陸海勤 李毅花 李冬梅 楊日福 杭方學(xué) 張麗超 范曉丹

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 2.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640;3.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)所特有的空化效應(yīng)，以及超聲波傳播產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、微射流、微聲流等多極效應(yīng)，能夠破壞植物細(xì)胞的細(xì)胞壁，使有效物質(zhì)易從原料中溶出[1- 3]；與傳統(tǒng)方法相比，具有提取率高、提取時(shí)間短、節(jié)能環(huán)保、不易破壞多糖活性等優(yōu)點(diǎn).但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的超聲提取裝置，功率強(qiáng)度受超聲探頭的數(shù)量制約，難以達(dá)到理想的提取效果.

將電場(chǎng)引入超聲協(xié)同提取，是超聲輔助提取多糖的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域.水分子是一種強(qiáng)極性分子，它的正負(fù)電中心不重合，存在分子電偶極矩，通過(guò)加入電場(chǎng)可以影響水分子的結(jié)構(gòu)，使水分子的排列更為有序，從而改變水溶劑的性質(zhì).目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于超聲-電場(chǎng)協(xié)同處理取得了一定的進(jìn)展：超聲波協(xié)同電催化可以提高有機(jī)物的降解效率，楊日福等[4]關(guān)于靜電場(chǎng)協(xié)同超聲提取甘草中甘草酸的研究結(jié)果表明，超聲與靜電場(chǎng)存在協(xié)同作用，超聲-靜電場(chǎng)耦合具有提取均勻性好、提取時(shí)間短[5]的優(yōu)點(diǎn).謝閣等[6]將高壓脈沖電場(chǎng)與超聲波技術(shù)相結(jié)合，提取啤酒酵母細(xì)胞中蛋白質(zhì)和核酸，結(jié)果表明，蛋白質(zhì)和核酸提取率是高壓脈沖電場(chǎng)單獨(dú)作用的1.5倍左右，是超聲波單獨(dú)作用的2倍左右.

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于超聲-電場(chǎng)耦合技術(shù)還處于探索階段，尚未進(jìn)行深入、全面的研究，國(guó)內(nèi)外關(guān)于超聲提取的強(qiáng)化機(jī)理，盡管有一些學(xué)者進(jìn)行了探討，但有關(guān)電場(chǎng)與超聲協(xié)同作用機(jī)理的研究較少，基本上是立足于超聲的空化作用進(jìn)行一些定性的解釋.因此，對(duì)超聲-電場(chǎng)耦合提取的機(jī)理進(jìn)行深入地研究是非常有必要的.

文中研究了有效擴(kuò)散系數(shù)與超聲功率和電場(chǎng)電壓之間的關(guān)系，以及描述超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取過(guò)程中有效擴(kuò)散系數(shù)與超聲功率和電場(chǎng)電壓之間的關(guān)系，以期能夠構(gòu)建超聲協(xié)同電場(chǎng)提取多糖的動(dòng)力學(xué)模型，并初步探究電場(chǎng)與超聲協(xié)同作用機(jī)理，為黃花菜多糖提取工藝的設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃花菜，產(chǎn)地廣州，購(gòu)于梅州銀新現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司；石油醚、無(wú)水乙醇、苯酚、氫氧化鈉以及無(wú)水碳酸鈉、無(wú)水硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、甲基紅、亞甲基藍(lán)、溴甲酚綠均購(gòu)于廣東光華科技股份有限公司；濃硫酸和濃鹽酸購(gòu)于廣州化學(xué)試劑廠；葡萄糖購(gòu)于上海伯奧生物科技有限公司，均為分析純?cè)噭?

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

DFY- 500型粉碎機(jī)，浙江省溫嶺市林大機(jī)械有限公司生產(chǎn)；BS200S型電子天平，德國(guó)Sartorous公司生產(chǎn)；DHG- 9146A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)；SX2- 4- 13型馬弗爐，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)；KDN- 08型自動(dòng)消化爐，上海新嘉電子有限公司生產(chǎn)；KDF-C型自動(dòng)凱式定氮儀，上海纖檢儀器公司生產(chǎn)；Avanti J-E型高速冷凍離心機(jī)，美國(guó)Backman Coulter有限公司生產(chǎn)；UV- 5200型可見(jiàn)光分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司生產(chǎn)；SB- 5DTD型超聲波提取器，寧波新芝生物科技有限公司生產(chǎn)；DE- 100型高精度雙極高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器，寧波新芝生物科技有限公司生產(chǎn)；SH2-CD型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華牌循環(huán)水真空泵公司生產(chǎn)；DKB- 10型數(shù)顯智能低溫恒溫循環(huán)器，寧波新芝生物科技有限公司生產(chǎn).

