超聲-射流-撞擊空化提取柚子皮原花青素

程海濤，申獻雙

1.衡水學院化工學院（衡水 053000）；2.衡水學院美術學院（衡水 053000）

射流-撞擊流溶液空化將文丘里管式空化器底部添加擋板，有利于壓力增大，為空化泡破裂更有利創造條件，同時將改進文丘里管式空化器浸沒到溶液內部，充分利用溶液空化效應，提高空化提取效果。

超聲空化由超聲波（聲波頻率高于20 000 Hz），在液體介質中傳播，造成液體內部壓力局部升高或降低，在低壓區空化泡開始生成、長大，高壓區空化泡潰滅，產生高壓、高溫、高沖擊壓噴射流、沖擊流、湍流、局部高剪切力的現象[1]。超聲波-射流-撞擊流溶液空化效應能夠破壞細泡組織、物質結構間相互作用力，使物質結構發生變化，促使細泡組織中具有特定結構的物質分子變為游離態，從而提高物質提取效率。

柚子皮是柚子外皮，占柚子大部分比例，柚子皮中含有蛋白質、人體必需的礦質元素、抗氧化性物質（維生素C、原花青素）及多種營養物質，可以清除血液中自由基降低血脂、促進傷口愈合。柚子皮大部分被廢棄，浪費資源，為了拓展柚子皮在食品、化妝品、飼料等行業應用，需要對于其含有物質及提取工藝進行理論研究[2-3]。原花青素是抗氧化最強的天然物質，抗氧化能力是天然維生素E的50倍，結構當中含有多個與雙鍵共軛的酚羥基，使得電子分布的更加均勻，分子結構更加穩定，主要提取方法原理是根據原花青素在不同溶劑中溶解度不同，選擇合適溶劑進行提取，外加能量、微波等條件進行原花青素提取，在通過樹脂吸附性的差異進行吸附分離，得到原花青素[4-9]。提取工藝中一般把溫度作為主要影響因素進行研究，高溫有利于原花青素分子動能增加，但是高溫同時會引起原花青素與氧氣的化學反應。

試驗利用超聲波-射流-撞擊流溶液空化協同裝置，提取柚子皮中原花青素，通過響應面法優化提取工藝，定量測定柚子皮中原花青素的含量，為柚子皮在食品、化妝品、飼料等行業中的應用及產業化提供工藝、技術、設備等理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

柚子皮（河北衡水萬德福超市）；無水C2H5OH（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；CH3OH（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；H2SO4（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；香草醛（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；原花青素標準品（純度99.9%，天津市大茂化學試劑廠）。

攪拌電機（550 W，上海現代環境工程技術有限公司）；RE-52A旋轉蒸發儀（日本東京理化公司）；T6新型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；JYD-650型超聲波發生器（上海之信儀器有限公司）；FW80型高速萬能粉碎機（天津市泰斯特儀器有限公司）；HH-S4型恒溫水浴鍋（北京市長風儀器儀表公司）；TP-A100型電子天平（金壇市國旺實驗儀器廠）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；AR1140-1型離心機（上海安亭科學儀器廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 超聲波-射流-撞擊流溶液空化反應設備

超聲波-射流-撞擊流溶液空化提取裝置，將以往水力空化儀主要部件（3）從循環管路，直接浸沒到攪拌反應器中，減少循環管路，減少水力空化效應的減損，降低循環過程的能量、物質消耗。另外文丘里管式水力空化器底部設置擋板，有利于水力空化過程中空化泡的潰滅，供提高水力空化效率，擋板形成的沖擊流直接和超聲波發生器形成的超聲空化能量場相遇，強化提取過程。過程中水力空化壓力由電機功率改變液體流速而變化。通過設計改造形成超聲波-射流-撞擊流溶液空化裝置，強化空化效應。

圖1 超聲波-射流-撞擊流溶液空化反應設備

1.2.2 標準曲線的確定

精確稱取0.050，0.045，0.040，0.035，0.030和0.025 g原花青素標準品，用甲醇充分溶解并且用50 mL定容，搖勻冷藏待用。依照香草醛-鹽酸法[10]，利用紫外分光光度計測定配置的一系列標準品溶液500 nm處的吸光度，根據測定數值，以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線，對繪制曲線進行擬合得到標準方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 改進水力空化-超聲波協同提取柚子皮中原花青素的工藝流程

