脉冲电场（共3篇）
脉冲电场 篇1
摘要：高压矩形脉冲电场作用果蔬后能有效地击穿细胞膜,增强渗透性,最大限度地提高干燥速率,缩短加工时间,减少加工能耗。为此,在高压矩形脉冲电场下对萝卜进行干燥前预处理,运用响应面设计法进行对比试验,分析了萝卜干燥速率的变化,获得了高压矩形脉冲电场预处理的优化工艺参数。结果表明:高压脉冲电场的3个参数对白萝卜干燥性能的影响均达到极显著水平,作用程度依次为脉冲强度、脉冲个数和作用时间;经高压脉冲电场预处理后干燥速率比未处理的平均提高13%,当脉冲强度、脉冲个数和作用时间为1420V/cm,30个,110μs时预处理效果最佳,干燥速率比未处理提高40%。结果表明,采用高压脉冲电场预处理对提高果蔬干燥速率效果明显,作为预处理工艺应用于加工时间长、能耗大的真空冷冻干燥中有很好的应用前景。
关键词：高压矩形脉冲电场,果蔬,干燥速率,工艺参数
0 引言
真空冷冻干燥技术能够最大限度地保持果蔬原有的色泽、品味、营养,且复水性好,在果蔬加工中有着广阔的应用前景。但由于能耗大,生产成本高,应用推广受到限制,故探求低能耗冻干工艺具有重要意义[1,2,3]。Sale和Hamilton、Doevenspeck等[4]提出高压脉冲电场能破坏物料的细胞膜,增强渗透性,结论认为每个细胞膜内外都有自然电位差,外加电场可使膜内外电位差增大,当电位差高于细胞膜临界值时,细胞膜破裂,导致细胞膜结构紊乱和极的形成,从而使细胞膜的通透性增强。Tsong[5]从液态镶嵌模型出发,提出了电穿孔理论,认为高压脉冲电场会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋白质通道的开度,使细胞膜的通透性增强。Zimmermann等[6]发现脉冲电场可造成细胞膜通透性的瞬时增强,并将细胞膜在脉冲电场作用下通透性的瞬时增加和膜电阻瞬时下降的现象定义为细胞膜的可逆电穿孔,并发现诱导膜可逆电穿孔的脉冲宽度在μs～ms量级,穿孔后细胞膜可在短时间内自行修复,修复时间与细胞膜的组分和外界温度有关,可逆击穿保证了物料原有品质。另外,高压脉冲电场是采用高电位而非电流作用,作用过程温升低,可避免对果蔬品质造成影响[7,8]。鉴于高压脉冲电场的非热加工特性以及能够在可逆击穿情况下提高果蔬的渗透性,因此运用高压脉冲电场预处理果蔬可提高干燥速率,缩短干燥时间,与真空冷冻干燥结合有望解决冷冻干燥加工时间长、能耗高的问题。关于高压脉冲电场预处理干燥技术,Taiwo Angersbach及Rastogi等研究了苹果片经过高压脉冲电场预处理后渗透脱水速率明显提高,国内王维琴等也得到了类似的结论[9,10,11]。
但将高压脉冲电场预处理技术应用于真空冷冻干燥技术还未见报道。本研究选取水分含量高的水晶白萝卜为试验材料,探索高压脉冲电场预处理工艺参数对干燥速率影响的情况。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器设备
选用太谷产水晶白萝卜为试验材料。采用美国BTX公司生产的ECM830型高压矩形脉冲电场发生器及监测系统,其工作参数:脉冲电压在5～3 000V之间可调,脉冲作用时间在10μs～10s,脉冲间隔时间在100ms～10s,脉冲个数在1～99个内,脉冲波形为单极矩形波,电极处理室为20mm×20mm方形不锈钢平板,间距可调,其绝缘材料为环氧树脂。
将白萝卜样本置于电极处理室受脉冲电场作用,干燥速率的考察为方便研究采用了电热恒温鼓风干燥箱对白萝卜干燥脱水加工;称重采用精度为1%的电子天平。试验系统构成如图1所示。
1.2 试验方法
