天然色素的提取及其研究进展论文.doc

萍乡高等专科学校 PINGXIANG COLLEGE 毕 业 论 文 （2008 2011年）题 目：天然色素的提取及其研究进展 系 别： 化学工程系 专 业： 生物教育 班 级： 08生物教育班 学 号： 08361010 学生姓名： 杨俊 指导教师： 黎桂芳 完成日期： 2011年4 月15日 天然色素的提取及其研究进展专业：生物教育 学号：08361010 学生姓名：杨俊 指导老师黎桂芳：摘要主要介绍了天然色素分类以及提取方法的研究进展，提取新技术如超临界流体萃取、物理技术辅助提取、分子蒸馏、双水相萃取等，论述了各种新技术的原理、特点及其应用，指出了存在的问题，探讨了这些提取新技术在天然色素提取上的应用与发展前景。关键词：天然色素，分类，提取方法目录摘要-2第一章天然色素的价值研究-3第二章天然色素的分类-32.1按色素的化学结构式分类-42.2按色素的溶解性分类-42.2.1水溶性色素-42.2.2油溶性色素-42.2.3乳浊型色素-42.2.4固体粉末型色素-4第三章 天然色素的制备与提取方法-43.1溶剂提取法-53.2超临界流体萃取法-53.3微波萃取法-53.4超声波技术辅助萃取法-53.5分子蒸馏技术-53.6双水相萃取法-63.7微生物发酵法-63.8酶反应法-63.9压榨法-63.10冻结溶解法-63.11组织培养法-7第四章 讨论-7参考文献-8 第一章天然色素的价值研究色素分为合成和天然色素两大类。随着现代医学的发展，大多数合成色素被证明有不同程度的毒性而对人体有害，甚至有致癌、至畸作用【1-3】。天然食用色素，安全可靠，且种类繁多，不少品种兼有营养和药理作用【4-6】，因此，天然色素更受人们欢迎而重新获得发展。与合成色素相比天然色素多来自动物、植物组织，因此，一般来说对人体的安全性较高；有的天然色素本身就是一种营养素，具有营养效果；有些还具有一定的药理作用；同时天然色素能更好地模仿天然物的颜色，着色时的色调比较自然。SiongTee(1992)发现-胡萝卜素具有一定的抗癌作用【7】。Peterka（1993）报道，过多维生素A的摄入会导致畸形，而-胡萝卜素得摄入则可避免胚胎毒的产生【8】。Basu(2000)发现-胡萝卜素能降低脂类的过氧化作用，提高谷胱甘肽在可移植的鼠类淋巴组织瘤中的水平，从而延长患癌症大鼠的寿命【9】。现将部分天然多功能食用色素归纳如下（见表一）表一主要的天然多功能食用色素品种名称色调其他功能胡萝卜色素橙-黄作营养强化剂栀子色素黄利尿，止血，消炎药密蒙花色素黄活血化瘀药鸡冠花色素红可做清凉饮料，止血药花生内花色素橙黄补血，止血药丹参色素黄-深红消炎抗菌，抗氧化剂菊花色素黄清凉明目，抗氧化剂茶黄色素黄食用抗氧化剂姜黄色素黄降血脂，活血药叶绿素铜钠绿止血消炎，牙膏添加剂血红素红补铁强化剂黑芝麻色素黑可作补药第二章天然色素的分类【10-11】2.1按色素的化学结构式分类各种天然色素主要成分虽有不同，但可据化学结构式归为几类：类胡萝卜色素：如栀子黄色素、辣椒色素、番茄红素、柑桔黄、胡萝卜素、黑果枸杞色素等；花色 类：如玉米色素、葡萄色素、玫瑰茄色素、紫甘蓝红色素、紫苏色素、月季红、紫荆花红等;查尔酮类：如红花黄（红）色素、菊花黄色素等；黄酮类：如高粱色素、甘草色素、橡宛棕黄等；多酚系：可可壳色素等；醌类：如虫胶色素、紫草根色、胭脂红、紫胶红色素等；叶琳类：如叶绿素等；甜菜花青类：如甜菜红色素、苋菜红、黑豆红；双酮类：如姜黄色素；复杂酶蛋白类：如红曲色素。还有像栗子皮棕、黑黍糠 棕、螺旋藻蓝【12】、黑糯米黑【13】等一些结构不太清楚的色素。