薛宏坤，李庆妍，韩玲玉，孙宇，郑先哲

（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

微波萃取蓝莓中花青素体系内温度与压力变化规律

薛宏坤，李庆妍，韩玲玉，孙宇，郑先哲

（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

为提高微波在萃取体系内利用率，解析萃取体系温度和压力变化规律，文章以蓝莓为原料，采用二次正交旋转中心组合设计试验，研究微波强度、萃取时间、乙醇浓度和料液比对蓝莓萃取体系内介电特性影响，分析介电特性变化原因，建立蓝莓萃取体系介电特性指标与微波萃取条件间回归模型和蓝莓萃取体系微波能吸收模型。依据萃取体系内介电特性变化规律，解析萃取体系内微波能吸收和温度、压力变化规律。结果表明，各工艺参数对介电常数和介电损耗因子变化影响显著；介电常数和介电损耗因子与微波能吸收及萃取体系内温度、压力正相关。为优化微波萃取工艺条件提供理论依据。

蓝莓；微波辅助萃取；介电特性；花青素；温度；压力

薛宏坤,李庆妍,韩玲玉,等.微波萃取蓝莓中花青素体系内温度与压力变化规律[J].东北农业大学学报,2017,48(4):69-78.

Xue Hongkun,LiQingyan,Han Lingyu,e t al.Changes of tem pera tu re and pressu re in the extraction of anthocyanins from blueberry by m ic rowave[J].Journal of Northeast Agricultu ral University,2017,48(4):69-78.(in Chinese w ith Eng lish abstrac t)

蓝莓富含花青素和维生素等多种活性成分[1]。花青素属于热敏性多酚物质，可清除人体自由基[2]，具有抗氧化、防衰老、保护心脑血管和缓解视疲劳等功效[3-4]，对热、光和氧气等敏感[5]。由于微波加热具有选择性，引起萃取体系温度分布不均，局部高温引起花青素降解，花青素萃取率下降。萃取体系内介电特性、尺寸及电场强度等因素影响微波能吸收及温度分布，其中介电特性是影响微波萃取过程中微波能吸收和温度变化主要因素。因此物料介电特性受到关注。

介电特性反映处于电磁场中介电材料储存和转化电场能量能力，分别用介电常数和介质损耗因子表示[6-7]。影响物料介电特性因素很多，如物质成分、含盐量[8]、水分含量[9]、可溶性固形物含量[10]和脂肪含量[11]等均对介电特性有一定影响。根据介电特性指标变化规律，可分析物料成分、组织、状态等[12]。朱新华等研究果蔬[13-15]、谷物[16]、蛋类、奶制品和肉类[17]等介电特性指标，以提高物料微波加工适应性。

在微波萃取过程中，存在萃取体系内微波能吸收和转化机理不清、温度分布不均热，局部高温改变活性成分等问题，制约微波萃取工艺推广和获取。研究微波萃取体系介电特性指标变化规律，可分析和解决微波萃取过程中微波能利用问题。

本文以蓝莓为研究对象，研究微波萃取过程中微波强度、萃取时间、乙醇浓度和料液比4个参数对萃取液介电特性影响，建立萃取体系介电特性指标模型；解析萃取体系微波能吸收规律；分析微波萃取蓝莓中花青素体系内温度与压力变化规律。为提高蓝莓微波萃取工艺萃取率、降低有效成分降解率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

蓝莓购自东北农业大学园艺学院，挑选颜色鲜艳、成熟度均一新鲜蓝莓，除杂清洗后，置于冰箱中冷藏备用。

1.2 样品制备

制作流程见图1。

图1 原料前处理流程Fig.1 Flow of brforehand treated

1.3 方法

1.3.1 介电常数和介电损耗因子测定

准确称取（2.0000±0.0005）g蓝莓粉末置于微波萃取器中，加入试验设定体积和浓度乙醇溶液，蓝莓粉末在乙醇溶液中溶解均匀后将微波萃取器置于微波工作站中（加拿大，FIOS公司）。在试验设定微波萃取时间和功率条件下萃取，并用光纤传感器（加拿大，FIOS公司）实时监测萃取体系中温度、压力变化。在萃取结束后立即取出微波萃取器，将萃取液放在射频网络分析仪上（美国，安捷伦公司）测定萃取液介电特性。然后用紫外分光光度计（LAMBDA35，美国Perkin Elmer公司）测定萃取液OD值，并计算花青素萃取率和降解率。

