纳米气泡萃取食用原料的制备方法与流程

本发明提供了一种用于食用原料的制备方法。所述方法采用一种运用超声能量的纳米气泡流体，本发明對食品和饮品工业的发展具有潜在的应用前景。

背景技术：

在过去的十年里，利用超声提取饮品成分的研究与应用不断增加(c.wangetal.,thermalscience1:s69(2011)；s.bothetal.,ultrasonicssonochemistry21(3):1030(2014)；d.pasrijaetal.,foodandbioprocesstechnology8(5):935(2015)；a.a.etal.,chemicalindustry70(4):391(2016))。一般来说，超声的应用是使用20khz或以上的超声波在液体中产生气泡，而这些气泡会继续增长并破裂。当气泡破裂时，大量的能量从气泡中释放出来导致温度(高达5000k)和压力(例如，100mpa)急剧上升，使液体溶质的浸出率在饮品成分提取过程中提高。此外，超声波还可以破碎固体颗粒并去除惰性材料层，增加萃取过程中溶质质量传递可萃取的表面积(k.ameer,comprehensivereviewsinfoodscienceandfoodsafety16:295(2017))。

在us2008/0032030中公开了一种用咖啡豆生产饮品的方法和装置。所述方法是将咖啡豆置于水中并递送超声能量。该发明亦提及超声可与咖啡滴泡法结合使用；或用于加压水到一个含有浓缩咖啡和牛奶的杯子里；以及用于一个包含速溶咖啡和水的杯子，可从咖啡中提取较传统搅拌方法具更佳的咖啡风味。在us2011/0297004a1中公开了一种超声酿造技术系统，包括一个具有发出超声波能力的酿造环，用以在咖啡酿造过程中搅动咖啡渣。在us2013/0101710a1中公开了一种利用超声能量生产输液饮品的装置，包括一个尖端；一个变幅杆；一个超声传感器，用于对一种或多种目标成分和饮品进行超声粉碎；以及一个发电机，用于提供超声传感器能量。在us2013/0045934a1公开了一种萃取方法，该方法通过使用由配备有日本专利第4118939号公开的气液剪切混合器的超细气泡产生装置产生的含水的超细气泡来减少乳化剂、有机溶剂的量。然而，上述例子没有提供食用原料更有效率的萃取方式或者减少萃取时间。因此，一种方便而有成本和时间效益的食用原料制备方法将对食品或饮品工业产生正面影响。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种纳米气泡萃取食用原料的制备方法，包括如下步骤:经由纳米气泡产生装置将气体與溶剂制备成含有纳米气泡的流体；将所述含有纳米气泡的流体与食用原料加入反应容器中；混合食用原料与所述含有纳米气泡的流体，其混合时的反应温度为0至99℃；在混合反应时，借由超声能量产生器向所述反应容器内进行超声能量处理，其中所述超声能量将爆破纳米气泡，增强萃取的效果。

在一个实施方案中，其中所述食用原料包含食物原料、饮品原料或其混合物。

在另一个实施方案中，其中所述食物原料包含植物、蔬菜、水果、坚果或其混合物。

在另一个实施方案中，其中所述饮品原料包含咖啡粉、西洋参粉、中西式茶叶、核桃粉、豆类粉或其混合物。

在另一个实施方案中，其中所述气体包含空气、氮气、二氧化碳、氧气、氢气和以上任意的混合物。

在其他实施方案中，其中所述溶剂包含超纯水、蒸馏水、矿泉水、自来水、其他溶剂和以上任意的混合物。

在另一个实施方案中，进一步包含提取时间约2至10分钟。

在一个实施方案中，其中所述纳米气泡具有约100nm至约250nm的平均气泡直径。

在一个实施方案中，其中所述纳米气泡的浓度为每毫升至少约1×10⁷个气泡。

在另一个实施方案中，其中所述超声能量至少为10w/cm²

附图说明

结合附图，从本发明的以下描述中可以看出本发明的上述和其他目的和特征，其中：

图1所示为本发明纳米气泡萃取食用原料制备方法的流程图。

图2显示根据本发明的一个实施方案的食用原料制备方法示意图。

图3所示malvern^tmnanosight^tm的屏幕截图，其显示该方法所产生的纳米气泡流体。

图4所示流体中纳米气泡尺寸分布。

具体实施方式

本发明不受本文所述任何具体实施例的范围限制。以下实施例仅用于示例。

定义

说明书中对“一个实施例”、“一个实施例”、“一个实施例”等的引用表明，所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特征，但每个实施例不一定包括特定特征、结构或特征。此外，这些短语不一定指同一实施例。此外，当与一个实施例相关地描述一个特定特征、结构或特征时，无论是否明确描述，应顺从在本领域技术人员的知识范围内影响与其他实施例相关的该特征、结构或特征。