1.3 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取黃花菜多糖的方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在超聲與靜電場(chǎng)輔助提取初步實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行組裝，在提取容器內(nèi)設(shè)置中央電極，高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的正電極輸出端和負(fù)電極輸出端通過(guò)時(shí)間控制器與中央電極接線端相連，靜電場(chǎng)發(fā)生器的接地端與提取容器側(cè)壁連接，通過(guò)時(shí)間控制器控制電壓方波的變化規(guī)律，從而控制電場(chǎng)方向的變化.

超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持超聲水浴槽中的溫度恒定，將裝有物料的錐形瓶固定在超聲水浴槽的正中心，用橡膠塞密封，帶絕緣玻璃的電極底部與料液接觸.其中超聲發(fā)生器的頻率為20 kHz，不可調(diào)，額定輸出電功率為450～1 050 W，作用方式為無(wú)間歇連續(xù)作用；高精度雙極高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器的額定輸出電壓可在0～50 kV間連續(xù)變化；矩形脈沖電場(chǎng)的脈沖頻率通過(guò)時(shí)間控制器調(diào)節(jié)，電壓的變化頻率如圖2所示，時(shí)間t可自由調(diào)節(jié)，正負(fù)電壓調(diào)換有5 s間隔時(shí)間；恒溫循環(huán)器的溫度變化范圍為-5～100 ℃.提取過(guò)程中，超聲發(fā)生器和電場(chǎng)發(fā)生器同時(shí)開(kāi)同時(shí)關(guān).

圖1 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖裝置

Fig.1 Schematic diagram of ultrasound combined with high pulsed electric field assisted-extraction device

圖2 矩形脈沖電場(chǎng)電壓變化示意圖

Fig.2 Diagram of the change of the electrical field voltage with time

1.3.2 黃花菜多糖的提取方法

稱取預(yù)處理后的黃花菜粉末5.00 g，按照料/液質(zhì)量(g)體積(mL)比為1∶25加入125 mL蒸餾水，用橡膠塞密封，固定于超聲水浴槽的中央(事先將超聲水浴槽中的水溫恒定在59 ℃)，同時(shí)打開(kāi)超聲和靜電場(chǎng)發(fā)生器.分別提取5，10,15,20,25,30 min后，在4 000 r/min下離心15 min，收集上清液，用400目的紗布過(guò)濾，得到黃花菜多糖的粗提液.精確移取5 mL粗提液，加入4倍體積的無(wú)水乙醇進(jìn)行醇沉，置于4 ℃冰箱中靜置24 h后離心(4 000 r/min，4 ℃)，棄去上清液，將沉淀物用蒸餾水復(fù)溶，置于250 mL容量瓶中定容，得黃花菜粗多糖溶液.

為了研究超聲功率對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)的影響，上述實(shí)驗(yàn)分別在超聲功率為500、600、700 W條件下進(jìn)行，其他的實(shí)驗(yàn)條件為電壓14 kV，脈沖頻率1/600 s-1.

為研究電場(chǎng)電壓對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)的影響，分別在電場(chǎng)電壓為5、10、15 kV條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)條件為超聲功率700 W、脈沖頻率1/600 s-1.

1.3.3 多糖含量的測(cè)定

用硫酸-苯酚法測(cè)定其多糖含量[7].每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果.

多糖質(zhì)量=(硫酸的量-苯酚法測(cè)得沉淀中多糖的質(zhì)量×提取液的總體積)/5×0.9；

其中，0.9 為葡萄糖換算成葡聚糖的校正系數(shù).

