花椒多酚提取工藝響應面優化及動力學分析

郭宏垚，李 冬*，雷 雄，王小靜，剛 勇，李穩宏

花椒多酚提取工藝響應面優化及動力學分析

郭宏垚，李 冬*，雷 雄，王小靜，剛 勇，李穩宏

（西北大學化工學院，陜西 西安 710069）

以多酚收率為優化指標，對花椒中多酚的提取工藝進行研究，通過單因素試驗考察處理溫度、提取時間、溶劑體積分數、料液比和提取液pH值對多酚提取過程的影響。利用Box-Behnken響應面分析法優化多酚提取的最佳工藝條件為提取溶劑為乙醇溶液、溶劑體積分數48.23%、料液比1∶29.34（g/mL）、處理溫度48.99 ℃、提取時間1.75 h、提取液pH 3，在此條件下進行5 次平行實驗，預測的多酚收率為55.06 mg/g。此外，研究不同溫度下總酚的傳質動力學，通過平板模型以Fick第一定律為基礎建立了花椒多酚提取的動力學模型，并求解出速率常數、相對萃余率及活化能等關鍵模型參數，為花椒多酚提取的工廠放大和深入研究提供一定依據。

花椒；多酚；提取工藝；響應面分析法；動力學

植物多酚是植物體內廣泛存在的一種芳香族羥基衍生物的總稱，其數量龐大，迄今已知的酚類物質已有8 000 種以上[1]。由于其結構復雜、化學活性顯著、且存在形態多樣，因而多酚類物質的研究進展十分緩慢[2-4]。20世紀中期以后，植物多酚與多種生物活性物質的化學反應及其抗氧化、清除自由基等一系列優越功能被逐步發現，各工作者也開始重視這一研究領域[6-7]。此外，花椒作為我國“八大調味品”之一，其多酚含量相當可觀，雖在品種選育和栽培等方面取得進展，但其深加工產業技術還尚在起步階段[8-11]。

目前，關于花椒多酚提取工藝的響應面法優化及傳質動力學等方面的研究相對較少。本實驗通過響應面法優化花椒多酚的提取工藝，并利用Fick第一定律建立花椒多酚傳質動力學模型，求解出傳質速率常數及相對萃余率等提取過程的關鍵動力學參數，以期完善花椒多酚提取的基礎研究，并為深加工技術研究提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花椒由西安韓城花椒采購站提供；乙醇、無水碳酸鈉、丙酮、甲醇和乙醇 蚌埠市海興化工責任有限公司；濃鹽酸和沒食子 西安瑞林生物科技有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2501PC型紫外-可見分光光度儀 日本島津公司；DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋、FW80型高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；IKAMAG RCT型磁力加熱攪拌器 德國IKA-Werke公司。

1.3 方法

1.3.1 標準曲線的繪制

稱取0.1 g沒食子酸，加入100 mL蒸餾水，制備1.0 mg/mL沒食子酸溶液。分別移取不同體積的上述溶液至50 mL容量瓶中，加入2 mL福林-酚試劑搖勻，靜置5 min，滴加4 mL質量分數10% Na2CO3溶液，置于25 ℃的恒溫水浴鍋中，顯色2 h后進行最大吸收波長掃描[12-13]。在765 nm波長處測定吸光度，以多酚質量濃度（以沒食子酸計）為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到多酚的標準曲線方程見公式（1）。

式中：x為多酚質量濃度（以沒食子酸計）/（μg/mL）；y為所對應的吸光度；相關系數r2=0.999 3，表明該回歸方程的擬合程度高，可準確計算多酚質量濃度。

1.3.2 單因素試驗與響應面優化試驗

分別考察處理溫度、提取時間、溶劑體積分數、料液比和提取液pH值等單因素對花椒多酚收率的影響，實驗過程如下：準確稱取相同批次的備用花椒粉1.0 g，設置不同料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35（g/mL））和不同提取液pH值（1、2、3、4、5、6、7），各加入不同體積分數的溶劑（0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%），在不同溫度（30、40、50、60、70、80、90 ℃）下提取不同時間（0.5、1、1.5、2、2.5 h），分別抽濾并收集提取液，定容至50 mL，測定各組花椒多酚收率。

