（有机化学专业论文）乳液法提取天然色素的研究.pdf

中文摘要 天然色素是食品添加剂，是取代化学合成色素的必然趋势，在欧美等发达国 家已明令禁止在食品、药品中使用合成色素。天然色素其多来自于水果、蔬菜、 花卉等天然物，对人体安全性较高，易于吸收又兼有保健功能，对癌症、心脏病、 眼科疾病具有很好预防效果。在天然色素的各种提取方法中，溶剂提取法的工艺 简单、设备投资少、技术易掌握、适用范围最广，是目前较普遍采用的方法。然 而，利用有机溶剂进行提取存在对环境造成严重污染等问题。 本文通过一种简单、快捷的实验方法，利用丙烯酸、丙烯酸丁酯、苯乙烯、 正丁醇、蒸馏水、氢氧化钠、过硫酸钾进行乳液聚合，进而合成了一种高分子表 面活性剂。然后利用这种高分子表面活性剂进行了一系列脂溶性天然色素的提 取，这些天然色素包括番茄红素、辣椒红素、叶绿素、胡萝1 - 素、桔黄索。该方 法以水为溶剂，避免了有机溶剂提取所存在的毒性大，污染严重，价格昂贵等缺 一点，并且通过与有机溶剂提取法提取效果的比较，可以看出其提取效率并不低于 有机溶剂提取法。实验证明利用该高分子表面活性剂进行脂溶性天然色素的提取 是一种切实可行的新方法。 关键词：乳液聚合高分子表面活性剂天然色素提取 a bs t r a c t c r u d ep i g m e n t sc a nb eu s e da sf 1 0 0 da d d i c t i v e s ，a n dt h e yw i l ls u b s t i t u t et h e s y n t h e s i z e dp i g m e n t s i nm a n yc o u n t r i e si n c l u d i n ga m e r i c a , t h es y n t h e s i z e dp i g m e n t s h a v eb e e nf o r b i d d e nt ou s ei nf o o da n dl e e c h d o m c r u d ep i g m e n t sc a na l w a y sb e o b t a i n e df r o mf r u i t ，v e g e t a b l e sa n df l o w e r s ，a n dt h e ya r es a f ea n dc a nb ee a s i l y a s s i m i l a t e db yh u m a n s t h e yc a np r o t e c tp e o p l ef r o mc a n c e r s ，h e a _ i ta t t a c k sa n de y e d i s e a s e s a m o n gt h ee x t r a c t i o nm e t h o d so ft h ec r u d ep i g m e n t s ，t h es o l v e n te x t r a c t i o n i sm u c he a s i e r , a n dc a l lb ew i d e l yu s e d h o w e v e r , i tw i l lb r i n gs e r i o u sp o l l u t i o nt ot h e e n v i r o n m e n t a s i m p l ea n df a s tm e t h o dw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r c o - p o l y m e rs u r f a c t a n t ( c p s ) w a ss y n t h e s i z e db yc o - p o l y m e r i z a t i o nu s m ga c r y l i ca c i d ，a c r y l a t ea n ds t y r e n e m o n o m e r s ，a n dt h i sc p si sc o n d u c t e da sas u r f a c ea c t i v ea g e n tt om a k ee m u l s i o nf o r e x t r a c t i o no fc r u d ep i g m e n t s s u c hc r u d ep i g m e n t si n