苦杏仁超聲輔助快速脫苦工藝優(yōu)化

張 寧 張馨允 范學輝 張清安

(陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院，陜西 西安 710119)

苦杏仁苷是苦杏仁中重要的組成成分，在與其共存的β-葡萄糖甙酶的作用下會分解(水解)產生苯甲醛和氫氰酸(HCN)。當人食入過量HCN后會出現(xiàn)焦慮、頭痛、頭暈、癱瘓、昏迷及意識下降等中毒癥狀，嚴重時甚至會導致死亡[1-2]。因此，在苦杏仁加工過程中，脫苦是必不可少的環(huán)節(jié)，即通過對苦杏仁的適當處理，使其苦杏仁苷含量降至苦味閾值范圍以內。

目前，常用的苦杏仁脫苦方法有：冷水脫苦法[3]、熱水脫苦法[4]、酸溶液脫苦法[5-6]、酸-堿交替脫苦法[7]、真空脫苦法[6]和微波脫苦法[8]等，但以上幾種方法都存在能耗高(水、電消耗大)、耗時長(短則6～7 h，長則需要6～7 d)等問題。據(jù)估算[9]，加工1 t苦杏仁需排放20 t廢水，其中含有250 kg左右的苦杏仁苷、蛋白質、黃酮、碳水化合物和膳食纖維等物質，不僅營養(yǎng)物質損失嚴重，還導致資源浪費和環(huán)境污染。因此，苦杏仁的快速、節(jié)能、高效脫苦成了苦杏仁加工領域亟待解決的瓶頸問題。超聲波技術作為一種新的食品加工手段，近年來已被廣泛應用于食品[10-12]及醫(yī)藥[13-14]等領域，并有良好的效果。如關于超聲波在加速酒類陳化方面，結果顯示超聲波能夠有效地加速紅酒[11]、白酒[15]及果醋[16]等的熟化。在苦杏仁加工方面，呂真真等[17]和謝朝暉等[18]研究表明，超聲波可加快其中苦杏仁苷的萃取速率，但這些研究均是基于先破碎苦杏仁然后進行提取。本課題組[19]前期研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可以促進整粒苦杏仁中苦杏仁苷的快速溶出，不僅可以達到快速脫苦的目的，還減少了因傳統(tǒng)破碎處理而對后續(xù)加工產品種類的限制。

因此，本研究擬在單因素試驗的基礎上，采用響應面法對影響超聲波脫苦效率的頻率、功率和超聲溫度進行優(yōu)化，并以苦杏仁苷的溶出率為響應值，進而篩選出最優(yōu)脫苦條件，以便使其更加有效地應用于苦杏仁加工脫苦領域。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

苦杏仁：購于陜西省西安市西北藥材市場；

甲醇(99.9%)：色譜純，美國Fisher Scientific公司；

苦杏仁苷標準品(98.42%)：色譜純，成都普菲德生物技術有限公司；

純凈水：成都娃哈哈昌盛飲料有限公司。

1.1.2 試驗儀器設備

電子天平：HANGPING JA 2003型，上海儀器儀表廠；

電熱鼓風干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司；

高效液相色譜儀：P230II分析型，大連依利特分析儀器有限公司；

色譜柱：TC-C18型(250 mm×4.6 mm，5 μm)，安捷倫科技有限公司；

超聲波多頻清洗機：SB-500DTY型，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；

九陽料理機：JYL-C020E型，九陽股份有限公司；

循環(huán)水式多用真空泵：SHZ-D(III)型，鄭州科豐儀器設備有限公司；

數(shù)顯電熱恒溫水溫箱：HH·W21·600S型，上海躍進醫(yī)療器械廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備 選取顆粒飽滿、無損壞的苦杏仁，用天平精準稱量，按1∶1 (g/mL)加水浸泡5 h后去皮，為避免苦杏仁中內源酶對苦杏仁苷含量的影響，將所得脫皮苦杏仁按料液比1∶5 (g/mL)置于100 ℃水中煮沸10 min，再進行滅酶處理[20]，即得待測的苦杏仁樣品，貯藏備用。

1.2.2 超聲脫苦及苦杏仁中苦杏仁苷的測定 精密稱取25.000 0 g 苦杏仁樣品，按照一定的料液比加入水，在一定的溫度、超聲頻率和超聲功率下進行脫苦，經過一定時間的超聲處理后取出苦杏仁，將其置于70 ℃條件下干燥后粉碎。精密稱取1.000 0 g苦杏仁粉末，加入100 mL甲醇，于超聲功率300 W、超聲頻率59 kHz條件下提取45 min，冷卻過濾即得苦杏仁中殘留苦杏仁苷的提取液，供高效液相色譜法(HPLC)檢測使用。

