魏小紅，袁瑞花，王 辰

（長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北荊州 434025）

芹菜（Apium Graveolens L.）屬傘形花科1年生或2年生草本植物，亦名旱芹。芹菜葉含有豐富的黃酮類化合物，具有清除自由基、抗氧化、抗輻射和調(diào)節(jié)免疫等生物活性功能[1-2]，芹菜黃酮主要成分為水蓼素及7-甲基水蓼素，醫(yī)學(xué)試驗(yàn)證明，這2種黃酮類化合物還是治療高血壓的有效成分[3-5]。黃酮類化合物多以苷態(tài)存在，易溶于甲醇、乙醇、乙酸乙酯等有機(jī)溶劑。采用乙醇溶劑法提取芹菜中的黃酮物質(zhì)安全性高、實(shí)用性強(qiáng)。試驗(yàn)以Fick第一定律為基礎(chǔ)，以芹菜葉為原料，乙醇為浸提劑，對提取過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，建立動(dòng)力學(xué)方程，為研究控制提取條件、優(yōu)化工藝參數(shù)、優(yōu)化提取率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑及儀器

旱芹（Apium graveolens L.），產(chǎn)于荊州市太湖農(nóng)場，由長江大學(xué)園藝園林學(xué)院高煥章教授鑒定。

蘆丁，中國藥品生物制品檢定所提供；亞硝酸鈉、硝酸鋁等，均為分析純。

P L 303型電子分析天平、紫外分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；微型高速萬能試樣粉碎機(jī)，河北省黃驊市科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 芹菜黃酮含量的測定

黃酮的分析采用分光光度法，以蘆丁為對照品，黃酮試樣加入鋁離子試劑，同時(shí)控制適宜pH值，使黃酮化合物與鋁鹽形成絡(luò)合物，在可見區(qū)能獲得穩(wěn)定的特征吸收峰，可直接進(jìn)行分光光度測定。芹菜黃酮溶液質(zhì)量濃度C與吸光度A之間的回歸方程:C=0.101 5A+0.000 3（C為質(zhì)量濃度，A為吸光度），R2=0.998 9。

1.2.2 芹菜顆粒粒徑（r）的確定

將洗凈的芹菜葉烘干到水分含量7.0%±0.5%，用試樣粉碎，過不同粒徑的篩，取通過上篩而留在下篩的芹菜粉，芹菜顆粒的粒徑則以上下兩篩篩孔孔徑的幾何平均數(shù)表示:

式中:d1——上篩直徑，μm；

d2——下篩直徑，μm。

芹菜顆粒粒徑的確定見表1。

表1 芹菜顆粒粒徑的確定

1.2.3 試驗(yàn)方法

將一定量不同粒徑的芹菜葉粉加入250 mL三口燒瓶中，先用適量90%乙醇溶液在室溫下浸潤10 min，再向燒杯中加入已加熱到設(shè)定溫度的90%乙醇溶液120 mL，在此溫度下進(jìn)行常壓恒溫水浴回流浸提，恒速攪拌并計(jì)時(shí)，間隔定時(shí)取樣測定黃酮質(zhì)量濃度，并對測得的取樣質(zhì)量濃度進(jìn)行修正[6-7]。研究提取溫度、提取時(shí)間和顆粒粒徑對芹菜黃酮浸出質(zhì)量濃度的影響。研究提取溫度與黃酮浸出質(zhì)量濃度隨提取時(shí)間的變化關(guān)系時(shí)，將液固比（M）和顆粒粒徑分別固定為30 mL/g和81.60μm；研究顆粒粒徑與黃酮浸出質(zhì)量濃度隨提取時(shí)間的變化關(guān)系時(shí)，將液固比和提取溫度分別固定為30 mL/g和343 K。

2 傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)方程

假設(shè)芹菜粉為多孔球形顆粒，采用溶劑浸提芹菜黃酮的過程，包括3個(gè)步驟[8-9]，即:①溶劑向芹菜顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，浸潤固體顆粒并溶解溶質(zhì)；②被溶解的溶質(zhì)以分子形態(tài)從顆粒內(nèi)部擴(kuò)散遷移至固液界面上；③溶質(zhì)從固液界面向溶劑主體擴(kuò)散。根據(jù)Fick第一定律:

確定芹菜粉黃酮成分的浸提動(dòng)力學(xué)模型。

3 結(jié)果與分析

通過浸提試驗(yàn)可獲得不同提取溫度、提取時(shí)間、顆粒粒徑條件下浸提液中芹菜黃酮的浸出質(zhì)量濃度，利用這些數(shù)據(jù)，根據(jù)浸提動(dòng)力學(xué)模型，建立芹菜黃酮的浸提動(dòng)力學(xué)方程。

3.1 不同提取溫度對浸提液中芹菜黃酮質(zhì)量濃度的影響

利用試驗(yàn)測得的芹菜黃酮質(zhì)量濃度C及平衡質(zhì)量濃度 C∞數(shù)據(jù)，作 ln[C∞/(C∞-C)]～t的關(guān)系圖。

