 噴嘴流量對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、乙醇體積分數(shù)50%、提取時間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進行噴嘴流量不同水平對比試驗，結(jié)果如圖3所示。噴嘴流量的變化會對能量場、噴射流強度、渦旋強度產(chǎn)生影響。流量增大，能量場、噴射流強度、渦旋強度隨之增大，對置流流場傳質(zhì)、能量交換增強，得率增大。達到最大值后，噴嘴流量再增大會造成部分原花青素的損失，得率會有少量降低趨于平緩的趨勢。

圖3 噴嘴流量對得率的影響

2.1.3 乙醇體積分數(shù)對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、提取時間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進行乙醇體積分數(shù)不同水平對比試驗，結(jié)果如圖4所示。隨著乙醇體積分數(shù)的增大，得率出現(xiàn)平緩增大后逐步降低的趨勢。乙醇體積分數(shù)的增大增加了提取溶液的極性，這有利于原花青素的析出與溶解。但是濃度過高會溶解蜜薯中其他組分，影響吸光度測定而出現(xiàn)降低趨勢。

圖4 乙醇體積分數(shù)對得率的影響

2.1.4 提取時間對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、乙醇體積分數(shù)55%、提取溫度50 ℃條件下，進行時間不同水平下對比試驗，結(jié)果如圖5所示。紫芯蜜薯中原花青素得率隨著時間的增加先升高后降低趨于平緩。提取時間的增加會使能量場、噴射流強度、渦旋強度作用效果增強，因此得率穩(wěn)步提升。達到極值后，時間積累的能量會破壞一定析出的原花青素分子，因此得率會降低后趨于平緩。

圖5 提取時間對得率的影響

2.1.5 溫度對紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、乙醇體積分數(shù)55%、提取時間30 min條件下，進行溫度不同水平下對比試驗，結(jié)果如圖6所示。紫芯蜜薯原花青素得率先隨著溫度升高而逐步提升，當溫度為55 ℃時，得率出現(xiàn)最大值。溫度升高會提升體系能量，這有利于對置流流場能傳質(zhì)效果的提升。但當溫度＞55 ℃時，受原花青素本身含量極值限制以及溫度對原花青素分子結(jié)構(gòu)的影響，得率會出現(xiàn)降低后趨于平緩的規(guī)律。

圖6 溫度對得率的影響

2.2 響應面優(yōu)化紫芯蜜薯中原花青素提取工藝

2.2.1 響應面試驗

結(jié)合單因素試驗結(jié)果，選取原花青素得率為響應值Y，液料比（X1）、噴嘴流量（X2）、提取時間（X3）、乙醇體積分數(shù)（X4）為響應面試驗因素，在溫度55 ℃的基礎上，進行響應面優(yōu)化試驗。以Box-Behnken試驗設計原理為基礎，利用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)處理與分析，得到相應優(yōu)化數(shù)學模型，確定優(yōu)化提取工藝。試驗因素與水平選取如表1所示。

表1 響應面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

通過Box-Behnken試驗設計原理，設計四因素三水平的響應面試驗，試驗結(jié)果如表2所示，相應試驗數(shù)據(jù)回歸分析如表3所示。

表2 響應面試驗方案及試驗結(jié)果

表3 回歸分析結(jié)果

通過擬合回歸處理數(shù)據(jù)，得到擬合函數(shù)模型：Y=4.9+0.100 833X1+0.115X2+0.062 5X3+0.08X4-0.395 417X12-0.102 5X1X2-0.012 5X1X3-0.082 5X1X4-0.416 667X22-0.17X2X3-0.077 5X2X4-0.430 417X32+0.035X3X4-0.259 167X42。

由表3回歸分析可以看出，建立的預測模型p＜0.000 1＜0.05，另外R2=99.75%，說明該模型能夠精確模擬99.75%的響應面值，失擬項不顯著（p=0.164 2＞0.05），說明預測模型和預測情況擬合性充分，能夠真實反映不同影響因素間的關系。

2.2.3 響應面優(yōu)化工藝實際驗證試驗

以響應面試驗優(yōu)化得到的數(shù)學模型為基礎，對回歸方程進行極值求解，得到最優(yōu)工藝參數(shù)X1、X2、X3、X4理論值，即液料比值（X1）46 mL/g、噴嘴流量（X2）2 700 L/h、提取時間（X3）32 min、乙醇體積分數(shù)（X4）57%。經(jīng)模型預測計算，得率極值為4.92%。

結(jié)合響應面及單因素試驗得到最佳工藝：液料比值46 mL/g、噴嘴流量2 700 L/h、提取時間32 min、乙醇體積分數(shù)57%、提取溫度55 ℃。在最優(yōu)工藝條件下進行實際3次試驗以驗證工藝優(yōu)化實際效果，其得率分別為4.94%，4.95%和4.96%，得率平均值為4.95%。將試驗得到的平均得率與優(yōu)化數(shù)學模型得到的預測計算得率極值進行誤差分析，相對誤差較小，擬合函數(shù)模型可信度高。

2.2.4 對比試驗

為了對比TSO-IS效應對蜜薯中原花青素提取效率的提高，在液料比值46 mL/g、提取時間32 min、乙醇體積分數(shù)57%、提取溫度55 ℃條件下進行只有機械槳式攪拌（mechanical paddle mixing，MPM）的提取試驗進行對比，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明TSO-IS效應對于增強原花青素提取效果顯著。

表4 對比試驗得率 單位：%

3 結(jié)論

TSO-IS提取紫芯蜜薯中原花青素優(yōu)化工藝條件為液料比值46 mL/g、噴嘴流量2 700 L/h、提取時間32 min、乙醇體積分數(shù)57%、提取溫度55 ℃。經(jīng)實際試驗對最優(yōu)條件進行驗證，計算所得得率為4.95%，與理論計算極值相對誤差較小，說明擬合函數(shù)模型可信度高。

相關研究成果拓展了深州紫芯蜜薯在食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應用及產(chǎn)業(yè)化，提高相應產(chǎn)品抗氧化等功能，在工藝、技術、設備等方面提供了強有力理論支持。