微波萃取藍(lán)莓花青素的傳遞機(jī)理

微波萃取藍(lán)莓花青素的傳遞機(jī)理

萃取是指從植物材料中獲得高質(zhì)量、純度和有效性的過(guò)程。這是醫(yī)藥、食品、化工和其他行業(yè)原料的主要來(lái)源和最重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。微波萃取(MAE)具有萃取速度快、過(guò)程容易控制、有效成分得率高及可用酒精等對(duì)環(huán)境無(wú)污染溶劑等優(yōu)勢(shì)。藍(lán)莓中含豐富的花青素和維生素,具有很高的醫(yī)用和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,花青素具有抗衰老、抗疲勞和增強(qiáng)視力等功效,但有效成分對(duì)熱、光和氧氣等外界條件有強(qiáng)敏感性。在微波萃取過(guò)程中,微波輻照作用使萃取體系溫度迅速升高,提高目標(biāo)成分傳遞速度,但高溫又會(huì)引起熱敏性成分發(fā)生氧化、聚合、縮合等反應(yīng),降解生成新的聚合物或單體物質(zhì),改變有效成分原有性質(zhì)。Zheng等研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)的固-液萃取和熱回流萃取工藝相比,微波萃取工藝可以提高效率3~5倍,增加有效成分得率20%~30%,但高溫時(shí)引起的有效成分降解呈冪函數(shù)增加,萃取溫度高于50℃時(shí),可能有50%以上的有效成分發(fā)生降解,失去原有抗氧化、抗菌等生物活性。選擇合適的模型,能夠同步表征花青素的萃取與降解過(guò)程,控制微波萃取過(guò)程,是當(dāng)前研究關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。微波萃取時(shí),目標(biāo)成分?jǐn)U散受到微波場(chǎng)、化學(xué)勢(shì)場(chǎng)和壓力場(chǎng)協(xié)同作用加強(qiáng)萃取過(guò)程。根據(jù)微波萃取動(dòng)力學(xué)模型,分析萃取條件對(duì)目標(biāo)成分傳遞的影響機(jī)理,為優(yōu)化高得率和效率萃取工藝參數(shù)及流程提供理論依據(jù)。Smail等研究萃取過(guò)程中的質(zhì)量傳遞,深入分析各試驗(yàn)條件對(duì)萃取率影響,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到萃取模型,分析各試驗(yàn)因素對(duì)萃取率影響;李核等根據(jù)菲克定律和電磁場(chǎng)增強(qiáng)擴(kuò)散理論,建立微波萃取虎杖中白藜蘆醇的動(dòng)力學(xué)模型,確定微波萃取過(guò)程中有效成分在物料內(nèi)部傳遞過(guò)程;Dincov等研究微波加熱過(guò)程中兩相多孔材料的質(zhì)熱傳遞過(guò)程,建立描ˇ述微波加熱機(jī)制的模型;黃瑞華等在固液提取的傳質(zhì)擴(kuò)散方程中引入溫度因素,建立提取淫羊藿苷的熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型,解釋微波能強(qiáng)化淫羊藿苷的提取過(guò)程;楊俊紅等建立萃取動(dòng)力學(xué)方程,闡明微波促進(jìn)萃取主要原因是微波引起溫度升高,提高傳質(zhì)系數(shù)。在研究微波促進(jìn)萃取同時(shí),研究微波對(duì)熱敏性物質(zhì)降解作用。建立萃取過(guò)程中活性成分降解過(guò)程和動(dòng)力模型,有助于分析降解機(jī)理,控制降解過(guò)程,提高有效成分得率。Hu等研究發(fā)現(xiàn)微波輔助萃取會(huì)造成目標(biāo)成分降解;李媛等確定微波輔助提取葡萄皮中花色苷的降解過(guò)程符合指數(shù)衰減模型;任瑞等根據(jù)微波香菇中多糖降解特性,通過(guò)建立降解動(dòng)力學(xué)方程解釋微波功率對(duì)多糖降解影響理論。在MAE過(guò)程中,有效成分萃取與降解同時(shí)發(fā)生,但已有的建立微波萃取模型研究中,多數(shù)是分別考慮有效成分萃取和降解過(guò)程,難以系統(tǒng)、準(zhǔn)確地表征和控制有效成分在萃取液中的變化。本文獲得微波萃取條件下藍(lán)莓中花青素的獲取和降解規(guī)律;建立并驗(yàn)證微波萃取藍(lán)莓中花青素獲取和降解的同步模型;分析微波輻照作用對(duì)有效成分效應(yīng)。