（食品科學專業(yè)論文）玉米黃色素的超臨界CO2萃取及其性質(zhì)和應用的研究.pdf

碩士學位論文玉米黃色素的超臨界 col 萃取及其性質(zhì)和應用的 研究東北農(nóng)業(yè)大學 摘要 玉米黃色素是一種利用價值較高的天然營養(yǎng)色素。我國對玉米黃色素的研究開發(fā) 較少， 而且一般用有機溶劑法提取， 獲得的色素產(chǎn)品質(zhì)量差。 本課 題針對這一問 題， 采 用超臨界c o z 萃取技術從玉米淀粉加工的副 產(chǎn)品 一玉米蛋白 粉中萃取玉米黃色素， 研究 超臨界c o z 萃取和分離過程的試驗參數(shù)， 并對玉米黃色素分析鑒定、 性質(zhì)和應用進行研 究。 2 1 .研究超臨界c o z 萃取和分離過程的 試驗參數(shù)， 結(jié)果表明: 采用三因 素二次旋轉(zhuǎn) 試 驗設計確定超臨界 c o z 萃取玉米黃色素的最佳工 藝條件為: 溫度 ( 乃 3 8 .8 c 、 壓力 (p ) 3 6 m p a 、時間( t ) 1 1 1 m i n ; 利用正交試驗 ( l 9 ( 3 ”設計得到高 質(zhì)全的 色素產(chǎn)品的 較優(yōu) 分離條件為:分離釜 i 壓力9 mp a ，分離釜i 溫度4 5 c ，分離釜1 1 溫度5 0 ,c . 2 .脫色玉米蛋白 粉在蛋糕、茶腸和冰淇淋中的 應用研究結(jié)果表明，蛋 糕中添加4 % 的玉米蛋白 粉， 冰淇淋中添加1 % 的玉米蛋白 粉應用效果良 好， 然而在茶腸中的應用效果 較差。 3 .對兩種方法提取的玉米黃色素產(chǎn)品感官指標和理化指標的測定結(jié)果說明了 超臨 界c o s 萃取法優(yōu)于有機溶劑萃取法。 4 .對玉米黃色素成品 進行分析鑒定， 結(jié)果表明 其中 色素成分為類胡蘿卜 素，玉米 油成分含有棕擱酸、硬脂酸、油酸、亞油酸等脂肪酸，它們對色素有保護作用。 5 . 玉米黃色素穩(wěn)定性的 研究結(jié)果表明: 光、 熱、 f e ” 和a l 對色素穩(wěn)定性影響較大 ， 氧化劑和其它金屬離子影響很小， 糖類物質(zhì)、 酸不影響色素的穩(wěn)定， 堿、 還原劑n a , s o , 、 v e 、油脂抗氧化劑均對色素有保護作用。 6 . 玉米黃色素在食品中 應用的研究結(jié)果表明: 添加色素的人造奶油、 硬糖色澤鮮艷、 感官良 好， 將其保存三個月，自 然光下色素的吸光度值下降較少， 說明 玉米黃色素性質(zhì) 較 穩(wěn) “ ， 完 全 可 以 應 用 i* 品 中 。 獷一 關鍵詞:玉米黃色素 超臨界wz 萃取 性質(zhì)應用 李大清 2 0 0 1 年 s 月 s t u d y o n e x t r a c t i o n o f ma i z e y e l l o w p i g me n t w i t h s u p e r c r i t i c a l c 0 2 a n d i t s p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n ab s tr ac t ma i z e y e l l o w p i g m e n t i s a n a t u r a l n u t r i e n t p i g m e n t w it h h i g h v al u e o f u t i l i z a t i o n . s t u d i e s o n i t a r e f e w i n o u r c o u n t ry . m a i z e y e l l o w p i g m e n t i s c o m m o n l y e x tr a c t e d b y u s i n g o r g ani c s o lv e n t b u t t h e q u a l i ty o f t h e a c q u i r e d p i g m e n t i s b a d . t h i s s u b j e c t i s t o e x tr a c t m a i z e y e l l o w p i g m e n t fr o m m a i z e p r o t e i n p o w d e r b y u s i n g s u p e r c r i t i c al c 0 2 w h i c h i s a b y p r o d u c t o f m a i z e s t a r c h p r o c e s s i n g . i t s t u d i e s t h e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s i n t h e p r o c e s s o f s u p e r c r i t i c a l c 0 2 e x t r a c t i o n o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t and i t s i d e n t i f i c a t i o n and p r o p e r ty and a p p l i c a t i o n . 