超声空化-机械研磨提取榴莲皮中原花青素工艺优化

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）

超声空化是频率高于20 000 Hz的声波[1]，能够破坏细泡组织、物质结构间相互作用力，使物质结构发生变化，促使细泡组织中具有特定结构的物质分子变为游离态，从而提高其提取效率。

机械研磨通过研磨材料之间摩擦、碰撞，产生强大的机械剪切力，对细胞组织间的相互作用产生破坏作用[2]，使得原花青素分子结构的分子间作用力束缚被解放，从而使原花青素的羟基更多地被暴露，更有利于原花青素的提取。

榴莲是一种热带水果，营养价值极高，含有多种矿物质，同时味道很鲜，对人体有多项保健功能，在我国进口量每年超过30万 t，同时每年都在增加。目前，榴莲的利用主要集中在榴莲肉方面，榴莲其余的果皮等大部分的利用价值被忽视，作为生活垃圾被丢弃。占榴莲质量60%的榴莲皮如何被综合利用成为具有极大研究价值的方向[3-5]。

原花青素是抗氧化最强的天然物质，结构当中含有多个与双键共轭的酚羟基，使得电子分布得更加均匀，分子结构更加稳定，抗氧化能力是天然维生素E的50倍，主要提取方法原理是根据原花青素在不同溶剂中溶解度不同，选择合适溶剂进行提取，外加能量、微波等条件进行原花青素提取，然后通过树脂吸附性的差异进行吸附分离，得到原花青素[6-11]。以往提取工艺中一般会把温度作为主要影响因素进行研究，高温有利于原花青素分子动能增加，但是高温同时会引起原花青素与氧气的化学反应。试验利用超声空化-机械研磨方法，探究真空、低温、机械外力对于原花青素提取的影响趋势，优化最优工艺，为榴莲皮的综合利用提供可行性理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

榴莲（市售）；无水乙醇（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；甲醇（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；硫酸（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；香草醛（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；原花青素标准品（纯度99.9%，天津市大茂化学试剂厂）。

SFJ-400砂磨、分散、搅拌机（550 W，上海现代环境工程技术有限公司）；RE-52A旋转蒸发仪（日本东京理化公司）；JYD-650型超声波发生器（上海之信仪器有限公司）；WD900G型格兰仕家用微波炉（佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司）；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-S4型恒温水浴锅（北京市长风仪器仪表公司）；FW80型高速万能粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；600Y型多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司）；TP-A100型电子天平（金坛市国旺实验仪器厂）；AR1140型离心机（上海安亭科学仪器厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 超声空化-机械研磨协同设备设计

超声空化-机械研磨协同设备如图1所示。设备主要由可移动超声空化发生器（4）以及机械研磨装置（10）组成，机械研磨装置中由研磨材料研磨搅拌器组成。机械研磨装置下部桨式搅拌器起到分散作用。恒温水槽（3）主要功能在于把超声空化-机械研磨过程中产生的热量及时移走，保证体系恒温、低温。真空抽气口7作用在于把体系抽成真空，减少原花青素与氧气作用的机会。

图1 水力空化强化反应设备

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。配置一系列原花青素标准品溶液，根据香草醛-盐酸法[12]测定500 nm处溶液的吸光度，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 超声空化-机械研磨提取榴莲皮中原花青素的工艺流程

把新鲜榴莲的皮烘干粉碎成小块，利用多功能粉碎机达成细粉（过60目筛子），利用真空袋低温保存，待用。按照试验中确定的液料比值、研磨-超声时间、提取温度、超声功率、乙醇体积分数、研磨粒径、研磨转速等因素水平进行提取试验，利用紫外-可见分光光度计测定溶液在波长500 nm处的吸光度，根据标准曲线，计算原花青素得率。

1.2.4 榴莲皮中原花青素得率的测定

利用原花青素回归拟合标准曲线测定样品中原花青素质量浓度。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，体积分别为5 mL，在温度为30 ℃水浴条件下恒温30 min，测定500 nm波长处的吸光度，根据原花青素标准曲线，计算浓度。

按式（1）计算榴莲皮中原花青素得率。

式中：V为提取液体积，mL；C为原花青素质量浓度，mg/mL；n为稀释倍数；W为榴莲皮干质量，g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 机械研磨研磨材料体积与乙醇溶液体积比（研溶比mL/mL）对榴莲皮原花青素得率的影响

在液料比值30 mL/g、超声空化-机械研磨时间30 min、温度50 ℃、超声空化功率350 W、乙醇体积分数40%、机械研磨转速1 600 r/min条件下进行试验，对研溶比与榴莲皮中原花青素得率的相互关系进行研究，结果如图2所示。当研溶比为1.5∶1（mL/mL）时，榴莲皮中原花青素得率为2.968 mg/g，当研溶比增大或变小时，原花青素得率均有所下降。研溶比增大，研磨材料与榴莲皮研磨接触面积增大，更多地破除束缚原花青素的结构，有利于其析出，得率逐步增大；研溶比过高，会造成研磨材料间空间过小，虽然研磨作用力很大但是榴莲皮减少，造成得率降低。

图2 研溶比对得率的影响

2.1.2 液料比值对榴莲皮原花青素得率的影响

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、超声空化-机械研磨时间30 min、温度50 ℃、超声空化功率350 W、乙醇体积分数40%、机械研磨转速1 600 r/min条件下进行试验，对液料比值与榴莲皮中原花青素得率的相互关系进行研究，变化规律如图3所示。随着液料比值的增加，榴莲皮中原花青素得率逐步提高，当液料比值为35（mL/g）时得率最大，液料比值继续增加得率变化趋于平缓。榴莲皮中原花青素的含量是一定的，同时超声空化-机械研磨能够解放的被束缚的原花青素也是能够预测的，另外原花青素在溶液中溶解度是确定的，因此得率随液料比的变化趋势如图3所示。