1)材料制备。
取新鲜白萝卜,洗净去皮,切成厚度为10mm×20mm×20mm的方块,每组样本为2块,每次处理3组样本。
2) 高压脉冲电场处理。
选取脉冲强度、作用时间和脉冲个数3个预处理参数,按照试验流程设计要求进行处理,然后分别放入鼓风干燥箱内,每隔0.5h取出来称取质量。这里,鼓风干燥温度设定为80℃[12],风速1m·s-1。
3) 干燥速率的计算。
干燥速率φ采用下式算出,即
undefined
式中 φ—干燥速率(g/h);
mt1—萝卜在干燥前t1时刻的质量( g);
mt2—萝卜在干燥后t2时刻的质量(g);
Δt—干燥时间(h)。
1.3 响应曲面法试验设计
结合单因素预试验结果,采用Box-Behnken方法[13,14]以x1,x2,x3 3个自变量分别表示脉冲强度、作用时间和脉冲个数,3因素的取值范围由预备试验确定,脉冲强度1 000～2 000 V/cm,脉冲作用时间10～150μs,脉冲个数50～99个,脉冲间隔0.5s,试验自变量因素编码及水平如表1所示。
2 结果与分析
2.1 试验数据及处理
按式(1)计算干燥速率φ,将其作为响应值,试验测定结果如表2所示。
表2数据显示,经高压脉冲电场预处理后的白萝卜样本干燥速率均有提高,尤其是开始半小时比较明显,因此选择此时数据进行分析,如图2所示。
采用SAS软件对试验数据进行处理,回归结果为
φ=6.938+0.009x1+0.064x2-0.24x3-0.000 003 2xundefined+0.000 014x1x2+0.000 18xundefined+0.000 02x1x3-0.000 9x2x3+0.001 8xundefined (2)
对该模型进行方差分析,结果如表3所示。由表3可知:p=0.002 7,说明该模型为极显著,预测值与试验值之间有较好的相关性(R2=0.665 0),采用响应面法所得的试验回归方程(模型)有效。
对该模型系数显著性的检验结果如表4所示。
从表4可知:模型的二次项和总模型均达到极显著水平,交叉项只有作用时间和脉冲个数的交互项显著,其它两组交互项和线性度不显著,说明各因素对干燥速率的影响较大,且各因素交互影响只有作用时间和脉冲个数明显。结合二次多元回归方程和表4中各系数项的p值可知,各试验因素对萝卜脱水速率影响的显著程度依次为:脉冲强度、脉冲个数和作用时间。
2.2 响应面试验因素分析
试验因素的方差分析数据如表5所示。由表5可知:脉冲个数、脉冲强度和作用时间均为极显著。
对二次回归模型(2)采用降维处理,即固定脉冲强度、作用时间和脉冲个数中2个因素在平均编码(零水平)值,考察每个因素对干燥速率的影响,得出单因素对干燥速率的效应方程(3)～(5),即
φ1=-0.065+0.011 62x1-0.000 032xundefined (3)
φ2=7.613+0.015 5x2+0.000 18xundefined (4)
φ3=21.19-0.282x3+0.001 8xundefined (5)
方程(3)为一个上凸抛物线,如图3(a)所示,结合试验数据可知,在脉冲作用时间和脉冲个数为零水平的情况下,总体上,脉冲作用强度增强,干燥速率提高,但是超过1 420V/cm附近时反而降低,脉冲强度在1 205～1 500V/cm之间时干燥速率最高。由于脉冲电场的作用是以一种机械冲击力的形式将物料细胞膜击穿,细胞在脉冲电场作用下,细胞膜的磷脂双在分子层两侧积聚电荷,才能受到电荷的挤压作用力[15]。当作用力超过某一极限值时,在膜上才能形成一定半径的穿孔,细胞膜的通透性提高,提高了干燥速率,但是一旦细胞膜穿孔超过临界值,细胞膜破坏后,脉冲电场强度就不再是主要的影响因素,因而出现降低的趋势。