在單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken響應面法進行優化分析，其各因素的考察基準分別為處理溫度50 ℃、溶劑體積分數40%、料液比1∶20（g/mL）、提取時間2 h、提取液pH 3。試驗因素及水平見表1。

表1 響應面試驗因素及水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for response surface analysis

1.3.3 多酚提取動力學實驗

取10 g花椒顆粒于250 mL的燒瓶，用體積分數60%乙醇溶液浸潤10 min，再定容至100 mL，恒溫水浴回流提取，控制提取溫度為313、318、323、328、333 K，分別在不同提取時間為10、30、60、90、120、150、180、210、240 min時取樣100 μL，按1.3.1節中公式（1）計算多酚質量濃度。

1.3.4 多酚含量的計算

1.3.4.1 多酚收率的測定

將花椒置于50 ℃干燥，粉碎后篩選14 目顆粒備用。各稱取1.0 g粉末，用50 mL溶劑提取，抽濾收集提取液，定容至50 mL。準確吸取0.1 mL提取液進行顯色反應，由標準曲線得到提取液中多酚質量濃度，并按公式（2）計算多酚收率。

式中：ω為多酚收率/（mg/g）；C為沒食子酸質量濃度/（μg/mL）；V為提取液體積/mL；N為稀釋倍數；m為取樣質量/g。

1.3.4.2 飽和溶劑吸收率的測定

精確稱取不同質量的花椒樣品，逐漸滴入60%乙醇溶液，每次滴加后充分振蕩并浸潤3 min，直至充分吸濕且無多余溶劑，記錄消耗的溶液體積。飽和溶劑吸收率的計算見公式（3）：

式中：P為飽和溶劑吸收率/（mL/g）；V1為滴定管初讀數/mL；V2為滴定管終讀數/mL；m為樣品質量/g。

1.3.4.3 樣品質量濃度的測定

每次取樣后浸提液總體積將減少100 μL，多次取樣將導致提取液總體積減少，也造成提取液中有效成分質量的減少[14]。故其修正質量濃度的計算見公式（4）：

式中：Cn為第n次取樣的修正值/（μg/mL）；Cn’為第n次取樣的測定值/（μg/mL）；Ci為第i次取樣修正值。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 溶劑體積分數對花椒多酚收率的影響

圖1 溶劑體積分數對花椒多酚收率的影響Fig. 1 Effect of solvents on the yield of polyphenols

多酚通常與植物大分子物質以氫鍵等形式結合形成穩定化合物，一般采用有機溶劑斷裂氫鍵來產生多酚，不同的溶劑體積分數對多酚收率影響也較大[15-16]。由圖1可知，花椒多酚收率隨丙酮體積分數的升高而先增大后減小，當丙酮體積分數為50%時達到較高收率為53.7 mg/g；隨乙醇溶液體積分數的變化規律與丙酮類似，當乙醇溶液體積分數達到50%時達到較高收率為52.1 mg/g。當溶劑用量過低時，極性過強，導致糖類等水溶性物質浸出量增大；而溶劑用量過高則造成極性太低，達不到斷裂化學鍵的目的。當用甲醇溶液作溶劑時，多酚收率隨著甲醇溶液體積分數的增大先增加后減少，達到很高后，收率又明顯增高，這可能是由于高含量甲醇溶液溶出了花椒中過多的弱極性成分，對多酚測量帶來干擾[13]。

丙酮的提取效果最好，但鑒于丙酮危險性高且對人體有毒害作用，故不宜作批量提取試劑；而乙醇提取多酚雖略遜于丙酮，但其價格低廉、安全性高且有利于清潔生產[17]。故選擇乙醇作為花椒多酚的提取溶劑進行后續工藝優化試驗。