c l u d el y c o p e n e ，c a p s a n t h i n ， c h l o r o p h y l l s ，c a r o t e n e sa n do r a n g ep i g m e n t t h i sm e t h o da v o i d e dt h ed i s a d v a n t a g e s w h i c ho r g a n i cs o l v e n ta l w a y sh a v es u c ha s f l a m m a b i l i t ya n dc o n t a m i n a t i o n c o m p a r i n gt h i sm e t h o dw i t he x t r a c t i o nb yo r g a n i cs o l v e n t ，i th a sb e e np r o v e dt h a tt h e y i e l di sn o tl o wt h a no r g a n i cs o l v e n te x t r a c t i o n i t sf e a s i b i l i t yh a sb e e np r o v e db y e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：l a t e xp o l y m e r i z a t i o n , c o - p o l y m e rs u r f a c t a n t ，c r u d ep i g m e n t s ， e x t r a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刘茯玮 签字日期： 加d 7年f 月pb 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：列獬 l 签字日期：可年1 月d 日 导师虢磁归螺丕 签字日期：如刁等 f 月加日 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 天然色素的提取 第一章前言 天然色素主要从各种植物中提取，其中很多品种均具有生理活性。相对合成 着色剂而言，天然食用色素更加安全，是国际上竞相开发的重点。近十多年来， 我国经国家批准使用的天然着色剂从2 0 多种增加到4 7 种，是目前世界上批准天然 着色剂最多的国家。在天然着色剂中，姜黄有抗癌作用，红花黄有降压作用，辣 椒红有抗氧化作用，菊花黄有抗氧化作用，高粱红有抗氧化作用，玉米黄有抗氧 化作用，红曲米有降血脂作用，沙棘黄有抗氧化作用，桑椹红有降血脂作用，葡 萄皮红有调脂作用，紫草红有抗炎症作用，茶绿素有调血脂作用。 人类在进化的过程中，首先接触的和赖以生存的都是这些天然物质，给我们 提供了食物、衣物、防病治病的药物和日常用品。早期人类就是利用大自然为我 们提供的这些天然物质生存、繁衍。随着人类社会的发展，逐渐对大自然加深认 识，懂得了如何利用这些天然物质，改造加工这些天然物质，使它们更好地为人 类服务。特别是近代科学技术的迅猛发展，人们逐渐地对组成这些天然物质的化 学成分及其代谢产物进行深入的研究，从分子水平上认识这些天然物质，并进一 步研究它们的利用价值，从而发现人类生存需要的蛋白质、维生素、脂肪、碳水 化合物以及用于防病治病的药物、防止病虫害的农药、人们日常生活中的香料、 甜昧料、色素、保健饮料以及化学工业用的各种化学原料等。人类进入2 1 世纪 以来，世界上掀起了回归大自然的热潮，天然产物与人们生活的关系也到了一个 新的阶段，天然产物似乎成了人们最为信赖和信任的朋友。 从古代开始，人类就已经使用天然色素。如在北魏贾思勰的齐民要术中 记述了红花栽培和制备染料的方法；晋代张华博物志中记载了用红花作胭脂 的方法；明代宋应星天工开物中记述了红花饼的制作方法；韩非子中记 载了战国时期齐国多用紫草染丝绸；在食经和齐民要术等书中，就有利 用天然植物色素对酒和食品着色的记载。近年来，随着人类对化学合成色素的认 识和对生活质量需求的提高，天然色素的应用和开发越来越受到人类的关注和重 视。 天然色素作为食品添加剂，必然会取代化学合成色素，在欧美等发达国家已 天津大学硕士学位论文第一章前言 明令禁止在食品、药品中使用合成色素。天然色素其多来自于水果、蔬菜、花卉 等天然物，对人体安全性较高，易于吸收又兼有保健功能，对癌症、心脏病、眼 科疾病具有很好预防效果。 