以提高花青素得率和減少降解為目標(biāo),為有效控制微波萃取藍(lán)莓過(guò)程提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1藍(lán)莓干燥試劑的制備藍(lán)莓鮮果產(chǎn)于黑龍江省大興安嶺地區(qū),選擇顏色均一、顆粒飽滿的藍(lán)莓置于冰箱中凍藏。試驗(yàn)時(shí)取出凍藏藍(lán)莓在室溫下緩慢解凍4h,打漿,經(jīng)真空冷凍干燥24h后,磨成粉末,過(guò)40目篩,制成干燥粉末保存在避光干燥器皿中,以備后續(xù)試驗(yàn)使用。試劑:花青素標(biāo)樣純度95%(天津尖峰天然產(chǎn)物研究開(kāi)發(fā)公司);香草醛、濃鹽酸、甲醇、無(wú)水乙醇均為分析純,購(gòu)自天津市富宇精細(xì)化工有限公司。1.2td-50型凍干機(jī)ETHOS1系列T640型微波萃取儀由意大利Milestone公司生產(chǎn);TD-50型凍干機(jī)由上海浦東冷凍干燥設(shè)備有限公司生產(chǎn);LAMBDA35型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)由美國(guó)PerkinElmer公司生產(chǎn)。1.3方法1.3.1萃取時(shí)間和萃取效率是萃取過(guò)程成功的關(guān)鍵條件之一。在萃取準(zhǔn)確稱取(1.0000±0.0005)g藍(lán)莓粉末于萃取罐中,加入30mL60%乙醇溶液,在微波萃取工作臺(tái)中以不同水平溫度(30~70℃,間隔10℃)、時(shí)間(2~10min,間隔2min)進(jìn)行萃取試驗(yàn)。待萃取結(jié)束后將萃取液于室溫下抽濾,并使用60%乙醇溶液將萃取液定容至100mL容量瓶中,置于黑暗處,室溫條件下保存以備后續(xù)試驗(yàn)所用。收集殘?jiān)?0mL錐形瓶中,加入30mL60%乙醇溶液,置于25℃、50r·min-1水浴振蕩器中繼續(xù)萃取,3h后取出溶液,室溫下抽濾,得濾液。重復(fù)萃取殘?jiān)?遍,將所得濾液定容至100mL容量瓶中,置于黑暗處,室溫條件下保存以備后續(xù)試驗(yàn)所用。1.3.2標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制A:1%香草醛溶液(稱取1.000g香草醛溶于甲醇中,定容到100mL);B:8%鹽酸液(取8mL濃鹽酸,用甲醇定容到100mL)。顯色劑A.B=1.1,現(xiàn)配現(xiàn)用。配制原花青素標(biāo)準(zhǔn)溶液,濃度為1.2mg·mL-1。分別取1、2、3、4、5mL,然后用乙醇定容到10mL,各取1mL(另取1mL甲醇液為空白液),分別加入5mL顯色劑,搖勻,避光。在(30±1)℃恒溫水浴中保持30min,保溫比色,取出比色管,在500nm波長(zhǎng)下,測(cè)其吸光值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。以吸光值A(chǔ)為縱坐標(biāo),濃度C(mg·mL-1)為橫坐標(biāo)作圖,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為式中,A-花青素在波長(zhǎng)500nm處吸光度,C-花青素標(biāo)樣濃度(mg·mL-1),R2=0.9989。1.3.3顯色液的制備花青素含量測(cè)定采用低濃度香草醛-鹽酸法,準(zhǔn)確移取1.0mL萃取液置于試管中,向試管中加入5mL顯色液,混勻后置于30℃恒溫水浴鍋中,保溫30min。待反應(yīng)結(jié)束后使用分光光度計(jì)測(cè)定反應(yīng)液在500nm處吸光值,每個(gè)樣液測(cè)定3次求其平均值,利用標(biāo)準(zhǔn)曲線得出萃取液中花青素含量。1.3.4數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用SigmaPlot12.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行方程擬合;利用Matlab7.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,編程得到萃取動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證圖。