方程(4)为一个下凹抛物线,结合试验数据,经过大量系统的相关试验结果如图3(b)所示,表明在脉冲强度和脉冲个数零水平的情况下,作用时间延长对提高干燥速率影响显著。同时,在作用时间在110μs左右时,干燥速率提高最明显。其原因主要是电穿孔一般认为是由电场能和热运动共同作用细胞膜而形成的[16]。
方程(5)为一个下凹抛物线,结合试验数据可见,脉冲强度和作用时间零水平的情况下,脉冲个数可以实现干燥速率的最小值。但是经过大量系统的相关试验如图3(c)所示。
表明脉冲个数在30个左右时干燥速率才有最大值。其原因是因矩形脉冲电场为重复周期信号,这种周期性的策动力对细胞膜结构产生某种谐振,或是同步蛋白质的构相振荡,从而形成电穿孔。振荡形成的作用力超过某一阈值时,在膜上形成一定半径的穿孔,膜上微孔量增大,大量的离子通过膜的离子通道,打破了细胞内外的离子平衡,引起各种细胞破裂等生物损伤现象的发生。在微孔密度还没有大幅度降低的情况下,新一轮的脉冲作用又开始,这样引起微孔量循环累积,对细胞膜造成不可恢复性的破坏[17]。因此,只有在合适的个数作用下,细胞膜的通透性才能保证在可逆击穿情况下最大限度提高干燥速率。
2.3 工艺参数的优化及检验
根据回归模型进行了试验因素的优化设计和预测,并以相应优化参数进行试验,所得数据如表6所示,试验值与预测值基本吻合。采用优化后的脉冲电场参数作用白萝卜后,其干燥速率可提高40%。
3 结论
1) 高压脉冲电场的脉冲强度、脉冲个数和作用时间3个参数对白萝卜干燥性能的影响均为极显著,影响程度依次为:脉冲强度、脉冲个数、作用时间。
2) 白萝卜的内部组织是多孔性结构,脱水干燥过程中,其内部的水分主要是借助毛细管的作用向表面运移。高压脉冲电场瞬时作用细胞膜及液泡膜,达到可逆电击穿使其通透性增强,从而提高干燥速率。本研究中干燥速率平均提高了13%。
3) 获得高压矩形脉冲电场优化工艺参数:脉冲强度、作用时间和脉冲个数分别为1 420V/cm,110μs,30个时作用效果最显著,干燥速率提高40%。高压脉冲电场预处理果蔬干燥显著提高干燥速率,如果实现规模化生产只需提高高压脉冲电场功率,增大电极面积即可。
4) 为研究高压脉冲电场对果蔬真空冷冻干燥加工时干燥速率的影响,运用本文所获得工艺参数为试验参数进行了高压脉冲预处理冷冻干燥试验研究(限于篇幅,另文报道):经高压脉冲预处理与未处理比较,冻干时间平均缩短2h,减少26.7%;冻干能耗平均降低2.5kW·h,减少26.4%。物料在冻干过程中物料表面温度、物料中心温度、板温、冷阱温度等随时间和工艺参数变化均为极显著。显然,在经过高压脉冲预处理后对整个冷冻干燥过程有很好的作用,缩短了加工时间,降低了加工能耗。
利用高压脉冲电场预处理果蔬,能提高果蔬干燥速率,可作为真空冷冻干燥加工技术的预处理工艺,对于缩短加工时间,减少能耗,降低成本,有着实际意义。本研究为探索低能耗果蔬冻干工艺过程提供了基础支持。
脉冲电场 篇2
纳秒脉冲在美国已经开展皮肤基底细胞癌的临床前期试验, 在政府网站上可见其登记号码Clinicaltrials.gov ID:NCT01463709) 。脉冲治疗仪器已经产业化, Angio Dynamics公司已将该治疗仪用于首例早期肝脏肿瘤的治疗中, 它可以在诱导肿瘤细胞凋亡的同时抑制新生血管的形成, 从而防止肿瘤的复发[14]。纳秒脉冲的波长要远小于微妙脉冲, 是一种非热生物效应及非药物依赖性治疗方法, 具有良好的应用前景。本实验旨在观察ns PEFs对于乳腺癌细胞的消融效果, 对乳腺癌细胞MDA-MB-231的分子作用机制。
