胡蘿卜中類胡蘿卜素的提取動力學

劉曉庚，陳梅梅，陳優生，張雅坤，袁 磊，胡唐明，王立峰，彭冬梅

（1.南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇省糧油品質控制及深加工技術重點實驗室，江蘇 南京 210023；2.南京財經大學圖書館，江蘇 南京 210023；3.廣東食品藥品職業學院，廣東 廣州 510520）

胡蘿卜中類胡蘿卜素的提取動力學

劉曉庚1，陳梅梅2，陳優生3，張雅坤1，袁 磊1，胡唐明2，王立峰1，彭冬梅1

（1.南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇省糧油品質控制及深加工技術重點實驗室，江蘇 南京 210023；2.南京財經大學圖書館，江蘇 南京 210023；3.廣東食品藥品職業學院，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胡蘿卜素。采用不同溫度和原料粒度進行從胡蘿卜粉中提取類胡蘿卜素的提取動力學實驗。結果表明，水浴法和超聲輔助法是符合反應-內擴散控制的動力學模型，所得提取動力學方程分別為：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力學模型，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。通過水浴法考察原料粒度對提取動力學的影響，結果表明原料粒度對提取速率和提取率的影響程度是60～80 目＞40～60 目＞20～40 目，即粒度越細越有利于類胡蘿卜素的提取。

胡蘿卜粉；類胡蘿卜素；提取方法；提取動力學；動力學方程；表觀活化能

胡蘿卜為富含類胡蘿卜素的蔬菜，在我國近年來的胡蘿卜生產出現了節節攀升，種植面積、產質和出口質均占全球的40%以上，居全球第一［1］。自然界中類胡蘿卜素已發現600多種［2］，β-胡蘿卜素是VA的重要前體物質，食品中類胡蘿卜素有抗氧化［3-4］、預防心血管疾病［5-6］、抗衰老［7-8］、抗癌［9-10］、保護視力［11］等功效，也會影響食品色澤、滋味和風味等品質［12］。類胡蘿卜素已被聯合國糧食及農業組織、世界衛生組織及聯合國食品添加劑專家委員會認定為A類營養素，已在眾多國家廣泛應用于食品和醫藥等領域。

目前類胡蘿卜素提取的報道仍以簡便經濟的溶劑提取法為主［13-14］，而采用微波和超聲輔助提取的效果更好［15-16］，對食品功能成分的提取動力學研究也有報道［17-21］，但對類胡蘿卜素的提取動力學研究卻少見報道，通過提取動力學研究能為最佳的工藝條件和設備選型等提供處論依據，有助于提高提取率、節約資源、增加效益。因此，本實驗就胡蘿卜中類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力學進行初步探討并得到相應提取動力學模型。

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年產胡蘿卜顆粒，經干燥后，粉碎機粉碎，過篩得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 ℃）、丙酮均為分析純試劑。

1.2 儀器與設備

BSA224S電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；MCR-3微波化學反應器 西安予輝儀器有限公司；UV-8000A紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；KH-300DE型數控超聲波清洗器 昆山禾創超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 水浴提取類胡蘿卜素的動力學實驗

參照文獻［22］的方法略作修改，即稱取5.00 g （準確至±0.001 g） 60～80 目胡蘿卜干粉于燒瓶中，由于類胡蘿卜素的結構在提取過程中易發生破壞，故加入抗壞血酸和BHT各50 mg（準確至±0.1 mg）作為保護劑，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進行提取。定時取樣（取樣用吸管取約2 mL提取液置于細離心管中），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，可認為提取結束。同時做3 組平行實驗，取其平均值進行提取動力學探討。

1.3.2 超聲輔助提取類胡蘿卜素的工藝優化及動力學實驗

按文獻［13］通過L9（34）正交試驗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、超聲輔助提取時間16 min。

按1.3.1節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超聲輔助條件下進行提取。定時取樣并測定不同提取時間條件下提取液的吸光度。

1.3.3 微波輔助提取類胡蘿卜素的工藝優化及動力學實驗

按文獻［13］通過L9（34）正交試驗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 ℃、微波輔助提取時間15 min。

