超声波辅助花生壳中提取黄酮工艺的研究

廖建庆， 王 涵， 虞贵财

(宜春学院物理科学与工程技术学院，宜春 336000)

花生是我国重要的食用植物油和休闲食品来源之一，随着花生产量的逐年增长，由此带来的大量花生壳浪费问题愈显突出。研究表明，花生壳中含有丰富的黄酮类化合物、粗纤维、矿物质、可溶性碳水化合物以及部分的氨基酸等有效分[1, 2]。作为具有降低胆固醇、降低血糖血脂，具有抗氧化、抗炎抑菌、预防冠心病等多种药理活性的花生黄酮，其利用价值正逐渐被人们发掘[3]。花生壳黄酮提取方法主要有溶剂提取法[4]、微波辅助提取法[5, 6]、超声波辅助提取法[2, 7]等。超声波辅助提取法由于具有耗时短、易操作、提取温度低、提取效率高等特点，越来越受到广泛关注。由于超声波提取装置本身频率和功能不能精细调节等，超声频率对花生黄酮的提取影响的研究较少，尤其是连续宽频带超声频率对花生黄酮提取的研究鲜见报道。

研究表明，超声波不仅对提取效或生成物在处理液中的浓度与超声波频率高度相关[8]，而且处理对象中的生物物质、细胞种类也与超声波频率高度相关，不同的生物物质、细胞对不同频率的超声波敏感性大不相同[9]。

本实验以超声波频率优化提取装置为依托，采用频率连续可调方法，先将宽频带均匀分割成6个不同的窄频段分配给6个提取槽进行频率的粗搜索，然后将获得的提取率最高的窄频段以同样的方法再次分割成6个微频段并进行频率细搜索，由此最终获得提取效率最高的最优频率。以该最优频率为工作频率，进一步研究其他提取变量对花生黄酮提取率的影响，旨在为进一步开发花生壳黄酮提供工艺技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

花生壳由人工剥离花生得到。芦丁标准品(纯度>98%)，无水乙醇、亚硝酸钠、氢氧化钠、硝酸铝、盐酸等(分析纯)。

1.2 仪器设备

超声频率优化提取装置如图1所示。

图1 超声频率优化提取装置

该装置频带设置为21～93 kHz，是由6组结构完全相同但工作频段不同的提取槽以并联方式串接构成，可以通过总控上位机实时监测各个提取槽中花生黄酮提取率的变化曲线直观地确定最优超声频率。提取方法和步骤见1.3.1。CF16Rx型日立高速离心机，JA2003型分析天平，FZ-102型植物试样粉碎机，721A型分光光度计。

1.3 实验方法

1.3.1 超声波频率优化提取法

1.3.1.1 提取装置频率参数配置

将频带21～93 kHz均匀分割成6段相等的窄频段见表1，分别配置给6组提取槽。

表1 频带21～93 kHz分割配置

1.3.1.2 提取方法和步骤

步骤1：提取装置参数配置完成，配制混合提取溶液，并将花生壳样品注入各提取槽，同时在槽中注入适量的配制好的混合溶液并搅拌均匀，在改变提取条件下依次进行超声波频率优化提取实验。观察总控上位机各提取槽的提取率变化曲线图，确定最优频段，同时判断该频段是否为频带上界，超声频率优化步骤如图2a所示。

图2 超声频率优化步骤

如果是，说明花生黄酮的最优频带恰好为最高频段81～93 kHz内。同时也可能超出该频段，则以超过93 kHz之外频带为对象，用相同方法重新配置提取装置的各提取槽频带并重复实验，直至获得最优频段(不为上界)即可执行步骤2。

步骤2：步骤1结束后，观察花生黄酮提取率变化曲线，可以得到6组提取槽中提取率最大的一组，则表明该组对应的频段提取效果最好。然后以该最优频段作为下一步工作频段，再对其进行频段细分割为图2b所示。

最后，用同相的方法重复实验，最终可以获得提取率最高的最优频率。超声波花生黄酮提取率可以通过提取装置中上位机的实时曲线来表征。实验中，为了保证因实验外部条件(如气压、气温)发生变化对实验产生的影响，实验均在气压为1.013 kPa、室温为28 ℃恒定的实验室内进行。

