微波诱导压力强化萃取蓝莓花青素的机理、特性与工艺研究

发布时间：2020-05-20 14:13

【摘要】：蓝莓中花青素具有较高的营养、保健和药用价值,市场认知度高,需求量大。因此,对蓝莓花青素提取工艺的研究显得十分必要。微波作为一种高效、环保、过程易控制和节约成本的提取手段,已经广泛应用于天然产物的提取。但微波辅助萃取(Microwave-assisted extraction,MAE)由于电磁场分布不均和物料特性等诸多因素的影响,使得萃取液温度分布不均,局部高温导致花青素降解,降低了蓝莓的营养价值。针对该问题,本课题拟从获得高得率和低降解率花青素角度出发,首先,建立萃取条件与萃取液介电特性的数学模型,分析萃取条件对萃取液介电特性的变化规律,同时建立MAE过程中的仿真模型,分析蓝莓萃取液内部传热、传质和微波能吸收规律;其次,基于电磁场、固体传热和固体力学理论,建立微波压力作用下蓝莓细胞壁破裂多物理场耦合的数学模型,进而分析微波强化萃取蓝莓花青素的本质原因;再次,依据Fick第二定律建立MAE花青素获取和降解的同步模型,揭示蓝莓花青素在微波作用下的传递机理;最后,在以上理论研究的基础上,研究MAE蓝莓花青素的提取和纯化工艺、花青素结构鉴定及体外抗氧化活性。基于上述研究内容,研究结论主要从花青素的萃取机理、特性(萃取、纯化和抗氧化)及工艺(萃取和纯化)三方面进行归纳,具体结论如下:(1)在机理方面,首先依据所建立介电特性的变化模型,得出试验因素(微波强度、萃取时间、乙醇体积分数和料液比)均能显著影响萃取液介电常数和介电损耗因子;其次,通过建立MAE过程中的仿真模型,研究发现在萃取容器中心处有最大的微波能吸收,温度由容器中心向边缘呈降低趋势;通过台架试验得出萃取花青素的临界温度为50℃℃,在高于50℃℃花青素降解起主导作用,低于50℃℃花青素获取起主导作用。然后,建立微波作用下压力破裂蓝莓细胞壁多物理场耦合的数学模型,通过对比细胞内模拟温度与试验温度及电镜观察模型所预测破壁点时细胞微观结构,以验证该模型的合理性和可靠性;依据所建立的模型,发现细胞内压力和应力变化均呈现由内向外逐渐降低的趋势,从受力云图发现正六棱柱细胞的破裂危险点先出现在端面中心处,后出现在正六棱柱棱上。最后,建立MAE过程中能同时表征花青素获取和降解的同步模型,研究发现萃取动力学常数和降解动力学常数均随萃取温度升高而增大,而随料液比增加均呈现先增加后降低的趋势。(2)在特性方面,通过萃取花青素特性研究发现,花青素萃取率随萃取温度和萃取时间增加均呈现先增加后降低趋势,而随料液比增加呈现先增加后趋于平稳趋势。花青素的纯化特性研究表明,随上样流速、上样液浓度和上样液pH增加,AB-8大孔树脂对花青素吸附率均呈现先增加后降低的趋势;随洗脱剂浓度、洗脱流速和洗脱流速pH增加,AB-8大孔树脂对花青素解吸率均呈现先增加后降低的趋势。花青素的抗氧化特性结果表明,纯化前花青素粗提物(A00)和经AB-8大孔树脂-Sephadex LH-20联用纯化后获得的花青素组分飞燕草素-3-葡萄糖苷(A3)和矢车菊素-3-葡萄糖苷(A4),其对抑制脂质过氧化和DPPH自由基清除率的 IC50分别为 0.77±0.02、0.34±0.02、0.42±0.01 mg/mL 和 0.40±0.01、0.16±0.01、0.18±0.01 mg/mL,对 ABTS+和 OH 自由基清除率的 IC50 分别为 117.32±3.59、64.16± 1.33、85.18±2.01 mg/mL 和 0.58±0.02、0.29±0.02、0.34±0.01 mg/mL,对α-葡萄糖苷酶抑制率的 IC50 分别为8.51±0.12、4.81±0.15、6.40±0.28 mg/mL。(3)在工艺方面,首先采用遗传算法优化得到变功率微波萃取蓝莓花青素工艺参数组合为:第I阶段微波功率870 W、转换点温度36℃、第Ⅱ阶段微波功率为400 W,花青素萃取率和降解率分别为85.19%和6.69%,并建立该模式下相似准则模型,利用该模型可将萃取工艺推广到更大型的微波萃取设备中。然后,在最佳提取工艺基础上,所得AB-8大孔树脂的纯化工艺为最佳吸附条件:上样流速1.0 mL/min、蓝莓花青素浓度1.0 mg/mL、pH 3.0,最佳解吸条件:洗脱剂乙醇浓度60%、洗脱剂流速1.0 mL/min、pH 3.0;花青素纯度从4.58%增加到45.62%,再经Sephadex LH-20进一步纯化,花青素纯度又提高了 45.34%,得到两种花色苷:飞燕草-3-葡萄糖苷(含量35.82 mg/100g、纯度90.55%)和矢车菊-3-葡萄糖苷(含量41.06mg/100g、纯度91.37%)。最后,经HPLC-ESI/MS鉴定,得出蓝莓粗提液中具有13种花青素组分:飞燕草素-3-半乳糖苷、飞燕草素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-半乳糖苷、飞燕草素-3-阿拉伯糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷、牵牛花素-3-半乳糖苷、矢车菊素-3-芸香糖苷、牵牛花素-3-葡萄糖苷、芍药素-3-(6-丙二酰)-葡萄糖苷、牵牛花素-3-阿拉伯糖苷、芍药素-3-葡萄糖苷、锦葵素-3-半乳糖苷和芍药素-3,5-二已糖苷。本研究揭示了微波辅助萃取蓝莓花青素传热传质、微波能吸收、压力破裂细胞壁的机理,解析了花青素萃取、纯化和抗氧化特性,优化得出高得率、低降解率的萃取工艺,研究结果可为高附加值浆果中活性成分的高效提取和纯化提供依据。
【图文】：