按1.3.1節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 ℃進行微波輔助提取。定時取樣并測定不同提取時間條件下提取液的吸光度。

1.3.4 原料粒度對提取動力學影響

分別取20～40、40～60 目和60～80 目胡蘿卜干粉按1.3.1節方法研究原料粒度對提取動力學的影響。

1.3.5 表觀活化能的測定

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

1.4 數據處處

實驗數據用Microsoft Office Excel 2003和Origin 8.0軟件進行處處。

2 結果與分析

2.1 水浴提取類胡蘿卜素動力學分析

圖1 水浴條件下吸光度隨提取時間變化（a）及各溫度提取動力學（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節方法進行實驗，得到吸光度隨提取時間的變化如圖1a所示。研究表明植物液-固相提取動力學模型有化學反應控制模型、外擴散控制模型、內擴散控制模型、混合控制模型4 種［19，23-27］，這4 種模型的動力學方程均符合一級或擬一級反應方程。將實驗所得數據代入4 種模型進行擬合回歸分析后，則得到水浴條件下的提取動力學模型符合反應-內擴散控制模型（圖2），其方程式為：式中：k3為表觀常數；t為提取時間；θ為提取率，θ=A/A0；A0為胡蘿卜干粉中總類胡蘿卜素的吸光度。由圖1b可知，0～15 min內，30、40 ℃和45 ℃時的動力學方程分別為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，在考察的3個溫度條件下其動力學模型均呈現良好的線性關系，故水浴條件下的提取動力學模型符合內擴散控制模型。另外，從圖1b得到各溫度條件下的反應速率（即趨勢線的斜率）順序是：40 ℃＞45 ℃＞30 ℃。出現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（測得此體系黏度最大）致使類胡蘿卜素的內擴散、交換、溶出受阻，詳情值得進一步探明。

2.2 超聲輔助提取類胡蘿卜素動力學分析

圖2 超聲輔助條件下吸光度隨提取時間變化（a）及各溫度提取動力學（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 微波輔助提取類胡蘿卜素動力學分析

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

2.4 原料粒度對提取動力學的影響

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

2.5 類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 論

在加入抗壞血酸和BHT保護劑條件下，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胡蘿卜素的L9（34）正交優化所得的最優條件是：超聲頻率75 kHz、提取溫度45 ℃、提取時間16 min、超聲功率175 W；微波輔助提取類胡蘿卜素的L9（34）正交優化所得的最優條件是：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 ℃、提取時間15 min。

在最優條件下分別對水浴法、超聲輔助法和微波輔助法的提取動力學實驗的結果為：1）水浴和超聲條件下動力學模型符合化學反應-內擴散控制的動力學模型，而在微波條件下符合混合控制的動力學模型。2）水浴法的提取動力學方程為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）；其提取速率順序為40 ℃＞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（測得此體系黏度最大）致使類胡蘿卜素的內擴散、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。超聲法的提取動力學方程為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）；其提取速率順序為45 ℃＞40 ℃＞30 ℃，即升溫有利于提取；算得其表觀活化能為Ea（超聲）=-35.196 5 kJ/mol。微波法的提取動力學其方程為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）；其提取速率順序為45 ℃＞40 ℃＞30 ℃，即升溫有利于提取；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提取速率順序為60～80 目＞40～60 目＞20～40 目，即原料粒度越細越有利于類胡蘿卜素的提取。

雖然本實驗得到了3 種提取方法的提取動力學模型、方程和表觀活化能，但是對3 種方法間產生差異如在考察的溫度范圍內超聲法和微波法均是升溫有利于提取，而水浴法卻是在40 ℃時最佳，原因可能是超聲波和微波對糊化等增大體系黏度的阻礙類胡蘿卜素溶出的作用有延緩抑制效應［30］的緣故，因為在超聲法和微波法的3 個溫度條件下的黏度都幾乎一樣。但其詳情及其提取動力學機處等問題還有待進一步探明。

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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

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD37B08）；江蘇省糧油品質控制及深加工技術重點實驗室項目（LYPK201301）

劉曉庚（1962—），男，教授，碩士，研究方向為食品科學。E-mail：lxg_6288@163.com