1.4 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖動(dòng)力學(xué)模型的建立

超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取過(guò)程與傳統(tǒng)的固-液提取過(guò)程類似，可以看作是一種特殊的固-液提取.整個(gè)提取過(guò)程一般可以分為兩個(gè)階段：第1階段是固體顆粒外及破損細(xì)胞中的目標(biāo)組分在溶劑中的溶出過(guò)程，此過(guò)程速度較快，不受細(xì)胞壁、細(xì)胞膜阻力的干擾，是提取過(guò)程中的快速階段；第2階段是溶劑從物料顆粒的外部滲透進(jìn)入完整細(xì)胞顆粒的內(nèi)部，使目標(biāo)成分溶解在溶劑中并隨溶劑從顆粒內(nèi)部遷移到顆粒表面，最后溶解在溶劑相中.由于溶劑需要穿過(guò)細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，因此擴(kuò)散過(guò)程的阻力較大，速度較慢.在提取過(guò)程中，兩個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行，但是由于第2階段的速度較慢，因此是整個(gè)提取過(guò)程的控速步驟.

為了簡(jiǎn)化提取過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜程度，需要基于幾個(gè)假設(shè)：黃花菜粉末全部為直徑0.300 mm均勻大小的球形顆粒；黃花菜顆粒均勻地分布在溶劑中，忽略顆粒表面的的傳質(zhì)阻力；多糖均勻地分布在原料顆粒中，且多糖沿徑向進(jìn)行擴(kuò)散；在提取過(guò)程中任意時(shí)間取樣，黃花菜多糖的擴(kuò)散系數(shù)保持恒定不變；在提取過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)及超聲降解發(fā)生；

基于上述假設(shè)，以Fick第二擴(kuò)散定律作為理論基礎(chǔ)，建立超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取的動(dòng)力學(xué)模型.假設(shè)黃花菜顆粒的半徑為R1,mm，顆粒外溶劑的體積為V1,cm3，在提取過(guò)程中，提取時(shí)間為t1,min時(shí)，顆粒內(nèi)距核心r處多糖濃度為ρc1,g/mL，溶劑相中多糖的質(zhì)量濃度為ρC1,g/mL，提取過(guò)程中的有效擴(kuò)散系數(shù)為De，則根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律可得：

(1)

令f=ρcr，則

(2)

邊界條件為：

其中,S為黃花菜顆粒與溶劑的有效接觸面積.

當(dāng)提取時(shí)間t=0時(shí)，提取液中多糖的平均質(zhì)量濃度為ρC0.

當(dāng)提取時(shí)間t∝∞時(shí)，即達(dá)到提取平衡時(shí)，提取液中多糖的平均質(zhì)量濃度為ρC∞.

利用傅里葉變換法對(duì)方程(2)求解得[8]：

(3)

由于此濃度分布式為無(wú)窮級(jí)數(shù)，且高次項(xiàng)趨于零，可忽略不計(jì)，因此，只取n=1的項(xiàng)，結(jié)果為

(4)

對(duì)式(4)兩邊求對(duì)數(shù)得：

(5)

(6)

超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取法與傳統(tǒng)的浸提法相比主要的不同之處在于，水浸提過(guò)程中物料的有效擴(kuò)散主要是由分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子擴(kuò)散，而超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取過(guò)程中，由超聲產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和超聲空化產(chǎn)生的微射流、沖擊波會(huì)引起溶液的湍動(dòng)[8- 9]、使固體顆粒高速碰撞，顯著加強(qiáng)溶液的渦流擴(kuò)散，超聲產(chǎn)生的熱效應(yīng)對(duì)分子擴(kuò)散也起到了強(qiáng)化作用；同時(shí)電場(chǎng)的加入也加強(qiáng)了溶液中離子的定向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了分子擴(kuò)散.由于提取過(guò)程中提取液的溫度保持恒定，因此忽略超聲熱效應(yīng)產(chǎn)生的分子擴(kuò)散，則超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取的有效擴(kuò)散系數(shù)可以表示為

De=DU+DE+DM

(7)

式中：DM是由分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子擴(kuò)散系數(shù)；DU是由超聲作用產(chǎn)生的渦流擴(kuò)散系數(shù)；其與溫度、超聲功率和超聲頻率的大小有關(guān)[10- 11]；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于超聲頻率和體系的溫度都保持不變，因此不考慮超聲頻率和溫度對(duì)渦流擴(kuò)散系數(shù)的影響.DE指由電場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng)制分子擴(kuò)散系數(shù)，主要與電壓大小和電場(chǎng)脈沖頻率有關(guān)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中脈沖頻率不變，因此，只考慮電壓大小對(duì)強(qiáng)制分子擴(kuò)散系數(shù)的影響.