色譜柱為TC-C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)，流動相為水∶甲醇=72∶28 (mL/mL)，柱溫35 ℃，流速1 mL/min，檢測波長214 nm，進樣量20 μL，所有樣品均需經0.45 μm濾膜，苦杏仁苷標準曲線及液相色譜圖如圖1所示。

1.2.3 苦杏仁苷溶出率 按式(1)的計算：

(1)

式中：

Y——苦杏仁苷溶出率，%；

A0——未經超聲處理苦杏仁中苦杏仁苷提取液的色譜峰面積；

A1——經超聲處理后苦杏仁中苦杏仁苷提取液的色譜峰面積。

圖1 苦杏仁苷標準曲線及液相色譜圖Figure 1 Standard curve and liquid chromatogram of amygdalin

1.2.4 單因素試驗設計

(1) 超聲時間：固定料液比為1∶10 (g/mL)，超聲溫度為50 ℃，超聲功率為250 W，超聲頻率為28 kHz，分別在超聲時間為20，30，40，50，60 min條件下，研究超聲時間對苦杏仁中苦杏仁苷溶出率的影響。

(2) 超聲溫度：固定料液比為1∶10 (g/mL)，超聲時間為40 min，超聲功率為250 W，超聲頻率為28 kHz，分別在超聲溫度為30，40，50，60，70 ℃條件下，研究超聲溫度對苦杏仁中苦杏仁苷溶出率的影響。

(3) 料液比：固定超聲時間為40 min，超聲溫度為50 ℃，超聲功率為250 W，超聲頻率為28 kHz，分別在料液比為1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶14 (g/mL)條件下，研究料液比對苦杏仁中苦杏仁苷溶出率的影響。

(4) 超聲功率：固定料液比為1∶10 (g/mL)，超聲時間為40 min，超聲溫度為50 ℃，超聲頻率為28 kHz，分別在超聲功率為150，200，250，300，350 W條件下，研究超聲功率對苦杏仁中苦杏仁苷溶出率的影響。

(5) 超聲頻率：固定料液比為1∶10 (g/mL)，超聲時間為40 min，超聲溫度為50 ℃，超聲功率為250 W，分別在超聲頻率為25，28，40，59 kHz條件下，研究超聲頻率對苦杏仁中苦杏仁苷溶出率的影響。

1.2.5 響應面試驗 根據(jù)單因素試驗的結果，固定超聲時間為60 min，料液比為1∶12 (g/mL)，分別考察超聲溫度、頻率及功率3個因素對苦杏仁超聲脫苦的影響，以苦杏仁苷的溶出率為響應值，設計響應面優(yōu)化試驗。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Design Expert 8.0.6軟件進行響應面Box-Behnken優(yōu)化設計，對所得試驗結果建立二次回歸模型，并進行方差分析。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲處理時間對苦杏仁苷溶出率的影響 由圖2可知，在超聲脫苦過程中，開始苦杏仁苷溶出率快速增大，但隨著時間的延長，溶出率趨于穩(wěn)定。在試驗超聲時間范圍之內，苦杏仁中苦杏仁苷并未完全遷移至水中，當超聲時間為60 min 時，苦杏仁苷溶出率雖只到達55.99%，但此時苦味已經較弱。因此，在后續(xù)試驗中，可以將超聲時間固定為60 min，進一步研究超聲溫度、功率、頻率等參數(shù)變化對苦杏仁苷溶出率的影響，從而得到苦杏仁最佳超聲快速脫苦工藝。

圖2 超聲處理時間對苦杏仁苷溶出率的影響Figure 2 Effect of ultrasonic time on the dissolution rate of amygdalin

2.1.2 超聲溫度對苦杏仁苷溶出率的影響 由圖3可知，苦杏仁苷溶出率隨超聲溫度的升高呈增大趨勢，當超聲溫度為60 ℃時，溶出率達到最大值。原因可能是，溫度較低時脫苦液黏度較低，質點傳質效果好，有利于苦杏仁苷溶出，溫度升高分子內能增強，分子熱運動逐漸加快，從而導致苦杏仁細胞組織間的疏水鍵可能被滲入的分子破壞，從而使得苦杏仁苷向水中的遷移擴散、溶出率增大[21]；但溫度過高時會引起已溶出到脫苦液中苦杏仁苷快速降解，其降解速度大于溶出速度，最終導致苦杏仁苷溶出率有降低趨勢，也不利于節(jié)能?？紤]到苦杏仁苷溶出率為50%左右時已基本達到脫苦要求，因此響應面試驗中超聲溫度選取50，55，60 ℃ 3個水平值。