2.1.2 處理溫度對花椒多酚收率的影響

圖2 處理溫度對花椒多酚收率的影響Fig. 2 Effect of temperature on the yield of polyphenols

較高的處理溫度可加快分子運動及傳質速率，但溫度過高將導致多酚中的熱不穩定性成分發生氧化而被破壞[13]。由圖2可知，在30～50 ℃范圍內多酚收率隨溫度升高而增大，50 ℃時多酚收率達到最大為54.1 mg/g，當溫度高于50 ℃時多酚收率逐漸下降，這可能是由于多酚類物質在高溫條件下易被氧化，部分多酚類物質結構發生改變所致。

2.1.3 提取時間對花椒多酚收率的影響

圖3 提取時間對花椒多酚收率的影響Fig. 3 Effects of extraction time on the yield of polyphenols

提取時間對目標物質的生產周期和效率影響較大，不同的提取時間也同樣影響著多酚收率[16]。由圖3可知，在開始2 h內，花椒多酚收率逐漸增高，在2 h時達到最大為52.4 mg/g，之后出現下降趨勢。這可能是由于花椒中的多酚類在最初的2 h內就已基本提取完成，隨著提取時間的延長，可溶出的多酚類物質越來越少。

2.1.4 料液比對花椒多酚收率的影響

圖4 料液比對花椒多酚收率的影響Fig. 4 Effects of solid-to-solvent ratio on the yield of polyphenols

多酚與溶劑間的濃度差是多酚提取的推動力，選擇適宜的料液比，不僅有利于提高多酚傳質速率和多酚收率，還能降低溶劑消耗與生產成本[13]。由圖4可知，花椒多酚收率隨提取溶劑用量增大而逐漸升高，當料液比達到l∶25（g/mL）后，多酚收率基本持平。這是由于花椒多酚已大部分溶出，繼續增加溶劑用量效果不再顯著，反而會造成溶劑損耗。

2.1.5 提取液pH值對花椒多酚收率的影響

適宜的酸度可增加植物組織細胞的通透性，并抑制多酚氧化酶的活性，這不僅有利于有效成分的溶出，還減少了酶促氧化反應的發生，均可提高多酚收率[5]。由圖5可知，在pH值為1～3時，多酚收率隨pH值上升而增加；當pH值為3時為53.1 mg/g；之后多酚收率逐漸下降。此外，pH值對多酚收率的影響較小，故選擇pH值為3，后續響應面分析法中將不再考慮。

圖5 提取液pH值對花椒多酚收率的影響Fig. 5 Effects of solvent pH on the yield of polyphenols

2.2 響應面試驗結果分析

在上述單因素試驗基礎上，利用Box-Behnken試驗，分別考察影響多酚提取過程的4 個主要因素，即處理溫度（X1）、提取時間（X2）、溶劑體積分數（X3）和料液比（X4），設計四因素三水平響應面優化試驗[18]。以花椒多酚收率為響應值，采用Design-Expert 8.06進行優化分析[17,19-20]。試驗方案及結果見表2，方差分析見表3，各響應面結果見圖6。

表2 Box-Behnken試驗方案及結果Table 2 Box-Behnken design in terms of coded levels with response variable

表3 以多酚收率為響應值的方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression model

由響應面分析結果對各因素擬合所得回歸方程為：

由表3可知，采用該回歸方程描述各因素與多酚收率的關系（R2=0.998 2）較顯著。由顯著性及F值可知，花椒多酚收率的影響因素主次順序為溶劑體積分數＞料液比＞處理溫度＞提取時間。

響應面曲線梯度反映各因素對多酚收率的影響大小，曲線越陡則表示該因素對多酚收率影響越明顯。由圖6可知，溶劑體積分數對多酚收率影響最大，且除X1X2以及X3X4外，因素之間存在一定交互作用，X1X3交互作用影響顯著（P＜0.05）。這與表3中回歸分析結果相符。

利用Design-Expert軟件對花椒多酚提取過程的工藝條件進行優化，得到最佳工藝條件為溶劑體積分數48.23%、料液比1∶29.34 （g/mL）、處理溫度48.99 ℃、提取時間1.75 h，預測多酚收率為55.06 mg/g。