介电特性利用矢量网络分析仪及85070E末端开放式同轴探头（美国，安捷伦公司）、测试软件和计算机组成同轴探头测试系统。测量前，首先机器开机预热1 h，依照标准程序校正仪器，分别使用空气、短路块、25℃去离子水（电导率＜1ms·cm-1）校正测试探头，测量去离子水在25℃下ε'和ε"是否接近标准值，若差异较大则重新校准。为防止干扰，校准后，探针和线缆应保持固定。测量时，待微波辅助萃取结束后，快速从微波工作站中取出微波容器，将盛有萃取液微波萃取容器置于矢量网络分析仪探头下，充分浸入萃取液，保证探头端面无气泡时测试数据，在电脑中记录所测介电常数和介电损耗因子，试验期间环境温度保持22～25℃。

1.3.2 花青素萃取率测定

采用低浓度香草醛-盐酸法[18]测定萃取液中花青素量。方法如下：准确移取1.0 mL萃取液置于10mL比色管中，向比色管中加入5mL显色液（A液为1%香草醛溶液，B液为8%盐酸溶液，A：B= 1：1，显色液现用现配），混匀后置于30℃恒温水浴锅中，保温30min（避光）。待反应结束后使用紫外-可见分光光度计测定反应液在500 nm处吸光值，利用标准曲线拟合出标准方程y=1.612x-0.0485[19]（决定系数R2=0.9989）计算萃取液中花青素含量。该方法可快速测定萃取液中原花青素总量，显色稳定，结果精度高。

1.3.3 花青素降解率测定

为得到微波辅助萃取蓝莓花青素降解率数据，测定试验残渣中花青素残留率。收集萃取后全部果渣，置于50mL锥形瓶中，加入一定量体积乙醇溶液，置于25℃、50 r·min-1水浴振荡器中继续萃取，3 h后取出溶液，室温下抽滤，得到第1次萃取液，回收第1次抽滤后果渣，加入一定量乙醇溶液，重复上述操作多次萃取，直至果渣呈白色，不含花青素为止，将多次萃取后滤液合并，分光光度计测定果渣中花青素含量，即为花青素残留率，根据公式（1），计算得到微波辅助萃取过程中花青素降解率。

1.4 试验设计

在预备试验和前人研究基础上[20]，选择微波辅助萃取主要工艺参数：微波强度x1、萃取时间x2、乙醇浓度x3、料液比x4为试验因素，以介电常数y1、介电损耗因子y2、花青素得率、花青素降解量、萃取体系温度和压力作为响应指标，采用四因素五水平二次正交旋转中心组合优化试验方法。试验因素水平编码见表1。

表1 试验因素水平编码表Table 1 Coded and actual value of factorsand levels

1.5 数据处理

本试验采用Design Expert6.0（SAT-EASE,Inc., Last September,UK）软件处理介电参数，origin 8.0（DA,Inc.,Massachusetts,US）软件处理萃取过程中时间与温度、压力数据。每组试验均重复取样3次，取平均值。

2 结果与分析

以介电常数、介电损耗因子、花青素得率、花青素降解量、萃取体系温度和压力为响应指标，中心组合试验结果见表2。

2.1 回归模型建立与显著性分析

利用Design Expert6.0软件对介电常数和介电损耗因子试验值作回归分析（剔除模型中不显著项），得到回归方程为：

式中：y1为介电常数；y2为介电损耗因子；x1为微波强度（W·g-1）；x2为萃取时间（s）；x3为乙醇浓度（%）；x4为料液比（g·mL-1）。

表2 中心组合试验设计和结果Table 2 Center combination experimen tal design and resu lts

用P检验法检验回归方程，介电常数和介电损耗因子回归模型失拟项（P＞0.05），失拟项不显著。介电常数和介电损耗因子回归模型极显著（P＜0.01）。说明试验获得数学回归模型与试验结果拟合良好，自变量与响应值之间关系显著。

