劉曉庚，陳梅梅，陳優(yōu)生，張雅坤，袁 磊，胡唐明，王立峰，彭冬梅

（1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)圖書(shū)館，江蘇 南京 210023；3.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

胡蘿卜中類(lèi)胡蘿卜素的提取動(dòng)力學(xué)

劉曉庚1，陳梅梅2，陳優(yōu)生3，張雅坤1，袁 磊1，胡唐明2，王立峰1，彭冬梅1

（1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)圖書(shū)館，江蘇 南京 210023；3.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

使用抗壞血酸和2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚保護(hù)劑，以石油醚-丙酮（體積比4∶1）混合液為提取劑，分別用水浴直接提取法、超聲輔助提取法和微波輔助提取法從胡蘿卜粉中提取類(lèi)胡蘿卜素。采用不同溫度和原料粒度進(jìn)行從胡蘿卜粉中提取類(lèi)胡蘿卜素的提取動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，水浴法和超聲輔助法是符合反應(yīng)-內(nèi)擴(kuò)散控制的動(dòng)力學(xué)模型，所得提取動(dòng)力學(xué)方程分別為：1）水浴法：y=0.009 9t+0.110 7（R2=0.920 9，30 ℃）、y= 0.018 6t+ 0.096 1（R2=0.893 7，40 ℃）、y=0.018 2t+0.088 6（R2=0.965 7，45 ℃）；2）超聲輔助法：y=0.001 1t+0.080 9（R2= 0.917 9，30 ℃）、y=0.001 6t+0.043 9（R2=0.978 8，40 ℃）、y=0.001 8t+0.039（R2=0.964 2，45 ℃）。表觀活化能分別為Ea（水浴）=-26.825 1 kJ/mol和Ea（超聲）=-35.196 5 kJ/mol。而微波輔助法則是符合混合控制的動(dòng)力學(xué)模型，其方程為y=0.027 5t+0.344 6（R2=0.972 3，30 ℃）、y=0.031 9t+0.426 5（R2=0.868 9，40 ℃）、y=0.058 7t+0.275 1（R2=0.973 4，45 ℃），表觀活化能為Ea（微波）=-36.105 2 kJ/mol。通過(guò)水浴法考察原料粒度對(duì)提取動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明原料粒度對(duì)提取速率和提取率的影響程度是60～80 目＞40～60 目＞20～40 目，即粒度越細(xì)越有利于類(lèi)胡蘿卜素的提取。

胡蘿卜粉；類(lèi)胡蘿卜素；提取方法；提取動(dòng)力學(xué)；動(dòng)力學(xué)方程；表觀活化能

胡蘿卜為富含類(lèi)胡蘿卜素的蔬菜，在我國(guó)近年來(lái)的胡蘿卜生產(chǎn)出現(xiàn)了節(jié)節(jié)攀升，種植面積、產(chǎn)質(zhì)和出口質(zhì)均占全球的40%以上，居全球第一［1］。自然界中類(lèi)胡蘿卜素已發(fā)現(xiàn)600多種［2］，β-胡蘿卜素是VA的重要前體物質(zhì)，食品中類(lèi)胡蘿卜素有抗氧化［3-4］、預(yù)防心血管疾病［5-6］、抗衰老［7-8］、抗癌［9-10］、保護(hù)視力［11］等功效，也會(huì)影響食品色澤、滋味和風(fēng)味等品質(zhì)［12］。類(lèi)胡蘿卜素已被聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織、世界衛(wèi)生組織及聯(lián)合國(guó)食品添加劑專家委員會(huì)認(rèn)定為A類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素，已在眾多國(guó)家廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

目前類(lèi)胡蘿卜素提取的報(bào)道仍以簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的溶劑提取法為主［13-14］，而采用微波和超聲輔助提取的效果更好［15-16］，對(duì)食品功能成分的提取動(dòng)力學(xué)研究也有報(bào)道［17-21］，但對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的提取動(dòng)力學(xué)研究卻少見(jiàn)報(bào)道，通過(guò)提取動(dòng)力學(xué)研究能為最佳的工藝條件和設(shè)備選型等提供處論依據(jù)，有助于提高提取率、節(jié)約資源、增加效益。因此，本實(shí)驗(yàn)就胡蘿卜中類(lèi)胡蘿卜素的水浴提取法、超聲輔助提取法和微波輔助提取法的提取動(dòng)力學(xué)進(jìn)行初步探討并得到相應(yīng)提取動(dòng)力學(xué)模型。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

