程海濤*

衡水學(xué)院（衡水 053000）

研究人員對(duì)撞擊流（impinging streams，IS）在撞擊流流場(chǎng)分布、規(guī)律有關(guān)理論與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了有關(guān)研究，研究成果表明撞擊流形成的能量場(chǎng)對(duì)于微觀粒子的碰撞、傳質(zhì)、傳熱等有明顯強(qiáng)化效果[1]。

根據(jù)IS流場(chǎng)特征與相關(guān)形成理論，設(shè)計(jì)的兩層浸沒對(duì)置撞擊流（two-layer submerged opposed impinging stream，TSO-IS）強(qiáng)化設(shè)備，作為新型高效的傳質(zhì)、混合、攪拌設(shè)備，具有強(qiáng)化混合和相間傳遞的特點(diǎn)[2-6]。TSO-IS形成的撞擊湍流場(chǎng)中產(chǎn)生射流撞擊、旋渦撞擊、流場(chǎng)與反應(yīng)設(shè)備固體表面撞擊等產(chǎn)生橫向渦、剪切渦、縱向渦，從而進(jìn)一步對(duì)流體整體流動(dòng)特征起到強(qiáng)化效果。對(duì)置撞擊流速、湍流強(qiáng)度、流場(chǎng)能量、渦旋強(qiáng)度是影響整體傳質(zhì)、混合、攪拌效果的主要因素[7]。

紫芯蜜薯，是蜜薯的一個(gè)品種，除具備通常蜜薯的組分與功能外，還含有原花青素等具備清除自由基，防止細(xì)胞、組織老化功能的物質(zhì)。原花青素，具有多個(gè)酚羥基基團(tuán)，與雙鍵有共軛效應(yīng)結(jié)構(gòu)，其微觀電子分布均勻，使得其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗氧化效果是同種天然抗氧化物質(zhì)維生素E的50倍[8]。有關(guān)紫芯蜜薯的研究圍繞蜜薯種植與管理、蜜薯深加工、常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分分析與檢測(cè)等方面展開。通過TSO-IS強(qiáng)化設(shè)備，針對(duì)紫芯蜜薯中原花青素提取工藝優(yōu)化的研究以及相關(guān)提取物在油脂中抗氧化性的研究并未公開報(bào)道。

試驗(yàn)通過雙層噴嘴對(duì)置，依據(jù)IS中流場(chǎng)、旋渦、能量分布客觀規(guī)律，利用兩層浸沒對(duì)置撞擊流強(qiáng)化設(shè)備強(qiáng)化紫芯蜜薯原花青素提取，通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，對(duì)紫芯蜜薯原花青素的含量給出定量分析結(jié)果，同時(shí)對(duì)提取物抗氧化性能進(jìn)行研究。此研究為豐富紫芯蜜薯成分分析成果，拓展紫芯蜜薯在醫(yī)藥、保健品、食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，開拓紫芯蜜薯深加工產(chǎn)業(yè)化方向，提高相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品抗氧化等功能，在紫芯蜜薯提取原花青素工藝、設(shè)備、技術(shù)等方面提供強(qiáng)大的理論支撐與數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

紫芯蜜薯（河北深州）；無水C2H5OH、CH3OH、H2SO4、濃鹽酸、香草醛（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；原花青素標(biāo)準(zhǔn)品（純度99.9%，天津市大茂化學(xué)試劑廠）。

攪拌（550 W）電機(jī)（上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司）；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；T6新型紫外-可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；TP-A100型電子天平（金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠）；JYD-650型超聲波清洗儀（上海之信儀器有限公司）；DJ13B-D81SG組織破壁勻漿機(jī)（九陽(yáng)股份有限公司）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制品有限公司）；HH-S4型恒溫水浴鍋（北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司）；AR1140-1型離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 兩層浸沒對(duì)置撞擊流強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)原理

兩層浸沒對(duì)置撞擊流強(qiáng)化設(shè)備，主體結(jié)構(gòu)由兩層對(duì)置噴嘴撞擊流發(fā)生器組成，每一層對(duì)置撞擊流發(fā)生器噴嘴可以調(diào)節(jié)直徑大小控制對(duì)置撞擊流流量與流速，隨著流量與流速的增加，流體湍流狀態(tài)增強(qiáng)，撞擊流碰撞點(diǎn)穩(wěn)定增多，液相中傳質(zhì)效果明顯增強(qiáng)，提高紫芯蜜薯組織內(nèi)原花青素與提取液分子的物質(zhì)交換，從而提高得率。兩層浸沒對(duì)置撞擊流強(qiáng)化設(shè)備如圖1所示（噴嘴外徑10 mm）。