在超聲和電場(chǎng)的協(xié)同作用下，整個(gè)提取體系流體的主要運(yùn)動(dòng)形式為湍流，湍流漩渦的強(qiáng)烈混合作用引起的物質(zhì)傳遞遠(yuǎn)比分子運(yùn)動(dòng)的作用大得多，因此，在本研究中忽略分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子擴(kuò)散系數(shù).綜上所述，影響分子擴(kuò)散系數(shù)的主要因素有超聲功率、電場(chǎng)電壓和提取溫度.在提取過(guò)程中超聲功率、電場(chǎng)電壓對(duì)提取率的影響最大，因此為了研究有效擴(kuò)散系數(shù)與超聲功率和電場(chǎng)電壓之間的關(guān)系，本研究對(duì)Gogate[12]和GrI[13]等建立的經(jīng)驗(yàn)公式作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，用以描述超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取過(guò)程有效擴(kuò)散系數(shù)與超聲功率和電場(chǎng)電壓之間的關(guān)系，其公式為

De=a0Pa1Ua2

(8)

式中，a0、a1、a2分別為溫度、功率、電壓及其相互作用對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)影響的回歸系數(shù).

1.5 不同工藝條件下提取過(guò)程的對(duì)比

1.5.1 熱水浸提法提取黃花菜多糖

準(zhǔn)確稱取5.00 g黃花菜顆粒置于500 mL平底燒瓶中，以料液比為1∶25加入蒸餾水，加冷凝管，在59 ℃水浴中回流提取，分別提取10、20、30、40、50、60、90、120、150、180 min后，按照1.3.2中描述的方法對(duì)提取液進(jìn)行處理并測(cè)定不同提取時(shí)間下黃花菜多糖的提取率.

1.5.2 單獨(dú)超聲輔助水提法提取黃花菜多糖

準(zhǔn)確稱取5.00 g 黃花菜顆粒置于500 mL錐形瓶中，以料液比為1∶25加入蒸餾水，用橡膠塞封口，在溫度為59 ℃，超聲功率為700 W條件下，分別提取10、15、20、25、30、35、40、45 min，按照1.3.2中描述的方法對(duì)提取液進(jìn)行處理并測(cè)定不同提取時(shí)間下黃花菜多糖的提取率.

1.5.3 超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取黃花菜多糖

超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取黃花菜多糖的提取及測(cè)定按1.3.2中描述的方法進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求解

不同超聲功率和電場(chǎng)電壓提取條件下黃花菜多糖提取率隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3(a)和圖3(b).圖中曲線的形狀與傳統(tǒng)熱水浸提法提取率隨時(shí)間的變化曲線相似[14]，這說(shuō)明超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖的提取過(guò)程與傳統(tǒng)水提法類似，因此可以視為一種特殊的水提法.當(dāng)提取時(shí)間從5 min增至20 min時(shí)，提取率的變化較快，曲線較陡峭，但提取20 min后，曲線的變化開(kāi)始減緩.這是因?yàn)樵谔崛〉那捌?，顆粒表面或者破損細(xì)胞中的多糖先被溶劑快速溶解，使提取液中多糖的濃度迅速增加，因此，曲線上升速度較快，較為陡峭；而隨著提取的進(jìn)行，能夠被快速溶解的多糖含量減少，溶劑需要進(jìn)入完整的細(xì)胞中將多糖溶出，這個(gè)過(guò)程需要克服細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的傳質(zhì)阻力，因此較為緩慢.

圖3 黃花菜多糖提取率隨時(shí)間的變化Fig.3 Evolution of extraction yield of polysaccharides with time