胡蘿卜干粉 海川生物科技有限公司。采用2012年產(chǎn)胡蘿卜顆粒，經(jīng)干燥后，粉碎機(jī)粉碎，過(guò)篩得20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 目胡蘿卜干粉，裝瓶于冰箱冷藏備用。

抗壞血酸、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚（2，6-ditert-butyl-4-methylphenol，BHT）、石油醚（沸程60～90 ℃）、丙酮均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

BSA224S電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司；MCR-3微波化學(xué)反應(yīng)器 西安予輝儀器有限公司；UV-8000A紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；KH-300DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 水浴提取類(lèi)胡蘿卜素的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

參照文獻(xiàn)［22］的方法略作修改，即稱取5.00 g （準(zhǔn)確至±0.001 g） 60～80 目胡蘿卜干粉于燒瓶中，由于類(lèi)胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)在提取過(guò)程中易發(fā)生破壞，故加入抗壞血酸和BHT各50 mg（準(zhǔn)確至±0.1 mg）作為保護(hù)劑，提取劑（V（石油醚）∶V（丙酮）= 4∶1）75 mL，分別在30、40 ℃和45 ℃水浴的條件下控制攪拌速率為35～45 r/min進(jìn)行提取。定時(shí)取樣（取樣用吸管取約2 mL提取液置于細(xì)離心管中），靜置后立即用移液槍吸取500 ?L上清液（剩余料全部倒回提取器）置于10 mL容質(zhì)瓶中，定容。以加抗壞血酸和BHT的提取劑為參比，用吸光光度法測(cè)定稀釋后提取液的吸光度，直到提取液的吸光度不再變化為止，可認(rèn)為提取結(jié)束。同時(shí)做3 組平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值進(jìn)行提取動(dòng)力學(xué)探討。

1.3.2 超聲輔助提取類(lèi)胡蘿卜素的工藝優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

按文獻(xiàn)［13］通過(guò)L9（34）正交試驗(yàn)得到超聲輔助提取的最佳條件是：提取溫度45 ℃、超聲頻率75 kHz、超聲功率175 W、超聲輔助提取時(shí)間16 min。

按1.3.1節(jié)中方法稱取胡蘿卜干粉，加入含有抗壞血酸和BHT的混合型提取劑，分別在30、40、45 ℃的75 kHz、175 W超聲輔助條件下進(jìn)行提取。定時(shí)取樣并測(cè)定不同提取時(shí)間條件下提取液的吸光度。

1.3.3 微波輔助提取類(lèi)胡蘿卜素的工藝優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

按文獻(xiàn)［13］通過(guò)L9（34）正交試驗(yàn)得到微波輔助提取的最佳條件是：微波頻率2 450 MHz、微波功率150 W、間隙式微波輻照、提取溫度45 ℃、微波輔助提取時(shí)間15 min。

按1.3.1節(jié)中方法稱取胡蘿卜干粉，加入含有抗壞血酸和BHT的混合型提取劑，于120 W、磁力攪拌速率35～45 r/min、間隙式輻照條件分別在30、40 ℃和45 ℃進(jìn)行微波輔助提取。定時(shí)取樣并測(cè)定不同提取時(shí)間條件下提取液的吸光度。

1.3.4 原料粒度對(duì)提取動(dòng)力學(xué)影響

分別取20～40、40～60 目和60～80 目胡蘿卜干粉按1.3.1節(jié)方法研究原料粒度對(duì)提取動(dòng)力學(xué)的影響。

1.3.5 表觀活化能的測(cè)定

表觀活化能的測(cè)定參照文獻(xiàn)［17-18］方法。即用不同溫度條件下的提取速率常數(shù)k作Arrhenius圖，由該圖的斜率即得該條件下的表觀活化能。

1.4 數(shù)據(jù)處處

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2003和Origin 8.0軟件進(jìn)行處處。

2 結(jié)果與分析

2.1 水浴提取類(lèi)胡蘿卜素動(dòng)力學(xué)分析

圖1 水浴條件下吸光度隨提取時(shí)間變化（a）及各溫度提取動(dòng)力學(xué)（b）Fig.1 Effect of water bath extraction duration on the absorbance （a）and extraction kinetic curves at different temperatures （b）