天然色素有以下优点：( 1 ) 副作用小，安全性高；( 2 ) 有些对疾病具有防治作用； ( 3 ) 含有人体必需的营养物质，兼有营养的效果，如核黄素本身就是一种维生素， 而b 一胡萝i - 素具有维生素的活性；( 4 ) 色调比较自然，能更好地模仿天然着色。 但也有缺点：( 1 ) 部分天然色素对热、氧、金属等敏感，稳定性较差：( 2 ) 染色均匀 性差，染着力差；( 3 ) 对p h 值变化敏感，其色调一般随p h 值变化而发生变化； ( 4 ) 种类繁多，性质复杂；( 5 ) 价格较高；( 6 ) 应用范围窄。当然有些缺点是可以通过 改进措施来克服，如设法纯化产品，或加入稳定剂、抗氧剂等添加剂可减少褪色 和变色，增加其稳定性。 天然色素按来源和性质，可分为植物、动物、微生物和矿物色素。矿物色素 大多对人体有害，现已不再用于食品的着色，动物、微生物色素的应用也较少。 而植物色素是天然色素应用最多的一类，其使用非常广泛。作为重要的食品添加 剂，它可以广泛应用于饮料、糖果、糕点、酒类等食品的着色；也可以用于医疗 保健品、化妆品的着色。植物色素的研究和开发有着广阔的前景和发展潜力。 植物色素可分为类胡萝卜类、类黄酮化合物、多酚类化合物、醌类化合物、 叶绿素类、生物碱类化合物、二酮类化合物、吲哚类化合物和其它植物色素。 类胡萝卜类色素也称多烯色素、多萜类色素，其结构由4 8 个异戊二烯分 子组成，一般具有共轭的双键。类胡萝卜素广泛存在于自然界中，其种类非常繁 多，是天然色素的一个主要方向，光目前已知结构的类胡萝卜素就达1 0 0 0 多个， 并且不断有新的报道。类胡萝i - 素有广泛的用途，不仅可用作食品、药物、化妆 品和饲料的添加剂和着色剂，还有提高免疫力、抗氧化作用等功能。 色素的提取方法主要有下列方法：溶剂提取法、压榨法、粉碎法、酶反应法、 培养法等。 在各种提取方法中，溶剂提取法的工艺简单、设备投资少、技术易掌握、适 用范围最广，是目前较普遍采用的方法。在该法中，一般用水或亲水性有机溶剂 乙醇、甲醇、丙酮等提取水溶性色素，而用己烷、二氯甲烷、石油醚等提取脂溶 性色素。水是提取水溶性色素最常用的溶剂，为了提高色素的提取率，常用酸水 或碱水。如碱水可用来提取黄酮、蒽醌、酚类等色素成分，酸水或酸性乙醇常用 于提取花色素类。 压榨法，利用挤压的方法，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。该法适宜于水溶性色素的提取，但压榨出来的成分过于复杂， 需用其他方法精制。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 酶反应法，即通过酶反应产生所需要的颜色，在用其他方法提取出来。如经 酶处理产生的栀子蓝色素、红色素。 培养法，是将茵珠散布于培养基中，培养后干燥、粉碎、浸提得到色素，如 蓝藻色素。 在植物色素的提取中，还有一些近年来发展起来的先进技术，如微波提取、 超临界c 0 2 萃取、冷冻技术等，这些先进的方法提取得到的色素质量一般较好。 天然色素很多是混合物，使用后毒性小，但也有染色不稳定等特点。天然来 源也成为其成本较高的因素，但其在安全性方面的优越性随社会的发展和人们需 求的提高将日显突出，可以预计，随着技术的进步和设备的先进，天然色素的应 用将更加深入，更加广泛。 1 1 1 番茄红素 番茄红素是针状深红色晶体，熔点1 7 4 ，可燃，作为脂肪烃不溶于水，难 溶于甲醇等极性有机溶剂，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、二 硫化碳、苯、油脂等【l 】。具有良好的热稳定性，能耐k - 、n 矿、m 矿、f e 2 + 等离 子，但不耐f e 3 + 和c u 2 + 等离子。盐酸对番茄红素有破坏作用，耐碱性较好，耐氧 化还原性较强，但不耐光【2 j o 在4 7 2n m 处有一强吸收峰p j ，当分子从反构变为顺 构时颜色变浅，熔点降低，消光系数减少，吸收峰发生偏移。结构式如下图 番茄红素具有高效淬灭单线态氧和清除自由基的作用，单线态氧是很强的自 由基，能够跟许多与氧气不能发生反应的分子直接结合。晶体中产生的单线态氧 化可导致白内障，与类胡萝卜素及其它抗氧化剂相比，番茄红素淬灭单线态氧的 活性最强。此外，研究发现当紫外线照射皮肤时，皮肤中的番茄红素优先被破坏 而胡萝卜素含量几乎不变，表明番茄红素具有较强的减轻组织氧化损伤的作用。 