冲泡过程对条斑紫菜多糖溶出的影响及其动力学研究

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(江苏大学食品与生物工程学院,江苏镇江 212013)

冲泡过程对条斑紫菜多糖溶出的影响及其动力学研究

刘恋,杨小明*,马海乐

(江苏大学食品与生物工程学院,江苏镇江 212013)

基于Fick第二定律,对颗粒状和片状条斑紫菜冲泡过程中多糖的溶出进行动力学分析。测定条斑紫菜冲泡液中多糖溶出随冲泡水温及时间的变化,建立颗粒状和片状条斑紫菜冲泡过程的多糖溶出动力学模型。结果表明在整个冲泡过程中,颗粒状紫菜中多糖溶出率均大于片状紫菜。对于颗粒状紫菜,冲泡水温的影响大于冲泡时间,以363.15 K(90 ℃)热水或373.15 K(100 ℃)沸水冲泡20 min,其多糖溶出率达到62.07%和64.05%。实验数据与动力学模型计算值吻合良好(R>0.933);紫菜多糖溶出表观速率常数和扩散系数均随冲泡温度的升高而增加;颗粒状和片状紫菜多糖溶出过程的活化能分别为5.984、1.406 kJ/mol;多糖溶出相对萃余率符合指数模型。该动力学模型可为条班紫菜多糖最佳冲泡方式奠定理论基础。

条斑紫菜,多糖,溶出,动力学模型

条斑紫菜(Porphyrayezoensis)属于红藻门红毛菜科紫菜属,作为一种营养丰富的食用海藻,深受人们喜爱。多糖是条斑紫菜中最主要的活性成分,具有提高免疫力[1]、抗肿瘤[2]、降血压[3]和抗氧化[4]等多种生物活性功能。除了开发为保健品的高纯度紫菜多糖外,日常饮食中最为常见的紫菜汤或即食海苔片是人们摄入紫菜多糖的主要途径。由于紫菜细胞壁的保护,干食紫菜中多糖在人消化道中的溶出受到限制[5]。而多糖的水溶性特点决定了其易溶于汤料中,紫菜汤是饮食中紫菜多糖最丰富的来源之一。紫菜多糖在汤中的溶出率很大程度上将影响食用过程中人体对紫菜多糖的摄入量,但目前尚未见有关其冲泡过程中多糖的动态溶出研究报道。研究紫菜多糖在汤料烹饪过程中的溶出,进而从理论上归纳这种动力学[6-8]变化却是速溶紫菜粉或者其他新型紫菜产品开发的重要理论依据。

本研究基于Fick第二定律,以江苏产条斑紫菜(Porphyrayezoens)为原料,选择模拟紫菜汤料的颗粒状和即食紫菜的条片状为实验模型,对冲泡不同形状紫菜过程中多糖溶出的动力学进行了研究,并由此推算出冲泡过程中的表观速率常数、扩散系数、活化能和相对萃余率等动力学函数值,为条班紫菜多糖最佳冲泡方式及紫菜资源的深加工和新产品的开发奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1材料及仪器

条斑紫菜(Porphyrayezoens,生产批次Lot#20150708,产地江苏连云港) 上海海天下冷冻食品有限公司;重蒸酚 北京华越洋生物科技有限公司;氢氧化钠、酒石酸钾钠、3,5-二硝基水杨酸、亚硫酸钠、85%磷酸、四硼酸钠、浓硫酸、葡萄糖、乙醇等 均为国药分析纯。

BS-124S电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;DFT-100高速粉碎机 浙江台州林大机械有限公司;315-15型数显测厚仪(分辨率0.01 mm) 上海川陆量具有限公司;UV-1000紫外分光光度计 翱艺仪器上海有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 样品制备 干燥条斑紫菜样品粉碎过筛,选取40～60目筛分级的物料为颗粒状模型,粒径取平均值为50目(孔径0.28 mm)。另一份样品剪成20 mm×10 mm的片状为条片状平板模型,游标卡尺多次测定片状紫菜厚度,取厚度平均值为0.568 mm。