1.3.2 其他实验方法及分析

对实验涉及的芦丁标准曲线制作、实验设计、数据分析、花生黄酮提取率的测定和计算方法见文献[10]。

1.3.3 索氏提取法

LB-ST-2型索氏提取实验采用索氏提取器，方法及步骤见文献[11]。

2 结果与分析

2.1 最优超声频率的确定与影响分析

2.1.1 超声频段的粗搜索结果及影响分析

在步骤1中，各提取槽频带配置见表1，然后根据实验步骤和方法在超声功率350 W、液料比30∶1、温度40 ℃下超声提取60 min，花生黄酮在超声频带21～93 kHz作用下的提取结果如图3所示。

由图3可见，在1～3号(21～44 kHz)提取槽内，花生黄酮的提取率随着频段的增大而逐渐提高，在4号(57～69 kHz)提取槽内，花生黄酮的提取率达到最大值，之后随着频段的进一步增大，花生黄酮的提取率逐渐降低。因此，频段57～69 kHz确定为花生黄酮提取的最优频段。

同时还发现，在4号(57～69 kHz)提取槽中花生黄酮的最大提取率耗时约40 min，比其他频段作用下的耗时少，其原因可能是该最优频段更接近于花生样品细胞的谐振频率，使得超声空化更加强烈，加速溶质从细胞中释放出来[12]。

2.1.2 超声频段的细搜索结果及影响分析

频段57～69 kHz分割配置见表2，为了进一步获得最优频率和提高花生黄酮的提取率，将频段粗搜索获得的最优频段57～69 kHz按表2均匀分割成6个微小频段分配给6组提取槽，其他提取条件同步骤1，实现在该频段内最优频率的细搜索和频率对提取率的影响分析。

实验结果发现，花生黄酮在2号(59～61 kHz)提取槽内具有最大的提取率，同时2号提取槽提取率达到最大值所需时间比频段粗搜索消耗的时间有小幅减少，表明最优微小频段59～61 kHz更接近于花生样品细胞的谐振频率。因此，微小频段59～61 kHz被确定为提取花生黄酮的最优频段，其中心频率60 kHz确定为最优频率。在接下来所有实验中均以该最优频率60 kHz作为超声波的工作频率，进一步研究其他提取因素对花生黄酮提取率的影响。

图3 花生黄酮在超声频带21～93 kHz作用下的提取结果

表2 频段57～69 kHz分割配置

图4 超声功率对花生黄酮提取率的影响

2.2 超声功率的影响与分析

在超声频率60 kHz、提取温度40 ℃、液料比30∶1下提取38 min，超声功率分别为60、90、120、150、180、210 W时，改进超声波提取法对黄酮提取率的影响如图5所示。

图5 温度对花生黄酮提取率的影响

由图5可见，在超声功率60～150 W作用下，花生黄酮的提取率随着超声功率的提高而逐渐升高，功率为150 W时黄酮的提取率达到最大值，当功率从150 W增大至180 W的程中，花生黄酮的提取率基本恒定不变。这可能是由于在大功率条件下，空化气泡膨胀过大会导致其发生崩塌的强度较弱，即空化效应强度减弱。另外，当功率一直增大至210 W时，黄酮的提取率还出现了小幅下降，可能的原因为：一方面，在较大功率作用下液体介质中过多的气泡会阻碍超声波在液体介质中的传播，由此会减弱超声波对花生组织细胞的作用；另一方面，由于功率越高，液体介质中的温度也会随之升高，由此会进一步加速黄酮的降解反应，降低提取效率。因此，考虑到高功率对黄酮成分的负面影响及功率越高能耗也越大，认为150 W为提取花生黄酮的最合适超声功率。

2.3 温度的影响与分析

为验证改进的超声频辅助提取法(IUAE)的有效性，采用索氏提取法(SE)与IUAE提取法进行了效果对比实验及分析。在超声频率60 kHz、超声功率150 W、液料比30∶1下提取38 min，提取温度分别为20、30、40、50、60、70 ℃时，利用IUAE提取法与SE提取法对黄酮提取率的影响，温度对花生黄酮提取率的影响如图5所示。

由图5可以发现，对于IUAE实验结果，当温度为40 ℃时黄酮提取率就已达到最大值3.95%，而对于SE结果，当温度为40 ℃时黄酮的提取率还较低，只有温度大幅提高至70 ℃时提取率才达到峰值。其可能原因是IUAE方法在温度变量作用下可归因于超声热效应和空化效应，两种效应都跟温度有关。对于热效应，提高温度有助于提高花生黄酮的扩散和溶解，因此有利于黄铜的提取，原因跟SE方法相似。但从空化效应角度来看，温度过高会严重影响空化的强度，因此对黄铜提取率会产生负面的影响。因此，在热效应和空化效应两者之间必然存在一个最佳温度，使得两者达到最佳平衡[13]。因此在IUAE方法中温度对黄酮提取率较敏感。在SE方法中，温度低于70 ℃范围内对黄酮的热效应起到主导作用，虽然较高温度对黄酮可能也会出现少量降解，但降解速度远不及热效应产生的溶质(黄酮)释放速度。当温度进一步提高，此时黄酮的降解速度跟热效应产生的速度基本保持平衡，因此，在60～70 ℃范围内，黄酮的提取率基本保持不变。因此，在最优超声频率60 kHz作用下，40 ℃确定为提取花生黄酮的最佳温度。