1 . s t u d y o n t h e e x p e r i m e n t al p a r a m e t e r s o f s u p e r c r i t i c al c 0 2 e x tr a c t i o n s h o w e d t h a t a m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e s e c o n d p o w e r o f t h r e e f a c t o r s w a s s e t u p i n o r d e r t o i d e n t i 勿t h e o p t i m a l t e c h n i c a l c o n d i t i o n . i t w a s t h a t t e m p e r a t u re i s 3 8 . 8 c p r e s s u r e i s 3 6 m p a and t i m e i s 川m i n u t e s . h i g h q u a l i ty m a i z e y e l l o w p i g m e n t w a s o b t a i n e d b y u s i n g t h e o r t h o g o n al ( 場 ( 3 0 ) ) t e s t an d t h e b e tt e r s e p a r a tio n c o n d it io n w a s th a t th e p r e s s u r e o f s e p a r a t io n v e s s e l i is 9 m p a and t h e t e m p e r a t u r e i s 4 5 0 c and t h e t e m p e r a t u r e o f s e p r a t i o n v e s s e l 1 1 i s 5 0 c , 2 . s t u d y o n t h e a p p l i c a t i o n o f m a i z e p r o t e i n p o w d e r i n c a k e ,t e a s a u s a g e and i c e c r e a m s h o w e d t h a t i t i s g o o d t o a d d 4 % m a i z e p r o t e i n p o w d e r t o c a k e and 1 % t o i c e c r e a m. i t c an b e an i n g r e d i e n t a d d e d t o c a k e and i c e c r e a m w h i l e i t i s b a d t o t e a s a u s a g e . 3 . t h e e x p e r i m e n t d e t e c t e d t h e s e n s o ry and p h y s i o c h e m i c al i n d e x o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t e x tr a c t e d w it h t w o m e t h o d s . t h e r e s u l t i l l u s tr a t e d t h a t s u p e r c r i t i c a l c 0 2 e x tr a c t i o n w a s b e tt e r t h an o r g ani c s o l v e n t e x t r a c t i o n . 4 . m a i z e y e l l o w p r o d u c t s w e r e anal y z e d and i d e n t i f i e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t p i g m e n t c o m p o n e n t s w e re c a r o t e in o i d s and c o m o i l c o m p o n e n t s c o n t a i n e d p al m i t i c a c i d , s t e a r i c a c i d , o i e i c a c i d , l i n o l e i c a c i d e t a l w h i c h w e r e p r o t e c t i v e f o r p i g m e n t s 5 . s t u d y o n t h e s t a b i l i ty o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t s h o w e d t h a t i t i s v e ry s e n s i t i v e t o l i g h t , h e a t in g , f e 3 an d a 13 w h il e o x id an t an d s o m e m e t a l i o n s h a v e l itt le e ff e c t . h o w e v e r , it i s s t a b l e t o a c i d an d g l u c o s e , f u r t h e r m o r e a l k a l i , r e d u c i n g a g e n t s n a 2 s o 3 , v c an d g r e a s e ant i o x i d ant h a v e p r o t e c t i v e e ff e c t o n i t . 