由圖3(a)中的變化趨勢(shì)可知，超聲功率越大，達(dá)到提取平衡的時(shí)間越短，提取平衡時(shí)的提取率也越大.當(dāng)超聲功率為700 W時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)的提取率為10.03%，且提取25 min后，黃花菜多糖的提取率變化極為微小，已趨于平衡；當(dāng)超聲功率為500 W時(shí)，提取30 min時(shí)達(dá)到平衡，提取率為8.91%，但是在20 min和30 min之間，黃花菜多糖的提取率的變化趨勢(shì)依然較陡；這是因?yàn)樵诔晠f(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖的提取過(guò)程中，多糖的主要擴(kuò)散方式為超聲場(chǎng)產(chǎn)生的渦流擴(kuò)散，而渦流擴(kuò)散系數(shù)主要與超聲功率、超聲頻率、換能器的作用面積有關(guān)[15]，由于提取過(guò)程中超聲頻率、換能器的作用面積一定，因此，渦流擴(kuò)散系數(shù)主要受超聲功率的影響.因此超聲功率越大，在體系中產(chǎn)生的振幅也越大，產(chǎn)生的渦流擴(kuò)散也就越顯著，從而加快了提取時(shí)多糖的溶出速率和擴(kuò)散速度，縮短了達(dá)到平衡時(shí)的提取時(shí)間.

由圖3(b)中提取率的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)電場(chǎng)電壓從 5 kV增加至15 kV，達(dá)到提取平衡時(shí)，黃花菜多糖的提取率也隨之增加；電場(chǎng)電壓為15 kV時(shí)，提取20 min后，提取率的變化已不是很明顯；電壓為10 kV時(shí)，提取25 min后，提取率開(kāi)始趨于平衡；而電壓為5 kV時(shí)，在提取25 min后，提取率的上升仍較為明顯.這是因?yàn)樵诟邏好}沖電場(chǎng)的作用下，原料和溶劑中的極性分子由于電場(chǎng)力的牽引，運(yùn)動(dòng)方向會(huì)隨著電場(chǎng)方向的改變而改變，從而增強(qiáng)了溶劑分子的擴(kuò)散速度和原料中有效成分的溶出速度[16]；同時(shí)高壓電場(chǎng)還可以改變?cè)项w粒細(xì)胞膜上的電位，增加細(xì)胞膜的通透性和可通過(guò)性，高壓電場(chǎng)產(chǎn)生的電穿孔，可以增加細(xì)胞膜上的大分子通過(guò)的流通通道，從而降低了溶劑進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部和大分子多糖溶出細(xì)胞的阻力，加快了提取速率[17- 18].在一定范圍內(nèi)電壓越大，體系中產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度就越高，因此，電場(chǎng)的作用也越明顯，提取效率也越高.

根據(jù)圖3(a)和圖3(b)中的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)ln[y∞/(y∞-y)]和提取時(shí)間t作圖，結(jié)果為圖4(a)和圖4(b)，對(duì)應(yīng)的線性擬合方程和動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1和表2.表中的相關(guān)系數(shù)r2均大于0.98，說(shuō)明在設(shè)定的提取條件下，ln[y∞/(y∞-y)]與t的線性關(guān)系良好，這表明建立的動(dòng)力學(xué)方程式能夠較為準(zhǔn)確地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配.表1和表2中的數(shù)據(jù)直觀地表現(xiàn)了在不同超聲功率和不同電場(chǎng)電壓條件下提取速率常數(shù)和平衡提取率的變化，由表可知，在500～700 W超聲功率范圍內(nèi)，隨著超聲功率的增大，提取速率常數(shù)也隨之增大，平衡時(shí)提取率也隨之增大；這與上文所說(shuō)的超聲能夠加快提取體系中的物質(zhì)擴(kuò)散速率相一致.在5～15 kV電場(chǎng)電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的升高，提取速率常數(shù)和平衡時(shí)的提取率都隨之增大，這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)電壓的增高可以提高物質(zhì)的擴(kuò)散速率，加快提取速率.

圖4 ln[y∞/(y∞-y)]與t的關(guān)系Fig.4 Relationship between ln[y∞/(y∞-y)]and t

Table 1 Linear fitting equation and kinetic parameters at diffe-rent ultrasonic power

超聲功率/W動(dòng)力學(xué)擬合方程r2ρC∞k/10-3s-1500ln[ρCeq/(ρCeq-ρC)]=-0.2207+0.1273t0.98118.912.121600ln[ρCeq/(ρCeq-ρC)]=-0.0880+0.1703t0.99619.562.838700ln[ρCeq/(ρCeq-ρC)]=0.0742+0.1817t0.994310.033.093

表2 不同電場(chǎng)電壓條件下的線性擬合結(jié)果

Table 2 Linear fitting equation and kinetic parameters at diffe-rent electric voltage

電場(chǎng)電壓/kV動(dòng)力學(xué)擬合方程r2ρC∞k/10-3s-15ln[ρCeq/(ρCeq-ρC)]=0.2280+0.0921t0.99128.741.53510ln[ρCeq/(ρCeq-ρC)]=0.0702+0.1274t0.99759.462.12315ln[ρCeq/(ρCeq-ρC)]=-0.1741+0.1786t0.99289.872.977

2.2 有效擴(kuò)散系數(shù)的求解

De=2.34×10-15P1.135U0.588

(9)

將表3中不同組合的超聲功率和電場(chǎng)電壓代入式(9)，得到用公式計(jì)算得到的有效擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測(cè)值.將實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5.