2.2 微波强度和乙醇浓度对蓝莓萃取液介电常数影响

在料液比1：30和萃取时间50 s水平下，分析微波强度和乙醇浓度交互作用对蓝莓萃取液介电常数影响。

由图2可知，当乙醇浓度一定时，随着微波强度增加，萃取液温度快速升高，萃取液热运动加快，阻力减小，极化作用增强，花青素萃取越充分。花青素属类黄酮化合物，基本结构中包含大量极性羟基[21]，花青素带有电荷极性分子，极性分子溶于萃取剂中，萃取液极性增强，萃取液介电常数增大。微波强度一定时，随乙醇浓度增加，萃取剂中蒸馏水含量减小，由于水比热高于乙醇，乙醇浓度越高，萃取液吸收微波能越少，花青素扩散阻力大，偶极子极化较弱，萃取液中极性分子含量降低。因此随乙醇浓度增加，萃取液介电常数降低。

图2 微波强度和乙醇浓度交互作用对介电常数影响Fig.2 Effectsof the interaction betweenm icrowave intensity and ethanol concentration on the dielectric constant

2.3 微波强度和料液比对蓝莓萃取液介电常数影响

在乙醇浓度为50%和料液比为1：30水平条件下，分析微波强度和料液比交互作用对蓝莓萃取液介电常数影响。

由图3可知，料液比较低时，随着微波强度增加，花青素萃取量增加，萃取体系极性分子多，极性增强，介电常数增加。在料液比较高时，随微波强度增加，介电常数变化不明显。当微波强度处于低水平时，随着料液比增加，萃取液体积增加，吸收微波能能力增加，萃取液中花青素含量增加，介电常数增大。当微波强度较高时，随料液比增加，萃取液温度迅速升高，高温导致花青素大量降解，萃取液极性分子减少，因此介电常数随料液比增加而降低。

图3 微波强度和料液比交互作用对介电常数影响Fig.3 E ffectsof the in teraction betw een them icrowave intensity and the ratio of the solid to liquid on the dielectric constant

2.4 萃取时间和乙醇浓度对蓝莓萃取液介电常数影响

在微波强度为150W·g-1和料液比为1：30水平条件下，分析萃取时间和乙醇浓度交互作用对蓝莓萃取液介电常数影响，结果见图4～6。

由图4～6可知，当乙醇浓度一定时，随着萃取时间增加，萃取液温度和压力逐渐增加，微波诱导产生压力水平取决于溶剂产生蒸气压。在一定温度下，蒸气压与产生压力正相关。

克劳修斯-克拉贝龙方程可以表征萃取体系处于稳定条件下内部压力与温度关系，如方程（4）所示[22]：

由式（4）可知，温度与压力正相关，因此蓝莓颗粒内部温度升高，压力增大。当压力超过细胞壁承受能力时，细胞壁破裂，存在温度和压力耦合作用，共同促进蓝莓颗粒内部花青素从细胞中扩散，使萃取液中花青素含量增加[23]，极性分子增多，吸收微波能能力增强，介电常数增大。当萃取时间一定时，随着乙醇浓度增加，萃取剂中蒸馏水含量减小，因水比热比乙醇大，乙醇浓度越高，萃取液吸收微波能越少，萃取液温度越低，极性分子含量越低。因此随乙醇浓度增加，萃取液介电常数降低。

图4 萃取时间和乙醇浓度交互作用对介电常数影响Fig.4 Effectsof the interaction between extraction time and ethanol concentration on the dielectric constant

图5 乙醇浓度和萃取时间对萃取液温度影响Fig.5 Effectsof ethanolconcentration and extraction timeon theextraction tem perature

图6 乙醇浓度和萃取时间对萃取液内部压力影响Fig.6 Efectsof ethanol concentration and extraction time on the internalpressureofextract

2.5 萃取时间和微波强度对蓝莓萃取液介电损耗因子影响

在乙醇浓度为50%和料液比为1：30条件下，分析萃取时间和微波强度交互作用对蓝莓萃取液介电损耗因子影响。

由图7～9可知，当萃取初期，随着微波强度增加，萃取液温度升高，压力增大，萃取液黏度下降，极性分子运动增强，导致微波下萃取液电导率增加，将微波能转化成热能能力增强。因此，介电损耗因子逐渐增加。当萃取时间处于高水平时，随着微波强度增加，微波辐射作用导致热量积累，温度升高。