6 . t h e a p p l i c a t i o n o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t i n f o o d s h o w e d t h a t t h e c o l o u r o f b u tt e r i n e an d c and y a d d e d p i g m e n t w e r e b r i g h t and g o o d . a b s o r e n c y o f p i g m e n t i n b u tt e r i n e d e g r a d e d s l i g h t l y i n n a t u r a l l i g h t t h r e e m o n t h s l a t e r . i t i l l u s tr a t e d t h a t m a i z e y e l l o w p i g m e n t w a s s t a b l e and c an b e u s e d i n f o o d. p o s t g r a d u a t e : l i d a j i n g ma j o r : f o o d s c i e n c e a d v i s o r : p r o f . y a n g t o n g z h o u 0 - /i k e y wo r d s : ma iz e y e l l o w p i g m e n t , s u p e n c r it i c al c 0 2 e x tr a c t i o n , p r o p e r ty , a p p l i c a t i o n 碩士學位論文玉米黃色素的超臨界 c o z 萃 取及其性質(zhì)和應用的 研究東北農(nóng)業(yè)大學 前言 食用色素是食品添加劑的組成部分， 不僅應用于食品工業(yè)以改善食品的色澤， 而且 還廣泛應用于醫(yī)藥和化妝品工業(yè)。 1 9 世紀中葉以 前， 人們一直使用天然色紊。 我國 古代就有使用天然色素作紡織品染 料、 米飯、釀酒、 化妝品等色料的 記載 ( 謝運昌，1 9 9 7 ) 。自1 8 5 6 年英國w . h . p e r k i n s 發(fā)明了第一個合成有機色素苯胺紫后、 相繼合成了許多有機色素。由于這類色素色澤鮮 艷、色調(diào)多、性質(zhì)穩(wěn)定、著色力強、堅牢度大、調(diào)色易、 使用方便，很快取代了天然色 素。 然而近二十年來，人們發(fā)現(xiàn)許多合成色素對人體有害，除了其本身的化學性能危害 人體健康， 而且在合成過程中， 還有可能被砷、 鋁等有害物質(zhì)所污染。 合成色素的致癌、 致畸等嚴重的毒副作用使得世界各國先后禁止使用許多 合成色素( 凌關庭， 1 9 9 7 ; 張華， 1 9 9 8 ) 。 因此， 人們開始著眼于開發(fā)安全可靠的天然色素以 保證人民 的身體健康， 同時在 研究中發(fā)現(xiàn)天然色素大多具有一定的生理功能，有的含有人體所需的營養(yǎng)物質(zhì)維生素或 在人體內(nèi) 轉(zhuǎn)化為維生素， 如類胡蘿卜 素等， 有的 具有一定的藥理功效， 對某些疾病具有 預防治 療作用. 如蕓香昔天然食用黃色素具有使人維持毛細血管正常抵抗能力和防止動 脈硬化等功能 ( 楊云，1 9 9 2 ) 。 這些功能性天然色素不僅給予食品鮮艷、 逼真的色澤， 而 且對人體有營養(yǎng)保健功能， 符合現(xiàn)代功能 性食品 發(fā) 展的 新趨勢。 本課題是針對我國 天然 色素品 種較少、 產(chǎn)量不足和生產(chǎn)方法落后而提出的， 試驗中 采用較先進的 超臨界流體萃 取技術從玉米淀粉加工的副產(chǎn)物中 提取玉米黃色素， 這為玉米淀粉行業(yè)的綜合利用提供 一條新途徑。 1玉米黃色素 1 . 1 玉米黃色紊的結(jié)構(gòu)和功能 玉米黃色素是一種利用價值較高的 天然食用色素， 是從濕法制玉米淀粉的副產(chǎn)品 一 玉米蛋白 粉中提取出 來的。 它主要由 玉米黃素 ( z e a x a n t h i n , 3 , 3 一 二輕荃一 p 一 胡蘿卜 素， 分子式為c h . o , ) 和隱黃素( c r y p t o x a n t h i m 3 - 0基- 0 胡蘿卜 素， 分子式為c 4 0 h 5 6 0 ) 組成 ( 凌關庭，1 9 9 7 ;劉程，1 9 9 4 ;王威，1 9 9 4 ) , _ 巧 廣 協(xié) 一 產(chǎn) 丫 之 牙 ohho 玉米黃素 隱黃素 李大靖 前言 2 0 0 年 5月 該色素屬于異戊二烯類色素即類胡蘿卜 素，它安全、無毒、無副作用和不良 反應， 并且具有重要的生理功能。 作為光合作用的輔 助色素， 類胡蘿 卜 素參與執(zhí)行光能傳遞和 物質(zhì)轉(zhuǎn)化、 抗光敏化作用、 碎滅自由 基等生理生態(tài)過程 ( 聞芝梅， 1 9 9 8 ) ， 還能保護生物 體免受不利環(huán)境的侵害，例如由于臭氧層空洞擴大，紫外線輻射量的增大造成對動植物 有害的影響和人類皮癌的 增加， 類胡蘿卜 素也 起保護作用 ( 王業(yè)勤， 1 9 9 7 ) 。 另外， 類胡 蘿卜 素具有較高的 營養(yǎng)價值，是重要的營養(yǎng)素來源。