表3 不同超聲功率和電場(chǎng)電壓條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)

Table 3 Effective diffusion coefficient derived from different ultrasonic powers and electrical voltages

P/WU/kVk/10-3s-1De/(10-12m2·s-1)500142.12113.4495600142.83817.9901700143.09319.606570051.5359.73036700102.12313.4577700152.97718.8712

圖5 有效擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比

Fig.5 Comparison of predicted values and experimental-determined values of the effective diffusion coefficients

由圖5可知，由該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間存在一定的差異，這是由于一方面在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中速率常數(shù)是通過(guò)線性擬合得到的，本身具有一定的差異性，因此通過(guò)k計(jì)算得到的De也具有一定的差異性；另一方面，在超聲作用和熱效應(yīng)下，顆粒的直徑會(huì)膨脹、破裂，產(chǎn)生一系列的變化，因此顆粒的直徑會(huì)發(fā)生改變，這就造成了計(jì)算結(jié)果的差異.但是從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)性較為明顯(r2=0.928 6)，因此可以用來(lái)預(yù)測(cè)超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖過(guò)程中超聲功率和電場(chǎng)電壓對(duì)有效擴(kuò)散系數(shù)的影響.

2.3 對(duì)比不同工藝條件下的提取過(guò)程

對(duì)比回流提取法(RE)、超聲輔助提取法(UAE)和超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取(UEAE)過(guò)程中提取率隨時(shí)間的變化(見(jiàn)圖6)可知.超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖可以大大地縮短提取時(shí)間，提高提取效率.提取30 min時(shí)，與傳統(tǒng)回流提取法相比，超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖的提取率增加了97.05%；與單獨(dú)超聲輔助提取相比，超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取的提取率增加了17.04%.這說(shuō)明在提取過(guò)程中超聲和電場(chǎng)協(xié)同作用比單獨(dú)的超聲作用效果要好很多，在提取有效成分的應(yīng)用中具有很大的潛力.但是對(duì)于超聲和電場(chǎng)協(xié)同作用的機(jī)理還需要更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明.

圖6 不同提取工藝條件下提取率的對(duì)比

Fig.6 Comparison of polysaccharides yield under different extraction conditions

3 結(jié)語(yǔ)

建立了超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取黃花菜多糖的動(dòng)力學(xué)模型，模型能夠較好地反映提取過(guò)程中工藝參數(shù)與提取率之間的關(guān)系.在不同超聲功率和電場(chǎng)電壓條件下測(cè)定黃花菜多糖提取率隨時(shí)間的變化，運(yùn)用這些數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并求得動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如提取速率常數(shù)、平衡濃度、有效擴(kuò)散系數(shù)等，結(jié)果表明該動(dòng)力學(xué)模型能夠很好地反映提取過(guò)程中提取率的變化，為黃花菜多糖提取工藝的設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ).建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)反映主要工藝參數(shù)(如超聲功率、電場(chǎng)電壓)與有效擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明該經(jīng)驗(yàn)公式能夠較好地反映超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取過(guò)程中有效擴(kuò)散系數(shù)與超聲功率和電場(chǎng)電壓的函數(shù)關(guān)系.

對(duì)比傳統(tǒng)的回流提取法、超聲輔助提取法和超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取法提取過(guò)程中提取率的變化，結(jié)果表明超聲協(xié)同矩形高壓脈沖電場(chǎng)提取可以大大地縮短提取時(shí)間，提高提取效率.在工業(yè)化大生產(chǎn)中，要提高多糖的提取率，僅使用一種提取方法很難達(dá)到目的，在超聲輔助提取的基礎(chǔ)上引入電場(chǎng)，也是一個(gè)新興的應(yīng)用領(lǐng)域.

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