以范围格式表示的值应以灵活的方式解释，不仅包括明确规定为范围限值的数值，而且包括该范围内包含的所有单独数值或子范围，如同明确规定了每个数值和子范围一样。例如，“约0.1％至约5％”的浓度范围应解释为不仅包括约0.1wt.％至约5wt.％的明确列举浓度，而且还包括指示范围内的个别浓度(例如，1％、2％、3％和4％)和子范围(例如，0.1％至0.5％、1.1％至2.2％和3.3％至4.4％)。

在本文所述的制备方法中，步骤可以以任何顺序执行，而不背离本发明的原则，除非明确地叙述了时间顺序或操作顺序。在一项声称中，应说明先执行一个步骤，然后再执行几个其他步骤，这意味着第一个步骤先于任何其他步骤执行，但其他步骤可按任何适当的顺序执行，除非在其他步骤中进一步列举序列。例如，列举“步骤a、步骤b、步骤c、步骤d和步骤e”的权利要求要素应理解为首先执行步骤a，最后执行步骤e，步骤b、c和d可以在步骤a和e之间的任何顺序中执行，并且该顺序仍在权利要求过程的文字范围内。给定的步骤或步骤子集也可以重复。

本文中之术语“声能“是能量的一种表现，是以波的形式存在，包含频率(f)、声速(c)、和波长(λ)三个物理量，其中频率(f)是单位时间内质点振动的次数,以hz为单位,当频率超过20khz的声能为“超声能”。

本发明提出一种纳米气泡萃取食用原料的制备方法，包括如下步骤:经由纳米气泡产生装置将气体與溶剂制备成含有纳米气泡的流体；；将所述含有纳米气泡的流体与食用原料加入反应容器中；混合食用原料与所述含有纳米气泡的流体，其混合时的反应温度为0至99℃；在混合反应时，借由超声能量产生器向所述反应容器内进行超声能量处理，其中超声能量疏密相间地对流体产生拉伸和挤压作用,使纳米气泡周围环境产生连续高压,因而导致纳米气泡的爆炸,这一连串于食用原料表面附近的爆炸的纳米气泡将增加所述含有纳米气泡流体与所述食用原料的碰撞，加速萃取速度。

参考图1本发明纳米气泡萃取食用原料制备方法的流程图，本发明利用气体與溶剂制备含有平均气泡直径小于250nm的纳米气泡流体，所述气体可包含空气、氮气、二氧化碳、氧气、氢气和以上任意的混合物,所述纳米气泡内的首选气体为空气或氮气或氧气，更优选为空气或氮气。将纳米气泡与溶剂混合产生含有纳米气泡的流体,所述溶剂可包含超纯水、蒸馏水、矿泉水、自来水、其他溶剂和以上任意的混合物。优选的纳米气泡流体生成系统已公开于美国临时专利申请号62/764986。

本发明流体中纳米气泡的首选浓度应高于约1×10⁷个/ml气泡，更优选为至少约2x10⁷个/ml气泡围绕或附着在待提取固体的表面。将包含至少一种植物、蔬菜、水果、坚果或上述组合的待萃取固体暴露于纳米气泡流体中,本发明方法所产生的纳米气泡流体能深入颗粒表面以提高其萃取效率。至少使用20khz的超声能应用于固体和纳米气泡流体的混合物。本发明将超声能应用于固体和纳米气泡流体的混合物时，会在固体颗粒附近或者附著於固体颗粒表面产生纳米气泡爆炸,，从而增强提取从固体到流体的成分。固体颗粒的粒径也可因爆炸而减小，从而增加与溶液接触的总固体表面积。