1 材料与方法
1.1 细胞株及抗体
人乳腺癌细胞株MDA-MB-231由浙江大学医学院附属第一医院多器官联合移植实验室提供, 含10%胎牛血清的RPMI-1640培养基中37℃, 5%CO2下培养, 取对数生长期的细胞进行实验。
1.2 ns PEFs治疗
纳秒脉冲发生器由杭州睿笛生物科技有限公司制造NANOABLATION肿瘤消融仪器。2.5×106个细胞放置于电极杯中治疗。治疗后的细胞置于培养箱中孵育1 h后进行相关实验。
1.3 CCK-8法检测细胞活性
细胞活性由Cell Counting Kit检测, 用黄色吸光度值反映活细胞数量。
1.4 流式细胞仪检测细胞凋亡变化
采用100个脉冲、300 ns, 0、20、40、60 k V/cm的不同场强的纳秒脉冲对乳腺癌细胞进行电击, 其中0 k V/cm为对照组, 余为实验组。所有经过电击治疗的细胞孵育1 h后, 收集细胞, 通过碘化丙啶 (PI) 染色法检测细胞凋亡, 同时设未作任何处理的空白对照。
1.5 流式细胞仪检测细胞周期
采用100个脉冲、300 ns, 0、20、40、60 k V/cm的不同场强的纳秒脉冲对乳腺癌细胞进行电击, 所有经过电击治疗的细胞孵育1 h后, 收集细胞, 通过PI染色法检测细胞凋亡, 并且第一组实验进行细胞周期检测。本实验电镜标本送往南京军区总医院病理科检测, 透射电镜观察细胞形态变化。
1.6 细胞超微结构变化
采用100个脉冲、300 ns, 0、20、40、60 k V/cm的不同场强的纳秒脉冲对乳腺癌细胞进行电击, 所有经过电击治疗的细胞孵育1 h后, 收集细胞, 戊二醛固定, 送往南京军区总医院病理科通过透射电镜结果观察细胞形态变化。
1.7 JC-1实验检测线粒膜电位变化
经过电击的细胞制成细胞悬液。用BD公司线粒体膜电位检测试剂盒 (JC-1) 进行检查。用JC-1从红色荧光到绿色荧光的转变作为细胞凋亡早期的一个标志。
1.8 动物模型的制作
本实验使用的是C57B16小鼠乳腺癌荷瘤模型, 接种肿瘤细胞后连续测量肿瘤生长及长宽高3个参数, 并且在第0、1、2天分别给予300 ns, 40 k V/cm, 100个脉冲的电击, 然后进行体积的比较。
A:C57B16小鼠模型, 乳腺癌细胞分别接种于同一小鼠的四个位点;B:B超时小鼠的放置;C:肿瘤B超, 用于体积测量;control:对照组肿瘤 (未做任何治疗) ;sham:假手术组肿瘤 (电极插入肿瘤中但未给予纳秒脉冲) ;treated:实验组肿瘤 (电极插入肿瘤中并给予纳秒脉冲)
1.9 统计学方法
采用SPSS 16.0统计学软件进行数据分析, 计数资料用率表示, 组间比较采用χ2检验, 以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 采用CCK-8法检测经ns PEFs处理后的细胞活性
不同场强 (0、20、40、60 kv/cm) 的ns PEFs作用于人乳腺癌细胞MDA-MB-231后, 细胞分别培养24、48 h和72 h, 然后使用CCK-8检测细胞活性。结果表明:随着脉冲场强的增加, 细胞活性明显降低, 且与对照组比较 (0 k V/cm) , 20、40、60 k V/cm各场强能显著抑制肿瘤细胞的活性 (P<0.01) , 各实验组组间比较, 差异有高度统计学意义 (P<0.01) (图2) , 其中40 k V/cm能达到最大抑制率被定为最佳治疗参数, 增高场强到60 k V/cm后不能再进一步提高抑制率;同一场强作用于细胞后, 随着培养时间的增加, 细胞活性也明显降低。