它在體內(nèi) 能轉(zhuǎn)化成維生素 a ，具有 保護視覺、上皮組織、促進人體健康發(fā)育、 提高機體免疫力的作用，對心臟疾病、癌癥 和其他一些疾病有預防作用， 尤其有益于兒童健康發(fā)育 ( b u s h w a y , 1 9 8 5 ) 。 據(jù)美國農(nóng)業(yè)部 報導，植物化學物質(zhì)玉米黃素對于保護眼睛健康很重要。在眼睛的晶狀體中，沒有0 - 胡蘿 卜 素，但存在玉米黃素，它能碎滅單線態(tài)氧，能間接減少晶狀體蛋白的氧脅迫。又 有研究表明:飲食中的類胡蘿 卜 素可以降低白內(nèi)障疾患的危險性。同時，研究表明:人 體血漿中的主要類胡蘿 卜 素包括玉米黃素、 葉黃素、番茄紅素、隱黃素、。、p 一 胡蘿 卜 素等，它們的含量高時， 發(fā)生濕型黃斑變性病的危險降低( 王業(yè)勤，1 9 9 7 ) 。由于類胡蘿 卜 素對人體有重要的營養(yǎng)保健功能， 使得人們對天然類胡蘿 卜 素制品的需求量日 益增加， 開發(fā)和利用天然類胡 蘿卜 素資源己 成為一種引 人注目的 發(fā)展趨勢。 玉米黃色素既有天然 食用色素的作用， 又兼有營養(yǎng)強化劑的 功效和重要生理功能，符合食品添加劑 “ 天然， 、 “ 營養(yǎng)” 、 “ 多功能”的發(fā)展方向，使其在食品、飲料、日 化、醫(yī)藥行業(yè)有著廣泛的 應用 前景。 1 . 2 玉米黃色素的開發(fā)利用現(xiàn)狀 在歐美日 等發(fā)達國家， 天然色素從7 0 年代開始逐步替代廣泛使用的合成色素， 它已 經(jīng)成為主要食品著色劑， 食品彼蓋面達 6 0 % 以 上。挪威等國已宣布完全禁止使用合成色 素。美國 1 9 7 6 年天然色素的使用量達4 5 4 4 噸，產(chǎn)量是合成色素的 5 倍多。日 本 1 9 9 3 年食用天然色素品種達9 8 種之多 ( 謝運昌， 1 9 9 7 ) 。 我國 列入食品添加劑衛(wèi)生標準的 天 然色素， 截止 1 9 9 0 年底有3 9 種， 玉米黃色素在 1 9 8 6 年編入 中華人民共和國國家標準 g b 2 7 6 0 - 8 6 ，即“ 食品添加劑使用衛(wèi)生標準” ， 被批準作為天然食用色素可添加于人造奶 油和糖果等食品中， 最大使用量為5 . o g / k g( 凌關庭。1 9 9 7 ) 0 作為一種類胡蘿卜 素，玉米黃色素一般是 利用有機溶劑進行萃取或抽提，并經(jīng)過蒸 發(fā)和濃縮而獲得色素產(chǎn)品 ( 尤新，1 9 9 3 ; ;汪芳安，1 9 9 6 ;曹毅，1 9 9 8 ) 。目 前， 我國對 玉米黃色素研究開發(fā)得較少， 僅停留 在實驗室階段。國內(nèi) 外報導過許多關于類胡蘿卜 紊 的提取分離方法，最據(jù)權威的是a o a c 法 ( w i l l i a m s , 1 8 8 4 ) ，也是采用有機溶劑浸提 進一步的 分離制備采用氧化鎂和微晶纖維素混 合柱層析。 后來，大多數(shù)的 研究方法都與 a o a c 法相近， 只是提取的溶劑有所改變。 這些方法共有的缺點是在色素產(chǎn)品中不可避免 地存在具有一定毒性的殘留溶劑，影響色素質(zhì)量，損害人體健康。 近年來，隨著超臨界流體萃取技術的發(fā)展， 許多 研究者將這一技術應用于脂溶性類 胡 蘿卜 素的提取，色素的得率、純度均較高， 結(jié)果令人滿意。由 于玉米黃色素屬脂溶性 色素， 使得通常溶劑提取的產(chǎn)品中殘留 溶劑 ( 如正己 烷)的去除很難達到f a o / w h o 的 標 準，而應用超臨界流體萃取技術在生產(chǎn)過程中無有機溶劑殘留，這正符合食用天然色素 安全、無毒和純天然性的標準。 關于類胡蘿 卜 素的分離制備，國內(nèi) 外大多采用柱層析法，分離出每一種類胡蘿 卜 組 分后再對每一組分進行定性定量研究。后來又發(fā)展為用薄層色譜、液相色譜分離制備色 素 ( t e e ，1 9 9 3 ; c a n e , 1 9 9 1 ; k h a c h i k , 1 9 8 9 ; e s k i n s , 1 9 7 9 ; r o u s e l f , 1 9 8 8 ) ，這兩種 方法既可達到分離，同時又可對其定量、定性，但缺點是制備量少且必須有標準品對照 才能定性。 紫外可見光譜法也可以 對色素進行定性分析， 但不能將混合物分離，而且與 標準吸收光譜對照由于儀器和試劑的不同， 存在誤差， 無法準確進行定性分析 ( 藺定運， 1 9 8 7 ) 。 另外， 也可根據(jù)化學方法中類胡蘿卜 素所呈現(xiàn)的特定顏色對其定性 王靜, 1 9 9 7 ) , 將這幾種方 法結(jié) 合在一起， 可以 很 好地 襯類胡 蘿卜 素進行定 性( 藺 定運， 1 9 8 7 ; t h o m a s , 1 9 8 8 ; z a k a r i a , 1 9 7 9 ) 。 國 外已 經(jīng) 將超臨 界萃 取技術與 色譜法結(jié) 合在一起 對物質(zhì) 進行 分 離提純和成分鑒定 ( c h e s t e r , 1 9 9 6 ) , 在類胡蘿 卜 素的穩(wěn)定性和應用研究方面， f r a n c i s ( 1 9 9 5 ) 詳細綜述了類胡蘿 卜 素作 為色素在食品上的應用及對光、 熱的穩(wěn)定性; k e a r s l e y ( 1 9 8 1 ) 等對包括6 一 胡蘿 卜 素在 內(nèi)的食品天然色素的光、熱、酸堿穩(wěn)定性及應用作了系統(tǒng)研究。