图2显示本发明一个实施方案的食用原料制备方法示意图。经由纳米气泡产生装置1将气体与溶剂制备成含纳米气泡的流体；所述气体可包含空气、氮气、二氧化碳、氧气、氢气和以上任意的混合物。其流体可包含超纯水、蒸馏水、矿泉水、自来水、其他溶剂和以上任意的混合物。将所述含有纳米气泡的流体与食用原料加入反应容器2中，于0至99℃的反应温度下混合食用原料与所述含有纳米气泡的流体，其中反应容器的材料可由不锈钢、陶瓷或者任意能与食材接触的材料制成。同时使用超声能产生系统3向所述反应容器内的混合流体进行处理，其所产生的超声能量将爆破纳米气泡，增加纳米气泡流体与食用原料的碰撞,进而加速所述食用原料在流体的萃取，以及增强萃取的效果。

实施例1

将纯水加入到一个具有气泡产生装置和空气的小水箱中制备纳米气泡流体，并使用空气作为气体来源,公开于美国临时专利申请号62/764986。图3所示根据本发明在malvern^tmnanosight^tm的屏幕截图，其显示该方法所产生的纳米气泡流体。所述纳米气泡产生装置产生的气泡的平均直径为215nm，纳米气泡的平均浓度为9.64x10⁷个/ml气泡。气泡直径分布如图4所示。

实施例2

纳米气泡流体为使用纯水于气泡产生装置所制备,其中空气作为气体来源。将纳米气泡流体保持在55℃,加入2克乌龙茶叶于240毫升纳米气泡流体中。使用industrialsonomechanicsllc公司生产的lsp-500超声处理器,在20khz(设备50％的功率)下，对茶叶和纳米气泡流体的混合物进行每分钟10秒超声处理，持續4分钟。用超声波仪在距离能量来源3公分远处测量超声能量强度(dbs-1000s,beijingcheng-chengweiyescienceandtechnologyco.,ltd.)。对照试验为将乌龙茶叶暴露于相同量的纳米气泡流体中,但无使用超声能量。实验结束后，从纳米气泡流体混合物中提取液体样品，测定其清除自由基的活性。

利用dpph(2，2-二苯基-1-苦基肼基)法，测定其清除自由基的活性。将1.6毫克的dpph溶解于50毫升的乙醇中，使用紫外-可见分光光度计测定波长517奈米下吸光度约为0.8的操作溶液。分別取20微升液体样品与1毫升dpph操作溶液混合，进一步分析。将混合物旋流30秒并在测量前避光保存15分钟。活性的计算方法为(astock-asample)/astock，其中astock與asample分别为dpph操作溶液和液体样品的吸光度。

结果顯示，超音波作用下，乌龙茶液样品的自由基清除率为41.5％，而单独作用于纳米气泡流体的对照样品的自由基清除率为37.4％。因此，超声处理后提取液中的自由基清除活性提高了11％。

实施例3

将纳米气泡流体于目标温度(25℃、55℃或90℃)中提取饮品原料，包括2克茶叶或20克咖啡粉或2克西洋参或20克核桃粉等，加入用纯水和空气制备的240毫升纳米气泡流体中。使用industrialsonomechanicsllc公司生产的lsp-500超声处理器，将超声波尖端浸入茶叶或咖啡粉或西洋参和纳米气泡流体的混合物中。表一显示了不同原料的萃取条件，即温度和时间。在每分钟20khz和45微米的超声振幅(设备50％的功率)下，对茶叶或咖啡粉或西洋参或核桃粉和纳米气泡流体的混合物进行10秒超声处理，以每2分钟的间隔提取所述原料和纳米气泡流体混合物中的液体样品，共計6分钟。用超声波仪在距离能量来源3公分远处测量超声能量强度(dbs-1000s,beijingcheng-chengweiyescienceandtechnologyco.,ltd.)。实验结束后，从纳米气泡流体混合物中提取液体样品，而对照组提取方法通过将同样量的固体置于240毫升未经超声处理的纯水中。

利用dpph(2，2-二苯基-1-苦基肼基)法，测定其清除自由基的活性。将1.6毫克的dpph溶解于50毫升的乙醇中，使用紫外-可见分光光度计测定波长517奈米下吸光度约为0.8的操作溶液。將所述提取液或对照提取液，分別取20微升液体样品与1毫升dpph操作溶液混合，进一步分析。将混合物旋流30秒并在测量前避光保存15分钟。活性的计算方法为(astock-asample)/astock，其中astock與asample分别为dpph操作溶液和液体样品的吸光度。

下表示出了对照组不同饮品原料的提取條件以及提升的自由基清除活性。

表一

与对照组不同饮品原料的提取方法相比，本发明的提取方法可提升液体样品的自由基清除活性。

本发明根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。