把新鮮干燥柚子皮用多功能粉碎機粉碎成細粉，過100目篩子，利用真空袋低溫保存，待用。按照試驗中確定的在射流-撞擊流空化壓力（MPa）、液料比值（mL/g）、協同空化時間（min）、溫度（℃）、超聲波功率（W）、乙醇體積分數（%）因素水平進行提取試驗，利用紫外-可見分光光度計測量溶液對波長500 nm的吸光度，根據標準曲線，計算求得提取液原花青素濃度，根據得率公式計算得率。

1.2.4 柚子皮中原花青素得率的計算方法

利用1 mL吸量管精準吸取1 mL柚子皮中原花青素提取液，轉移至燒杯中待用，分別加入1%香草醛-甲醇溶液5 mL與30%濃鹽酸-甲醇溶液5 mL，在燒杯中混合均勻然后在30 ℃水浴中恒溫反應30 min，將溶液稀釋至合適體積利用紫外分光光度計在500 nm處測定吸光度，根據1.2.2中確定的標準曲線計算稀釋后溶液濃度，利用式（1）計算得率。

式中：V為提取后最終體積，mL；C為根據標準曲線計算得到的質量濃度，mg/mL；n為提取液稀釋倍數；W為提取時加入干燥柚子皮的質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲波功率對柚子皮中原花青素得率的影響

在射流-撞擊流空化壓力0.15 MPa、乙醇體積分數50%、協同空化時間15 min、液料比值30 mL/g、溫度45 ℃條件下，對超聲波功率影響柚子皮中原花青素提取進行研究，結果如圖2所示。隨著超聲波功率逐步增加，原花青素得率逐步升高，功率400 W時得率最大，為11.06 mg/g。功率繼續增大得率開始降低。超聲波功率的增大會增加超聲空化效應，增加提取體系中自由基的含量，自由基會與原花青素反應，造成原花青素得率下降。

圖2 超聲波功率對得率的影響

2.1.2 射流-撞擊流空化壓力對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、乙醇體積分數50%、協同空化時間15 min、液料比值30 mL/g、溫度45 ℃因素水平下進行試驗，對射流-撞擊流空化壓力對柚子皮中原花青素得率的影響進行分析與探討，結論如圖3所示。伴隨空化壓力逐步升高，柚子皮中原花青素得率也逐漸增大，空化壓力0.2 MPa時得率出現最大值為11.08 mg/g，空化壓力提升，得率出現下降趨勢。原因可能是水力空化壓力越大，空化效應越強，柚子皮中阻礙原花青素提取的因素被破壞越多，得率會逐步升高，但是空化效應增強還會帶來自由基的增多，引起原花青素減少，會出現得率下降趨勢。

圖3 射流-撞擊流空化壓力對得率的影響

2.1.3 乙醇體積分數對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、協同空化時間15 min、液料比值30 mL/g、溫度45 ℃條件下，研究乙醇體積分數對柚子皮中原花青素得率的影響，影響趨勢如圖4所示。

乙醇體積分數得增大，使得柚子皮中提取的原花青素增加，得率升高。體積分數增大到60%左右，得率出現極值11.03 mg/g，繼續增加乙醇在提取液中所占比重，得率開始降低。乙醇的加入增加提取溶液極性，為原花青素析出創造有利條件，但是乙醇在空化效應作用下產生自由基更容易、更多，所以得率有先增加后降低趨勢。

圖4 乙醇體積分數對得率的影響

2.1.4 超聲波-射流-撞擊流空化時間對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、乙醇體積分數60%、液料比值30 mL/g、溫度45℃水平條件下進行試驗，探討空化時間與原花青素得率之間的關系，變化趨勢如圖5所示。伴隨協同空化時間增加，原花青素得率先增大，達到極值后逐步降低。隨著協同空化時間增加，空化效應增強原花青素析出逐漸增多，得率增大，同時隨著空化效應會使得溶液中自由基數量增加，同時直接破壞原花青素結構，造成得率降低。

