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）

原花青素，國(guó)際簡(jiǎn)稱OPC，在清除人體內(nèi)自由基方面效果最佳，是一種分子結(jié)構(gòu)極其特殊的生物類黃銅物質(zhì)，屬于天然抗氧化劑，同時(shí)還具有消炎、抗腫瘤的功效，在化妝品、醫(yī)療保健、食品等行業(yè)應(yīng)用前景光明[1]。在植物的葉、莖、皮、殼、籽中存在大量原花青素，近幾年研究人員針對(duì)金刺梨皮、板栗殼[2]、葡萄枝蔓[3]、落葉松樹皮[4]、黑豆種皮[5]等植物組織中原花青素的提取工藝和性能進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道。

水力空化是一種在化工領(lǐng)域新興的新型過(guò)程強(qiáng)化方法，撞擊噴射流空化形成的水力空化場(chǎng)強(qiáng)度分布勻稱、強(qiáng)化效果高、運(yùn)行控制過(guò)程簡(jiǎn)便[6]，在生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、食品、化學(xué)工程等多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[7]，例如利用水力空化強(qiáng)化制糖工業(yè)中蔗汁凈化[8]、強(qiáng)化大豆蛋白表面活性[9]、強(qiáng)化殼聚糖分子降解過(guò)程[10]，取得了眾多研究成果，應(yīng)用前景趨勢(shì)良好。空化效應(yīng)是水力空化強(qiáng)化過(guò)程的根源，源于空化泡在液體中瞬間潰滅過(guò)程中產(chǎn)生的劇烈、高溫、高壓機(jī)械沖擊波與高速度微噴射流，在液體介質(zhì)內(nèi)形成熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、光效應(yīng)、自由基效應(yīng)[11-12]，產(chǎn)生強(qiáng)大能量，可有效破壞植物組織物質(zhì)結(jié)構(gòu)[13-14]。

試驗(yàn)以衡水本地巨峰葡萄籽為研究對(duì)象，利用I-O-J組合水力空化提取葡萄籽中原花青素提取工藝。研究了液料比、I-O-J組合水力空化時(shí)間、I-O-J組合水力空化壓力、乙醇體積分?jǐn)?shù)、I-O-J組合水力空化溫度對(duì)葡萄籽中原花青素得率的影響。以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化了I-O-J組合水力空化作用強(qiáng)化葡萄籽中原花青素提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

葡萄籽，衡水本地巨峰葡萄籽；無(wú)水乙醇（AR）、甲醇（AR）、硫酸（AR）、香草醛（AR），天津市大茂化學(xué)試劑廠；原花青素標(biāo)準(zhǔn)品，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

JYD-650型超聲波發(fā)生器，上海之信儀器有限公司；SFJ-400砂磨、分散、攪拌（550 W）機(jī)，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)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-S 4型恒溫水浴鍋，北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司；FW 80型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；TP-A 100型電子天平，金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠；玻璃珠（d=2.5 mm），衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 I-O-J組合水力空化裝置

I-O-J組合水力空化強(qiáng)化大豆粕蛋白質(zhì)溶解裝置如圖1所示。I-O-J水力空化組合部件包括14-1撞擊流水力空化裝置（Impinging stream cavitation device）、14-2多孔板水力空化裝置（Orifice plates device）和14-3噴射流水力空化裝置（Jet cavitation device），其構(gòu)成參數(shù)如圖1所示。

圖1 水力空化組合裝置設(shè)計(jì)圖

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。配置一些列原花青素標(biāo)準(zhǔn)品溶液，根據(jù)香草醛-鹽酸法[16]測(cè)定500 nm溶液處吸光度，繪制濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)品曲線，經(jīng)過(guò)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 葡萄籽中提取原花青素工藝

把新鮮葡萄籽粉碎過(guò)篩，在溫度為50 ℃烘箱里烘干至恒重，低溫待用。精確稱取一定質(zhì)量的粉碎葡萄籽，在試驗(yàn)確定的液料比、空化-超聲-研磨時(shí)間、空化-超聲-研磨溫度、撞擊-噴射流空化壓力、超聲波功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)、研磨轉(zhuǎn)速因素水平下測(cè)定溶液吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算原花青素得率。

1.2.4 葡萄籽中原花青素得率的測(cè)定

首先利用原花青素回歸擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定樣品中原花青素濃度：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，各5 mL；在溫度為30 ℃水浴條件下恒溫30 min，測(cè)定500 nm波長(zhǎng)處吸光度，根據(jù)原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算濃度。然后按式（1）計(jì)算彩椒中原花青素得率。