2.2按色素的溶解性分类2.2.1水溶性色素水溶性天然色素一般是用水、酸碱水溶液或乙醇溶剂等萃取后经过滤、浓缩后制取的。水溶性天然色素一般用于水基类的食品中，如冰淇凌、奶制品饮料、果汁饮料、奶酪、谷物食品以及色拉装饰等。2.2.2油溶性色素油溶性天然色素常用植物油直接渗出或溶剂萃取的方法制备。此类色素可用于黄油、冰淇凌、起酥油、色拉油、糖果涂层、糖霜、各类饼、派类食品以及微波加工食品等。2.2.3乳浊型色素乳浊型天然色素是通过添加乳浊剂用特殊的加工方法生产的。常用的乳浊剂有丙烯二醇、多山梨醇酯以及单酸甘油酯等。可直接将其加入水基或油基食品中，如黄油、冰欺凌、酸乳酪、果汁饮料、烘焙食品、快餐食品以及糖果食品等。2.2.4固体粉末型色素粉末天然色素是萃取后的色素经浓缩、干燥后制备的。主要用于固体含量高、不依赖于水的食品系统或需要高浓度色素的食品中，如干混食品、某些干燥食品、谷物食品、速溶食品以及烘焙食品等。第三章天然色素的制备与提取方法3.1溶剂提取法溶剂提取法是目前从动植物中提取色素是一种普遍常用的方法。溶剂提取包括浸渍法、渗漉法、煎煮法和回流提取法。主要工艺是将天然色素植物原料，通过分选、水洗去泥、晒干去水，再经粉碎机粉碎后置于溶液中浸泡提取，提取液经分离、浓缩、干燥、精致而得成品。工艺流程图【11】为：原料分选 水洗 干燥粉碎 溶剂萃取 过滤分离 干燥 精制 成品相对而言。有机溶剂提取法萃取剂便宜，设备简单。操作步骤简单易行，提取率较高，但用其提取的某些产品的质量较差。浓度较低。有异味或溶剂残留。影响产品的应用范围。3.2超临界流体萃取法超临界二氧化碳流体萃取是近二十年发展起来的一种心绪物质分离、精制技术，是一种新型的绿色分离技术。与其它萃取技术相比，超临界流体萃取技术具有许多优点【14】：具有广泛的适应性；萃取操作条件一般比较温和，特别是适合于分离受热易分解的热敏性物质；具有较好的选择性；超临界流体大多数是低分子的气体，回收简单方便；节约能源，污染小，无残留；分离工艺流程简单；萃取效率高，过程易于调节。但是作为一种新兴的化工分离技术，应用过程中于面临着一些问题。目前所用萃取剂主要为二氧化碳。由于其极性限制，目前该技术主要用于提取胡萝卜素类色素如辣椒红、叶黄素等，对极性较大的花色 类色素有待开发新的超临界萃取剂和修饰剂。还因为存在技术尚不完全、设备复杂且昂贵、运行成本高等问题，是这种萃取方法在该领域的发展和应用受到了一定的限制。3.3微波萃取法微波萃取是在密闭容器中用微波加热样品及有机溶剂将待测物质组分从样品基体中提取出来的一种方法。其能在短时间内完成多种样品组分的萃取，溶剂用量少，结果重现性好。李颖【15】等通过正交实验得出，在实验条件下，微波浸取的最适工艺条件为：辐射功率450W，辐射时间75S，固液比1：5。在此条件下，进行重复5次实验，得到提取率在63%-67%之间。微波萃取天然色素技术在实验中虽然已经取得一定的重要成果。但由于它的特性的限制，应用范围受到了一定的影响。3.4超声波技术辅助萃取法超声波萃取作为一种新兴应用技术，近年来已在某些天然成分的收集上获得广泛应用。其基本原理是利用超声波的空化用加速植物有效成分的溶出，另外超声波的次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲提取成分的扩散释放，并充分与溶剂混合，利于提取：超声波的粉碎、搅拌等特殊作用，可打破植物细胞壁，以使溶媒尽快渗透到植物细胞中，溶出其中有效成分。与常规溶剂萃取相比，超声波萃取时间短、产率高、条件温和。