近年來，關于類胡蘿 卜 素作為食品 著色劑在國 外已 大量應用， 尤其p - 胡蘿卜 素 應用較廣( 瑞士羅氏藥品化學有 限公司，1 9 9 4 : 石永 鋒， 1 9 9 7 ; 劉 海桑， 1 9 9 2 ) , 1 9 8 9年聯(lián)合國 食品 與農(nóng)業(yè)組織 和世界 衛(wèi)生組織 ( f a o / w h o ) 確認0 一 胡蘿 卜 素為a 類優(yōu)良 食品添加劑，目 前在5 2 個國家和地區(qū) 使用。 我國食品添加劑手冊規(guī)定: 玉米黃色素可替代0 一 胡蘿 卜 素的使用 ( 劉程, 1 9 9 4 ) , 國內(nèi)對類胡蘿 卜 素研究利用的較少，只有少數(shù)的幾個單一品種，常見的有從胡蘿 卜 中 提 取的5 一 胡蘿 卜 素和從辣椒中 提取的辣椒紅素， 而對玉米黃色素開發(fā)利用得較少且未能工 業(yè)化生產(chǎn)。 另外，與其他天然黃色素相比，玉米黃色素具有許多獨特的營養(yǎng)價值， 而且 它的耐光性、耐溫性、耐酸堿性、耐氧化性、耐還原性均較其它天然黃色素 ( 如姜黃色 素) 好 ( 張鋒斌，1 9 9 9 ) 。同 時它生 產(chǎn)所需 原料一玉米蛋白 粉來源豐富，不受季節(jié)限 制， 成本低廉，這是其他天然黃色素如姜黃、 橘子黃、紅花黃、地黃、 茶黃等色素無法比 擬 的。 2 超臨界流體萃取技術 ( s u p e r c r i t i c a l f l u i d e x t r a c t i o n ) 2 . 1 超臨界流體萃取的原理 超臨界流體萃取技術是近二十多 年發(fā)展起來的 一種新型化工分離技術。 它綜合了 各 類提取分離的特點，從天然產(chǎn)物中分離有效成分具有安全、無毒、高效的優(yōu)點。 超臨界流體萃取是以 超臨界狀態(tài)下的流體作為溶劑，利用該狀態(tài)流體所具有的高 滲 透能力和高溶解能力萃取分離混合物的過程( 孫國宏， 1 9 9 9 ; 陳維樞， 1 9 9 8 ; r i z v i , 1 9 8 6 ; ) 。 當流體的溫度和壓力處于它的臨界溫度 t c 和臨界壓力p c 以 上時， 稱該流體處于超臨界狀 態(tài)。 圖1 是純物質(zhì)的 壓力 一溫度相圖 ( 余蜀宜， 1 9 9 7 ) 。 從圖中可以 看到， 如果沿著氣液 共存線向高 溫、高壓的 方向 移動， 就會達到該物質(zhì)的臨界點。 此過程中溫度的 上升引 致 熱膨脹， 使液相的密度減小: 而壓力的 上升則 將氣相壓縮， 使其密度加大。 在臨界點( p o t r ) ， 氣相與液相混然一體， 兩相的 密度相等， 相界的界線消失， 兩相之間的相變潛熱變 為零， 當 乃界， 乃幾時，流體就成為超臨界流體s c f( 右上方斜線區(qū)) 。 液 固 個1|1 么只田r 氣 1 e沮 度 t 圖1純物質(zhì)的溫度一 壓力 相圖 f i g . 1 p h a s e d i a g r a m o f t e m p e r a t u r e - p r e s s u r e o f p u r e s u b s t a n c e 超臨界流體作為一種流體狀態(tài)，與 氣體和液體既有相似之處有所不同。作為萃取溶 劑， 超臨界流體有兩種特性特別有意義。 其一是它的優(yōu)良 傳質(zhì)特性，表 1 列出了 氣體、 超臨界流體和液體的典型物理特性 劉程，1 9 9 8 ) , 表 1 氣體、栩臨界流體和清休的班型愉理恃件 t a b l e 1 t h e t y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f g a s a n d s u p r e c r i t i c a l f l u i d a n d l i q u i d 3 ( 密度 / 9 . ( c m ) 一 ， 枯度 / 1 0 -, g . c m - ,. s - , 擴散系我/ c m . s 氣體 ( 3 0 c , 1 0 1 . 3 2 5 k p a ) 0 . 0 0 6 - 0 . 0 0 2 1 - 3 0 . 1 -0 . 4 超臨界流體 接近臨界溫度和壓強 接近臨界溫度和4 倍壓強 0 . 2 - 0 . 5 0 . 4 -0 . 9; 二 ; 0 . 7 . 1 0 0 . 2 一1 0 液體 ( 3 0 c , 1 0 1 . 3 2 5 k p a ) 0 . 6 1 . 6 2 0 - 3 0 0( 0 . 2 2 ). 1 0 , 從表工 中可以 看出， 超臨界流體非氣非液， 又兼有兩 相的 特點， 因 此有人稱之為“ 無 相之境” 。 超臨界流體的密度接近于液體， 因此具有較強的 溶解能力: 它的粘度接近于普 通氣體， 擴散能力比 液體大1 0 0 倍， 所以 在超臨界流體中， 可以比 在一般液體溶劑中更 快地進行傳質(zhì)， 從而在短時間內(nèi)達到平衡。 這就是超臨界流體萃取優(yōu)于普通液一 液萃取的 主要原因。 其二是流體在超臨界狀態(tài)的一定范圍內(nèi)，其密度、粘度等隨溫度、壓力顯著 地變化，因 此而其溶解能力又與 其密 度有很大關系， 溫度和壓力的變化往往會導致超臨 界流體的溶解能力發(fā)生急劇的變化，正是利用超臨界流體這一特性進行物質(zhì)的選擇性萃 取與萃取后的分離 ( r i z v i , 1 9 8 6 ;吳衛(wèi)澤，1 9 9 9 ) , 到目 前為止，常用的超臨界流體萃取劑主要有乙 烷、乙 烯、丙烷、丙烯、苯、氨和 c 0 2 ， 其中最常用的是c o c 0 2 價格便宜， 具有高度的溶解能力， 而且是非極性溶劑， 對 中、低分子量和非極性化合物 ( 許多 天然物質(zhì)都屬此類)有 較強的親和力。