圖5 超聲波-射流-撞擊流空化時間對得率的影響

2.1.5 液料比值對柚子皮原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、乙醇體積分數60%、協同空化時間25 min、溫度45 ℃因素水平條件下進行試驗，試驗結果所得協同空化時間與得率關系變化趨勢如圖6所示。隨著液料比值增加，得率起初逐步增大，在液料比值35 mL/g時得率出現最大值，為11.08 mg/g，繼續增大液料比值，得率曲線變化平緩。液料比值增加為原花青素的溶解提供充分空間，液料比值越大溶解的原花青素越多，但是工藝條件下能夠析出原花青素是相對確定的，因此隨著液料比值的增大得率會出現極值，繼續增大略微會有所下降。

圖6 液料比值對得率的影響

2.1.6 溫度對柚子皮中原花青素得率的影響

在超聲波功率400 W、射流-撞擊流空化壓力0.2 MPa、乙醇體積分數60%、協同空化時間25 min、液料比值35 mL/g條件下進行研究，試驗結果如圖7所示。溫度在40～50 ℃，得率穩步提高，50 ℃出現極值，繼續升高溫度，得率出現降低趨勢。溫度升高會使體系中各物質分子動能增加，增加原花青素析出量，但是溫度升高會使得自由基、雜質增多，原花青素結構被破壞增多，因此得率會有降低趨勢。

2.2 響應面優化柚子皮中原花青素提取工藝

2.2.1 響應面試驗

在單因素試驗基礎上，確定液料比值35 mL/g，溫度50 ℃，選取原花青素得率為響應值Y，超聲功率（X1）、射流-撞擊流空化壓力（X2）、乙醇體積分數（X3）、協同空化時間（X4）為變化因素，根據Box-Behnken的試驗設計原理，通過SAS軟件對試驗數據進行回歸分析，確定最佳工藝。響應面優化試驗因素水平見表1。

圖7 溫度對得率的影響

表1 響應面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

利用Box-Behnken的響應面試驗設計原理，進行四因素三水平的響應面試驗設計試驗結果如表2，試驗結果回歸分析如表3。

通過擬合回歸處理數據得到擬合函數模型：Y=11.186 67+0.222 75X1+0.253X2+0.141 167X3+0.173 25X4-0.888 542X12-0.236 5X1X2-0.027 5X1X3-0.189 75X1X4-0.925 667X22-0.376 75X2X3-0.156 75X2X4-0.961 417X32+0.068 75X3X4-0.586 042X42。

由表3回歸分析可以看出，建立的預測模型（p＜0.000 1＜0.05），另外R2=99.66%說明該模型能夠精確模擬99.65%的響應面值，失擬項不顯著（p=0.725 0＞0.05），說明預測模型和預測情況擬合性充分，真實反應不同影響因素間的關系。

2.2.3 響應面優化工藝實際驗證試驗

根據響應面優化得到的數學模型，對模型公式進行極值求解得到X1、X2、X3、X4理論最優工藝參數：超聲功率408 W、射流-撞擊流空化壓力0.22 MPa、乙醇體積分數60.5%、協同空化時間26 min。結合響應面及單因素試驗得到最佳工藝為：液料比值35 mL/g、溫度50 ℃、超聲功率405 W、射流-撞擊流空化壓力0.22 MPa、乙醇體積分數60.5%、協同空化時間26 min。在最優工藝條件下進行3次實際試驗驗證，得率分別為11.325，11.326和11.327 mg/g，得率平均值為11.326 mg/g，將試驗得到的平均得率與優化數學模型得到的計算得率極值進行誤差分析，相對誤差較小，擬合函數模型可信度高。

表2 響應面試驗方案及試驗結果

表3 回歸分析結果

3 結論

超聲波-射流-撞擊流溶液空化提取柚子皮中原花青素優化工藝條件為：液料比值35 mL/g、溫度50 ℃、超聲功率405 W、射流-撞擊流空化壓力0.22 MPa、乙醇體積分數60.5%、協同空化時間26 min。經實際試驗對最優條件進行驗證，計算所得得率為11.326 mg/g。與理論計算極值相對誤差較小，擬合函數模型可信度高。試驗為柚子皮在食品、化妝品、飼料等行業中的應用及產業化提供工藝、技術、設備等理論支持。