I-O-J组合水力空化装置协同提取葡萄籽原花青素工艺

程海涛*，申献双

1. 衡水学院化工学院（衡水 053000）；2. 衡水学院美术学院（衡水 053000）

原花青素，国际简称OPC，在清除人体内自由基方面效果最佳，是一种分子结构极其特殊的生物类黄铜物质，属于天然抗氧化剂，同时还具有消炎、抗肿瘤的功效，在化妆品、医疗保健、食品等行业应用前景光明[1]。在植物的叶、茎、皮、壳、籽中存在大量原花青素，近几年研究人员针对金刺梨皮、板栗壳[2]、葡萄枝蔓[3]、落叶松树皮[4]、黑豆种皮[5]等植物组织中原花青素的提取工艺和性能进行了详细报道。

水力空化是一种在化工领域新兴的新型过程强化方法，撞击喷射流空化形成的水力空化场强度分布匀称、强化效果高、运行控制过程简便[6]，在生物医药、环境保护、食品、化学工程等多领域有广泛的应用[7]，例如利用水力空化强化制糖工业中蔗汁净化[8]、强化大豆蛋白表面活性[9]、强化壳聚糖分子降解过程[10]，取得了众多研究成果，应用前景趋势良好。空化效应是水力空化强化过程的根源，源于空化泡在液体中瞬间溃灭过程中产生的剧烈、高温、高压机械冲击波与高速度微喷射流，在液体介质内形成热效应、机械效应、光效应、自由基效应[11-12]，产生强大能量，可有效破坏植物组织物质结构[13-14]。

试验以衡水本地巨峰葡萄籽为研究对象，利用I-O-J组合水力空化提取葡萄籽中原花青素提取工艺。研究了液料比、I-O-J组合水力空化时间、I-O-J组合水力空化压力、乙醇体积分数、I-O-J组合水力空化温度对葡萄籽中原花青素得率的影响。以单因素试验为基础，采用响应面法优化了I-O-J组合水力空化作用强化葡萄籽中原花青素提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料

葡萄籽，衡水本地巨峰葡萄籽；无水乙醇（AR）、甲醇（AR）、硫酸（AR）、香草醛（AR），天津市大茂化学试剂厂；原花青素标准品，天津市大茂化学试剂厂。

JYD-650型超声波发生器，上海之信仪器有限公司；SFJ-400砂磨、分散、搅拌（550 W）机，上海现代环境工程技术有限公司；T6新型紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；HH-S 4型恒温水浴锅，北京市长风仪器仪表公司；FW 80型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；TP-A 100型电子天平，金坛市国旺实验仪器厂；玻璃珠（d=2.5 mm），衡水瑞丰化玻仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 I-O-J组合水力空化装置

I-O-J组合水力空化强化大豆粕蛋白质溶解装置如图1所示。I-O-J水力空化组合部件包括14-1撞击流水力空化装置（Impinging stream cavitation device）、14-2多孔板水力空化装置（Orifice plates device）和14-3喷射流水力空化装置（Jet cavitation device），其构成参数如图1所示。

图1 水力空化组合装置设计图

1.2.2 标准曲线的确定

称取0.1，0.09，0.08，0.07，0.06和0.05 g原花青素标准品，用甲醇溶解于容量瓶中，定容至100 mL。配置一些列原花青素标准品溶液，根据香草醛-盐酸法[16]测定500 nm溶液处吸光度，绘制浓度-吸光度标准品曲线，经过回归拟合得到标准方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 葡萄籽中提取原花青素工艺

把新鲜葡萄籽粉碎过筛，在温度为50 ℃烘箱里烘干至恒重，低温待用。精确称取一定质量的粉碎葡萄籽，在试验确定的液料比、空化-超声-研磨时间、空化-超声-研磨温度、撞击-喷射流空化压力、超声波功率、乙醇体积分数、研磨转速因素水平下测定溶液吸光度，根据标准曲线，计算原花青素得率。

1.2.4 葡萄籽中原花青素得率的测定

首先利用原花青素回归拟合标准曲线测定样品中原花青素浓度：利用吸量管取1 mL提取液，放置于20 mL烧杯中，同时加入1%香草醛-甲醇与30%浓盐酸-甲醇溶液，各5 mL；在温度为30 ℃水浴条件下恒温30 min，测定500 nm波长处吸光度，根据原花青素标准曲线，计算浓度。然后按式（1）计算彩椒中原花青素得率。