而且，人体番茄红素的含量与人的寿命相关。番茄红素是很有前途的一种功能性 天然色素，对于预防和治疗心脑血管疾病、动脉硬化和肿瘤等各种成人病，增强 了机体免疫功能抗衰老等具有重要的作用1 4 】。 由于番茄红素不是维生素a 源，| 以前认为不具有生理活性【5 】。m o r r i s ( 1 9 8 9 ) 【6 】 天津大学硕士学位论文 第一章前言 等研究发现番茄红素含量低与胰腺癌、膀胱癌的发生相关。c a m p b e l l ( 1 9 9 1 ) 7 等 发现肝硬化患者番茄红素的含量较低，在体外番茄红素具有抑制癌细胞的增殖作 用。谈到防癌机理，b e r t r a m 等认为【8 】番茄红素能促进具有维持细胞间隙结合作用 的蛋白质的合成，当细胞发生癌变时，细胞间隙结合变弱。由于番茄红素可以增 强细胞间隙结合，故可有效地抑制癌变。 番茄红素的生产方法包括化学合成法、天然提取法和发酵法【9 】。 天然提取法包括有机溶剂萃取法、超临界萃取法和酶法，这些方法均是以番 茄为原料。有机溶剂萃取法的生产工艺流程见下图： 萃p 分p 瓣曩化k 馨燃 水洗涤硫酸钠干燥真空浓缩色谱分离 迄今为止，能够生产番茄红素的微生物包括能自身合成番茄红素的革兰氏阴 性菌、三孢布拉氏霉菌和基因工程菌。随着转基因技术的迅速发展，利用基因工 程菌生产番茄红素成为研究的热点。其大致过程是：构建携带番茄红素合成基 因( m e ，c r t b ，c r t l ) 的质粒；将质粒转入宿主细胞：将转基因的菌株在合适 的培养条件下培养；发酵结束后将细胞破碎、提取、纯化。利用三孢布拉氏霉 菌生产番茄红素的方法受到研究人员重视。三孢布拉氏霉菌生产b 一胡萝i - 素已经 实现工业化，在该菌发酵过程中，如果添加合适的含氮杂环类化合物，可以阻断 番茄红素环化形成阻胡萝f 、素的过程，造成番茄红素的积累。 罗氏公司于1 9 9 7 年开发了化学法合成番茄红素的工艺，并申请了专利，该工 艺由三苯基氯化磷、辛三烯二醛和甲醇在2 丙醇中进行烯化反应，番茄红素收率 为6 5 。 1 1 2 辣椒红素 辣椒红素是从茄科植物红辣椒中提取出的天然色素。因其色调鲜艳、安全可 靠并具有药理作用，不仅被认为是一种理想的天然食品着色剂，而且被广泛应用 于制药行业，如片剂的色衣着色等，具有重要的研究价值。其中极性较大的红色 组分主要是辣椒红素和辣椒玉红素，占总量的5 0 6 0 ，另一类是极性较小的 黄色组分，主要成分是b 胡萝卜素和玉米黄质，它们具有v a 活性【l o 】，所以辣椒 红色素不仅色泽鲜艳，色价高，着色力强，保色效果好，可以有效地延长仿真食 品的货价期1 ，而且安全性高，具有营养保健作用，并被现代科学证明具有抗癌 能力【1 2 】。 4 天津大学硕士学位论文第一章前言 辣椒红色素外观为深红色粘性油状液体或深胭脂红色针状结晶，熔点1 7 5 左右，易溶于丙酮、三氯甲烷、植物油，不溶于甘油和水【1 3 1 。一般来说，辣椒红 色素( 色价1 00 0 0 单位) 具有如下一些平均指标：脂肪酸8 0 8 5 ，主要由亚油 酸、油酸、棕榈酸、硬脂酸、肉豆蔻酸组成；维生素e ( d 生育酚) 0 6 n 1 o ；维 生素c0 2 1 1 ；蛋白质1 4 0 1 7 0t o g a 0 0g 样品；类胡萝卜素1 1 2 1 5 5 ， 主要由辣椒红素、辣椒玉红素、肛胡萝i - 素、黄体素、玉米黄素、隐黄质等组成 【川。根据干红辣椒中所含的辣椒红与辣椒素的性质不同，现己形成了多种辣椒红 色素提取分离方法。但是辣椒粉是片状凹凸不平的纤维组织结构，色素及其它脂 溶性成分存在于纤维组织之内，采用传统的有机溶剂提取法需要耗费大量有机溶 剂和时间才能提取完全。 辣椒红素结构如下所示： 辣椒红色素在“七五”期间曾被列为我国重点开发的4 种天然色素之一，分离 提取辣椒素技术，如油溶法、溶剂法、超临界c 0 2 。流体萃取法、柱层析法、正 已烷脱辣法等亦相继得到开发利用。 油溶法即在常温条件下，用食用油浸渍红辣椒果皮或干辣椒粉，使辣椒红色 素溶解在食用油中，再通过一定的工艺流程从油中提取出辣椒红色素。这种方法 的不足之处是提取率低，油与色素分离困难，难以得到色价高的产品。 溶剂法是在一定的温度条件下，用有机溶剂浸提红干辣椒粉，然后将浸提液 减压蒸馏并浓缩成辣椒油树脂。这种粗制品中除含辣椒红色素外，还含有辣味素 和其他物质，需要去除。去除的主要方法有：( 1 ) 先将粗制的辣椒油树脂进行蒸 馏，去除异味，再用碱溶液处理、有机溶剂提取分馏获得辣椒红色素：或先用碱 水处理辣椒油树脂，再用溶剂提取、浓缩食用油，用水蒸馏去除异味。