根据阿伦尼乌斯方程，微波萃取条件下花青素降解量与萃取体系温度关系方程[24]，如方程（5）所示：

由式（5）可知，萃取温度越高，时间越长，花青素降解量越大，萃取体系花青素含量降低，吸收和转化微波能能力降低，介电损耗因子降低。当微波强度处于低水平时，介电损耗因子随着萃取时间延长而缓慢增加，由于微波强度处于低水平，随着萃取时间增加，萃取液温度逐渐升高，介电损耗因子增加。当微波强度处于高水平时，萃取液温度升高，介电损耗因子降低，对微波能吸收和转化能力降低。

图7 萃取时间和微波强度交互作用对介电损耗因子影响Fig.7 Effectsof interaction between extraction timeand m icrowave intensity on dielectric loss factor

图8 微波强度和萃取时间对萃取液温度影响Fig.8 Effectsofm icrowave intensity and extraction timeon theextraction

图9 微波强度和萃取时间对萃取液压力影响Fig.9 Effectsofm icrowave intensity and extraction timeon theextraction pressure

图10 萃取时间和料液比交互作用对介电损耗因子影响Fig.10 Effectsof interaction between extraction timeand the solid to liquid ratio on dielectric loss factor

图11 料液比和萃取时间对萃取液温度影响Fig.11 Effectsof the solid to liquid ratio and extraction timeon extraction tem perature

图12 料液比和萃取时间对萃取液压力影响Fig.12 E ffectsof the solid to liquid ratio and extraction timeon theextraction pressure

2.6 萃取时间和料液比对蓝莓萃取液介电损耗因子影响

在微波强度为150W·g-1和乙醇浓度50%条件下，分析萃取时间和料液比交互作用对蓝莓萃取液介电损耗因子影响。

由图10～12可知，当料液比较低时，随着萃取时间增加，介电损耗因子变化不显著，当料液比较高时，随萃取时间增加，萃取液温度缓慢升高，压力逐渐增加，温度影响萃取液中花青素内部结构和分子运动同时影响极化强度和极化时间，缓慢升温使偶极子热运动增强，极化程度增大，损耗较小。因此，介电损耗因子逐渐降低。当萃取时间一定时，随着料液比增加，扩散面浓度梯度、花青素萃取量增加，萃取体系极性分子、吸收和转化微波能能力增强，因此介电损耗因子逐渐增加。

3 萃取体系微波能吸收模型

本试验在微波工作站中进行微波辅助萃取，根据能量守恒定律，萃取过程中物料吸收微波能主要用于萃取体系温度上升和向外热传递所需能量，而不考虑溶剂水分蒸发所需能量。

设萃取体系温度上升为Q1，如式（6）所示[25]：

对方程（14）用SigmaPlot12.5软件作数据分析，结果如图13所示。

在微波输出功率与体积热之间存在一定差异，即以某功率输出微波能否完全被萃取体系吸收，若输出功率N倍被萃取体系全部吸收，则体积热可以有式（9）计算：

式中，Q—体积热（W · m-3）；N—微波吸收系数；P—微波额定功率（W）。

萃取体系吸收微波能值与蓝莓在萃取过程中介电常数和介电损耗因子显著相关，为反应微波能整体利用率，定义N 为微波吸收系数，等于物质吸收微波能与入射微波能比值，其表达式（10）所示：

其中：

ε'=46.15+0.74x1-9.39x3-0.58x22-0.9432-0.66x42+ 0.84x1x3-0.78x1x4+0.86x2x3

ε"=12.29-1.65x1-2.61x2+0.41x4-0.53x32+0.61x42-0.67x1x2-0.47x2x4

x1—微波强度（W·g-1）；x2—萃取时间（s）；x3—乙醇浓度（%）；x4—料液比（g·mL-1）。

由式（11）可计算出不同萃取条件下，萃取体系吸收微波能，而微波能在萃取体系内沿着传递方向x衰减，由式（12）可计算出萃取体系内微波能布量Q3[26]。

由试验条件下测得介电常数、介电损耗因子与通过式（11）计算体积热Q数据拟合，得到方程如（14）所示：

图13 介电常数和介电损耗因子对萃取体系微波能吸收影响Fig.13 Effectsof dielectric constantand dielectric loss factor onm icrowaveenergy absorption theextracts