式中：V表示提取液定容体积，mL；C表示原花青素质量浓度，mg/mL；n表示稀释倍数；W表示葡萄籽干质量，g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 液料比对得率的影响

在I-O-J组合水力空化时间25 min、I-O-J组合水力空化温度45 ℃、I-O-J组合水力空化压力0.35 MPa、乙醇体积分数30%的条件下，研究液料比对得率的影响。如图2所示，在液料比25︰1～45︰1（mL/g）范围内，得率先逐步提升，当液料比为40︰1（mL/g）时，得率达到最大值（7.481%）；随着液料比继续提升，原花青素的得率不再增大，趋势趋于平稳。原因在于液料比越大，溶液与原花青素接触面积越大，原花青素进入溶液量越多，得率越高，液料比增大至一定程度，能够摆脱葡萄籽组织结构束缚，进入溶液的原花青素完全析出，得率达到最大值，液料比再增加没有实际控制意义[15]，故液料比确定为40︰1（mL/g）。

图2 液料比对得率的影响

2.1.2 I-O-J组合水力空化时间对得率的影响

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J组合水力空化温度45 ℃、I-O-J组合水力空化压力0.35 MPa、乙醇体积分数30%的条件下，研究I-O-J组合水力空化时间对得率的影响。如图3所示，随着I-O-J组合水力空化时间的增加，得率先增加，当空化时间为40 min时，得率达到最大值（7.476%），空化时间再增大得率开始下降。原因在于随着I-O-J组合水力空化时间的增加，乙醇溶液的黏度迅速降低，其降低了原花青素游离分子进入乙醇溶液的阻力；另外，破坏束缚原花青素分子自由运动的相互作用是原花青素提取主要过程，I-O-J组合水力空化初期，空化效应破坏束缚原花青素分子自由运动的相互作用持续增多，得率逐步升高。继续利用I-O-J组合水力空化处理，能够破坏的相互作用变少，得率不再增加，同时析出的原花青素会被水力空化效应破坏，得率反而会降低。

图3 I-O-J组合水力空化时间对得率的影响

2.1.3 I-O-J组合水力空化温度对得率的影响

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J组合水力空化时间40 min、I-O-J组合水力空化压力0.35 MPa、乙醇体积分数30%的条件下，研究I-O-J组合水力空化温对得率的影响。如图4所示，当温度为50 ℃时，得率达到最大值（7.481%）。结果表明，较高的温度有利于原花青素的提取过程。一方面，随着温度的升高，溶液黏度和表面张力降低，原花青素分子运动较快，分子间碰撞概率增加；另一方面，随着温度的升高，氢键和盐键逐渐被破坏，位阻消失。束缚原花青素相互作用变得脆弱，容易析出。温度超过50 ℃，原花青素提取率开始降低，这可能是温度达到一定程度后，溶液的黏度系数和表面张力降低，溶液蒸汽压升高。因此，空化阈值降低，空化气泡容易产生。然而，随着温度的升高，蒸汽压力比溶液温度升高得快，从而降低了空化效应产生的瞬态高温高压，降低了空化强度，降低了得率。

图4 I-O-J组合水力空化温度对得率的影响

2.1.4 I-O-J组合水力空化压力对得率的影响

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J组合水力空化时间40 min、I-O-J组合水力空化温度50 ℃、乙醇体积分数30%的条件下，研究I-O-J组合水力空化压力对得率的影响。如图5所示，原花青素得率随着I-O-J组合水力空化压力的增加而增大。在0.40 MPa得率达到最大值（7.481%），原因可以归结为随着I-O-J组合水力空化压力的增加，液体流动速度和冲击强度增加，从而增加了空化气泡的数量，提高了空化强度，空化强度的增加提高了得率。然而，也观察到当压力大于0.4 MPa时，原花青素的得率下降。这是因为压力超过一定的极限会发生超空化现象。虽然气泡很多，但不易溃灭破裂，从而削弱了空化效应。同时空化压力过高，液体里小气泡过多，形成较大气泡，阻碍了空化效应发挥[16]。