2.2 采用流式细胞检测经ns PEFs处理后细胞早期凋亡情况
在100个脉冲, 300 ns条件下, 与0 k V/cm组比较, 细胞的早期凋亡率在20 k V/cm的场强时明显升高 (P<0.01) , 在40 k V/cm和60 k V/cm时呈逐渐降低趋势。相反, 细胞的坏死率随着场强的增加 (0、20、40、60 k V/cm) , 呈持续性升高趋势, 且为剂量依赖性 (P<0.01) (图3) 。结果表明, 伴随着纳秒脉冲电场的强度增加, 脉冲诱导的细胞死亡主要表现为从早期凋亡至晚期凋亡或细胞坏死, 呈剂量依赖性。
2.3 采用流式细胞检测经ns PEFs处理后细胞周期的改变
经过纳秒脉冲 (300ns, 100个脉冲, 0、20、40、60k V/cm) 治疗后, M期的细胞明显减少, 由于M期可以反映细胞增殖的能力, 因此可以说明细胞增殖被明显抑制, 但是此结果在各电场强度之间差异不明显, 说明不具有剂量依赖性。见图4。
2.4 透射电镜 (TEM) 观察乳腺癌细胞经纳秒脉冲电击后凋亡情况
在对照组中 (0 k V/cm) , 几乎未见到凋亡细胞。随着剂量增高, 乳腺癌细胞开始出现早期凋亡;升高到40 k V/cm时, 出现变性改变;而60 k V/cm则引起细胞坏死。见图5。
2.5 JC-1实验结果
脉冲治疗后, 细胞没有迁移, 提示JC-1单体稳定存在。60 k V/cm条件下增加脉冲个数, 导致JC-1分布迁移, 凋亡细胞增多, 脉冲个数由2个增加至5个后迁移程度最大。提示纳秒脉冲增多, 能够引起细胞线粒体膜电位下降。见图6。
2.6 纳秒脉冲对C57B16小鼠肿瘤的治疗消融
在C57B16小鼠实验上, 接种人乳腺癌细胞后对照组肿瘤随着时间的增加而明显增大。经过连续3 d电击治疗后的实验组小鼠肿瘤与对照组比较生长明显减慢, 肿瘤未出现再次生长或复发。见图7~8。
3 讨论
乳腺癌在全球范围内仍然是导致女性死亡的重要原因之一[16]。乳腺癌是一种全身性疾病的理念已被广泛接受, 合理的综合治疗是获得乳腺癌长期生存的重要手段。目前其主要治疗方法有手术、放疗和化疗等。纳秒脉冲是脉冲电场技术的进一步发展, 它将脉宽降到纳秒级以下的同时提高场强 (>10 k V/cm) [17], 它不会引起明显的电穿孔现象[18], 但是细胞出现微孔, 形成凋亡, 与化疗及放疗比较, 纳秒脉冲是一可以局部使用且不产热的消融手段。其作用的效果根据脉冲的个数, 脉宽以及场强等因素决定。不同类型的细胞[19,20]以及不同的细胞周期[21]对于纳秒脉冲的敏感性均不相同。
Control:对照组;sham:假手术组;treated1:治疗组治疗第1天;treated2:治疗组治疗第2天
首先选择的参数是100个脉冲, 300 ns脉宽, 场强为0、20、40、60 k V/cm的4个实验组, 这个参数设置是根据皮肤黑色素瘤治疗中确认的有效参数, 在本次实验中, CCK-8实验证实了这个皮肤肿瘤治疗参数在乳腺癌中也有效, 同时还发现纳秒脉冲在抑制细胞活性, 阻断细胞于M期, 减少细胞增长, 诱导细胞凋亡上具有显著的效果。在最高的电场强作用下 (60k V/cm) , 并没有观察到细胞质膜的破裂和坏死, 所以细胞的死亡至少在某一程度上是程序性的[21,22]而且, 纳秒脉冲还能有效地重排细胞骨架蛋白[23]以及导致DNA断裂[24,25]。本实验对量效关系进行了考察, 如果纳秒脉冲应用于临床, 40 k V/cm场强可以作为一个参考的参数。