式中：V表示提取液定容體積，mL；C表示原花青素質(zhì)量濃度，mg/mL；n表示稀釋倍數(shù)；W表示葡萄籽干質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 液料比對(duì)得率的影響

在I-O-J組合水力空化時(shí)間25 min、I-O-J組合水力空化溫度45 ℃、I-O-J組合水力空化壓力0.35 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，研究液料比對(duì)得率的影響。如圖2所示，在液料比25︰1～45︰1（mL/g）范圍內(nèi)，得率先逐步提升，當(dāng)液料比為40︰1（mL/g）時(shí)，得率達(dá)到最大值（7.481%）；隨著液料比繼續(xù)提升，原花青素的得率不再增大，趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。原因在于液料比越大，溶液與原花青素接觸面積越大，原花青素進(jìn)入溶液量越多，得率越高，液料比增大至一定程度，能夠擺脫葡萄籽組織結(jié)構(gòu)束縛，進(jìn)入溶液的原花青素完全析出，得率達(dá)到最大值，液料比再增加沒(méi)有實(shí)際控制意義[15]，故液料比確定為40︰1（mL/g）。

圖2 液料比對(duì)得率的影響

2.1.2 I-O-J組合水力空化時(shí)間對(duì)得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化溫度45 ℃、I-O-J組合水力空化壓力0.35 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，研究I-O-J組合水力空化時(shí)間對(duì)得率的影響。如圖3所示，隨著I-O-J組合水力空化時(shí)間的增加，得率先增加，當(dāng)空化時(shí)間為40 min時(shí)，得率達(dá)到最大值（7.476%），空化時(shí)間再增大得率開始下降。原因在于隨著I-O-J組合水力空化時(shí)間的增加，乙醇溶液的黏度迅速降低，其降低了原花青素游離分子進(jìn)入乙醇溶液的阻力；另外，破壞束縛原花青素分子自由運(yùn)動(dòng)的相互作用是原花青素提取主要過(guò)程，I-O-J組合水力空化初期，空化效應(yīng)破壞束縛原花青素分子自由運(yùn)動(dòng)的相互作用持續(xù)增多，得率逐步升高。繼續(xù)利用I-O-J組合水力空化處理，能夠破壞的相互作用變少，得率不再增加，同時(shí)析出的原花青素會(huì)被水力空化效應(yīng)破壞，得率反而會(huì)降低。

圖3 I-O-J組合水力空化時(shí)間對(duì)得率的影響

2.1.3 I-O-J組合水力空化溫度對(duì)得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時(shí)間40 min、I-O-J組合水力空化壓力0.35 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，研究I-O-J組合水力空化溫對(duì)得率的影響。如圖4所示，當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，得率達(dá)到最大值（7.481%）。結(jié)果表明，較高的溫度有利于原花青素的提取過(guò)程。一方面，隨著溫度的升高，溶液黏度和表面張力降低，原花青素分子運(yùn)動(dòng)較快，分子間碰撞概率增加；另一方面，隨著溫度的升高，氫鍵和鹽鍵逐漸被破壞，位阻消失。束縛原花青素相互作用變得脆弱，容易析出。溫度超過(guò)50 ℃，原花青素提取率開始降低，這可能是溫度達(dá)到一定程度后，溶液的黏度系數(shù)和表面張力降低，溶液蒸汽壓升高。因此，空化閾值降低，空化氣泡容易產(chǎn)生。然而，隨著溫度的升高，蒸汽壓力比溶液溫度升高得快，從而降低了空化效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫高壓，降低了空化強(qiáng)度，降低了得率。

圖4 I-O-J組合水力空化溫度對(duì)得率的影響

2.1.4 I-O-J組合水力空化壓力對(duì)得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時(shí)間40 min、I-O-J組合水力空化溫度50 ℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)30%的條件下，研究I-O-J組合水力空化壓力對(duì)得率的影響。如圖5所示，原花青素得率隨著I-O-J組合水力空化壓力的增加而增大。在0.40 MPa得率達(dá)到最大值（7.481%），原因可以歸結(jié)為隨著I-O-J組合水力空化壓力的增加，液體流動(dòng)速度和沖擊強(qiáng)度增加，從而增加了空化氣泡的數(shù)量，提高了空化強(qiáng)度，空化強(qiáng)度的增加提高了得率。然而，也觀察到當(dāng)壓力大于0.4 MPa時(shí)，原花青素的得率下降。這是因?yàn)閴毫Τ^(guò)一定的極限會(huì)發(fā)生超空化現(xiàn)象。雖然氣泡很多，但不易潰滅破裂，從而削弱了空化效應(yīng)。同時(shí)空化壓力過(guò)高，液體里小氣泡過(guò)多，形成較大氣泡，阻礙了空化效應(yīng)發(fā)揮[16]。

