猕猴桃中多酚的提取条件优化及其动力学模型构建

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猕猴桃果汁加工过程中褐变和涩味等一直是困扰企业的重要技术问题,主要原因是非商品化和未完全成熟的猕猴桃被用来生产猕猴桃果汁,导致猕猴桃果汁中含有大量的多酚物质,因此,解决猕猴桃果汁的褐变和涩味问题是猕猴桃果汁行业发展的关键,此外,分离出的多酚物质可被作为保健产品再次利用。另外,猕猴桃果汁加工过程中产生的废弃皮渣中的多酚含量较丰富,对猕猴桃皮渣中多酚物质提取回收并加以利用,既可提高猕猴桃加工企业的生产效益,又可生产出高附加值的抗氧化多酚产品。本研究首先筛选了2种大孔吸附树脂对猕猴桃果汁中多酚的吸附性能,获得最佳树脂并对该树脂的吸附特性、热力学性质及吸附动力学进行了研究;在此基础上,开展了猕猴桃果汁中多酚树脂动态吸附和解析试验,对其试验条件进行优化并对分离得到的多酚成分进行分析鉴定。其次,对猕猴桃皮渣中的多酚成分进行质谱分析,利用Plackett-Burman试验对超声波辅助提取猕猴桃皮渣中多酚的影响因素进行筛选;研究了超声波影响因素对猕猴桃皮渣中多酚单体成分的提取影响,再利用响应曲面法对超声波辅助提取猕猴桃皮渣中多酚的试验条件进行优化,建立试验模型对试验结果进行预测。最后,以Fick第二定律为基础,引入超声波辅助处理,推导出超声波辅助提取物质中有效成分的动力学方程,探索超声波辅助提取的参数,建立超声波辅助提取猕猴桃皮渣中多酚的动力学预测模型。主要研究内容及结果如下:(1)通过2种大孔吸附树脂对猕猴桃果汁中多酚的吸附性能对比分析研究,确定AB-8树脂对猕猴桃果汁中多酚的吸附性能明显优于另外1种树脂。AB-8树脂的静态吸附量可达到31.304mg/g树脂。猕猴桃果汁中多酚在AB-8树脂上的吸附等温平衡符合Freundlich方程。热力学研究结果证明,焓变量(0<△H<5)显示该吸附过程属于物理吸附,为吸热过程;随着温度的升高,自由能变量(△G<0)呈现下降趋势,说明吸附过程属于自发吸附。动力学研究证明Lagergren拟一级速率方程能够很好的模拟AB-8树脂对猕猴桃果汁中多酚的吸附过程,吸附机理说明内扩散非速率限制步骤,整个吸附过程被液膜扩散和内扩散步骤同时限制。(2)为连续化去除和回收猕猴桃果汁中的多酚物质,利用响应曲面法对AB-8树脂动态吸附和动态解析猕猴桃果汁中多酚的试验条件进行优化研究,并对分离得到的多酚进行成分分析。试验建立AB-8树脂动态吸附猕猴桃果汁多酚的预测模型为:Y1=-18.19+6.71X1+0.84X2+2.65X3-0.1X1X2-0.05X1X3-0.028X2X3-1.69X12-0.014X22-0.152X32,其R2=0.975,P<0.01;动态解析预测模型Y2=-162.73+4.29A+64.81B+60.18C+0.27 AB-0.48 AC-4.05 BC-0.039A2-14.39B2-5.14C2,其R2=0.965,P<0.01;两模型均具有良好的重现性。优化获得的AB-8树脂动态吸附猕猴桃果汁多酚的条件为:猕猴桃果汁浓度19°rix,上样流速1.3 mL/min,上样体积7 BV;动态解析条件为:乙醇浓度45%,解析流速2.4 mL/min,乙醇容量3 BV。树脂解析液中共检测出对羟基苯甲酸、绿原酸、咖啡酸、表儿茶素、对香豆酸、阿魏酸、芦丁、槲皮苷8种多酚成分,其中芦丁含量最高2.68ug/mL,其次为表儿茶素1.357ug/mL.验证试验得到动态吸附量为3.16 mg/g树脂,动态解析率为91.75%,验证试验值与预测值极为接近,证明预测模型符合试验要求。(3)试验对猕猴桃皮渣中多酚成分进行了质谱分析,考察了超声波提取单因素对多酚提取的影响,在此基础上,使用BBD设计对超声波辅助提取试验条件进行优化。通过液质联用与标准品对照分析,鉴定出猕猴桃皮渣中含有的多酚物质成分13种,分别为原儿荼酸、绿原酸、儿茶素、香草酸、咖啡酸、丁香酸、表儿茶素、阿魏酸、芦丁、金丝桃苷、异槲皮苷、槲皮苷和槲皮素。通过Plackett Burman设计试验,优化出对猕猴桃皮渣中多酚提取率影响显著的因素分别为:超声波功率、频率及提取温度。研究了不同超声波功率、频率、温度及料液比对猕猴桃皮渣中多酚单体的提取效果,即超声波功率对猕猴桃皮渣中的酚酸类组分影响较大,黄酮类组分影响较小;超声波频率越小,猕猴桃皮渣中酚酸类组分和黄酮类组分的提取量则越大;低温下酚酸类组分容易被提取,较高温度下黄酮类组分容易被提取出;料液比越大,猕猴桃皮渣中多酚组分的提取量就越大。建立的超声波辅助提取预测模型为Y1=24.18+1.01X1+1.56X2+0.69 X3+0.11 X1 X2-0.062 X1 X3-0.067 X2 X3-1.59 X12-2.31 X22-1.06 X32,具有良好的重现性,其R2=0.972,P<0.01。获得的超声波辅助提取猕猴桃皮渣中多酚的较佳试验条件:超声波功率490W,温度66℃,料液比1:7.5。优化条件下验证试验得到多酚的提取量为26.03 mg/g,验证试验值与预测值接近。(4)建立了超声波辅助提取猕猴桃皮渣中多酚的动力学方程,在方程中引入超声波功率、频率及提取温度等相关参数,获得了未施加超声波作用的常规提取扩散系数k与温度间的关系式:k=-4×10-6T2+0.0004T+0.008,相关性R2=0.936;试验条件下超声波功率与相关系数kp的关系式:kpP=2x 10-6P-0.0004;超声波频率与相关系数kf的关系式:kf=-8×10-6f2+0.001f-0.0211;温度与相关系数kT的关系式:kT=6×10-6T2-0.0007T+0.0185;超声波功率、频率及温度三者相互影响系数k4为0.8。以此建立的超声波辅助提取猕猴桃皮渣中多酚的动力学方程:ln[((18.31+e0.0068T)/((18.31+e0.0068T)-C]=(-4×10-6T2+0.004T+0.008)[1+0.8[(6×10-6T2-0.0007T+0.0185)T+(2×10-6P-0.0004)P+(-8×10-6f2+0.0011f-0.0211)f)]t验证试验表明,试验值与模型计算值之间拟合度高,相关系数大于0.99,说明此模型能很好地描述猕猴桃皮渣中多酚提取过程。
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