1.2.2 条斑紫菜中多糖含量的分析 条斑紫菜颗粒样品以1∶30的料液比,373.15 K(100 ℃)水浴浸提2 h,4500 r/min离心10 min,分离上清液,残渣同样条件下重复提取5次,至上清液苯酚硫酸法检测不出总糖为止,合并上清液,减压浓缩定容。DNS法[9]测还原糖含量,苯酚硫酸法[10]测总糖含量。

条斑紫菜中还原糖和总糖含量计算:

Yi(mg/g干重)=(ci×Vi)/m

式(1)

式中:Yi为还原糖或总糖含量(mg/g干重);ci为由回归方程计算得到的浓缩定容液中还原糖或总糖浓度(mg/mL);Vi为溶液定容体积(mL);m为干条斑紫菜粉质量(g)。

紫菜多糖含量=总糖含量-还原糖含量。

1.2.3 条斑紫菜多糖在水中的溶出实验 按照通常的冲泡习惯,将条斑紫菜与水的料液比固定为1∶30。分别于250 mL具塞锥形瓶中加入150 mL蒸馏水,置于303.15、318.15、333.15、348.15、363.15、373.15 K(30、45、60、75、90、100 ℃)水浴中恒温后,加入5.00 g紫菜样品,使样品全部浸没于水中。分别浸泡 20、40、60、80、100和120 min后,4000 r/min离心15 min,收集上清液,减压浓缩,浓缩液定容至50 mL。苯酚硫酸法测总糖含量,DNS法测还原糖含量。实验进行3次平行。

条斑紫菜冲泡液中多糖浓度计算如下:

C=[(c2-c1)×V1]/V2

式(2)

式中:C为多糖浓度(mg/mL);c1和c2分别为由回归方程计算得到的浓缩液中还原糖和总糖浓度(mg/mL);V1为浓缩液定容体积(mL);V2为条斑紫菜冲泡液体积(mL)。

条斑紫菜冲泡液中多糖溶出率计算如下:

式(3)

式中:D为多糖溶出率(%);C为条斑紫菜冲泡液中多糖浓度(mg/mL);V2为条斑紫菜冲泡液体积(mL);5.0为条斑紫菜样品质量(g);Y1和Y2分别为条斑紫菜中的还原糖和总糖含量(mg/g)。

1.2.4 条斑紫菜多糖溶出过程动力学模型 多糖的溶出过程是一个传质过程,为三步:一是溶剂浸湿紫菜表面并溶解其中多糖;二是溶解的多糖从物料内表面向外表面扩散;三是多糖从植物外表面向溶液主体扩散[7]。对于整个溶出过程而言,第二步进行较慢,因此溶剂在紫菜内部的扩散就是溶出过程的控制步骤,这是一个非稳态的扩散过程。

1.2.4.1 条斑紫菜多糖溶出的球状模型建立 将粉碎过筛后的紫菜粉颗粒视为大小均一的球型,半径为R,为了便于建立模型,做以下假设:溶出过程中,颗粒内各成分是均匀稳定分布的,紫菜多糖的质量浓度和扩散系数不变;多糖的扩散是从颗粒内部扩散至颗粒表面的;紫菜颗粒表面的传质阻力忽略不计;同一溶出温度下,多糖的扩散系数为恒定常数[11]。

根据上述假设,则基于Fick第二定律的球状模型动力学方程可表达为[6-8]。

式(4)

式中:C为任意t时刻溶液主体中多糖的质量浓度;C0和C∞分别为初始t时刻和溶出达到平衡时冲泡液中多糖的质量浓度;Ds为扩散系数,表示物质在介质中的扩散能力,mm2/s。

由于浓度的高次项趋近为零可以忽略不计,因此上式n=1时,则有[8]:

式(5)

由于初始时刻C0=0,对式(5)两边取对数得:

ln[C∞/(C∞-C)]=kt+b

式(6)

上式中,k为表观速率常数,反映了物质在介质中扩散速率的快慢,s-1;且有

k=π2Ds/R2

式(7)