目前，超声波辅助萃取技术虽已在天然色素的应用中进行了一些研究，但都仅在实验室的小规模上，超声波萃取的机理超声波空化效应的研究还处于初步决阶段；对声能量与物质间相互作用及其产生的附加效应，还需要进行大量的研究工作；对其动力学模型还需要深入探讨，以便建立一套较为通用的模式，为提取技术提供理论依据；同时还应注重有关工程问题的研究，解决超声波萃取工程的放大问题。3.5分子蒸馏技术分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，可以在高真空度下进行连续操作。其基本原理是基于不同物质分子在高真空下分子运动平均自由程的差别，在远低于物质常压温度的条件下将分离出来。该技术具有蒸馏温度低，蒸馏压力低、分离程度高、受热时间短等特点；因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好得保护热敏性物料的品质，真正保持了纯天然的特性。分子蒸馏技术在制备天然色素方面具有独特的优势，制得的色素产品质量、外观、得率都高于真空蒸馏的产品，克服了传统分离提取的种种缺陷，必将在天然色素的制备方面起到巨大的推动作用。目前，该技术以广泛应用于石油化工、食品工业等领域，特别适用于天然物质的分离于提纯。但是，分子蒸馏技术在天然色素活性成分提取和纯化过程的应用还刚刚开始，尚有很多问题需要进一步探索和研究。3.6双水相萃取技术【18】双水相萃取技术是20世纪60年代以来研究开发的新型固-液分离技术。其基本原理是利用被提取物质在不同的两相系统间分配行为的差距进行分离。于传统的萃取方法相比，ATPE技术所形成的两相大部分为水，两相界面张力很小，为有效成分的溶解和萃取提供了适宜的环境，相际间的质量传递快，操作方便，时间短，条件温和，易于工程放大和连续操作，这对于天然色素来说无疑为一种新的分离技术【16】。ATPE技术目前仍不是十分成熟，理论及技术均存在一定的问题。今后研究的焦点应该是：进一步认识双水相萃取的基本理论，寻找更为廉价的成相物质，提高成相物质的萃取专一性，扩大该技术在天然色素萃取上的应用。3.7微生物发酵法此法用于核黄素和红曲素的生产，传统的红曲米生产方法是将红曲作菌禾种，接种在蒸熟的大米上，进行培养，发酵后再用乙醇提取而得红曲红素。工艺流程图【12】如下：培培养 、发酵 溶剂抽提 脱去溶剂 干燥粉碎（或加溶剂） 成品。天然色素现在主要是从植物、动物材料和微生物细胞中获取。因动植物材料生长繁殖受季节、气候、产地等因素的影响，原料不足，从中提取的色素价格昂贵，应用受到局限，而利用微生物资源生产天然色素，克服以动植物为原料生产天然色素的诸多缺点，并且易于工业化。因此，采用微生物生产天然色素将逐渐成为天然色素来源的主流【17】。3.8酶反应法早在1979年，日本专利（JP7924940）就介绍了利用番茄皮自身来提取番茄红素的生产方法。对于一些被细胞壁包围不易提取的原料可用纤维素酶处理，应用纤维素酶提取红花中红花黄色素，于传统水提法相比，由于纤维素酶破坏了植物细胞壁，使内容物浸出量增加，提取效率提高了9.40%13.35%。但是值得注意的是，在纤维素酶制剂中，除了主要成分纤维素酶之外，还有少量半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶等，在提取过程中，由于底物的存在也同时显示催化活性。因此，不同的纤维素酶制剂作用于同一种植物材料时，有效成分提取率的高低不仅与制剂中纤维素酶的含量、活性有关，也与酶制剂中半纤维素酶、果胶酶等的含量及其活性有关，所以，应对不同来源的纤维素酶进行筛选，以获得与植物材料相匹配、具有最大提取率的纤维素酶【18】。通过酶反应产生所需要的颜色，如栀子果实用水提取出的黄色素，食品加工中经酶处理产生栀子蓝色素、红色素。