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）

射流-撞击流溶液空化将文丘里管式空化器底部添加挡板，有利于压力增大，为空化泡破裂更有利创造条件，同时将改进文丘里管式空化器浸没到溶液内部，充分利用溶液空化效应，提高空化提取效果。

超声空化由超声波（声波频率高于20 000 Hz），在液体介质中传播，造成液体内部压力局部升高或降低，在低压区空化泡开始生成、长大，高压区空化泡溃灭，产生高压、高温、高冲击压喷射流、冲击流、湍流、局部高剪切力的现象[1]。超声波-射流-撞击流溶液空化效应能够破坏细泡组织、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，从而提高物质提取效率。

柚子皮是柚子外皮，占柚子大部分比例，柚子皮中含有蛋白质、人体必需的矿质元素、抗氧化性物质（维生素C、原花青素）及多种营养物质，可以清除血液中自由基降低血脂、促进伤口愈合。柚子皮大部分被废弃，浪费资源，为了拓展柚子皮在食品、化妆品、饲料等行业应用，需要对于其含有物质及提取工艺进行理论研究[2-3]。原花青素是抗氧化最强的天然物质，抗氧化能力是天然维生素E的50倍，结构当中含有多个与双键共轭的酚羟基，使得电子分布的更加均匀，分子结构更加稳定，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，在通过树脂吸附性的差异进行吸附分离，得到原花青素[4-9]。提取工艺中一般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。

试验利用超声波-射流-撞击流溶液空化协同装置，提取柚子皮中原花青素，通过响应面法优化提取工艺，定量测定柚子皮中原花青素的含量，为柚子皮在食品、化妆品、饲料等行业中的应用及产业化提供工艺、技术、设备等理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

柚子皮（河北衡水万德福超市）；无水C2H5OH（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；CH3OH（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；H2SO4（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）。

搅拌电机（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）；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）；JYD-650型超声波发生器（上海之信仪器有限公司）；FW80型高速万能粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；HH-S4型恒温水浴锅（北京市长风仪器仪表公司）；TP-A100型电子天平（金坛市国旺实验仪器厂）；600Y-Ⅱ型多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司）；AR1140-1型离心机（上海安亭科学仪器厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 超声波-射流-撞击流溶液空化反应设备

超声波-射流-撞击流溶液空化提取装置，将以往水力空化仪主要部件（3）从循环管路，直接浸没到搅拌反应器中，减少循环管路，减少水力空化效应的减损，降低循环过程的能量、物质消耗。另外文丘里管式水力空化器底部设置挡板，有利于水力空化过程中空化泡的溃灭，供提高水力空化效率，挡板形成的冲击流直接和超声波发生器形成的超声空化能量场相遇，强化提取过程。过程中水力空化压力由电机功率改变液体流速而变化。通过设计改造形成超声波-射流-撞击流溶液空化装置，强化空化效应。

图1 超声波-射流-撞击流溶液空化反应设备

1.2.2 标准曲线的确定

精确称取0.050，0.045，0.040，0.035，0.030和0.025 g原花青素标准品，用甲醇充分溶解并且用50 mL定容，摇匀冷藏待用。依照香草醛-盐酸法[10]，利用紫外分光光度计测定配置的一系列标准品溶液500 nm处的吸光度，根据测定数值，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线，对绘制曲线进行拟合得到标准方程：y=0.451 4x-0.035 6，R2=0.999 6。

1.2.3 改进水力空化-超声波协同提取柚子皮中原花青素的工艺流程

把新鲜干燥柚子皮用多功能粉碎机粉碎成细粉，过100目筛子，利用真空袋低温保存，待用。按照试验中确定的在射流-撞击流空化压力（MPa）、液料比值（mL/g）、协同空化时间（min）、温度（℃）、超声波功率（W）、乙醇体积分数（%）因素水平进行提取试验，利用紫外-可见分光光度计测量溶液对波长500 nm的吸光度，根据标准曲线，计算求得提取液原花青素浓度，根据得率公式计算得率。

1.2.4 柚子皮中原花青素得率的计算方法

利用1 mL吸量管精准吸取1 mL柚子皮中原花青素提取液，转移至烧杯中待用，分别加入1%香草醛-甲醇溶液5 mL与30%浓盐酸-甲醇溶液5 mL，在烧杯中混合均匀然后在30 ℃水浴中恒温反应30 min，将溶液稀释至合适体积利用紫外分光光度计在500 nm处测定吸光度，根据1.2.2中确定的标准曲线计算稀释后溶液浓度，利用式（1）计算得率。

式中：V为提取后最终体积，mL；C为根据标准曲线计算得到的质量浓度，mg/mL；n为提取液稀释倍数；W为提取时加入干燥柚子皮的质量，g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声波功率对柚子皮中原花青素得率的影响

在射流-撞击流空化压力0.15 MPa、乙醇体积分数50%、协同空化时间15 min、液料比值30 mL/g、温度45 ℃条件下，对超声波功率影响柚子皮中原花青素提取进行研究，结果如图2所示。随着超声波功率逐步增加，原花青素得率逐步升高，功率400 W时得率最大，为11.06 mg/g。功率继续增大得率开始降低。超声波功率的增大会增加超声空化效应，增加提取体系中自由基的含量，自由基会与原花青素反应，造成原花青素得率下降。