其低粘稠度 和低表面張力又使之能深入提取材料的基質(zhì)中，發(fā)揮非常有效的萃取功能。同時， c o , 又容易從萃取物中脫離， 可以 得到純凈的萃取物。 另外， c o , 作超臨界萃取劑， 操作溫度 碩士學位論文玉米黃色素的超臨界 c o z 萃取及其性質(zhì)和應用的 研究 東北農(nóng)業(yè)大學 較低， 不會使萃取物發(fā)生質(zhì)變， 而且， c o , 是惰性氣體， 不會引燃和發(fā)生化學反應。由 于 c 0 2 溶劑為無毒氣體， 還可以避免采用通常有機溶劑所帶來的污染問題， 因此食品工業(yè)一 般采用c 0 2 作超臨界萃取的溶劑。 2 . 2 超臨界流體萃取的發(fā)展 關于 超臨 界流體的 發(fā)現(xiàn)和研究， 至今己 有一 個多 世紀， 早 在1 8 7 9 年h a n n y 和h o g a r t h 首 次提出超臨界流體具有很強的溶解能力。但是超臨界流體萃取在石油、化工、醫(yī)藥、 食品 等方面的應用僅有幾十年的歷史。 直到2 0 世紀5 0 年代， 美國的t o d d 和e l g i n 才開 始把超臨界流體萃取用于工業(yè)分離。 1 9 7 0 年， r o s e h u s , v i t z t h u m , z o s e l 等人申 請了 許 多超臨界流體萃取咖啡中的咖啡因、啤酒中的呈味物質(zhì)、煙草中的尼古丁以及茶葉中的 兒 茶 酚、 香辛 料中的 精油等專利 ( r i z v i , 1 9 8 6 ; p a l m e r , 1 9 9 5 ; m e r m e l s t e i n , 1 9 9 9 ; 石秉容，1 9 9 3 、 李健，1 9 9 8 ) 。 近2 0 年來，超臨界流體萃取技術己 經(jīng)發(fā)展成為一門 新的 分離技術。由于利用超臨界流體萃取技術可以明顯地提高產(chǎn)品的產(chǎn)率、純度和質(zhì)量，并 且還能夠節(jié)能、省時，因此使得這一技術在石油、醫(yī)藥、 食品、化工等領域有著廣泛的 應用前景。目 前，這一技術已 經(jīng)在國內(nèi)外得到了大規(guī)模的工業(yè)化應用。德國h a g 公司在 七十年代末， 建立了 第一個利用超臨界流體技術從咖啡豆中 脫除咖啡因的工廠。隨后八 十年代，國外的超臨界流體工業(yè)萃取裝置接連上馬。我國在九十年代，已有十余套工業(yè) 萃取裝置問 世。 超臨界流體萃取技術己工業(yè)化應用的 領域有: 從油沙中 提取汽油，從咖 啡豆、茶葉中 脫除咖啡因，從食油中分離特定 成分， 從啤酒花中 提取有效成分、 聚合物 的 合成和回收潤滑油等。 正在研究和小規(guī)模應用的有: 提取動植物油 脂、 保健營養(yǎng)成分、 細胞內(nèi)生化物質(zhì)等， 去除影響食品品質(zhì)甚至引起毒害的 微量成分， 活性炭再生， 藥品( 葛 發(fā)歡， 1 9 9 5 ) 、 香料、 香精的生產(chǎn)， 從發(fā)酵液中 提取乙醇， 分離相對分子質(zhì)量相差較大的 高分子聚合物， 脫除精細陶瓷制品的有機結(jié)合劑，脫除抗生素等醫(yī)藥制品生產(chǎn)中所有的 有機溶劑等 ( 劉程，1 9 9 8 ) 0 2 . 3 超臨界流體萃取在色素生產(chǎn)中的應用 超臨界 c 0 2 提取物的極性大體位于正己 烷提取物與抓仿提取物之間，因此特別適合 萃取脂溶性成分( 孫慶杰， 1 9 9 7 ) 0 除了 在油脂工業(yè)上用超臨界低 萃取大豆油( f r i e d r i c h , 1 9 8 2 ; ) 、 種子油 ( l i s t , 1 9 8 9 ; s t a h l , 1 9 8 4 ) 、 玉米胚芽油 ( l i s t , 1 9 8 4 ; c h r i s t i a n s o n , 1 9 8 4 : 尹卓容， 1 9 9 6 ; 周海濱， 1 9 9 8 ) 等外， 也特別適合萃取脂溶性色素， 如0 一 胡蘿卜 素、 辣椒紅素、 胭脂樹橙、葉黃素等。此外， 通過使用不同的 夾帶劑， 從而使萃取范圍 擴大，可萃取具有一定極性的色素如茶多酚、 銀杏黃酮等。 在國內(nèi)，1 9 9 2 年武練增等用超臨界 c o z 從紅尖辣椒中萃取辣椒紅素;1 9 9 6 年趙亞平 等用超臨界 c o z 從粉碎的干辣椒中提取辣椒紅素:1 9 9 6年孫君社也用超臨界 c 0 萃取純 化辣椒紅素;1 9 9 7 年潘日 鴻【 臺 也萃取分離出辣椒紅素。目 前， 我國已 用超臨界流體萃 取技術工業(yè)化生產(chǎn)辣椒紅素。1 9 9 5 年高德永用超臨界c o s 萃取可可色素;1 9 9 8 年， 孫慶 杰用超臨界c o , 萃取番茄紅素。 國外用超臨界c 0 2 萃取胡蘿 卜 素的研究較多。1 9 8 8 年f a v a t i 等從冷凍干燥的首楷葉 蛋白濃縮物中萃取胡蘿 卜 素和葉黃素:1 9 9 3 年s p a n o s 等從馬鈴薯中 萃取0 一 胡蘿 卜 素; 1 9 9 5年 m a r g a r e t等從冷凍干燥的胡蘿卜 中萃取a 一 胡蘿卜 素和d 一 胡蘿 卜 素;1 9 9 6年 李大靖 前言 2 0 0 1 年 s 月 v e g a 等從胡蘿卜 素榨汁渣中萃取a 一 胡蘿卜 素和0 一 胡蘿卜 素; 1 9 9 1 年d e g a n 等研究了 胭 脂樹橙的 超臨界c o z 萃取;1 9 9 1 年r o y r . c h a o 等也用超臨界c 0 2 從胭脂樹種子中萃取出 天然色素。 