( 2 ) 在粗 制的辣椒油树脂中加入脂肪醇和碱性物质，通过碱性物质的催化作用，促使辣椒 油树脂中的脂肪成分发生酯交换反应，然后蒸馏过量的醇，再在残渣中加入水或 食盐水，用酸调到中性，分层。油层中加入非极性或低极性溶剂，析出固体，过 滤，得到辣椒红色素。( 3 ) 先以1 5 - - 4 0 的碱水溶液处理辣椒油树脂，使辣椒 天津大学硕士学位论文 第一章前言 红色素中的脂肪发生皂化反应，再用有机溶剂进行提取、浓缩，再用水或在减压 下用惰性气体处理，可得到无异味的辣椒红色素。( 4 ) 以2 0 的碱液处理辣椒油 树脂，然后再加入适量的碱金属化合物，形成一个水溶液体系，再以稀酸在室温 条件下处理该水溶液体系，形成盐后，过滤，分出圆体，水洗，再用有机溶液提 取，减压浓缩可获得辣椒红色素引。 超临界c 0 2 流体萃取是一种新的分离技术。该技术是利用超临界c 0 2 作为萃 取剂，从液体或固体物料中萃取、分离和纯化物料。这种技术工艺简单、耗能低、 萃取溶剂无毒，产品易回收且纯度高 1 6 】。国内外的研究结果表明，用超临界c 0 2 流体萃取法可以成功地脱除辣椒红色素中的残留溶剂，制各高纯度的辣椒红色 素。 1 1 3 叶绿素 叶绿素，异名为叶绿素镁，主要成分为叶绿素a 、叶绿素b 。一般为橄榄绿 至深绿色的蜡状固体，或绿至深绿色糊状或液体，略带异臭。溶于乙醇、乙醚、 丙酮等脂肪溶剂，不溶于水。在稀碱中可皂化水解为鲜绿色的叶绿酸( 盐) 、叶 绿醇和甲醇，在酸溶液中可成暗绿色至绿褐色的脱镁叶绿素，对光和熟敏感。来 源：以三叶草、雏菊、甘蓝、菠菜、荨麻、竹子等植物为的叶子或蚕粪为原料， 用现代的生物技术提取两得到的天然色素。可用于糕点、饮料，利口酒、果酱、 果冻、胶姆糖等的着色，为绿色着色剂。 叶绿素是存在于植物，藻类和蓝藻中的光合色素。叶绿素具有吸收光能的性 质，是光合作用的主要物质，其吸收光的波峰值在6 1 0 - 6 8 0n n l 之间。由于叶绿 素具有天然形成、无毒无公害、化学性质温和的特点而广泛应用于食品和医药行 业。在食品方面，专家指出叶绿素有助于消除体内积累的二恶英，在二恶英由肝 脏排出而被小肠吸收之前，叶绿素使二恶英附在其上面然后排出体外：同时叶绿 素也能有效地降低致癌物质的毒性；作为食品添加剂，它能改善食品的色泽、香 味，从而增加食欲；在医药方面，叶绿素本身及衍生物对内、外科各种疾病具有 良好的医疗效果，实验已证明叶绿素中所含叶绿素a 的药物功效能使人体组织细 胞的活性增强，在i 临床医学上叶绿素f l 可防止伤口感染，具有收敛伤口，促进愈 合的作用，它对消化道溃疡和消化道炎症也有极好的辅助治疗作用，能促进大小 肠的蠕动，利于治疗老年人便秘。此外，叶绿素还是制造叶绿醇的原料。 叶绿素作为一种金属卟啉化合物，无论在临床治疗、食品、日用化工都有着 很大用途。研究证明叶绿素本身无毒性，其衍生物和降解产物均为低毒物质。随 着叶绿素化学工艺学和叶绿素产品生物活化研究的深入发展，其应用范围将会不 断拓展【】7 】。 天津大学硕士学位论文第一章前言 在各种植物中，叶绿素a 和叶绿素b 一般为3 ：l ，一般得到的叶绿素混合 物再进行分离，可彳导到叶绿素a 和叶绿素b ，分离的方法可以用柱层析法，如三 氧化二铝柱层析。以椭圆小球藻和斜生栅藻为原料。将藻体溶液用4 0 0 0r r a i n 离 心1 0r a i n ，倾去上层清液，得到藻体沉淀。该沉淀用d m f 混匀，在一定温度下 处理定时间后，迅速用冷水降至室温，加入丙酮混匀，于4 冰箱中浸泡提取 2 4h 。再以4 0 0 0r m i n 离心1 0r a i n 。取上层清液，即为叶绿素a 的溶液。 叶绿素a 的结构如下图所示： c h c h 二 c h 、 ，c h ，t 一 c h 、一 nn ，c h 二c h ， c h m g c h c h 。，奇n n 。 。c h ， 、1 4 。 c c h 2 c h c ，0 c h 2 o c h c o c 、 ， c o o o ，c h 触 目前世界广泛应用测定叶绿素含量的方法是m a c l 【i 】哑1 叼1 9 4 1 年提出， a m o n l 9 4 9 年解释和推导的丙酮研磨法，此法步骤繁琐，工作量大，容易造成测 量误差。为此有人研究改进了叶绿素的提取方法，j d h i s o n 曾报道用二甲亚砜提 取木本植物叶绿素，何之常等用乙醇和丙酮提取水稻时绿素，张宪政等用丙酮和 无水乙醇l ：l 混合液提取小麦叶绿素【1 9 1 。 