超声与矩形脉冲电场协同提取植物多糖及其耦合机理研究

The extraction apparatus of ultrasound coupling rectangular pulsed electric field will be designed and developed. The investigation is to find out the effects of the parameters on the extraction of polysaccharides from medicinal plants, using Lycium Barbarum L. and Poria Cocos as materials. Response surface methodology (RSM) is employed to optimize the multifactor experiment and determine optimal values of variables for the process. After invesitigating the effects of the parameters of electric field and ultrasonic on cavitation yield, the elaborate calculation and analysis of the effect of the electrostatic field on ultrasonic cavitation is then undertaken, theoretically study about that how the bubbles deformed with the direction of the electric field and the relationship between major to minor axis ratio of cavitational bubbles and electric field intensity are finally carried out. The growth of air bubbles with a function of time can be studied through the modification of the cavitational bubble motion equation(R-P equation),Combination the calculation of cavitation threshold with the natural resonance frequency of the bubbles, the influence rule of ultrasonic, electric field and fluid parameters on ultrasonic cavitation could be concluded. The mathematical model of ultrasound extraction coupling rectangular pulsed electric field will be set up by comparing the experiment with relevant theories. This research provides theoretical basis for the application of ultrasonic coupling electric field and promotes the advancement of electric field assisted ultrasound extraction techniques. Meanwhile, it also exerts crucial impacts on the improvement of ultrasonics and sonochemistry theories.

研制出超声与矩形脉冲电场耦合提取装置；选用药源植物枸杞、茯苓作为研究对象，考察各因素对植物多糖提取率的影响规律，运用响应曲面设计优化，确定最适宜的提取参数；测量电场、超声参数对声空化产额的影响，并对电场影响超声空化物理效应进行详细的计算分析，理论探讨空化泡随电场方向的变形情况、气泡的长短径比与电场强度的关系，通过对空化泡壁运动方程(R-P 方程)的修正，研究电场作用下空气泡随时间的生长情况，结合超声空化阈值、空化泡的自然共振频率的计算，确定超声、电场和流体参数对超声空化效应的影响规律。进一步采用理论和实验对比的方法，建立超声与矩形脉冲电场耦合提取植物多糖动力学模型。 本课题研究为超声与电场耦合技术应用提供理论依据，对电场强化超声提取植物有效成分具有很大的指导作用，对于超声学、声化工理论的发展和完善也具有重要意义。

本研究提出了超声协同矩形高压脉冲电场辅助提取工艺。以黄花菜为研究对象，研究了超声协同矩形高压脉冲电场提取黄花菜多糖的提取工艺和动力学过程，研究了超声协同高压静电场提取工艺对黄花菜粗多糖抗氧化活性的影响，分析了不同提取方法对黄花菜提取液中香气组分和提取残渣结构的影响。对提取的黄花菜多糖进行分离纯化，分析其理化性质和体外抗氧化活性分析了黄花菜多糖的体外抗氧化活性和结构组成。研究了超声协同高压静电场提取黄花菜多糖的耦合机理。主要研究结果如下：..1、以多糖提取率为指标，对超声协同矩形高压脉冲电场提取黄花菜多糖的提取工艺进行研究，利用Box-Behnken响应面优化实验对提取工艺进行优化。得到最佳的提取工艺，即提取时间30 min，提取温度59 °C，超声功率700 W，脉冲电压 14 kV，液料比25 mL/g，脉冲频率1/600 s-1。在此提取条件下黄花菜多糖的提取率可达到10.03%。. 2、在最佳工艺条件的基础上，以Fick第二定律为理论基础对提取过程进行分析，建立超声协同矩形高压脉冲电场提取黄花菜多糖的动力学模型，研究不同超声功率和电场电压条件下提取率随时间的变化，对提出的动力学模型进行验证，并求得了提取速率常数、有效扩散系数、平衡浓度等一系列动力学参数。. 3、通过测定超声和高压静电场协同作用下提取液电导率、pH值以及多糖提取率，探究了超声和电场的协同机理，验证了其协同效应；测定了超声和电场协同作用下的空化产额，并计算了其协同效率，还对超声和电场协同作用下空化泡的运动做了分析。结果表明，超声空化泡崩溃产生的微射流和高压静电场对细胞膜的刺激诱导穿孔作用，以及产生的冲击波、空化、自由基的产生等二次效应，增大了原料的破碎程度；超声与高压静电场之间存在显著的协同效应，高压静电场可以强化超声的空化效应，提高空化产额，从而提高提取效率。声压幅值、超声频率、空化泡的初始半径、电场电压是影响空化泡运动的主要因素。