按1.3.1節(jié)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到吸光度隨提取時(shí)間的變化如圖1a所示。研究表明植物液-固相提取動(dòng)力學(xué)模型有化學(xué)反應(yīng)控制模型、外擴(kuò)散控制模型、內(nèi)擴(kuò)散控制模型、混合控制模型4 種［19，23-27］，這4 種模型的動(dòng)力學(xué)方程均符合一級(jí)或擬一級(jí)反應(yīng)方程。將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入4 種模型進(jìn)行擬合回歸分析后，則得到水浴條件下的提取動(dòng)力學(xué)模型符合反應(yīng)-內(nèi)擴(kuò)散控制模型（圖2），其方程式為：式中：k3為表觀常數(shù)；t為提取時(shí)間；θ為提取率，θ=A/A0；A0為胡蘿卜干粉中總類(lèi)胡蘿卜素的吸光度。由圖1b可知，0～15 min內(nèi)，30、40 ℃和45 ℃時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程分別為y=0.009 9t+0.110 7（R2=0.920 9，30 ℃），y=0.018 6t+ 0.096 1（R2=0.893 0，40 ℃），y=0.018 2t+0.088 6（R2=0.965 7，45 ℃）。由此可見(jiàn)，在考察的3個(gè)溫度條件下其動(dòng)力學(xué)模型均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，故水浴條件下的提取動(dòng)力學(xué)模型符合內(nèi)擴(kuò)散控制模型。另外，從圖1b得到各溫度條件下的反應(yīng)速率（即趨勢(shì)線的斜率）順序是：40 ℃＞45 ℃＞30 ℃。出現(xiàn)40 ℃速率比45 ℃稍微大的原因可能是在45 ℃的提取體系中淀粉等多原的輕微糊化和其他溶出物增加等共同作用（測(cè)得此體系黏度最大）致使類(lèi)胡蘿卜素的內(nèi)擴(kuò)散、交換、溶出受阻，詳情值得進(jìn)一步探明。

2.2 超聲輔助提取類(lèi)胡蘿卜素動(dòng)力學(xué)分析

圖2 超聲輔助條件下吸光度隨提取時(shí)間變化（a）及各溫度提取動(dòng)力學(xué)（bb）Fig.2 Absorbance change of caroteinoids under ultrasonic-assisted extraction conditions as the change of extraction time （a） and the extraction kinetics under different ultrasonic-assisted extraction temperatures （b）

2.3 微波輔助提取類(lèi)胡蘿卜素動(dòng)力學(xué)分析

圖3 微波輔助條件下吸光度隨提取時(shí)間變化（a）及各溫度提取動(dòng)力學(xué)（bb）Fig.3 Effect of microwave-assisted extraction duration on the absorbance （a） and extraction kinetic curves at different temperatures （b）

2.4 原料粒度對(duì)提取動(dòng)力學(xué)的影響

圖4 不同粒度條件下吸光度隨提取時(shí)間變化（a）及各粒度提取動(dòng)力學(xué)（bb）Fig.4 Effect of raw material particle size on the absorbance （a） and extraction kinetic curves at different temperatures （b）

2.5 類(lèi)胡蘿卜素提取的表觀活化能

圖5 3 種提取方法的Arrhenius圖Fig.5 Arrhenius plots for three extraction methods

3 結(jié) 論

在加入抗壞血酸和BHT保護(hù)劑條件下，以石油醚-丙酮（體積比4∶1）混合液為提取劑，從胡蘿卜粉中超聲輔助提取類(lèi)胡蘿卜素的L9（34）正交優(yōu)化所得的最優(yōu)條件是：超聲頻率75 kHz、提取溫度45 ℃、提取時(shí)間16 min、超聲功率175 W；微波輔助提取類(lèi)胡蘿卜素的L9（34）正交優(yōu)化所得的最優(yōu)條件是：微波頻率2 450 MHz、微波功率150 W、間隙式微波輻照方式、提取溫度45 ℃、提取時(shí)間15 min。