2萃取動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建2.1粉內(nèi)花青素形成過(guò)程機(jī)理MAE是利用微波能使與固體樣品接觸的溶劑致熱,并同時(shí)將目標(biāo)成分從樣品中分離出至溶劑中的過(guò)程。在微波萃取藍(lán)莓粉內(nèi)花青素過(guò)程中,如圖1所示,主要包括以下階段:(1)在基體-溶劑交界面發(fā)生解吸,接著花青素?cái)U(kuò)散至溶劑中;(2)溶劑向藍(lán)莓顆粒內(nèi)部滲透,逐步潤(rùn)濕固體內(nèi)部;(3)固體基質(zhì)內(nèi)部花青素溶解;(4)花青素由顆粒內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面;(5)花青素由固-液接觸表面向溶液主體擴(kuò)散。質(zhì)熱傳遞方向一致,能促進(jìn)目標(biāo)成分提取。2.2藍(lán)莓萃取過(guò)程相關(guān)過(guò)程的描述為簡(jiǎn)化MAE過(guò)程模型,提出如下假設(shè):(1)溶劑向基體內(nèi)部滲透速度很快,可以忽略其對(duì)萃取速率的影響;(2)萃取過(guò)程中溶劑體積無(wú)變化;(3)初始狀態(tài)時(shí),花青素在基體內(nèi)部分布均勻,各向同性;(4)溶劑向基體內(nèi)部滲透是均勻的;(5)溶劑及目標(biāo)萃取物向基體表面的擴(kuò)散是均勻的;(6)花青素溶解速率遠(yuǎn)大于擴(kuò)散速率;(7)藍(lán)莓樣品為大小均勻的球形顆粒,在MAE中粒徑保持不變。根據(jù)以上假設(shè),將整個(gè)萃取過(guò)程作為一個(gè)解吸擴(kuò)散串聯(lián)過(guò)程處理。由于無(wú)法測(cè)得顆粒內(nèi)部不同位置的濃度,本試驗(yàn)只考慮藍(lán)莓粉顆粒與溶劑接觸表面處的濃度,與萃取液濃度近似相等。2.3萃取動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建2.3.1最佳傳質(zhì)通量藍(lán)莓中花青素的萃取過(guò)程屬于溶質(zhì)在固液兩相中的傳質(zhì)過(guò)程,因此可用固液擴(kuò)散公式描述藍(lán)莓顆粒中花青素的提取過(guò)程。根據(jù)Fick第一定律,單位時(shí)間內(nèi)傳質(zhì)通量J與傳質(zhì)表面積和濃度梯度成正比,花青素通過(guò)固液界面?zhèn)髻|(zhì)通量J為:式中,N—τ時(shí)刻提出的溶質(zhì)質(zhì)量,kg,其中N=V·C(τ);τ—萃取時(shí)間,min;Dl—液相傳質(zhì)系數(shù),m2·s-1;S—藍(lán)莓顆粒表面積,m2,其中S=4πR2;C(τ)—τ時(shí)刻溶液主體的濃度,kg·m-3;V—溶劑體積,m3。2.3.2不同藍(lán)莓品種中花青素的空間分布擴(kuò)散面濃度梯度越大,擴(kuò)散動(dòng)力也大,擴(kuò)散速度越快,濃度梯度變化越大。因而擴(kuò)散面濃度隨時(shí)間和空間的變化可以表示為:m—濃度梯度的時(shí)間變化常數(shù),m<0,m=0,m>0分別反映濃度梯度隨時(shí)間衰減、恒定和增加的情況。假定原始藍(lán)莓樣品中花青素濃度為Cs,0mol·m-3。則初始條件為:根據(jù)初始條件,由(3)式可得到:本試驗(yàn)只考慮半徑為R(即固液相接觸面)處的濃度梯度。2.3.3溫度k-1s-1液相傳質(zhì)系數(shù)Dl,最常用估算方法是StokesEinsten方程,其表達(dá)式為:式中,f—溶質(zhì)的摩擦系數(shù);kB—玻爾茲曼常數(shù),取值1.380662×10-23J·K-1;T—液相環(huán)境溫度(K)μ—溶液粘度(g·m-1·s-1);R—溶質(zhì)半徑(m)?？梢?jiàn)液相傳質(zhì)系數(shù)Dl與溶質(zhì)分子大小R、提取溶液粘度μ及萃取溫度T有關(guān)。通常情況下,隨著提取溶液濃度增大,粘度隨之增大,擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)減小。2.3.4微波作用與藍(lán)莓固液比的計(jì)算將公式(5)帶入公式(2)整理得:假設(shè)微波對(duì)萃取過(guò)程的作用為α,微波對(duì)萃取量的影響可用(1+α)表示。在微波萃取過(guò)程中,為表征微波對(duì)花青素的擴(kuò)散有增強(qiáng)作用,引入增強(qiáng)因子γ1;為表征微波熱效應(yīng)引起花青素降解,引入降解因子γ2。