本实验从体内和体外实验两个层面, 从细胞的凋亡及线粒体膜电位改变等方面来观察纳秒脉冲作用于人乳腺癌细胞MDA-MB-231后的效果。本实验发现, 纳秒脉冲对于人乳腺癌细胞具有较为显著的治疗作用, 但治疗参数的选择是决定消融效果的重要因素, 治疗剂量并非越高越好, 过强过多的治疗会引起细胞完全坏死, 而在达到一定参数时例如40 k V/cm是对本实验接种的荷瘤小鼠的最佳治疗参数。本实验的局限是未对细胞核内发生的分子事件进行进一步追踪[26,27,28]。尤其是NF-κB信号通路需要进一步的研究。
脉冲电场 篇3
栀子黄色素是从植物栀子果实提取的一种安全性高、着色力强的天然色素,其主要成分是藏花素和藏花酸,提取的方法有乙醇浸提法[1]、水浸提法[2]、超声波法[3]、微波提取法[4]等。目前实际应用的主要是乙醇浸提法,提取率较高,产品的色价,品质好,但其也有不足,一是为间歇式提取,二是提取温度较高,提取时间较长,不利于提高色价。
高压脉冲电场在食品加工的应用源于乳品的非热灭菌。其机理是高压脉冲电场可在瞬间使被处理细胞的细胞壁和细胞膜电位混乱,改变其通透性,甚至可击穿细胞壁和细胞膜,使其发生不可逆破坏,造成细胞新陈代谢紊乱、细胞中生长的必须组分流出,从而达到非热灭菌的作用。研究表明,高压脉冲电场也有助于天然物质的提取,近几年的应用研究也取得了一定的进展[5]。本文探讨高压脉冲电场辅助乙醇从山栀子中提取栀子黄色素,实现提取连续化,提高提取效果,降低提取成本。
1 材料和方法
1.1 试验验材料和试剂
山栀子干果(市售);乙醇(95%,AR)。
1.2 主要仪器设备
IHV-30高压电场脉冲发生器,自制动态处理池,电极间距可调;UV-1700型紫外分光光度计,KQ-2200DB超声波清洗器,101-1A型电热鼓风干燥箱,800型号离心机,DWF-100型电动粉碎机(带0.25mm筛),KY-100E/TH15蠕动泵,BS124S电子分析天平,D60-2F电动搅拌机,DZKW-6电子恒温水浴锅,减压过滤装置。
1.3 方法
1.3.1 提取工艺条件的研究方法
高压脉冲电场辅助乙醇提取栀子黄色素的溶出率主要受原料粒度、乙醇浓度、料液比、脉冲电场强度、脉冲频率、脉冲处理时间(处理腔管内体积与流速之比)、温度、提取时间等因素的影响。根据文献研究结果,乙醇提取栀子黄色素时醇浓度条件为50%～60%,料液比为1∶10(g/mL),本研究在此条件的基础上,首先考察电场强度、脉冲频率、脉冲处理时间、提取温度及提取时间等单因素对栀子黄色素溶出率的影响,初步确定这些因素的控制范围,然后在此基础上通过正交试验优化提取工艺条件,确定高压脉冲电场辅助乙醇连续化提取栀子黄色素的工艺条件。
1.3.2 提取流程
去除霉烂的栀子果实,经粉碎、过0.25mm筛,60℃烘干至恒重后备用。准确称取50 g(wi)栀子粉置于原料罐,加500 mL乙醇溶液,恒温,搅拌;通过蠕动机控制一定流速,经一定的高压电场脉冲处理后流入提取罐,恒温提取一定时间;分离提取液,取1 mL并适当稀释,体积为Vi,在440 nm处测定色素溶液的吸光值Ai[6],计算溶出率。残渣回收进行二次提取。提取流程见图1。
1.3.3 栀子黄色素溶出率的计算方法
称取经0.25mm筛后的栀子果实粉末w0=1.0000 g,按文献加10 mL 60%乙醇溶液,45℃恒温超声波提取20 min,离心分离提取液;继续用同样方法浸提残渣直至提取液在440 nm处的吸光度为零(以60%乙醇溶液作参比液),此时可认为栀子黄色素全部溶出。将提取液合并,总体积为V0,测定其吸光度A0。栀子黄色素总量为:
栀子黄色素总量=A0×A0
每次试验栀子黄色素溶出率ηi的计算公式为:
溶出率ηi=[(Ai×Vi×500)/(A0×V0×wi/w0)]×100%
2 结果与讨论
2.1 单因素影响试验
2.1.1 脉冲电场强度对溶出率的影响
图2为脉冲频率4 Hz、脉冲时间5 s、提取温度40℃及溶提时间15 min时电场强度对栀子黄色素一次溶出率影响的试验结果。图中显示电场强度超过20kV·cm-1后,提取率趋稳,说明细胞膜、细胞壁已经被不可逆击穿,渗出物质的量较为恒定。因此电场强度选定20kV·cm-1左右较为适宜。
2.1.2 脉冲频率对溶出率的影响
图3为脉冲电场强度20kV·cm-1、脉冲频率4Hz、脉冲时间5s、提取温度40℃、溶提时间15min时脉冲频率对一次提取率影响的试验结果。图中显示黄色素一次溶出率随脉冲数增大而提高,脉冲频率超过3Hz后增幅趋缓,因此脉冲频率可控制在3Hz左右。
2.1.3 脉冲时间对溶出率的影响
图4为脉冲电场强度20 kV·cm-1、脉冲频率4 Hz、提取温度40℃、溶提时间15 min时脉冲时间对黄色素一次溶出率影响的试验结果。图中显示脉冲时间超过4 s后黄色素一次溶出率增幅趋缓,而且有下降趋势,这可能是脉冲次数过大导致色素分解。因此脉冲时间应控制在4 s左右。
2.1.4 提取温度对溶出率的影响
图5为脉冲电场强度20 kV·cm-1、脉冲频率5 Hz、脉冲时间5 s、溶提时间15 min时提取温度对一次提取黄色素溶出率影响的试验结果。图中显示提取温度提高有利于栀子黄色素溶出,但超过50℃溶出率趋稳,因此提取温度可控制在50℃左右。
2.1.5 提取时间对溶出率的影响
图6为脉冲电场强度20 kV·cm-1、脉冲频率4 Hz、脉冲时间5 s、提取温度40℃时脉冲时间对黄色素一次溶出率影响的试验结果。图中显示溶提时间过短或过长都不利于栀子黄色素的提取,溶提时间应控制在15 min左右。
2.2 提取工艺条件的优化
根据单因素考察结果,选定电场强度、脉冲频率、脉冲时间、温度及溶提时间作为5个考察因素,各取4个水平(水平值见表1),以黄色素溶出率为考察指标,按L16(45)正交表进行试验设计,优化提取条件。实验结果及其极差分析、方差分析见表1、表2。
极差分析结果与方差分析结果无明显差异,5因素对黄色素溶出率影响显著性为A>C>B>E>D,最佳提取工艺条件为A4B4C3D2E3,即电场强度25 kV·cm-1,脉冲频率6 Hz,脉冲时间4 s,提取温度40℃,提取时间15 min。笔者按上述最佳提取条件进行3次平行试验,栀子黄色素一次溶出率的平均值达90.4%。
3 结论
对传统醇提法与高压电场连续提取法的提取效果进行对比,结果见表3。从表3的对比可看出,高压脉冲电场法连续提取法与传统提取方法相比,提取效率更高,具有省时、高效、低能耗等特点,同时也实现了连续化提取。
摘要：探讨高压脉冲电场(PEF)辅助乙醇连续提取栀子黄色素的工艺条件。首先考察脉冲电场强度、脉冲频率、脉冲时间、温度及溶提时间对栀子黄色素溶出率的影响,在此基础上采用正交试验法优化提取条件。实验结果表明,较佳提取条件为脉冲电场强度25kV.cm-1,脉冲频率6 Hz,脉冲时间4 s,提取温度40℃,提取时间15 min。在此条件下栀子黄色素一次提取率可达90.4%。
关键词：高压脉冲电场(PEF),栀子黄色素,连续提取,工艺条件
参考文献
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