图2 超声波功率对得率的影响

2.1.2 射流-撞击流空化压力对柚子皮中原花青素得率的影响

在超声波功率400 W、乙醇体积分数50%、协同空化时间15 min、液料比值30 mL/g、温度45 ℃因素水平下进行试验，对射流-撞击流空化压力对柚子皮中原花青素得率的影响进行分析与探讨，结论如图3所示。伴随空化压力逐步升高，柚子皮中原花青素得率也逐渐增大，空化压力0.2 MPa时得率出现最大值为11.08 mg/g，空化压力提升，得率出现下降趋势。原因可能是水力空化压力越大，空化效应越强，柚子皮中阻碍原花青素提取的因素被破坏越多，得率会逐步升高，但是空化效应增强还会带来自由基的增多，引起原花青素减少，会出现得率下降趋势。

图3 射流-撞击流空化压力对得率的影响

2.1.3 乙醇体积分数对柚子皮中原花青素得率的影响

在超声波功率400 W、射流-撞击流空化压力0.2 MPa、协同空化时间15 min、液料比值30 mL/g、温度45 ℃条件下，研究乙醇体积分数对柚子皮中原花青素得率的影响，影响趋势如图4所示。

乙醇体积分数得增大，使得柚子皮中提取的原花青素增加，得率升高。体积分数增大到60%左右，得率出现极值11.03 mg/g，继续增加乙醇在提取液中所占比重，得率开始降低。乙醇的加入增加提取溶液极性，为原花青素析出创造有利条件，但是乙醇在空化效应作用下产生自由基更容易、更多，所以得率有先增加后降低趋势。

图4 乙醇体积分数对得率的影响

2.1.4 超声波-射流-撞击流空化时间对柚子皮中原花青素得率的影响

在超声波功率400 W、射流-撞击流空化压力0.2 MPa、乙醇体积分数60%、液料比值30 mL/g、温度45℃水平条件下进行试验，探讨空化时间与原花青素得率之间的关系，变化趋势如图5所示。伴随协同空化时间增加，原花青素得率先增大，达到极值后逐步降低。随着协同空化时间增加，空化效应增强原花青素析出逐渐增多，得率增大，同时随着空化效应会使得溶液中自由基数量增加，同时直接破坏原花青素结构，造成得率降低。

图5 超声波-射流-撞击流空化时间对得率的影响

2.1.5 液料比值对柚子皮原花青素得率的影响

在超声波功率400 W、射流-撞击流空化压力0.2 MPa、乙醇体积分数60%、协同空化时间25 min、温度45 ℃因素水平条件下进行试验，试验结果所得协同空化时间与得率关系变化趋势如图6所示。随着液料比值增加，得率起初逐步增大，在液料比值35 mL/g时得率出现最大值，为11.08 mg/g，继续增大液料比值，得率曲线变化平缓。液料比值增加为原花青素的溶解提供充分空间，液料比值越大溶解的原花青素越多，但是工艺条件下能够析出原花青素是相对确定的，因此随着液料比值的增大得率会出现极值，继续增大略微会有所下降。

图6 液料比值对得率的影响

2.1.6 温度对柚子皮中原花青素得率的影响

在超声波功率400 W、射流-撞击流空化压力0.2 MPa、乙醇体积分数60%、协同空化时间25 min、液料比值35 mL/g条件下进行研究，试验结果如图7所示。温度在40～50 ℃，得率稳步提高，50 ℃出现极值，继续升高温度，得率出现降低趋势。温度升高会使体系中各物质分子动能增加，增加原花青素析出量，但是温度升高会使得自由基、杂质增多，原花青素结构被破坏增多，因此得率会有降低趋势。

2.2 响应面优化柚子皮中原花青素提取工艺

2.2.1 响应面试验

在单因素试验基础上，确定液料比值35 mL/g，温度50 ℃，选取原花青素得率为响应值Y，超声功率（X1）、射流-撞击流空化压力（X2）、乙醇体积分数（X3）、协同空化时间（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。

图7 温度对得率的影响

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试验结果如表2，试验结果回归分析如表3。

通过拟合回归处理数据得到拟合函数模型：Y=11.186 67+0.222 75X1+0.253X2+0.141 167X3+0.173 25X4-0.888 542X12-0.236 5X1X2-0.027 5X1X3-0.189 75X1X4-0.925 667X22-0.376 75X2X3-0.156 75X2X4-0.961 417X32+0.068 75X3X4-0.586 042X42。

由表3回归分析可以看出，建立的预测模型（p＜0.000 1＜0.05），另外R2=99.66%说明该模型能够精确模拟99.65%的响应面值，失拟项不显著（p=0.725 0＞0.05），说明预测模型和预测情况拟合性充分，真实反应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

根据响应面优化得到的数学模型，对模型公式进行极值求解得到X1、X2、X3、X4理论最优工艺参数：超声功率408 W、射流-撞击流空化压力0.22 MPa、乙醇体积分数60.5%、协同空化时间26 min。结合响应面及单因素试验得到最佳工艺为：液料比值35 mL/g、温度50 ℃、超声功率405 W、射流-撞击流空化压力0.22 MPa、乙醇体积分数60.5%、协同空化时间26 min。在最优工艺条件下进行3次实际试验验证，得率分别为11.325，11.326和11.327 mg/g，得率平均值为11.326 mg/g，将试验得到的平均得率与优化数学模型得到的计算得率极值进行误差分析，相对误差较小，拟合函数模型可信度高。

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-射流-撞击流溶液空化提取柚子皮中原花青素优化工艺条件为：液料比值35 mL/g、温度50 ℃、超声功率405 W、射流-撞击流空化压力0.22 MPa、乙醇体积分数60.5%、协同空化时间26 min。经实际试验对最优条件进行验证，计算所得得率为11.326 mg/g。与理论计算极值相对误差较小，拟合函数模型可信度高。试验为柚子皮在食品、化妆品、饲料等行业中的应用及产业化提供工艺、技术、设备等理论支持。