1 1 4 胡萝l 、素 一胡萝卜营养丰富，含有锌、钙、铁等多种微量元素和8 种人体必需的氨基酸 及膳食纤维，特别是富含d 胡萝卜素( 1 3 - c a r o t e n e ) ，居常见水果蔬菜之首。近年来， 国内外大量的研究发现，天然胡萝卜素除了可以在体内转变成维生素a 外，还能 淬灭单线态氧，清除自由基，提高人体免疫力，延缓细胞和机体衰老，减少疾病 的发生，特别是其抗癌、防癌的独特功能倍受专家、学者和保健食品行业的关注 7 天津大学硕士学位论文 第一章前言 与重视。胡萝卜的营养保健功能也被消费者广为熟知。目前，天然胡萝卜素的生 产来源主要有盐藻提取、生物发酵和高等植物提取。其中从胡萝卜中提取胡萝卜 素以其来源丰富、得率高、简便易行备受关注【2 们。 胡萝卜素为紫红色或暗红色结晶粉末，稍有臭味，不溶于水和甘油，溶于石 油醚，在橄榄油和苯中的溶解度为0 1g l o om l ，在氯仿中溶解度为4 3 1 0 0 1 l 。 胡萝卜素在弱碱条件下比较稳定，在酸中不稳定，在光照和含氧条件下也不稳定。 胡萝卜素低浓度时为黄色，高浓度时为橙红色。重金属离子，特别是铁离子，可 促使胡萝卜素褪色。除胡萝卜外，绿色蔬菜和黄玉米、小米等粮食中也含有一定 量的胡萝卜素。 胡萝卜素包括弘，p ，7 胡萝卜素三种异构体，广泛存在于有色的蔬菜和水 果中，其中以p 胡萝卜素含量最多，一般所说的胡萝卜素多指p 胡萝卜素。结晶 p 胡萝卜素为暗红色粉末；易溶于石油醚而难溶于水，在石油醚溶液中呈橙黄色； 对热较稳定；但因有许多的双键而易被氧化( 特别是在脂肪氧化酶、过氧化氢酶 的作用下更易被氧化) 而变成褐色。 肛胡萝卜素的结构式如下： 1 8 3 1 年，瓦坎罗德尔( w a c k e m o d e r ) 从胡萝卜中分离到了胡萝卜素，但直 到2 0 世纪3 0 年代，胡萝卜素的化学结构才得以确定。植物中的胡萝卜素经人体 吸收后，可以在体内转变为有生理活性的维生素a 。通常，我们把能在体内转变 为维生素的物质称为维生素源，胡萝卜素就是维生素a 源，其中起主要作用的 是b 胡萝卜素。胡萝卜素能够治疗因维生素a 缺乏所引起的各种疾病。此外， 胡萝卜素还能够有效清除体内的自由基，预防和修复细胞损伤，抑制d n a 的氧 化，预防癌症的发生。 p 胡萝卜素还可以作为禽畜饲料添加剂，能提高鸡的产蛋率，还可以提高牛 的生殖能力。肛胡萝卜素具有优良的着色性能，着色范围是黄色、橙红，着色能 力强，色泽稳定均匀，能与k 、z n 、c a 等元素并存而不变色，尤其适合添加在 儿童食品中。因此，被广泛作为食品、饮料及饲料的添加剂使用。p 胡萝卜素本 身是油溶性的，非常适合油性产品或蛋白质类产品的开发，如人造奶油、胶囊、 鱼浆制品、素食产品、速食面、调理包等等。因此，p 胡萝卜素是联合国粮农组 天津大学硕士学位论文第章前言 织和世界卫生组织食品添加剂联合委员会认可的无毒、有营养的食品添加剂。研 究还表明，将抗氧化维生素涂抹在皮肤上，不仅能防止紫外线的伤害，还能促进 对已被伤害皮肤的修复，使皮肤保持弹性，b 胡萝卜素因而也逐渐应用于化妆品 等新兴市场。 胡萝卜素一般用石油醚丙酮混合溶从植物中提取，得到胡萝卜的石油醚提 取溶后，再用层析分离法分离。 1 1 5 桔黄素 桔黄素，异名柑桔皮色素( o r a n g ep i g m e n t ) ，主要成分为柠檬烯与类胡萝卜 素的混合物，还富含维生素e 和稀有元素硒( s e ) 。般情况下为棕红色浸膏， 黏稠，有浓郁的柑桔清香味。极易溶于丙酮、乙醚、石油醚、己烷、苯、甲苯或 油脂，微溶于乙醇，不溶于水。在中性或碱性溶液中呈橙色，在酸性溶液中呈黄 色。对热、光较稳定，在1 0 0 下加热无明显变化，在温室下自然光照3 0 天无 明显变化。维生素含量1 5 7 1 6 9m g g 。 我国是世界上主要柑桔生产国之一，国内的柑桔生产主要集中在浙江、四川、 湖南等省。近年来由于种植面积的增大，柑桔产量成倍增加，占果重2 0 的桔 皮中含有高达2 0 的果胶和丰富的桔色素，以及纤维素等多种有效成分。果胶 是以( 1 ，4 ) 键键合的多聚d 半乳糖醛酸为基本结构的多糖类物质，广泛存在于高 级植物细胞壁组织中，对组织起软化和粘胶作用。它是人体七大营养素中膳食纤 维的主要成分，具有良好的抗腹泻、抗癌、冶疗糖尿病和减肥等多种作用，因果 胶具有良好的凝胶性和乳化稳定性，在食品工业中应用广泛，也是医药和化妆品 工业不可缺少的辅料。