3.2 不同顆粒粒徑對浸提液中芹菜黃酮質(zhì)量濃度的影響

不同提取溫度下 ln[C∞/(C∞-C)]～t的關(guān)系 （r=81.60μm，M=30 mL/g） 見圖1，不同顆粒粒徑下ln[C∞/(C∞-C)]～t的關(guān)系 （T=343 K，M=30 mL/g） 見圖 2。

圖1 不同提取溫度下ln[C∞/(C∞-C)]～t的關(guān)系（r=81.60μm，M=30 ML/g）

圖2 不同顆粒粒徑下ln[C∞/(C∞-C)]～t的關(guān)系（T=343 K，M=30 ML/g）

由圖1、圖2中各直線回歸方程求得的芹菜黃酮表觀擴(kuò)散速率常數(shù)F和C0值。

從芹菜葉中浸提黃酮的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表2。

由表2可看出，F(xiàn)隨提取溫度的升高，粒徑的減小呈明顯的增大趨勢，C0隨提取溫度的增加和粒徑的減小變化不大。C∞隨提取溫度的升高而增大，在相同提取溫度下，C∞與粒徑無關(guān)。同時(shí)也可以看出，不同提取溫度和顆粒粒徑條件下，ln[C∞/(C∞-C)]與t均成良好的線性關(guān)系，R2都在0.90以上。因此，可以認(rèn)為，在用體積分?jǐn)?shù)為90%乙醇水溶液浸提芹菜黃酮的過程中，浸提液中黃酮質(zhì)量濃度隨提取時(shí)間的變化符合公式（1）的浸提動(dòng)力學(xué)模型。

3.3 芹菜葉黃酮浸提過程中F與顆粒粒徑r和浸提溫度T的關(guān)系

由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，表觀擴(kuò)散速率常數(shù)是提取溫度的函數(shù)，即在芹菜黃酮浸提過程中，應(yīng)遵循Arrhenius公式，即

表2 從芹菜葉中浸提黃酮的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

式中:F——表觀擴(kuò)散速率常數(shù)，1/s；

A（r）——指前因子，1/s；

T——絕對溫度，K；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

Ea——表觀擴(kuò)散活化能，J/mol。

ln F與1/T的關(guān)系 （r=81.60μm，M=30 mL/g） 見圖3。

圖3 ln F與1/T的關(guān)系（r=81.60μm，M=30 ML/g）

可以認(rèn)為，在提取溫度變化范圍為313～353 K內(nèi)，Ea為常數(shù)與T無關(guān)，由公式（3）可得Ea=2 386×8.314=19 837 J/mol，A（r）=0.247（1/s）。

根據(jù)王唯涌等人[7]對以Fick第二定律為基礎(chǔ)的建立的動(dòng)力學(xué)模型的研究，可以得到以下關(guān)系:

3.4 浸提模型的驗(yàn)證

在不同的提取溫度與不同的顆粒粒徑下，對浸提過程取得的芹菜黃酮得率進(jìn)行試驗(yàn)值與模型計(jì)算值比較，如圖1、圖2顯示，提取溫度較低時(shí)組分?jǐn)U散傳質(zhì)速率較小，因而提取率較低。計(jì)算結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型能較好地反映提取時(shí)間對提取率的影響規(guī)律。

提取溫度與提取時(shí)間對芹菜葉黃酮提取率的影響見圖4，粒徑與時(shí)間對芹菜葉黃酮提取率的影響見圖5。

圖4 提取溫度與提取時(shí)間對芹菜葉黃酮提取率的影響

在顆粒粒徑較大時(shí)，提取時(shí)間對組分提取的影響較大，提取時(shí)間短，可能顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)阻力較大，隨著提取時(shí)間增加，顆粒溶脹，組分的擴(kuò)散速率增加。顆粒粒徑較小時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值有一定的偏差，其原因可能是顆粒物料細(xì)胞機(jī)械破壁，致使細(xì)胞內(nèi)的其他物質(zhì)浸出，提取液雜質(zhì)增多，黏度增大，組分?jǐn)U散速率變慢；提取時(shí)間越長，模型計(jì)算值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合越好，該浸提模型較好地表示了顆粒度對提取率的影響規(guī)律。

該浸提模型同時(shí)反映了提取時(shí)間、提取溫度和顆粒粒徑與提取液中芹菜黃酮質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，在確定的試驗(yàn)范圍內(nèi)，原料浸提條件一定時(shí)，可以對浸出的芹菜黃酮質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測。

圖5 粒徑與提取時(shí)間對芹菜葉黃酮提取率的影響

4 結(jié)論

在浸提過程受擴(kuò)散控制的情況下，此模型能較好地描述采用乙醇提取芹菜葉黃酮的動(dòng)力學(xué)過程，并能較準(zhǔn)確地反映提取過程中黃酮的浸出質(zhì)量濃度與提取溫度、提取時(shí)間、液固比和顆粒粒徑之間的關(guān)系。為提取芹菜葉黃酮的工藝設(shè)計(jì)和操作條件提供有價(jià)值的依據(jù)。