图5 I-O-J组合水力空化压力对得率的影响

2.1.5 乙醇体积分数对得率的影响

在液料比40︰1（mL/g）、I-O-J组合水力空化时间40 min、I-O-J组合水力空化温度50 ℃、I-O-J组合水力空化压力0.40 MPa的条件下，研究乙醇体积分数对得率的影响。由图6可知，随着乙醇体积分数的增加，原花青素的得率逐渐增加，当乙醇体积分数为60%时，原花青素的得率达到最大值（7.482%），乙醇体积分数继续增大，原花青素的得率下降。原因是乙醇体积分数增加提高了溶液极性，有助于原花青素的析出，得率升高。根据相似相溶的原理，当乙醇溶液极性和原花青素分子极性一致时得率最大，当乙醇体积分数再增大，婆枣中的脂溶性杂质将和原花青素将竞争与乙醇作用，影响原花青素分子析出，得率降低。

图6 乙醇体积分数对得率的影响

2.2 响应面优化提取工艺

2.2.1 响应面试验

在单因素试验的基础上，根据影响因素对得率的影响趋势，确定液料比40︰1（mL/g），选取得率为响应值Y，I-O-J组合水力空化时间（X1）、I-O-J组合水力空化压力（X2）、乙醇体积分数（X3）、I-O-J组合水力空化温度（X4）为变化因素，根据Box-Benhnken的试验设计原理，通过SAS软件对试验数据进行回归分析，确定最佳工艺。响应面优化试验因素水平见表1。

2.2.2 响应面优化工艺回归方程建立

四因素三水平的响应面试验结果见表2，回归分析结果见表3。通过拟合回归处理数据得到拟合函数模型：Y=7.5+0.116 897X1+0.134 167X2+0.087 5X3+0.078 333X4-0.435 417X12-0.123 1X1X2-0.009 9X1X3-0.098 6X1X4-0.469 167X22-0.21X2X3-0.079 998X2X4-0.484 167+0.047 5-0.290 417

由回归结果看出，函数模型R2=99.62%，失拟项p=0.087 2＞0.05，说明预测模型和预测情况拟合性充分，真实反映了不同影响因素间的关系。

表1 响应面因素和水平

表2 响应面试验方案及试验结果

2.2.3 响应面优化工艺验证试验

对经过响应面优化得到的数学回归方程进行求极大值，得到X1为43 min，X2为0.43 MPa，X3为61%，X4为53 ℃，得率最大值为Y为7.61%。根据响应面优化结果和综合因素影响得到超声波-微波协同提取葡萄籽原花青素最佳工艺：液料比40︰1（mL/g）、I-O-J组合水力空化时间43 min、I-O-J组合水力空化压力0.43 MPa、乙醇体积分数61%、I-O-J组合水力空化温度53 ℃。在最优条件下进行3次试验，得率分别为7.68%，7.67%和7.69%，平均值为7.68%，与数学模型求极值得到数值相差很小，同时证明得到的数学回归拟合模型可信度很高。

2.2.4 对比试验

对挤压-超声[17]、超声波-微波法[18]提取葡萄籽原花青素，与撞击喷射流空化-超声波-机械研磨提取原花青素得率进行比较，结果见图7。I-O-J组合水力空化对葡萄籽原花青素提取效果较好，得率较高。

表3 回归分析结果

图7 不同提取方法原花青素得率比较

3 结论

以影响I-O-J组合水力空化提取葡萄籽原花青素得率因素的单因素试验为基础，利用SAS软件，根据Box-Benhnken的试验设计原理，利用响应面优化超声波-微波协同提取葡萄籽原花青素的提取工艺，回归方程为：Y=7.5+0.116 897X1+0.134 167X2+0.087 5X3+0.078 333X4-0.435 417X12-0.123 1X1X2-0.009 9X1X3-0.098 6X1X4-0.469 167X22-0.21X2X3-0.079 998X2X4-0.484 167+0.047 5-0.290 417。二次回归方程可信度高。通过回归数学模型计算以及对工艺条件的验证试验得到最优工艺条件：液料比40︰1（mL/g）、I-O-J组合水力空化时间43 min、I-O-J组合水力空化压力0.43 MPa、乙醇体积分数61%、I-O-J组合水力空化温度53 ℃，得率平均值为7.68%。与挤压-超声、超声波-微波法等提取工艺相比，I-O-J组合水力空化对葡萄籽原花青素提取效果较好，得率较高。