2.4 液料比的影响与分析

在超声功率150 W、超声频率60 kHz、温度40 ℃下提取38 min，液料比分别为1∶1、10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1时，利用IUAE与SE提取法对黄酮提取率的影响，液料比对花生黄酮提取率的影响如图6所示。在SE提取法中，液料比在(1～30)∶1内黄酮提取率的增量很小，之后增加显著，当液料比达到40∶1时，黄酮提取率达到峰值，之后又开始小幅回落。对于IUAE提取法，在(1～30)∶1内黄酮提取率增加明显，在液料比为30∶1时，黄酮提取率达到到最大，随后又开始减小。这是因为液料比越高会引起更大的浓度差，在传质过程中浓度差值越大越容易促进黄酮在液体介质中加速扩散，但当浓度差值达到最大时，液料比的增大，会使得溶液到基质内部的扩散距离会拉得过长，从而阻碍黄酮提取率的进一步增加[14]。因此，最佳液料比选择30∶1。

图6 液料比对花生黄酮提取率的影响

另外，用同样的液料比，IUEA提取法的黄酮提取率最大值约为SE提取法最大值的1倍。可见，IUAE提取法较SE提取法有更明显的优势。

2.5 提取时间的影响与分析

在超声功率150 W、超声频率60 kHz、提取温度40 ℃、液料比30∶1下，提取时间分别为20、30、38、50、60、70 min时，利用IUAE与SE提取法对黄酮提取率的影响，提取时间对花生黄酮提取率的影响如图7所示。

图7 提取时间对花生黄酮提取率的影响

由图7可见，IUAE提取法的黄酮提取率达到最大值仅耗时38 min，之后随着提取时间的延长，提取率出现小幅下降趋势。因此，IUAE提取法的最佳提取时间确定为38 min。另外，在SE提取法中，提取率达到最大值的耗时达到60 min，远远超过IUAE提取方法所需时间，且达到峰值后，随着时间的进一步延长，SE提取法的提取率出现明显下降。该现象说明，SE提取法相比IUAE提取法不仅费时，而且提取效率低。这是因为在IUAE提取方法中的固-液传质过程相比SE提取方法快得多。对于IUAE提取方法在提取率达到峰值后又出现微小降幅，可能是因为随着时间的延长提取槽内的溶液温度会小幅上升，使得黄酮出现了降解反应。总之，在对花生壳提取黄酮实验中，在提取时间和提取率等方面IUAE提取法相较于SE提取法均有明显的优势。

2.6 IUAE与UAE提取结果比较

为了进一步验证IUAE提取法的有效性，对IUAE提取法与传统超声波辅助提取法(UAE)进行了对比实验。为实现可比性，IUAE提取法和IUAE提取法在超声功率、提取温度、液料比、提取时间、溶剂浓度等因素保持一致，IUAE提取法的超声频率采用文中确定的最优超声频率60 kHz，UAE提取法的超声波频率采用文献[15]优化得到的频率40 kHz。IUAE与UAE提取方法的结果比较见表3。

表3 IUAE与UAE提取方法的结果比较

由表3可知， IUAE提取方法和UAE提取法的提取率分别为3.95%和3.21%，表明本实验提出的IUAE提取法比传统UAE提取法在相同的提取因素条件下具有高的提取率。

3 结论

以提高花生黄酮提取率为目的，提出了一种改进的超声波辅助提取法(IUAE)，即由两步法通过总控上位机可直观地确定最优超声频率为60 kHz。

以该最优频率为工作频率，通过与索氏(SE)提取法和传统超声波辅助提取法(UAE)对比实验和分析，证明了IUAE提取法的有效性。

通过对各提取因素对花生黄酮提取率的影响和分析，得到最佳提取条件为：超声功率150 W、超声频率60 kHz、液料比30∶1、提取温度40 ℃、提取时间38 min，在此改进工艺下的花生壳中黄酮的提取率为3.95%。