圖1 兩層浸沒對(duì)置撞擊流強(qiáng)化設(shè)備

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定

通過高精度分析天平，精準(zhǔn)配制2.0 mg/mL原花青素標(biāo)準(zhǔn)品標(biāo)準(zhǔn)溶液，準(zhǔn)確量取12.50，11.25，10.00，8.75，7.50和6.25 mL該溶液置于25 mL棕色容量瓶中，用甲醇為溶劑定容，利用超聲波振蕩、搖勻，低溫保存待用。原花青素定量測(cè)定方法采用香草醛-鹽酸法[11]，在500 nm處通過紫外分光光度計(jì)測(cè)定溶液吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)，系列濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對(duì)所得曲線進(jìn)行擬合處理，得到標(biāo)準(zhǔn)方程y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 紫芯蜜薯中原花青素提取工藝流程

首先將紫芯蜜薯洗凈，利用蒸餾水沖洗，洗去雜物與泥土，同時(shí)將紫芯蜜薯兩端細(xì)根部除掉，切成均勻小塊，利用勻漿機(jī)打漿，如果有未粉碎蜜薯皮需要剔除。注意利用提取液充分沖洗勻漿設(shè)備，勻漿后低溫、避光保存。改變?cè)囼?yàn)中液料比值、對(duì)置噴嘴流量、乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間影響三層浸沒擋板式循環(huán)撞擊流強(qiáng)化設(shè)備提取深州紫芯蜜薯中原花青素因素水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，離心過濾，對(duì)提取液進(jìn)行吸光度測(cè)定，計(jì)算原花青素得率。

1.2.4 紫芯蜜薯中原花青素得率的計(jì)算

利用移液槍量取1 mL提取液，加5 mL 1%香草醛-甲醇溶液，再加入5 mL 30%濃鹽酸-甲醇溶液，利用超聲波混合均勻，在30 ℃恒溫水浴鍋中恒溫30 min，然后進(jìn)行稀釋，使用紫外分光光度計(jì)在500 nm處測(cè)定吸光度，利用1.2.2小節(jié)中標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算提取液濃度，再按式（1）計(jì)算得率Y。

式中：V為提取液過濾、離心后體積，mL；C為利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算所得的質(zhì)量濃度，mg/mL；n稀釋倍數(shù)；W為干燥紫芯蜜薯樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 液料比值對(duì)紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在對(duì)置噴嘴流量2 000 L/h、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、提取時(shí)間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進(jìn)行液料比值不同水平對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。液料比不同的數(shù)值對(duì)得率的影響趨勢(shì)是隨著液料比值的逐步增大而先升后降的，液料比值為45 mL/g時(shí)得率最大，超初液料比值的增大為從紫芯蜜薯中提取原花青素提供了空間。但是當(dāng)液料比超出一定的值，原花青素在一定提取工藝下析出是一定的，同時(shí)析出的原花青素還會(huì)發(fā)生分子間結(jié)合，造成得率降低。

圖2 液料比對(duì)得率的影響

2.1.2 噴嘴流量對(duì)紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、提取時(shí)間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進(jìn)行噴嘴流量不同水平對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。噴嘴流量的變化會(huì)對(duì)能量場(chǎng)、噴射流強(qiáng)度、渦旋強(qiáng)度產(chǎn)生影響。流量增大，能量場(chǎng)、噴射流強(qiáng)度、渦旋強(qiáng)度隨之增大，對(duì)置流流場(chǎng)傳質(zhì)、能量交換增強(qiáng)，得率增大。達(dá)到最大值后，噴嘴流量再增大會(huì)造成部分原花青素的損失，得率會(huì)有少量降低趨于平緩的趨勢(shì)。

圖3 噴嘴流量對(duì)得率的影響

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、提取時(shí)間25 min、提取溫度50 ℃條件下，進(jìn)行乙醇體積分?jǐn)?shù)不同水平對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，得率出現(xiàn)平緩增大后逐步降低的趨勢(shì)。乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大增加了提取溶液的極性，這有利于原花青素的析出與溶解。但是濃度過高會(huì)溶解蜜薯中其他組分，影響吸光度測(cè)定而出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)得率的影響

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、乙醇體積分?jǐn)?shù)55%、提取溫度50 ℃條件下，進(jìn)行時(shí)間不同水平下對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。紫芯蜜薯中原花青素得率隨著時(shí)間的增加先升高后降低趨于平緩。提取時(shí)間的增加會(huì)使能量場(chǎng)、噴射流強(qiáng)度、渦旋強(qiáng)度作用效果增強(qiáng)，因此得率穩(wěn)步提升。達(dá)到極值后，時(shí)間積累的能量會(huì)破壞一定析出的原花青素分子，因此得率會(huì)降低后趨于平緩。