工艺流程图【11】如下：天然色素原料 筛选 水洗 晾干 萃取 酶反应 萃取 浓缩 干燥 粉碎 成品3.9压榨法利用挤压方法，将粉碎后的新鲜植物的叶、果、皮中色素成分随植物浆液挤压出来。此法适宜于水溶性色素的提取，但压榨成分过于复杂，需用其他方法精制。此法是将天然色素植物原料经分选水洗，切段压榨出汁，再经过滤、蒸馏而得。工艺流程图【11】如下：原料分选 水洗 切碎 压榨（或挤压） 过滤 蒸馏 成品甜菜红色素可用此法制得。萃取和压榨制取的天然色素，一般分为粉剂和水剂，提取率低，没有定型设备。3.10冻结溶解法冻结溶解法条件温和，操作温度在温室以下，对热敏性高的天然食用色素破坏较小，是生物化学研究中常用的破碎微生物细胞壁的方法。当植物细胞壁破裂后，胞内可溶物迅速溶出，很容易得到高浓度色素溶液，与常规浸提相比，由于避免了通过细胞壁传质的过程，浸提时间大为缩短。但植物细胞壁破裂后，胞内可溶物都会溶出，为了得到较纯的产品，有机溶剂提取仍是不可缺少的，如对栀子、红蓝草、枫叶为原料3种色素提取的结果表明，冻结溶解对提取水醇兼融的植物色素具有较普遍的实用性，可推广于其他同类色素的工业化生产，甚至对提取其他非色素类的胞内物质也有作用【19】。3.11组织培养法此法多用于植物细胞在人工控制的条件下通过培养繁殖出大量色素细胞，再用萃取法或粉碎法、压榨法提取细胞液中色素，如甜菜根细胞素、蓝藻色素都可用此法制取。第四章 讨论上述各法中，微波萃取法、酶反应法、超临界萃取法是今后的发展方向。用一般萃取工艺经浓缩而得到的天然色素产品，通常色价低、杂质多和有异味，这些都将直接影响天然色素的稳定性、染着性及其应用，因此对色素产品的精制纯化十分重要。目前天然食用色素的纯化方法重要有：萃取法、离子交换树脂法、吸附法、超滤法和酶法等。在过去的10年中，我国已发表的有关天然色素的论文达100余篇，但涉及天然色素结构的论文却很少，在天然色素结构的基础上进行修饰改造的就更少，其原因重要是分离技术和设备的落后，阻止了天然色素的应用和发展速度，有待于今后加强这方面的研究。参考文献：【1】 林森.精细化工生产配方与应用手册【M】.南昌：江西科技出版社，1999.11-13.【2】 马自超，庞业珍.天然食用色素化学及生产工艺学【M】.北京：中国林业出版社，1994.1-4.【3】 丁学杰.精细化工新品种与合成技术【M】.广州：广东科技出版社，1993.90-91.【4】 蒋林斌，林翠梧，赵树凯，等.红龙果食用色素的提取及理化性质分析（I）J.分析测试学报.2002,21（6）：38-41.【5】 蒋林斌，林翠梧，赵树凯，等.红龙果食用红色素H的提取工艺条件【J】.化学研究与应用，2003,15（2）：272-273.【6】 赵树凯，林翠梧，蒋林斌，等.红龙果红色素的稳定性研究【J】.化学研究与应用，2003,15（3）:431-432.【7】 Siong Tee.Carotenoids and Retinoids inhuman Nutition.Critical Rev【J】.Food Sci.Nut.，1992,31:103-163.【8】 Peterka M.Different enbroy toxic effiect of vitamin A andbeta-carotene detected in the chick emryoJ.Acta Chirp plast.,1997,39(4):112.【9】 Basu M.Beta-careotene prolongs survival,decrease lipid preoxidation and enhances glutathione status in transpiantable murine lymphomaJ.Phytomedic