在應用超臨界流體萃取天然色素方 面， 研究較多的是辣椒紅素和胡蘿卜 素， 而對玉米黃色素研究得較少。 使用超臨界流體萃取技術，可以在溫和的條件下完成天然色素的提取，保持天然色 素的營養(yǎng)功能特性，這正符合目 前人們熱衷于對天然營養(yǎng)綠色食品添加劑的開發(fā)與研究 的想法，然而目 前利用超臨界流體萃取技術生產(chǎn)天然色素還未得到廣泛的工業(yè)化應用。 主要是超臨界流體萃取設備一次性投資較大，而且萃取天然色素的工藝尚不成熟，但是 由于超臨界流體萃取的種種優(yōu)點，超臨界流體萃取天然色素的研究將是今后發(fā)展的一個 重點。 特別是隨著人們對功能性天然色素的認識 和重視，相信超臨界流體技術將取代傳 統(tǒng)的有機溶劑法提取色素， 能 夠生產(chǎn)出高純度、 高品質(zhì)的色素產(chǎn)品， 以 滿足人們的需要。 3 研究的目的和內(nèi)容 我國 食用天然色素工業(yè)發(fā)展迅速， 但是與經(jīng)濟發(fā)達國 家相比，在品種數(shù)和產(chǎn)量上都 落后于 它們， 遠不能滿足日 益發(fā)展的食品工業(yè)的需要。 玉米黃色素作為一種天然營養(yǎng)功 能性食用色素， 符合色素工業(yè)發(fā)展的新趨勢。 而且，我國是世界第二大玉米生產(chǎn)國， 年 產(chǎn)玉米達8 5 0 0 萬噸左右 ( 石桂春，1 9 9 8 ) ， 玉米的深加工綜合利用顯得尤為重要。 玉米 淀粉的加工副產(chǎn)物玉米蛋白 粉只是簡單地用作飼料，有的當作廢物處理和排放，不僅浪 費資源、 經(jīng)濟效益低，而且造成環(huán)境污染 ( 李遠志，1 9 9 8 ) ，如在玉米生產(chǎn)淀粉的同時， 配套利用其副產(chǎn)物一玉米蛋白 粉生產(chǎn)玉米黃色素，同時， 脫色的 玉米蛋白 更便于在食品 工業(yè)上的開發(fā)利用。這樣則不僅能有效地利用玉米資 源，而且可以為企業(yè)創(chuàng)收，獲得一 定的 經(jīng)濟效益和社會效益。因此，更有必要研究開發(fā)利用玉米黃色素. 超臨界流體萃取技術是近年來發(fā)展起來的一種新型的提取分離 技術，它的 推廣應用 是今后研究物質(zhì)分離方法的一個重要方向。本課題主要利用超臨界 c 0 從玉米蛋白粉中 萃取玉米黃色素， 確定合理的工藝參數(shù)，并對玉米黃色素分析鑒定、性質(zhì)指標研究，旨 在為玉米黃色素的生產(chǎn)提供新工藝、 新方法和為玉米淀粉行業(yè)綜合利用提供新途徑。 本課題研究的主要內(nèi)容: ( 1 ) 對超臨界c 0 z 萃取過程的工藝條件進行研究， 優(yōu)化萃取過程的工藝參數(shù) ( 溫度、 壓力、 時間和col 流量) ，以 獲得較高 質(zhì)量和產(chǎn)量的玉米黃色素產(chǎn)品， 并且選擇最優(yōu)分離 條件; ( 2 ) 研究玉米蛋白 粉萃余物在食品中的應用; ( 3 )利用有機溶劑法提取玉米黃色素，并與用超臨界 c 0 z 萃取的玉米黃色素在感官 指標和理化指標上進行比 較; ( 4 ) 對玉米黃色素的 著色成分進行分析鑒定， 玉米油脂肪酸成分進行分析，以 確定 玉米黃色素產(chǎn)品對人體無害; ( 5 ) 研究玉米黃色素對光、熱、p h 值等的穩(wěn)定性; ( 6 ) 研究玉米黃色素在食品中的應用。 碩士學位論文玉米黃色紊的 超臨界c o l 萃 取及其 性 質(zhì)和應用的 研究 東北農(nóng)業(yè)大學 材料與方法 1 材料 1 . 1主要材料與試劑 玉米蛋白粉:黑龍江龍拱玉米淀粉糖有限公司提供 c o l :食品級， 哈爾濱中國釀酒廠、二氧化碳分廠 金龍魚牌食用調(diào)和油:營口渤海油脂工業(yè)有限公司 2 8 4 6 型油脂抗氧化劑:陽江市港陽香化企業(yè)有限公司 人造奶油:東北農(nóng)業(yè)大學實驗室提供 雞蛋、肉、牛奶、小蘇打等:市售 正己 烷、石油醚、丙酮、乙酸乙醋、乙醚、氛仿、乙醇、過氧化氫、亞硫酸鈉、 抗壞血 酸、 氧化鎂、甲醉、 硫酸銅、 三抓化鐵、 硫酸亞鐵、 硫酸鋁、 抓化鈣、 硫酸鋅、 氛化鈉、 抓化鉀、鹽酸、硫酸、硝酸、正丁醉、蔗糖、果糖、葡萄糖等均為分析純或生化試劑 1 . 2 主要設備 h a 1 2 1 - 5 0 - 0 1 型超臨界萃取裝置:江蘇南通華安 超臨界萃取有限公司 美國b e c k m a n d u - 7 紫外一 可見光分光光度計 日 本s h i m a d z u l c - 3 a 高效液相色譜儀 日 本s h i m a d z u g c - 9 a 氣相色譜儀 電子天平: 沈陽龍騰電子稱量儀器有限公司 電熱恒溫水浴鍋:黃弊市渤海電器廠 電熱恒溫干燥箱:南京實驗儀器廠 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:中科院生物物理所科龍儀器廠 v f m 2 0 - b 立式食品 攪拌機: 廣東 省韶關 市食品 機械廠 遠紅外線烤箱:廣州冶金機械廠 m m 1 2 型絞肉機:廣東省韶關市食品 機械廠 平動u 型打卡機:河北省衡山 市包裝線材廠 x d h n2 7 a 臥轉(zhuǎn)式自 動控溫禽類烤箱: 浙江省瑞安勤奮機械廠 g y b 6 0 - 6 s 高壓均質(zhì)機:上海東華高壓勻漿泵廠 r b j - 6 - 2 冰淇淋機:洛陽開發(fā)區(qū)三川制冷設備廠 2 3 1 型玻璃電極:上海電光器件廠 7 5 0 0 紫外一 可見光分光光度計:上海天美科學儀器有限公司 7 2 1 型紫外一 可見光分光度計: 上海分析儀器廠 r j m - 2 8 - 1 0 型茂福爐: 沈陽市電 爐廠 7 8 - 1 型磁力加熱攪拌器: 杭州儀表電 機廠 h c - t p 1 1 一 1 0 型架盤藥物天平:上海第二天平儀表廠 索氏提取器 常壓蒸餾裝置 李大姍 材料與方法 2 0 0 1 年 5 月 2 方法 2 . 