增強(qiáng)因子增加萃取量,降解因子減少萃取量,則可設(shè)微波增強(qiáng)作用與微波降解作用為γ1/γ2,即微波作用α=γ1/γ2。則有:萃取過(guò)程中的固液比:式中:M—固液比,g·mL-3;V—溶劑體積,mL3;G—稱取藍(lán)莓粉質(zhì)量,1g。將公式(9)帶入公式(8)中,可得:公式(10)是萃取液花青素濃度隨時(shí)間τ變化的微分方程,引入邊界條件可以推導(dǎo)出τ時(shí)刻溶液中花青素濃度,是萃取動(dòng)力學(xué)方程。2.3.5不同萃取時(shí)間a針對(duì)微分方程(8)引入邊界條件:C0=0,則τ時(shí)刻萃取液中花青素濃度為:方程(11)是萃取動(dòng)力學(xué)方程,反映萃取液中花青素濃度C(τ)隨著萃取時(shí)間τ的變化。2.3.6花青素萃取率模型采用非線性擬合方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程擬合,通過(guò)較高的決定系數(shù)(R2)和較低的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SEE),選擇ExponentialRisetoMaximu(式12)和ExponentialDecay(式13)方程式描述花青素萃取率模型。在萃取過(guò)程中,微波促進(jìn)花青素?cái)U(kuò)散起主導(dǎo)作用時(shí),選擇式(12);當(dāng)微波對(duì)花青素的降解起主導(dǎo)作用時(shí),選擇式(13)。式中,y0—花青素在所設(shè)定的升溫階段(1min后)溶液中最初花青素含量(%);a1,a2—在均衡狀態(tài)下的花青素萃取率(%);b1,b2—物料傳遞過(guò)程中的質(zhì)量系數(shù)(min-1);c1,c2—在均衡狀態(tài)下物質(zhì)傳遞過(guò)程中花青素萃取率(%);d1,d2—擴(kuò)散過(guò)程的動(dòng)力學(xué)常數(shù)(min-1)。3結(jié)果與分析3.1萃取溫度和時(shí)間的影響如圖1所示,萃取溫度為30、40、50℃時(shí),花青素萃取率顯著提高(P<0.05)。這是由于微波輻射作用導(dǎo)致物料溫度升高,分子熱運(yùn)動(dòng)加快,促進(jìn)花青素從藍(lán)莓顆粒擴(kuò)散到溶液中。當(dāng)萃取溫度在60℃時(shí),前4min內(nèi)花青素萃取率呈上升趨勢(shì),隨后開(kāi)始下降。這是因?yàn)榛ㄇ嗨厥菬崦粜晕镔|(zhì),當(dāng)物料內(nèi)熱量積累到一定程度時(shí),花青素結(jié)構(gòu)被破壞,花青素萃取率下降。當(dāng)萃取溫度達(dá)到70℃時(shí),花青素降解程度加劇,萃取率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。此時(shí),花青素降解為萃取過(guò)程中的主導(dǎo)作用。比較不同萃取溫度和萃取時(shí)間下花青素的萃取率,結(jié)果表明選擇合適的萃取溫度和時(shí)間有利于增加花青素的萃取量。在萃取溫度30~60℃,微波萃取動(dòng)力變大,萃取動(dòng)力系數(shù)變大。這是因?yàn)槲⒉ㄗ饔脮?huì)使基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂,有效成分迅速?gòu)募?xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散到萃取劑中。在此過(guò)程中,溶劑在微波照射下與電磁場(chǎng)耦合,然后通過(guò)介電松弛機(jī)制將熱傳輸?shù)饺軇┲兄氯軇┥郎?從而提高花青素在溶劑中的溶解度,增大從基體解吸的動(dòng)力,微波萃取動(dòng)力系數(shù)變大。60~70℃時(shí),微波降解動(dòng)力變大,降解動(dòng)力系數(shù)變大。這是因?yàn)榛ㄇ嗨貫闊崦粜晕镔|(zhì),遇熱易降解,此溫度范圍內(nèi),微波降解作用為主導(dǎo)作用,所以降解動(dòng)力系數(shù)變大。采用非線性擬合方法計(jì)算模型系數(shù),結(jié)果如表1所示,方程決定系數(shù)R2均大于0.99,呈極顯著水平即P=0.001。除70℃外,在其他溫度條件下,藍(lán)莓粉中花青素萃取的最初花青素含量(y0)均隨萃取溫度升高而升高。