示意图,萃取过程,示意图

同时产生的压力能有效破裂植物细胞壁，显著降低目标成分在细胞内的传质阻力［３９】。另逡逑外微波萃取过程具有热质传递同向的特点，进一步说明微波具有萃取效率高的特点。两种萃逡逑取过程的示意图如图１－３所示。与传统的萃取方式相比，微波萃取具有以下优点：（１）微波逡逑加热具有较强的选择性，提取量大，获得产品的纯度较高；（２）萃取时间较短，，提取效率较逡逑传统萃取方式提高了邋２？３倍［４１逦（３）升温迅速，可以避免长时间的高温导致热敏性成分降逡逑解；（４）溶剂消耗量较低，节能环保；（５）投资小，操作方便，过程易控制。但是微波也逡逑具有一定的局限性，制约着这种先进技术的推广。微波的局限性有：（１）在植物活性成分提逡逑取过程中，所用的溶剂必须要有较大的极性，否则溶剂不吸收微波能或吸收较少的微波能，逡逑造成资源浪费和损耗微波设备；（２）在萃取体系中由于各分子极性不同，极性强的分子吸收逡逑较多的微波能，而弱极性分子吸收较少的微波能，造成萃取体系出现“冷点”和“热点”现逡逑象

模型图,六棱柱,植物细胞,薄壁

细胞壁机理，首先要深入分析植物细胞模型，针对植物细胞模型，国内外学者先后提出了二逡逑维六边形模型、三维多面体模型、三维封闭的球形模型、无固定的弹性缆索模型及三维薄壁逡逑六棱柱模型。付志一等［６６］研究发现植物细胞最符合三维薄壁六棱柱模型，如图１－４所示。通逡逑过观察该模型的横截面发现，横截面属于二维正六边形模型，纵向为柱状紧密相连，每个细逡逑胞都充满不可压缩的细胞液。因此，可以忽略植物细胞的渗透作用，同时也可以将植物细胞逡逑壁看作弹性板，仅仅受到平面力的作用。通过对植物细胞三维薄壁六棱柱模型进行研究，基逡逑于大变形理论，对承受外力作用的情况下单个细胞的力学行为进行描述，研究在外力作用时，逡逑细胞的整体应力和变形情况，确定三维薄壁六棱柱模型中应力最大和变形最大的区域，为预逡逑测破裂点提供理论依据。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS255.1

【参考文献】