2.3 多酚提取動力學分析

2.3.1 動力學模型的建立

植物多酚的提取過程常伴隨其他有機物質的溶出，一般包括溶劑向顆粒內部滲透，浸潤并溶出有效成分；有效成分由顆粒內部遷移至固液界面；有效成分向溶劑主體擴散[21-24]。其中，內擴散被認為是提取過程的速率控制步驟[25]。

采用平板模型，以單顆粒花椒為分析主體，研究花椒多酚提取的動力學過程。假設顆粒內多酚均勻分布，多酚擴散系數不變，花椒顆粒與溶劑無明顯溫度梯度[26]。其多酚質量濃度變化見圖7。

圖7 多酚質量濃度變化圖Fig. 7 Schematic of plate model showing variation in polyphenol concentration

根據Fick第一定律，在任一t時刻通過界面的多酚通量J可表達為式（6），合并整理得式（7）。

式中：J為多酚傳質通量/（mg/min）；DS為多酚在顆粒內的擴散系數/（m2/s）；DL為多酚在乙醇中的擴散系數/（m2/s）；V為乙醇體積/mL；A為兩相界面積/m2。

式（7）表明多酚擴散速率與其質量濃度梯度dC/dδ及兩相界面積A成正比，式中負號表示多酚傳質方向與質量濃度梯度方向相反。

對于特定界面而言，其多酚質量濃度將隨時間而改變，即導致dC/dδ隨t改變。提取開始時質量濃度梯度大，擴散推動力大，dC/dδ隨時間遞減速率也大。當溶液中多酚質量濃度逐漸增大，dC/dδ減小，擴散推動力減小，dC/dδ隨時間的遞減速率也隨之減小[27]。故假定某時刻dC/dδ隨時間的遞減速率與質量濃度梯度成正比，則有式（8）：

式中：k為比例常數，表示多酚的表觀擴散速率常數，它與多酚物理性質、提取條件和顆粒大小等因素有關。

若花椒顆粒經乙醇溶劑浸潤，則記初始多酚質量濃度為C0，積分得式（9）和式（10）：

記花椒質量為m g；乙醇體積與花椒的質量比為M（mL/g）；飽和溶劑吸收率為P mL/g。故提取液體積為式（11）：

設花椒顆粒密度為ρ；A0為單個顆粒擴散面積/m2。則mg花椒樣品所含顆粒數n與顆粒總擴散面積A為式（12）、（13）：

由式（10）、（11）、（13）可推出：

當多酚提取達到平衡時，t→∞時，C＝C∞，則得到式（15）：

合并整理取對數得式（16）和式（17）：

式（14）與（17）即為花椒多酚的提取動力學模型，該模型表征了花椒顆粒大小、料液比、提取時間及溫度等因素與多酚質量濃度之間的關系。

2.3.2 動力學模型的求解結果

2.3.2.1 速率常數

表4 不同溫度下提取液中總酚質量濃度Table 4 Total polyphenol concentration in extracts at different temperatures

由表4可知，處理溫度越高，多酚溶出速率越快。在達到180 min后，處理溫度為323、328 K和333 K時，多酚質量濃度趨于平衡。當提取液濃度在較長時間內基本持平，則可認為達到提取平衡，故取240 min時的多酚質量濃度作為平衡質量濃度。利用表4實驗數據作ln[C∞/（C∞-C）]對提取時間t的關系圖，結果見圖9。

圖9 不同溫度下ln[C∞/（C∞－C）]與時間t的關系圖Fig. 9 Relationship between ln[C∞/(C∞－C)] and extraction time (t) at different temperatures

圖9中的方程回歸結果和表觀速率常數見表5。

表5 不同溫度下ln[C∞/（C∞－C）]與時間t的回歸結果Table 5 Regression equations between ln[C∞/(C∞－C)] and t at different temperatures