圖5 I-O-J組合水力空化壓力對(duì)得率的影響

2.1.5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時(shí)間40 min、I-O-J組合水力空化溫度50 ℃、I-O-J組合水力空化壓力0.40 MPa的條件下，研究乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響。由圖6可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，原花青素的得率逐漸增加，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，原花青素的得率達(dá)到最大值（7.482%），乙醇體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，原花青素的得率下降。原因是乙醇體積分?jǐn)?shù)增加提高了溶液極性，有助于原花青素的析出，得率升高。根據(jù)相似相溶的原理，當(dāng)乙醇溶液極性和原花青素分子極性一致時(shí)得率最大，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)再增大，婆棗中的脂溶性雜質(zhì)將和原花青素將競(jìng)爭(zhēng)與乙醇作用，影響原花青素分子析出，得率降低。

圖6 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)影響因素對(duì)得率的影響趨勢(shì)，確定液料比40︰1（mL/g），選取得率為響應(yīng)值Y，I-O-J組合水力空化時(shí)間（X1）、I-O-J組合水力空化壓力（X2）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X3）、I-O-J組合水力空化溫度（X4）為變化因素，根據(jù)Box-Benhnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過(guò)SAS軟件對(duì)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。

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化工藝回歸方程建立

四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2，回歸分析結(jié)果見表3。通過(guò)擬合回歸處理數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)模型：Y=7.5+0.116 897X1+0.134 167X2+0.087 5X3+0.078 333X4-0.435 417X12-0.123 1X1X2-0.009 9X1X3-0.098 6X1X4-0.469 167X22-0.21X2X3-0.079 998X2X4-0.484 167+0.047 5-0.290 417

由回歸結(jié)果看出，函數(shù)模型R2=99.62%，失擬項(xiàng)p=0.087 2＞0.05，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型和預(yù)測(cè)情況擬合性充分，真實(shí)反映了不同影響因素間的關(guān)系。

表1 響應(yīng)面因素和水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)回歸方程進(jìn)行求極大值，得到X1為43 min，X2為0.43 MPa，X3為61%，X4為53 ℃，得率最大值為Y為7.61%。根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果和綜合因素影響得到超聲波-微波協(xié)同提取葡萄籽原花青素最佳工藝：液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時(shí)間43 min、I-O-J組合水力空化壓力0.43 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)61%、I-O-J組合水力空化溫度53 ℃。在最優(yōu)條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)，得率分別為7.68%，7.67%和7.69%，平均值為7.68%，與數(shù)學(xué)模型求極值得到數(shù)值相差很小，同時(shí)證明得到的數(shù)學(xué)回歸擬合模型可信度很高。

2.2.4 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)擠壓-超聲[17]、超聲波-微波法[18]提取葡萄籽原花青素，與撞擊噴射流空化-超聲波-機(jī)械研磨提取原花青素得率進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7。I-O-J組合水力空化對(duì)葡萄籽原花青素提取效果較好，得率較高。

表3 回歸分析結(jié)果

圖7 不同提取方法原花青素得率比較

3 結(jié)論

以影響I-O-J組合水力空化提取葡萄籽原花青素得率因素的單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用SAS軟件，根據(jù)Box-Benhnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用響應(yīng)面優(yōu)化超聲波-微波協(xié)同提取葡萄籽原花青素的提取工藝，回歸方程為：Y=7.5+0.116 897X1+0.134 167X2+0.087 5X3+0.078 333X4-0.435 417X12-0.123 1X1X2-0.009 9X1X3-0.098 6X1X4-0.469 167X22-0.21X2X3-0.079 998X2X4-0.484 167+0.047 5-0.290 417。二次回歸方程可信度高。通過(guò)回歸數(shù)學(xué)模型計(jì)算以及對(duì)工藝條件的驗(yàn)證試驗(yàn)得到最優(yōu)工藝條件：液料比40︰1（mL/g）、I-O-J組合水力空化時(shí)間43 min、I-O-J組合水力空化壓力0.43 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)61%、I-O-J組合水力空化溫度53 ℃，得率平均值為7.68%。與擠壓-超聲、超聲波-微波法等提取工藝相比，I-O-J組合水力空化對(duì)葡萄籽原花青素提取效果較好，得率較高。