超声声学效应在酚类物质绿色提取中的作用机制研究

作     者：王鹏旭 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马亚琴

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：超声声学效应 声空化特征 多酚 绿色提取 动态超声 

摘      要：超声波技术如今已应用于食品医药化工等领域包括乳化、冷冻、杀菌、提取及纯化。尤其是在生物活性成分的提取、参数优化(超声频率、温度、时间、占空比、料液比、超声振幅、超声强度、溶剂类型、溶剂浓度、反应器形状和尺寸等)以及多种创新技术的结合(超声波-微波、超声波-瞬时控制压差技术、超声波-超临界流体等)等方面均得取得全面的发展。由于超声波作为机械波的特性极易受到液体介质属性的影响进而影响生物活性成分的提取,然而近年来新开发的绿色溶剂包括深共晶溶剂、生物基溶剂、聚乙二醇系列溶剂虽然已应用于提取,但是各溶剂之间的性质差异会通过影响空化气泡的尺寸、寿命以及类型逆向影响声学效应,那么溶剂性质是如何影响声学效应并未得到进一步探究。其次,生物活性成分的降解在提取中时有发生但是对于降解原因也并未得到详细的调查。因此本文基于超声声学效应,以果蔬中最为常见的酚类物质作为研究对象,引入声学领域中常用的表征技术包括Rayleigh-Plesset方程、声致化学发光、碘量法、量热法以及微形态观察技术全面探究了声学效应对多种绿色溶剂性质的依赖性并分析了酚类物质在提取中的降解行为,并在此基础上初步探讨了逆流动态提取中声化学效应对酚类物质提取的影响。本实验主要的研究结果如下:1.首先以橙皮为原料,利用响应曲面法(response surface methodology,RSM)可视化分析了温度、占空比、料液比对多酚产量的影响(显著性、交互性、主次性)。随后以RSM数据为样本,通过遗传算法-人工神经网络(genetic algorithms-artificial neural network,GA-ANN)对样本数据深度学习优化。结果表明,水相体系中高温(70℃)可有效促进多酚的释放,但是较高占空比却显著造成了多酚的降解。RSM与GA-ANN联用具有更优的预测能力,其优化条件为:温度67℃,占空比1/2,料液比1:25 g/m L。总酚得率为8.21 mg GAE/g,达到80%甲醇水提取量的84%,从而证明了超声辅助水提取多酚的可行性及RSM与GA-ANN联用在优化提取中的有效性;2.在最优参数基础上,进一步分析了绿色溶剂(深共晶溶剂、生物基溶剂、聚乙二醇系列溶剂)的声学效应。通过Rayleigh-Plesset方程分析了气泡行为(气泡寿命、崩塌半径、崩塌压力)、通过鲁米诺分析了声致化学发光现象(产自由基能力),并采用扫描电镜观察了超声处理前后物料表皮的结构以及采用DPPH、FRAP和ABTS测试了提取的多酚的体外抗氧化活性。结果表明:仅仅通过Hansen溶解度参数来预测溶剂的提取能力是行不通的,这是由于溶剂对空化特征的影响尤其是对气泡行为的影响较为显著。气泡崩塌压力与类黄酮的产量存在显著的相关性但是气泡崩塌压力与多酚之间没有显著相关性,这可能是由于类黄酮与酚酸在柑橘皮中的位置不同所致。微观结构分析表明,相对较高的气泡崩塌压力有助于物料表皮的破碎。实验得出绿色溶剂尤其是乳酸乙酯具有很强的提取能力且其提取物具有卓越的抗氧化能力。3.基于超声声学效应的时空动态变化,提出了增强提取中多酚的降解行为。结果表明:超声声化学效应和机械效应受到超声参数的显著影响,通过调控超声参数,可以控制声化学效应和机械效应的发生。例如增加辐射距离(10-50 mm),可以显著抑制自由基的形成并增强机械效应。其次,多酚在超声场下的降解与自由基存在剂量-反应关系,自由基的存在不一定会造成多酚的降解,只有当自由基的浓度达到某一阈值时,降解才会发生。相较于芦丁和矢车菊素-3-葡萄糖苷,咖啡酸显示出了更高的稳定性。降解动力学表明咖啡酸和芦丁遵循零级动力学,矢车菊素-3-葡萄糖苷遵循二级动力学;4.通过相关性分析,发现超声参数引起多酚降解的机理可归因于羟基自由基,不同的超声参数具有不同的产羟基自由基能力,从而在表观上显示出了不同的降解率。同时,在以声学效应的基础上,筛选了声化学效应较为温和的参数条件,进一步分析了提取量与机械效应之间的相关性,结果表明提取量与超声参数之间具有较高的相关性。由此,进一步验证了超声诱导的机械效应和声化学效应在增强提取中所扮演的不同作用;5.在静态超声基础上,探究了动态超声对多酚产量的影响。结果表明,流速的增加的确可以促进碘化钾的氧化以及增强声致化学发光信号,从而增加羟基自由基的产量。就总的趋势而言,流速越大,羟基自由基的产量越高。但是羟基自由基的增加对酚酸和黄酮的产量基本无显著影响,反而,流速的增加显著提升了酚酸的产量。随着流速从25V增加到100V m L/min,酚酸的产量提升了25%。由于流速的增加会增强声化学活性,超声时间和占空比对声化学活性的影响又极为显著,因此占空比和流速以及超声时间和流速之间可能存在协同效应,即二者可以共同促进多酚在提取过程中发生降解。相较于静态超声提取,动态超声提取在15 min时,占空比为2/2时即出现降解行为。因此,在实际提取过程中,应尽可能缩短提取时间,降低占空比,提升流速来促进生物活性成分的提取。