在最優(yōu)條件下分別對(duì)水浴法、超聲輔助法和微波輔助法的提取動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為：1）水浴和超聲條件下動(dòng)力學(xué)模型符合化學(xué)反應(yīng)-內(nèi)擴(kuò)散控制的動(dòng)力學(xué)模型，而在微波條件下符合混合控制的動(dòng)力學(xué)模型。2）水浴法的提取動(dòng)力學(xué)方程為y=0.009 9t+ 0.110 7（30 ℃，R2=0.920 9）、y=0.018 6t+0.096 1（40 ℃，R2=0.893 7）、y=0.018 2t+0.088 6（45 ℃，R2=0.965 7）；其提取速率順序?yàn)?0 ℃＞45 ℃＞30 ℃，即40 ℃提取最為有利，這可能是在45 ℃的提取體系中淀粉等多原的輕微糊化和其他溶出物增加等共同作用（測(cè)得此體系黏度最大）致使類(lèi)胡蘿卜素的內(nèi)擴(kuò)散、交換、溶出受阻的緣故；算得其表觀活化能為Ea（水浴）=-26.825 1 kJ/mol。超聲法的提取動(dòng)力學(xué)方程為y=0.001 1t+0.080 9（30 ℃，R2=0.917 9）、y=0.001 6t+0.043 9（40 ℃，R2=0.978 8）、y=0.001 8t+0.039（45 ℃，R2=0.964 2）；其提取速率順序?yàn)?5 ℃＞40 ℃＞30 ℃，即升溫有利于提?。凰愕闷浔碛^活化能為Ea（超聲）=-35.196 5 kJ/mol。微波法的提取動(dòng)力學(xué)其方程為y=0.027 5t+ 0.344 6（30 ℃，R2=0.972 3）、y=0.031 9t+0.426 5（40 ℃，R2=0.868 9）、y=0.058 7t+0.275 1（45 ℃，R2=0.973 4）；其提取速率順序?yàn)?5 ℃＞40 ℃＞30 ℃，即升溫有利于提??；算得其表觀活化能為Ea（微波）= -36.105 2 kJ/mol。另外，在水浴條件下原料粒度對(duì)提取速率順序?yàn)?0～80 目＞40～60 目＞20～40 目，即原料粒度越細(xì)越有利于類(lèi)胡蘿卜素的提取。

雖然本實(shí)驗(yàn)得到了3 種提取方法的提取動(dòng)力學(xué)模型、方程和表觀活化能，但是對(duì)3 種方法間產(chǎn)生差異如在考察的溫度范圍內(nèi)超聲法和微波法均是升溫有利于提取，而水浴法卻是在40 ℃時(shí)最佳，原因可能是超聲波和微波對(duì)糊化等增大體系黏度的阻礙類(lèi)胡蘿卜素溶出的作用有延緩抑制效應(yīng)［30］的緣故，因?yàn)樵诔暦ê臀⒉ǚǖ? 個(gè)溫度條件下的黏度都幾乎一樣。但其詳情及其提取動(dòng)力學(xué)機(jī)處等問(wèn)題還有待進(jìn)一步探明。

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Kinetic Studies on Extraction of Carotenoids from Carrot Powder

In this paper， kinetic studies were carried out to investigate the extraction of carotenoids from carrot powders of different particle sizes by three different methods， namely water bath， ultrasonic-assisted and microwave-assisted extraction，at different temperatures respectively， using vitamin C and BHT as antioxidants and petroleum：acetone （4：1， V/V） as extractant. The results showed that the kinetic models for water bath and ultrasonic-assisted extraction conformed to the internal diffusion-controlled chemical kinetic models， which were as follows： y = 0.009 9t + 0.110 7 （R2= 0.920 9， 30 ℃）， y = 0.018 6t + 0.096 1 （R2= 0.893 7， 40 ℃）， y = 0.018 2t + 0.088 6 （R2= 0.965 7， 45 ℃） for water bath extraction； y = 0.001 1t + 0.080 9 （R2= 0.917 9， 30 ℃）， y = 0.001 6t + 0.043 9 （R2= 0.978 8， 40 ℃）， y = 0.001 8t + 0.039 （R2= 0.964 2， 45 ℃） for ultrasonic-assisted extraction. In addition， the values of activation energy were Ea（water bath extraction） = -26.825 1 kJ/mol and Ea（ultrasonic-assisted extraction） = -35.196 5 kJ/mol. However， the kinetic model for microwave-assisted extraction conformed to the hybrid-controlled kinetic model and the fitted equations were as follows： y = 0.027 5t + 0.344 6 （R2= 0.972 3，30 ℃）， y = 0.031 9t + 0.426 5 （R2= 0.868 9， 40 ℃）， y = 0.058 7t + 0.275 1 （R2= 0.973 4， 45 ℃）； the value of activation energy， Ea（microwave-assisted extraction）， was -36.105 2 kJ/mol. The extraction efficiency and rate with water bath was affected by raw material particle size in the decreasing order of 60-80 mesh ＞ 40-60 mesh ＞ 20-40 mesh. Therefore， small particle size is beneficial for the extraction of caroteinoids.

carrot powder； carotenoids； extraction methods； extraction kinetics； kinetic equation； activation energy

TS255.1

A

1002-6630（2015）16-0061-05

10.7506/spkx1002-6630-201516011

2014-10-19

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD37B08）；江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（LYPK201301）

劉曉庚（1962—），男，教授，碩士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：lxg_6288@163.com