圖3 超聲溫度對苦杏仁苷溶出率的影響Figure 3 Effect of ultrasonic temperature on the dissolution rate of amygdalin

2.1.3 料液比對苦杏仁苷溶出率的影響 由圖4可知，當料液比在1∶6～1∶8 (g/mL)時，苦杏仁苷溶出率增加較快；料液比在1∶8～1∶16 (g/mL)時，苦杏仁苷溶出率的增長變得緩慢。但從總體上看，在試驗范圍內苦杏仁苷溶出率始終呈增加趨勢。由文獻[22]可知，苦杏仁苷易溶于水，且傳質動力也會隨著苦杏仁脫苦體系中水比重的增加而增加。因此，苦杏仁苷向水中的遷移也會隨之增強，超聲處理的空化效應形成的微射流和局部熱點也會使苦杏仁苷溶出率增加；但料液比為1∶16 (g/mL)也會導致水溫在相同的產熱條件下有所降低，使固、液兩相間的吸附作用增強[23]，從而導致苦杏仁苷溶出率減緩。同時，對于工業(yè)化的苦杏仁脫苦而言，過多的溶濟也會造成資源浪費、能耗及成本增加。綜合考慮，選擇料液比1∶12 (g/mL)作為苦杏仁超聲快速脫苦工藝優(yōu)化中最適條件。

圖4 料液比對苦杏仁苷溶出率的影響Figure 4 Effect of liquid ratio on the dissolution rate of amygdalin

2.1.4 超聲功率對苦杏仁苷溶出率的影響 由圖5可知，隨著超聲功率的增加苦杏仁苷的溶出率呈先增大后減小趨勢，超聲功率為300 W時，溶出率達到最大值?？赡苁浅暪β瘦^大時會產生大量氣泡，減少了能量傳遞，同時功率過大還可能導致部分苦杏仁苷的降解[24]，使水中所能被檢測到的苦杏仁苷含量減少。此外，功率過大也會加速苦杏仁中其他物質如蛋白質、碳水化合物等向水中遷移[25-26]，不僅會影響苦杏仁苷的遷移與擴散，而且會使水質變得渾濁，嚴重降低了苦杏仁的品質，同時也增加了能耗。因此響應面試驗中超聲功率選取200，250，300 W 3個水平值。

圖5 超聲功率對苦杏仁苷溶出率的影響Figure 5 Effect of ultrasound power on the dissolution rate of amygdalin

2.1.5 超聲頻率對苦杏仁苷溶出率的影響 由圖6可知，超聲頻率越大，苦杏仁苷的溶出率越大。其原因是超聲頻率越高其空化效應也越強，苦杏仁受到水中空化泡崩潰瞬間巨大沖擊力的作用細胞壁發(fā)生破裂[24,27]，從而加速了苦杏仁苷的遷移，使其溶出率增加，當超聲頻率為59 kHz時苦杏仁苷的溶出率最大?？紤]到所用超聲波的實際工況情況(在設定頻率值上下有1～2 kHz的偏差波動)，因此響應面試驗中超聲頻率選取28，40，59 kHz 3個水平值。

圖6 超聲頻率對苦杏仁苷溶出率的影響Figure 6 Effect of ultrasound frequency on the dissolution rate of amygdalin

2.2 響應面優(yōu)化設計試驗

2.2.1 響應面試驗結果 根據(jù)上述單因素試驗，選取對超聲誘導苦杏仁快速脫苦有重要影響的超聲溫度、頻率及功率3個因素，以苦杏仁苷的溶出率為響應值，因素及水平的編碼表如表1所示。采用Design Expert 8.0.6軟件優(yōu)化超聲工作參數(shù)并對表2中結果進行回歸分析。

采用響應面分析法對表2數(shù)據(jù)進行二次回歸模型，得到交聯(lián)度(Y)的二次回歸模型：

Y=59.42+1.88A+4.94B+5.42C-1.31AB-0.92AC+3.36BC-4.80A2-5.42B2-4.56C2。

(2)