從圖9和表5可知，ln[C∞/（C∞-C）]與t之間線性關系良好（R2＞0.99）。表觀速率常數隨溫度升高顯著增大，C0隨溫度的升高也略有升高。

2.3.2.2 相對萃余率

相對萃余率y=（C∞-C）/（C∞-C0），則y=exp（-kt），由表中數據作y-t關系，見圖10。

圖10 不同溫度下相對萃余率（y）與時間（t）的關系Fig. 10 Relationship between relative raffinate rate (y) and time (t) at different temperatures

上述擬合方程的曲線擬合度良好（R2＞0.98），花椒多酚提取符合該模型。相對萃余率隨時間或溫度升高而減小，即收率不斷增大，但收率的增長率下降。

2.3.2.3 活化能

多酚提取的表觀速率常數與溫度遵循Arrhenius公式[28-30]。對lnk和l/T作圖，見圖11和式（18）。

圖11 lnk與1/T關系圖Fig. 11 Relationship between lnk and 1/T

上述回歸方程的擬合度良好（R2=0.982 2），花椒多酚提取的活化能為27 824 J/mol。

3 結 論

利用Box-Behnken響應面分析法得到多酚提取的最佳工藝條件為溶劑乙醇溶液體積分數48.23%、料液比1∶29.34（g/mL）、處理溫度48.99 ℃、提取時間1.75 h、提取液pH 3，在此條件下進行5 次平行實驗，預測多酚收率為55.06 mg/g。

采用平板模型以Fick第一定律為基礎，建立了花椒總酚提取動力學模型，得到不同溫度下的速率常數隨溫度升高而顯著增大，相對萃余率隨時間延長或溫度增大而減小，活化能為27 824 J/mol。

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Optimization by Response Surface Methodology and Kinetics of Extraction of Polyphenols from Chinese Prickly Ash

GUO Hongyao, LI Dong*, LEI Xiong, WANG Xiaojing, GANG Yong, LI Wenhong
(College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi’an 710069, China)

The extraction of polyphenols from Chinese prickly ash was optimized for increased yield of polyphenols. The influence of temperature, extraction time, solvent concentration, solid-to-solvent ratio and pH on extraction efficiency was investigated initially by one-factor-at-a-time method. Using the Box-Behnken response surface methodology, the optimum extraction conditions were obtained as follows: 48.23% (V/V) acidified ethanol (pH 3) as extraction solvent,solid-to-solvent ratio 1:29.34 (g/mL), temperature 48.99 ℃, and extraction time 1.75 h. Under these optimized conditions,the average yield of polyphenols reached 55.06 mg/g (n = 5). In addition, the mass transfer kinetics during the extraction of polyphenols at different temperatures was investigated. Based on Fick’s first law of diffusion, a kinetic equation was established with the plate model. The key model parameters, including rate constant, relative extraction rate and activation energy, were obtained. These results could provide a theoretical basis for industrial extraction and further study of polyphenols from Chinese prickly ash.

Chinese prickly ash; polyphenols; extraction; response surface analysis; kinetics

10.7506/spkx1002-6630-201802039

TS255.1

A

1002-6630（2018）02-0247-07

郭宏垚, 李冬, 雷雄, 等. 花椒多酚提取工藝響應面優化及動力學分析[J]. 食品科學, 2018, 39(2): 247-253.

10.7506/spkx1002-6630-201802039. http://www.spkx.net.cn

GUO Hongyao, LI Dong, LEI Xiong, et al. Optimization by response surface methodology and kinetics of extraction of polyphenols from Chinese prickly ash[J]. Food Science, 2018, 39(2): 247-253. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802039. http://www.spkx.net.cn

2017-03-31

陜西省青年科技新星項目（2016KJXX-32）；陜西省教育廳服務地方專項計劃項目（14JF026）

郭宏垚（1992—），男，碩士研究生，研究方向為化工制藥與食品科學。E-mail：812972860@qq.com

*通信作者簡介：李冬（1981—），男，副教授，博士，研究方向為石油化工。E-mail：lidong@nwu.edu.cn