柑桔皮中的色素是一种重要的天然色素，可代替人工合成 色素用于食品着色，同时其含维生素e 和稀有元素硒( s e ) ，对防止癌细胞的生长， 延迟细胞衰老和增强人体免疫力，均有很好的作用，所以它不仅可作为着色剂， 而且还是食品的强化营养剂、香味剂和保健食品的重要配料之一。而现在大量的 桔皮因霉烂变质而丢弃，不仅造成资源极大的浪费，而且污染了环境。 柑桔皮的主要成分有香精油、果胶、色素、橙皮甙等化学物质；桔油的主要 成分为右旋烯、柠檬醛类，可用作食品及化妆品着香剂。桔色素主要成分为类胡 萝卜素，一种重要的天然食用色素，可应用于饮料和固体食品的着色；果胶是多 糖衍生物，可用作食品的增稠稳定剂；橙皮甙是橙皮素的芸香糖苷，具有维持血 管正常渗透压、降低血管脆性、缩短出血时间等作用。 近年来，有关从桔皮中提取经济价值较高的有用物质的报道很多，但普遍问 题是提取效率不高，研究缺乏综合考虑，往往是提出了产品得不到效益。因此我 9 天津大学硕士学位论文 第一章前言 国柑桔皮目前除制取香精油及作中药人药外，大部分的柑桔皮没有得到综合利 用。 食品、化妆品等产品大多使用色素，色彩对该类商品尤为重要，目前多使用 合成色素，而合成色素偶氮类物质居多。随着人们保健意识的增强，发现合成色 素尽管色彩鲜艳，但毫无营养价值，许多还对人体有害【2 1 1 。天然色素以其色泽自 然安全无副作用且有一定营养、保健价值受到人们青睐【2 2 1 。我国有广大的柑桔产 区，年产柑桔数亿吨，随着绿化山川、退耕还林战略的实施，其产量还会进一步 增加。将柑桔皮中的色素提出制成适宜食品、医药、化妆品行业的着色剂，既丰 富了天然色素的种类，又充分利用资源，变废为宝。盂宪昌、贾昌英等对红橘皮 和桔皮的黄色素的提取技术进行了研究1 2 3 - 2 5 】，李志洲对脐橙皮色素提取及稳定 性进行的研究，但均提取了混合色素。 桔黄色素是一种混和色素，主要成份为类胡萝b 素，其最大吸收波长为4 2 6 i i i l l ，桔黄色素对温度、自然光照是稳定的，在酸性条件下色素也稳定，强烈光 照对色素有分解作用。 食用色素作为一种食品添加剂，被广泛应用于食品制作中。近十几年，开发 天然食用色素代替人工合成色素成为了食品色素行业的发展趋势。从桔皮中提取 色素，不仅能变废为宝、提高柑桔的附加价值，而且可以把色素中的主要成分胡 萝卜素及类胡萝b 素这些具有良好保健功能的物质添加到食品中，提高食品的营 养价值。 中国台湾的学者【2 6 】为了分析桔皮色素对豆油氧化稳定性的影响，用己烷、丙 酮、甲苯、乙烯按一定比例组成的萃取剂和少量碱液浸泡桔皮粉。萃取剂的两相 彻底分离开后，收集上层含有类胡萝b 素的萃取液，真空蒸馏并用己烷溶解再进 一步用己烷、丙酮、甲醇的混合物稀释，将稀释所得溶液真空浓缩并经乙醇溶解。 经分析，分离出的玉米黄质、叶黄素环氧化物、紫罗兰叶黄素、1 3 顺紫黄质及 紫黄质的纯度依次为8 4 、8 0 、8 6 、5 7 、5 9 。实验表明，分离所得的各 种色素都有抗氧化能力，并且抗氧化性能随着浓缩度的增加而增大。其中，叶黄 素的抗氧化性能最好，但经7 d 光照后有所降低，其次为b - 胡萝卜素、( i t - 胡萝b 素 等；p 胡萝卜素比小胡萝卜素的抗氧化性能要略好一些阿。 1 1 6 黄酮类化合物 银杏叶为银杏科银杏属植物的叶子，银杏在植物学和化学上占有重要地位。 据本草纲目记载，银杏果具有敛肺平喘、止遗尿、白带作用。近年来，国内 外学者对银杏提取物( g b e ) 进行了大量的研究，发现其主要药用成分之一为黄酮 类化合物。以银杏叶为原料提取制成的药物，用于对心血管、脑血管、动脉硬化、 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章前言 高血压等疾病的治疗，有其他药物不能达到的特殊疗效。另外，银杏叶制剂长期 服用几乎没有毒副作用。银杏叶制品还可用于生物农药、保健食品、化妆品等方 面。如何从银杏叶中提取有效成分是研究的关键。银杏叶黄酮化合物的提取包括 银杏叶黄酮化合物的浸取和浸出液的富集分离两大部分。 黄酮类化合物为酚性化合物，属多环多元酚类，含有苯并卜吡酮而形成p 烯 醇酮结构。由于酚羟基具有还原性，在提取加工过程中易氧化变色。银杏黄酮类 化合物颜色常呈黄色，其苷元多为结晶体，苷多为无定性粉末。银杏黄酮类化合 物的苷元一般难溶或不溶于水，可溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、乙 醚等有机溶剂及稀碱溶液中。