表3是響應面優(yōu)化試驗方差分析結果，其中，模型P<0.000 1，表示模型差異極顯著，而失擬項P=0.626 7(>0.05)，說明差異不顯著，即該回歸模型能夠與實際情況較好地吻合，可反映出各因素響應值間的關系。因此，可根據(jù)該回歸模型進行試驗結果分析。

2.2.2 響應面結果的分析 由圖7可見，A、B兩因素之間存在交互作用，且等值線趨于扁平，同時，結合表3結果可知A與B之間交互作用對苦杏仁苷溶出率存在顯著影響。由響應面圖可知，當A一定時，隨著B的增加苦杏仁苷溶出率呈現(xiàn)先升高后略有降低，變化趨勢較平緩；而當B一定時，隨著A的增加溶出率呈較為平緩的先升后降趨勢。同時還可看出，在A、B交互作用的等值線中，B因素等值線的密集程度大于A因素，說明超聲功率對苦杏仁苷溶出率的影響大于超聲溫度。

表1 響應面優(yōu)化試驗因素及水平編碼表Table 1 Factors and level of independent variables used for response surface design

表2 響應面優(yōu)化試驗設計及結果Table 2 Response surface optimization of experimental design and results

表3 響應面優(yōu)化試驗ANOVA分析表?Table 3 The anova analysis of response surface optimization experimental

由圖8可知，A、C兩因素間存在交互作用，但等值線趨于圓形，同時結合表3可知A與C交互作用對苦杏仁苷的溶出率影響不顯著。由響應面圖可知，當A一定時，隨著C的增加溶出率不斷升高后略有降低，但變化趨勢較為平緩；而當C一定時，隨著A的增加溶出率呈平緩的先升后降趨勢。在A、C交互作用等值線中，C因素等值線的密集程度大于A因素，因此，超聲頻率對苦杏仁苷溶出率的影響大于超聲溫度。

由圖9可見，B、C兩因素間存在交互作用，且等值線較扁平，結合表3可知B與C的交互作用對苦杏仁苷溶出率存在顯著影響，且C因素等值線的密集程度大于B因素，表明超聲頻率對苦杏仁苷溶出率的影響大于超聲功率。

圖7 超聲溫度與功率對苦杏仁苷溶出率交互影響的響應面及等值線圖Figure 7 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic temperature and power on the dissolution rate of amygdalin

圖8 超聲溫度與頻率對苦杏仁苷溶出率交互影響的響應面及等值線圖Figure 8 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic temperature and ultrasound frequency on the dissolution rate of amygdalin

圖9 超聲功率與頻率對苦杏仁苷溶出率交互影響的響應面及等值線圖Figure 9 Response surface and contour plots for the effects of ultrasonic power and ultrasound frequency on the dissolution rate of amygdalin

綜上可知，3個因素對苦杏仁苷溶出率影響為：超聲頻率>超聲功率>超聲溫度。

2.3 最優(yōu)預測工藝及驗證實驗

根據(jù)響應面優(yōu)化試驗二次回歸模型的預測結果可知，苦杏仁苷的最優(yōu)溶出理論條件為：超聲溫度55.19 ℃、功率283.10 W和頻率53 kHz，該條件下苦杏仁苷的理論溶出值可達63.50%?？紤]到所用超聲儀器實際工況情況，因此將工藝調整為：超聲溫度55 ℃、功率300 W和頻率59 kHz，在此條件下進行3次重復實驗，測得苦杏仁苷的含量為24.00 mg/g，苦杏仁苷實際平均溶出值為63.17%，與預測值間的相對誤差為0.33%，說明在合理的試驗范圍內，預測值與實測值的吻合性較好，該模型能夠很好地對實際情況進行模擬。

3 結論

本研究在單因素試驗的基礎上，采用響應面法優(yōu)化出苦杏仁苷超聲脫苦的最佳工藝為：超聲溫度55 ℃、功率300 W、頻率59 kHz、超聲時間60 min、料液比1∶12 (g/mL)，該條件下苦杏仁苷的溶出率可達63.17%，在此條件下苦杏仁已沒有苦味。本研究以完整苦杏仁顆粒為研究對象，系統(tǒng)研究了超聲波工作參數(shù)對脫苦效率的影響，結果表明超聲波可將苦杏仁由傳統(tǒng)的6～7 h熱水脫苦時間縮短到1 h，大大縮短了苦杏仁脫苦所需時間，大量減少廢水排放和能源、資源浪費，該研究結果可為苦杏仁的快速、高效脫苦工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)；但其工業(yè)化應用參數(shù)尚需進一步優(yōu)化修正。