由图13可知，介电常数和介电损耗因子显著影响微波萃取过程产生体积热，介电常数和损耗因子与体积热正相关，原因是萃取体系介电常数越大，萃取体系极性分子越多，而极性分子正、负电荷中心不重合，在外加电场作用下，每个分子均受力矩作用，使偶极子转动并取向外电场方向，在电磁场频率高达108数量级，极性分子反复被极化，极化作用越强，极性分子储存能量越多。由于分子热运动、相邻分子之间相互作用和极性分子变极效应，产生摩擦作用，使极性分子获得能量，以热能形式表现，单位体积极性分子吸收微波能能力为PV=2πfε0εr′′||E2，因此极性分子越多，介电损耗因子越大，吸收微波能力越大[27-28]。由试验条件下测得介电常数、介电损耗因子与萃取体系内温度数据拟合，得到方程如（15）所示：

对方程（15）用SigmaPlot12.5软件作数据分析，

图14 介电常数和介电损耗因子对萃取体系温度影响Fig.14 Effectsof d ielectric constant and dielectric loss factor on the tem peratureof extraction system

由图14可知，介电常数和介电损耗因子与萃取体系温度正相关。介电常数越大，萃取体系极性分子越多，吸收微波能越大。介电损耗因子越大，将吸收微波能转化成热能能力越强，萃取体系内温度越高。高温促进蓝莓颗粒内溶剂蒸发，产生压力，温度越高，压力继续增大。压力和温度作为传质推动力，共同促进花青素有内向外扩散。由克劳修斯-克拉贝龙方程：lgp=-B，验证表征萃取体系处于稳定条件下内部压力与温度呈正相关关系。因此，介电常数与损耗因子与萃取体系压力正相关。

4 结论

微波强度、萃取时间、乙醇浓度、料液比对蓝莓萃取液介电常数和损耗因子影响显著；介电常数越大，萃取体系吸收微波能越多，损耗因子越大，将微波能转化为热能能力越强，萃取体系温度越高，蓝莓颗粒内溶剂蒸发，产生压力越大。通过改变萃取体系介电特性，控制微波能吸收量，避免萃取体系温度分布不均，可降低因萃取体系局部高温引起的花青素降解问题。

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Changes of tem perature and p ressure in the extraction of anthocya⁃nins from blueberry by m icrowave/

XUE Hongkun,LIQingyan,HAN Lingyu,SUN Yu, ZHENG Xianzhe
(Schoolof Engineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin 150030,China)

The aim of this study was to improve the utilization ofm icrowave extraction system and analyze the changes of tem perature and pressure in the extraction system.Blueberry powderwas used as raw materialand the two orthogonal rotation center combination design was used in this study,the effect of m icrowave intensity,extraction time,ethanolconcentration and solid-liquid ratio on the dielectric properties of the blueberry extraction system was studied.The changes of dielectric properties were analyzed,and the regression model between the dielectric properties and the m icrowave extraction conditions were established.Changes of temperature and pressure and absorption ofm icrowave energy in extraction system were analyzed based on the changes of dielectric properties.The results showed that the m icrowave intensity,extraction time,ethanol concentration and solid-liquid ratio had significant effects on the change of dielectric constant and dielectric loss factor.The dielectric constant and dielectric loss factor are positively correlated w ith the absorption ofm icrowave energy and the temperature,pressure in the extraction system. This study provided the valuable guidance for the optim ization of m icrowave extraction technology ofanthocyanin from blueberry.

blueberry;m icrowave-assisted extraction;dielectric property;anthocyanin;temperature; pressure

TQ914；O658.2

A

1005-9369（2017）04-0069-10

时间2017-4-24 6:20:13[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170424.0620.018.html

2016-10-16

国家自然科学基金项目（31571848，31271911）

薛宏坤（1988-），男，博士研究生，研究方向农产品加工与贮藏。E-mail:1657956529@qq.com

*通讯作者：郑先哲，教授，博士生导师，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail:zhengxz@neau.edu.cn