萃取溫度70℃時(shí)質(zhì)量傳遞系數(shù)b最高,這是由于高溫有利于花青素?cái)U(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程中動(dòng)力學(xué)常數(shù)d呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì),這是由于在微波輔助萃取過(guò)程中,低溫范圍(30、40、50、60℃)內(nèi),升高溫度,隨萃取時(shí)間的延長(zhǎng)花青素萃取率增加,微波增強(qiáng)作用占主導(dǎo)地位,萃取動(dòng)力學(xué)常數(shù)d增大;繼續(xù)升溫(60、70℃),微波作用破壞花青素結(jié)構(gòu),微波降解作用占主導(dǎo)地位,萃取動(dòng)力學(xué)常數(shù)d減小。3.2不同萃取溫度對(duì)藍(lán)莓粉無(wú)灰液萃取效果的影響不同萃取溫度和時(shí)間下得到的花青素降解率如圖3所示。在低溫范圍(30、40、50℃)內(nèi),隨著溫度升高花青素降解率下降。這是由于低溫范圍內(nèi),溫度上升不會(huì)對(duì)花青素造成降解,升高溫度,能促進(jìn)花青素?cái)U(kuò)散,微波萃取動(dòng)力學(xué)系數(shù)較大,萃取為主導(dǎo)作用。在高溫范圍(60、70℃)內(nèi),花青素降解率顯著上升。這是因?yàn)槲⒉ń到鈩?dòng)力學(xué)系數(shù)較大,降解作用為主導(dǎo)作用。結(jié)果表明選擇合適的萃取溫度和萃取時(shí)間有利于減少花青素的降解量。依據(jù)指數(shù)衰減方程對(duì)圖3中花青素降解率的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,模型系數(shù)如表2所示。除70℃外,均衡狀態(tài)下藍(lán)莓粉中花青素萃取率a均隨著萃取溫度升高而升高。高溫有利于擴(kuò)散,隨著萃取溫度升高,質(zhì)量傳遞系數(shù)b不斷增大,萃取溫度70℃時(shí)達(dá)到最高。擴(kuò)散過(guò)程中動(dòng)力學(xué)常數(shù)d呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。3.3微波輔助萃取藍(lán)莓花青素過(guò)程的傳質(zhì)方程為分析萃取過(guò)程中微波對(duì)目標(biāo)成分的獲取和降解規(guī)律,建立微波輔助萃取過(guò)程中有效成分的傳遞和變化過(guò)程的理論模型。由擬合結(jié)果可知,30、40、50、60℃(0~4min)、60℃(4~10min)、70℃下的萃取因子γ1/γ2分別為:0.0269、0.0583、0.0870、0.3613、0.4637、0.0120。采用非線性擬合,得到溫度與各因子間回歸方程:因此,微波輔助萃取藍(lán)莓花青素過(guò)程的傳質(zhì)方程為:式中,a—校正系數(shù);A—常數(shù)項(xiàng)。因此,根據(jù)計(jì)算得出的微波增強(qiáng)因子和降解因子,獲得微波輔助萃取技術(shù)的半理論-半經(jīng)驗(yàn)公式,同步表征微波萃取藍(lán)莓過(guò)程中花青素的獲取和降解過(guò)程,從理論上揭示微波萃取藍(lán)莓中花青素的傳遞機(jī)理,為在生產(chǎn)實(shí)踐中提高萃取率、減小降解率提供理論依據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)微波輔助萃取有效成分工藝系統(tǒng)的最優(yōu)控制。3.4萃取動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證試驗(yàn)的萃取工藝為:萃取時(shí)間0~10min(間隔2min),萃取溫度為30~70℃(間隔10℃)。比較萃取液濃度C的試驗(yàn)值和萃取動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)值,如圖4所示。試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值擬合較好,決定系數(shù)R2>0.95。因此萃取動(dòng)力學(xué)模型能較好反應(yīng)微波輔助萃取藍(lán)莓花青素的獲取和降解規(guī)律,適合表達(dá)試驗(yàn)范圍內(nèi)目標(biāo)成分萃取規(guī)律