图3 液料比值对得率的影响

2.1.3 超声空化-机械研磨时间对榴莲皮中原花青素得率的影响

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、温度50 ℃、超声空化功率350 W、乙醇体积分数40%、机械研磨转速1 600 r/min条件下进行试验，探究原花青素得率随超声空化-机械研磨时间变化的规律，结果如图4所示。随着超声空化-机械研磨时间的增加，原花青素得率先增加后降低，当时间为40 min时得率最大。超声空化-机械研磨时间越长，原花青素被解放得越多，但是超声空化-机械研磨能够破坏的作用力完全破坏后，时间再增加，会造成原花青素结构变化，造成得率降低。

图4 超声空化-机械研磨时间对得率的影响

2.1.4 温度对榴莲皮中原花青素得率的影响

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超声空化-机械研磨时间40 min、超声空化功率350 W、乙醇体积分数40%、机械研磨转速1 600 r/min条件下进行试验，探究原花青素得率随研磨-超声时间变化的规律，结果如图5所示。研磨-超声温度在45～65 ℃范围内，榴莲皮原花青素得率先稳步提升，当温度达到55 ℃时，得率出现最大值；研磨-超声温度继续增加，得率逐步下降。温度会使自由原花青素分子动能增加，更多地克服相互作用进入溶液，得率提升较快，但是温度过高会破坏游离原花青素分子结构，得率开始下降。

图5 温度对得率的影响

2.1.5 超声空化功率对榴莲皮中原花青素得率的影响

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超声空化-机械研磨时间40 min、温度50 ℃、乙醇体积分数40%、机械研磨转速1 600 r/min条件下进行试验，探究原花青素得率随超声功率变化的规律，结果如图6所示。超声功率在300～500 W范围内，榴莲皮中原花青素得率随超声功率增加而逐步提高；当超声功率为450 W时，得率最大；继续增加超声功率，得率有所下降，但是下降趋势比较平缓。

图6 超声空化功率对得率的影响

2.1.6 乙醇体积分数对榴莲皮中原花青素得率的影响

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超声空化-机械研磨时间40 min、温度50 ℃、超声空化功率450 W、机械研磨转速1 600 r/min条件下进行试验，探究原花青素得率随乙醇体积分数变化的规律，结果如图7所示。得率在乙醇体积分数45%～65%范围内，先逐步升高，在55%时得率最高；乙醇体积分数继续增大，得率不再增大，开始下降。乙醇的体积分数的增大，提高了溶液的极性，有利于原花青素的析出。但是随着体积分数提高到特定数值，会溶解不同物质，同时会析出一些物质，降低这些物质的溶解度，造成原花青素得率的降低。

图7 乙醇体积分数对得率的影响

2.1.7 研磨转速对榴莲皮中原花青素得率的影响

在研溶比1.5∶1（mL/mL）、液料比值35（mL/g）、超声空化-机械研磨时间40 min、温度50 ℃、超声空化功率450 W、乙醇体积分数55%条件下进行试验，探究原花青素得率随研磨转速变化的规律，结果如图8所示。机械研磨转速对原花青素的得率影响不是十分显著，当转速在1 200～2 000 r/min范围内变化时，得率变化范围较小；当转速超过1 800 r/min时，得率不再明显提高。转速的提高可以缩短原花青素析出时间，但是改变不了得率的大小。

图8 研磨转速对得率的影响

2.2 响应面优化超声空化-机械研磨提取榴莲皮中原花青素工艺

2.2.1 响应面试验

在单因素试验的基础上，确定超声空化功率450 W、研磨转速1 800 r/min、温度55 ℃，选取原花青素得率为响应值Y，液料比值（X1）、研溶比（X2）、超声空化-机械研磨时间（X3）、乙醇体积分数（X4）为变化因素，根据Box-Behnken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。

表1 响应面因素和水平

2.2.2 回归方程的确定

利用Box-Behnken的响应面试验设计原理，进行四因素三水平的响应面试验设计，其结果见表2，回归分析见表3。通过拟合回归处理数据得到拟合函数模型：

由表3可以看出，建立的预测模型p＜0.000 1＜0.05，R2=99.67%，说明该模型能够精确模拟99.67%的响应面值；失拟项不显著（p=0.344 4＞0.05），说明预测模型和预测情况拟合性充分，可真实反映不同影响因素间的关系。

2.2.3 响应面优化工艺实际验证试验

对拟合函数模型进行求解，计算极大值：X1为37（mL/g），X2为1.6∶1（mL/mL），X3为42 min，X4为56%，极大值Y为3.265 mg/g。根据响应面多元二次方程求解以及单因素试验，得到最佳工艺：超声空化功率450 W，研磨转速1 800 r/min，温度55 ℃，液料比值37（mL/g），研溶比1.6∶1（mL/mL），超声空化-机械研磨时间42 min，乙醇体积分数56%。在最优工艺条件下进行3次验证试验，得率分别为3.272，3.271和3.270 mg/g，平均值为3.271 mg/g，与拟合函数模型最大计算值相比相差很小，相对误差为0.2%，拟合函数模型是可用的。

表2 响应面试验方案及试验结果

表3 回归分析结果

3 结论

超声波-机械研磨协同提取榴莲皮中原花青素的优化工艺条件为：超声空化功率450 W，研磨转速1 800 r/min，温度55 ℃，液料比值37（mL/g），研溶比1.6∶1（mL/mL），超声空化-机械研磨时间42 min，乙醇体积分数56%。在优化工艺条件下榴莲皮中原花青素得率为3.271 mg/g。验证试验表明，预测回归方程模型预测最大得率与验证试验得率相对误差为0.2%，拟合函数模型是可用的。