圖5 提取時(shí)間對(duì)得率的影響

2.1.5 溫度對(duì)紫芯蜜薯中原花青素得率的影響

在液料比值45 mL/g、噴嘴流量2 400 L/h、乙醇體積分?jǐn)?shù)55%、提取時(shí)間30 min條件下，進(jìn)行溫度不同水平下對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。紫芯蜜薯原花青素得率先隨著溫度升高而逐步提升，當(dāng)溫度為55 ℃時(shí)，得率出現(xiàn)最大值。溫度升高會(huì)提升體系能量，這有利于對(duì)置流流場(chǎng)能傳質(zhì)效果的提升。但當(dāng)溫度＞55 ℃時(shí)，受原花青素本身含量極值限制以及溫度對(duì)原花青素分子結(jié)構(gòu)的影響，得率會(huì)出現(xiàn)降低后趨于平緩的規(guī)律。

圖6 溫度對(duì)得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化紫芯蜜薯中原花青素提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取原花青素得率為響應(yīng)值Y，液料比（X1）、噴嘴流量（X2）、提取時(shí)間（X3）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X4）為響應(yīng)面試驗(yàn)因素，在溫度55 ℃的基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。以Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)，利用SAS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析，得到相應(yīng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定優(yōu)化提取工藝。試驗(yàn)因素與水平選取如表1所示。

表1 響應(yīng)面因素和水平

2.2.2 回歸方程的確定

通過Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析如表3所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 回歸分析結(jié)果

通過擬合回歸處理數(shù)據(jù)，得到擬合函數(shù)模型：Y=4.9+0.100 833X1+0.115X2+0.062 5X3+0.08X4-0.395 417X12-0.102 5X1X2-0.012 5X1X3-0.082 5X1X4-0.416 667X22-0.17X2X3-0.077 5X2X4-0.430 417X32+0.035X3X4-0.259 167X42。

由表3回歸分析可以看出，建立的預(yù)測(cè)模型p＜0.000 1＜0.05，另外R2=99.75%，說明該模型能夠精確模擬99.75%的響應(yīng)面值，失擬項(xiàng)不顯著（p=0.164 2＞0.05），說明預(yù)測(cè)模型和預(yù)測(cè)情況擬合性充分，能夠真實(shí)反映不同影響因素間的關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化工藝實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)

以響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)回歸方程進(jìn)行極值求解，得到最優(yōu)工藝參數(shù)X1、X2、X3、X4理論值，即液料比值（X1）46 mL/g、噴嘴流量（X2）2 700 L/h、提取時(shí)間（X3）32 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X4）57%。經(jīng)模型預(yù)測(cè)計(jì)算，得率極值為4.92%。

結(jié)合響應(yīng)面及單因素試驗(yàn)得到最佳工藝：液料比值46 mL/g、噴嘴流量2 700 L/h、提取時(shí)間32 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)57%、提取溫度55 ℃。在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行實(shí)際3次試驗(yàn)以驗(yàn)證工藝優(yōu)化實(shí)際效果，其得率分別為4.94%，4.95%和4.96%，得率平均值為4.95%。將試驗(yàn)得到的平均得率與優(yōu)化數(shù)學(xué)模型得到的預(yù)測(cè)計(jì)算得率極值進(jìn)行誤差分析，相對(duì)誤差較小，擬合函數(shù)模型可信度高。

2.2.4 對(duì)比試驗(yàn)

為了對(duì)比TSO-IS效應(yīng)對(duì)蜜薯中原花青素提取效率的提高，在液料比值46 mL/g、提取時(shí)間32 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)57%、提取溫度55 ℃條件下進(jìn)行只有機(jī)械槳式攪拌（mechanical paddle mixing，MPM）的提取試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明TSO-IS效應(yīng)對(duì)于增強(qiáng)原花青素提取效果顯著。

表4 對(duì)比試驗(yàn)得率 單位：%

3 結(jié)論

TSO-IS提取紫芯蜜薯中原花青素優(yōu)化工藝條件為液料比值46 mL/g、噴嘴流量2 700 L/h、提取時(shí)間32 min、乙醇體積分?jǐn)?shù)57%、提取溫度55 ℃。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算所得得率為4.95%，與理論計(jì)算極值相對(duì)誤差較小，說明擬合函數(shù)模型可信度高。

相關(guān)研究成果拓展了深州紫芯蜜薯在食品、化妝品、飼料等行業(yè)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，提高相應(yīng)產(chǎn)品抗氧化等功能，在工藝、技術(shù)、設(shè)備等方面提供了強(qiáng)有力理論支持。