式(5)即为得到的球状模型动力学方程。

1.2.4.2 条斑紫菜多糖溶出的片状模型建立 由于条斑紫菜作为食物或者调味品,除了球状颗粒以外,更常见的是片状,片状条斑紫菜的溶出动力学方程式有别于球状模型[12]。为了便于建立片状动力学模型,做如下假设:相对于片状条斑紫菜的厚度来说,片状条斑紫菜可以看成是无限薄板;多糖是从薄板厚度的中心扩散至薄板表面的;紫菜片表面的传质阻力忽略不计;同一溶出温度下,多糖的扩散系数为恒定常数;溶出过程中,薄板内各成分是均匀稳定分布的。

Stapley[12]提出当叶片完全浸没时,无限薄板中有效成分在极长时间内溶出的动力学方程式如下:

式(8)

上式中,L是薄板的半厚度,表观速率常数用k=π2Ds/4L2表示。

式(7)即为得到的片状模型动力学方程。

1.3数据处理

实验数据以3次独立样品测定结果的平均值±标准差表示;数据分析采用SPSS 19.0软件,p<0.05 有统计学意义;Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1条斑紫菜中多糖含量分析

还原糖的标准曲线为:y=0.5799x-0.0617(线性范围为0.2～1.2 mg,R2=0.9978);总糖的标准曲线为:y=7.2742x-0.0513(线性范围0.02～0.20 mg,R2=0.9982)。按照1.2.2方法,条斑紫菜中多糖含量为101.5 mg/g干重。

2.2冲泡温度和冲泡时间对紫菜汤中多糖浓度及溶出率的影响

由图1和图2可见,提高水温或延长冲泡时间均能增加多糖的浓度和溶出率。冲泡20～120 min,与303.15 K热水相比,以373.15 K沸水冲泡,颗粒状条斑紫菜汤液中多糖浓度增加了65.16%～88.11%,片状条斑紫菜汤液中多糖浓度增加了36.26%～57.01%。分别采用303.15～373.15 K热水冲泡,与冲泡时间20 min比较,冲泡时间延长至120 min时,颗粒状条斑紫菜汤液中多糖浓度增加了28.05%～55.56%,而片状条斑紫菜汤液中多糖浓度增加了57.1%～80.82%。说明对颗粒状条斑紫菜中多糖的溶出,冲泡水温的影响大于冲泡时间,而片状条斑紫菜则相反。另外,由图1中可以看出,高温(≥333.15 K)更有助于颗粒状条斑紫菜中多糖的溶出。因此,冲泡水温对颗粒状条斑紫菜中多糖溶出的影响大于冲泡时间,冲泡温度最低为333.15 K时,其多糖溶出率在短时间内(20 min)可达到50%以上;对于片状条斑紫菜,在提高水温的同时还需要延长冲泡时间才能促使较多的多糖溶出,在373.15 K的热水中冲泡120 min,多糖溶出率接近平衡(49.78%)。

图1 颗粒状条斑紫菜在不同温度冲泡液中多糖浓度(a)和溶出率(b)与冲泡时间的关系Fig.1 Relationship between the concentration(a)and dissolution rate(b)of polysaccharides in Porphyra yezoensis soup and immersing time under different temperature

图2 片状条斑紫菜在不同温度冲泡液中多糖浓度(a)和溶出率(b)与冲泡时间的关系Fig.2 Relationship between the concentration(a)and dissolution rate(b)of polysaccharides in Porphyra yezoensis soup and immersing time under different temperature

由图1和图2可见,在同等冲泡温度和时间条件下,颗粒状条斑紫菜的多糖溶出量显著高于片状条斑紫菜,因为相比于片状模型,球形结构有较大的表面积,多糖从固相原料溶出后渗透到水相的传质面积较大,有利于多糖快速溶出,因此日常冲泡条斑紫菜,选择颗粒状能溶出更多的紫菜多糖。当冲泡温度高于348.15 K时,60 min内多糖的溶出率明显增大,60 min后增大趋势开始下降。以颗粒状条斑紫菜为例,在363.15或373.15 K的热水中冲泡20 min,多糖溶出率达到62.07%和64.05%,当冲泡时间延长到120 min,多糖溶出率为79.5%(363.15 K)和85.5%(373.15 K),溶出率增加有限,因此实际冲泡过程中并非时间越长越好。对于日常饮用紫菜汤来说,以363.15 K热水或373.15 K沸水冲泡20 min,多糖已达到较高的溶出率,为增加多糖的溶出率而延长冲泡时间意义不大。