1 玉米蛋白粉組成成分的測定 2 . 1 . 工 水分的測定 采用恒溫干燥法 ( 黃偉坤，1 9 8 9 ) 2 . 1 . 2 蛋白質(zhì)的測定 采用凱氏定氮法 2 . 1 . 3 粗脂肪的測定 采用索氏抽提法 2 . 1 . 4 色素含量的測定 采用a a c c ( a m e r i c a n a s s o c i a t i o n o f c e r e a l c h e m i s t s )法 1 4 - 5 0 : ( p a r k ， 1 9 9 7 ; j o h n s t o n , 1 9 8 0 ) 準確稱取樣品0 . 5 0 0 - 1 . 0 0 0 g ， 加入到4 0 m 1 丁醇飽和水溶液中， 浸提3 h ，并不時 輕 輕振蕩。浸提結(jié)束后再次振蕩，用濾紙過濾得上清液，用紫外一 可見光分光光度計在 4 3 5 . 8 n m 處測吸光度。 在丁醇飽和水溶液中e . = 1 . 6 6 3 2 類胡蘿卜 素含量可用下式計算: 色素含量c ( r g / g ) = ( a s / e : ) x 1 0 0 0 v / ( 1 0 0 m ) 其中a .s ,- 樣品吸光度 e .: = 1 % 該溶液標準吸光度1l萃取溶液的體積 ( m l ) 二 樣品質(zhì)量 ( 9 ) 2 . 2 超臨界c o , 萃取試驗參數(shù)的研究 2 . 2 . 1 超臨界c o z 萃取試驗操作規(guī)程 本試驗所用超臨界c 0 2 萃取裝置主要由 下列部分組成: c 0 2 鋼瓶、 制冷裝置、 2 1 . 貯罐、 溫度控顯系統(tǒng)、 壓力控顯系統(tǒng)、 安全保護裝置、 流量為2 0 l / h 的高壓計量泵、 熱交換器、 1 l / 5 0 m p a 萃取釜、0 . 6 l / 3 0 m p a 分離釜、 流量計、過濾凈化裝置、閥門等。 超臨界c 0 2 萃取工藝流程如圖2 所示 具體操作規(guī)程:接通總電源 ， 起動制冷裝置 、 起動萃取釜、分離釜工 、n 的加 熱裝置 一 原料 ( 玉米蛋白 粉) 裝入料筒，再裝入萃取釜， 用密封圈封好 一 待制冷結(jié) 束， 并且各釜預熱溫度接近設定溫度時， 打開萃取釜進氣閥門， 壓力平衡后， 關閉 一 打 開萃取釜放氣閥門， 待壓力降 低2 m p a 左右， 關閉 重新打開萃取釜進氣閥門， 起動高 壓泵 待萃取釜壓力接近設定壓力時， 打開萃取釜出 氣及分離釜1 . i i 進氣閥門 調(diào) 節(jié)閥門， 控制萃取釜及分離釜i .n 的壓力 一 待壓力、 溫度與所設定值相符時， 開始 計時 一 萃取結(jié)束后， 先關閉 泵、 制冷及加熱裝置開關， 再切斷總電 源 一 開大閥門 一 待萃取釜壓力降到與分離釜、 貯皓、 鋼瓶一致時， 關閉萃取釜進氣及出氣閥門 一 打開 萃取釜放空閥門 待壓力降為常壓時，打開萃取釜封蓋， 取出料筒 整個萃取過程 結(jié)束 ( 孫艷波，1 9 9 9 ) , 碩士學位論文玉米黃色素的超臨界 c o , 萃取及其性質(zhì)和應用的研究 東北農(nóng)業(yè)大學 分離釜fl 凈化籍 眺鋼耘 流t計 圖2 超臨界c o , 萃取工藝流程 f i g . 2 t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f s u p e r c r i t i c a l c 氏e x t r a c t i o n 2 . 2 . 2 衡量超臨界 c 0 2 萃取條件的試驗指標值的確定 由于玉米黃色素為脂溶性色紊， 在試驗中， 色素與 玉米油一起被萃取出 來， 而玉米黃 色素 產(chǎn)物就是玉米油與類胡蘿卜 素的混合物， 所以 將玉米黃色素的萃取量 ( m ) 作為衡量 超臨界萃取條件的工藝指標。關于天然色素的表示方法，主要是色素含量， 但天然色素 除色素成分外， 還含有一些非色素成分， 故不能用一般測定原料色素含里的方法來測定。 國 外大都采用色價法。 聯(lián)合國食品和農(nóng)業(yè)組織和世界衛(wèi)生組織 ( f a o / w h o ) 也是 用色價表 示色素產(chǎn)品質(zhì)量 ( 藺定 運，1 9 8 7 ) ，即1 % 色素溶液在l c m 光路長度的 吸光度 ( e . 0 ) ， 所 以 也把色價作為衡量萃取出玉米黃色素質(zhì)量的工藝指標。二者綜合起來考慮， 用萃取量 和色價的 乘積 ( m * e , . 0 ) 作為 衡量玉米黃色素產(chǎn)量與 質(zhì)量的 最終 指標. 測定色價的方法: 精確稱取樣品， 使其吸光度在 0 . 2 -0 . 7范圍內(nèi)， 用正己 烷定容 至1 0 0 耐。 用正己 烷作對照， 用l c m 比 色皿在最大吸收波長下測定測試液的吸光度a 。 按 下式求出色價。 色價二 a * 1 0 / 樣質(zhì)量 ( 克) 2 . 2 . 3 c 0 2 流量對玉米黃色素萃取的影響 一