2.3溶出过程动力学结果分析

表1 不同温度下条斑紫菜多糖溶出动力学方程参数和相关系数Table 1 Kinetic model parameters and correlation coefficients of kinetic model for dissolution process of polysaccharides from Porphyra yezoensis

2.3.1 表观速率常数的求解 分别将303.15、318.15、333.15、348.15、363.15和373.15 K温度下,颗粒状和片状条斑紫菜冲泡过程中的ln[C∞/(C∞-C)]与冲泡时间t之间进行线性拟合,得到拟合方程ln[C∞/(C∞-C)]=kt+b,表观速率常数k即为回归线的斜率,拟合方程的参数如表1所示。由表1可见,各温度下的拟合方程均显示出良好的相关系数(r>0.933)表明实验数据与动力学模型计算值吻合良好,该模型适用于预测条斑紫菜冲泡过程中多糖的溶出行为。

从表1可知,无论是球状模型还是平板模型中,表观速率常数k随温度增加逐渐增大,说明条斑紫菜冲泡液中多糖的溶出速率随温度上升而增大,因此高温有助于多糖的溶出。同时,实验结果显示各温度下球状模型中的k值高于平板模型中的k值。这可能是由于条斑紫菜经过粉碎破壁后,紫菜颗粒中的细胞内多糖更容易穿过破碎的细胞壁或细胞膜,从而更快地被释放到细胞外的溶剂中。食用尺寸较大的片状紫菜时可能会出现细胞中的紫菜多糖还未完全溶出就被排出体外的情况[5]。

表2 不同温度下紫菜多糖相对萃余率对时间回归结果Table 2 Relationship between y and t at different temperatures

2.3.2 扩散系数的求解 扩散系数可由表观速率常数计算得到,它表示多糖在紫菜内部的扩散快慢。由球状和平板模型的动力学公式中k=(π2Ds/R2)和k=π2Ds/4L2可知,表观速率常数是扩散系数与紫菜颗粒半径(R)或紫菜片半厚度(L)的函数。颗粒状和片状条斑紫菜冲泡过程的Ds对温度T作图得图3。根据得到的回归方程可分别计算出两种紫菜形状模型的有效扩散系数。由图3(a)可回归出如下方程:104Ds=0.4473e0.006T,R2=0.895;由图3(b)可回归出如下方程:104Ds=1.297e0.001T,R2=0.9382。由扩散方程可知,扩散系数符合指数方程模型,其拟合精度稍差,这是因为拟合方程是在假设紫菜冲泡过程中的颗粒半径和薄片半厚度不改变的情况而计算得到的数据来进行拟合得到的,但是在实际操作中,条斑紫菜中多糖的扩散发生在非均匀的多孔介质结构中,颗粒状紫菜由于机械粉碎发生一定的破损,而片状紫菜具有更多的肉眼可见的破碎孔隙。另外紫菜颗粒粒径过小产生吸附作用[13],也会造成拟合方程的精度较差。

图3 球状模型(a)和平板模型(b)中Ds与温度T的关系Fig.3 Relationship between Ds and T in spherical model(a)and slab model(b)

2.3.3 相对萃余率的求解 相对萃余率y=C∞-C/C∞,反映了溶出过程中物料中还未溶出的有效成分与有效成分溶出达到平衡时有效成分的质量浓度的比值,式(6)和式(8)可变为y=a·exp(-kt)。以y对冲泡时间t作图并拟合,得到拟合方程结果见表2。

表2可以看出,拟合方程的复相关系数r均在0.937以上,说明方程的拟合精度较高。因此可知,条斑紫菜多糖的溶出过程更加符合于指数的数学模型。比较表1、表2中的数据可看出,两种方程拟合得到的速率常数有一定的误差,引起这一结果的原因很可能是因为采用了不同的模型拟合所引起的。通过模型计算得到球状模型中条斑紫菜在温度为363.15或373.15 K的热水中冲泡20 min,多糖的相对萃余率分别为29.03%和28.38%,理论计算值与实验测定值吻合良好,说明拟合效果较好。

2.3.4 活化能的求解 多糖溶出的表观速率常数k与提取温度T的关系符合阿雷尼乌斯(Arrhenius)方程,其对数形式:

式(8)

式中:k为表观速率常数,s-1;R0=8.314 J·mol-1·K-1;A为指前因子;Ea为活化能,J/mol。

图4 球状模型(a)和平板模型(b)中多糖溶出动力学的阿雷尼乌斯关系图Fig.4 Arrhenius-type relationship of dissolution kinetics of polysaccharides in spherical model(a)and slab model(b)

3 结论

研究冲泡温度和冲泡时间对颗粒状和片状条斑紫菜冲泡液中多糖的浓度的影响,以Fick第二定律为理论基础,建立颗粒状和片状条斑紫菜冲泡过程中多糖溶出的动力学模型。实验结果表明冲泡水温对颗粒状条斑紫菜中多糖溶出的影响大于冲泡时间,合适的冲泡温度最低为333.15 K时,其多糖溶出率在20 min内可达到50%以上;对于片状条斑紫菜,在提高水温的同时还需要延长冲泡时间才能促使较多的多糖溶出;颗粒状条斑紫菜的多糖溶出量在整个冲泡过程中均大于片状紫菜,采用颗粒状紫菜在温度为363.15或373.15 K的热水中冲泡20 min,多糖溶出率达到62.07%和64.05%,对于日常饮用紫菜汤来说已达到较高的溶出率。通过实验数据验证了推导的动力学模型,并求得了相关动力学参数,紫菜多糖溶出的表观速率常数和扩散系数均随冲泡温度的升高而增加,颗粒状和片状紫菜多糖溶出过程中的活化能分别为5.984、1.406 kJ/mol;多糖溶出的相对萃余率符合指数模型。该动力学模型可为条班紫菜多糖最佳冲泡方式奠定理论基础,对同类研究也具有一定的参考价值。

由于物料所含功能成分的多样性以及浸提过程的复杂性,同时物料组织结构(孔隙率、弯曲系数和孔隙结构等)也决定功能成分在液相主体中的传质和扩散[14],探索和建立适用范围更广的动力学模型仍是该领域研究的核心问题;而对于应用研究,改进模型参数的确定方法,提高模型在提取或溶出工艺优化方面的实用性和预测精度应是研究的重点[15]。

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TheinfluenceofimmersingprocessonthedissolutionofpolysaccharidesfromPorphyrayezoensisanditskineticsresearch

LIULian,YANGXiao-ming*,MAHai-le

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The diffusion kinetic models established based on Fick’s second law for polysaccharides fromPorphyrayezoensisof both spherical and slab geometries were investigated in this paper. The polysaccharide concentrations in thePorphyrayezoensissoup were measured at different immersing temperature and different time. Results showed that the dissolution of polysaccharides fromPorphyrayezoensisin the spherical model was significantly higher than that in the slab one. The polysaccharide dissolution rates of 62.07% and 64.05% were gained at 363.15 and 373.15 K for 20 min. Statistical results suggested that the kinetic model calculation values coincide well with the experimental data. And a series of kinetic parameters were gained. The apparent kinetic constants and diffusion coefficients both increased with temperature. The apparent activation energy were 5.984 kJ/mol and 1.406 kJ/mol in the spherical and slab models,respectively. The relative yield of the polysaccharide dissolution was in accordance with exponential model. The kinetic models established the theoretical foundation for the optional immersing process forPorphyrayezoensispolysaccharides.

Porphyrayezoensis;polysaccharide;dissolution;kinetic model

2017-02-07

刘恋(1991-)，女，在读硕士研究生，研究方向：食品科学与工程，E-mail：liulianlian2011@126.com。

*通讯作者:杨小明(1963-)，女，博士，教授，研究方向：天然产物分离及活性，E-mail：XM_Yang1963@126.com。

国家自然科学基金(81372404)；镇江市社会发展基金(SH2015072)。

TS254.9

:A

:1002-0306(2017)16-0014-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.004