银杏黄酮苷元与糖结合成苷后，水溶性相应增大， 一般可溶于热水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯中，难溶于乙醚、石油醚、苯、 氯仿等有机溶剂。 由于银杏叶提取物及银杏叶黄酮的许多重要药理作用及保健作用，特别是在 心血管病应用上取得进展，使国内外从6 0 年代起就进行了开发利用。目前，世界 上处于领先地位的是德国、法国、日本、韩国、美国，主要将银杏用于食品、医 药、保健品和化妆品。据最近的几年统计，国际市场年销售额选4 0 亿美元，其中 银杏黄酮制剂年销售突破1 0 亿美元。 法 s c h w a b e 药厂6 0 年代生产出“拂波宁”( t e b o n i n ) ，有针剂、液剂、静脉注 射用针剂、糖衣片及长效缓释片等多种剂型，之后又生产出“强力拂波宁”( t e b o n i n f o r t e ) 作为前者的更新换代制剂。这些药物因含有从银杏叶中提炼出来的黄酮甙， 所以具存改善脑血管循环及控制周围血管失调作用，是治疗高血压、脑动脉硬化、 糖尿病和心血管疾病的良药，且长期使用无毒副作用。德国用银杏叶提取物制成 的针剂每支价值达9 5 美元。 法国天然及合成制药公司生产的塔那坎( t a n a k a n ) 自1 9 7 5 年开发以来，年销售 额高达6 0 0 0 万美元。 韩国则把含黄酮类化合物的银杏叶提取物制剂，认为是继高丽参之后最有希 望的高档医药保健品，目前韩国药业厂家要求完全禁止出口银杏树叶，要求制成 药剂后再出口，并从中国进口银杏叶。 日本也在最近研制开发出含银杏叶浸膏的清凉浓缩口服液，而含银杏叶提取 物的口香糖，巧克力等则应用于防治老年性痴呆、脑梗塞等疾病，日本一盒18 0 粒银杏叶提取物制成的药，售价高达7 0 美元。 美国银杏叶提取物耕品的年销售额和转口额高达2 0 亿美元。 我国1 9 6 9 年中科院植物所和北京制药厂研制成舒血宁片、针剂，用于治疗冠 心病和脑血管疾病。以后又相继有天保宁、百路达、冠心宁等药品。它还用作其 它护肤、护发、美容、保健口服液等。这不仅仅为患者和保健者带来了福音，也 天津大学硕士学位论文第一章前言 为制药及相关企业创造了显著的经济效益。我国现在不仅仅是出口银杏叶，也正 有不少厂家将干叶加工成黄酮浸膏出口创汇。 目前，从银杏叶中提取黄酮类化合物的方法有很多，大致可分为两类：一类 是用有机溶剂进行萃取，主要是用于制各银杏叶粗提物；另一类方法是在前一类 方法的基础上进行精加工，采用树脂法、色谱法或酶法制取精提物。这些方法或 多或少存在着一些不足之处，如回收率低，产品得率不高；使用了乙醇以外的丁 酮、甲醇、氯仿等有害有毒溶剂等，产品中无法避免这些物质的残留；特别是最 终精制品的质量不够稳定，银杏叶中的有毒物质银杏酚类没有得到有效控制，个 别样品的含量高达1 7 0 0g g 以上。超临界是一项新技术，在食品，医药，化工方 面都有一定的应用。应用在食品方面，主要有：酒花、咖啡因、香精、色素以及 脂类物质等的生产，由于其分离效果好，速度快，操作简便，纯度高，所以很受 青睐。 银杏叶中双黄酮类化合物结构如下所示： r 3 银杏叶黄酮类化合物的测定最早使用的是分光光度法，通常采用硝酸铝亚 硝酸钠为显色剂，生成铝螫合物在5 1 0l i r a 处测定，以芦丁为对照品。比色法只能 粗略评估总黄酮含量，且由于原花色苷元类化合物的干扰，此法的重现性差。高 效液相色谱法( h p l c ) 现已成为测定银杏叶黄酮类化合物的主要方法，毛细管电 泳法( c e ) 也越来越多地应用于黄酮类化合物的测定。另外，还有应用薄层扫描法 测定银杏黄酮类化合物的报道。 1 2 高分子表面活性剂的研究进展及应用 高分子表面活性剂是相对一般常言的低相对分子质量表面活性剂而讲的，通 常指相对分子质景大于1 0 0 0 且具有表面活性功能的高分子化合物。它像低分子表 天津大学硕士学位论文第一章前言 面活性剂一样，由亲水部分和疏水部分组成。1 9 51 年，施特劳斯( s t r a s s ) 把结合有 表面活性官能团的聚1 十二烷基4 乙烯吡啶溴化物命名为聚皂，从而出现了合成 高分子表面活性剂。1 9 5 4 年，美l 虱w y a n d o t t e 公司报道了合成聚氧乙烯聚氧丙烯 嵌段共聚物非离子高分子表面活性剂，此后具有高性能的各种高分子表面活性剂 相继开发。高分子表面活性剂具有分散、凝聚、乳化、稳定泡沫，保护胶体、增 溶等性质，广泛应用作胶凝剂、减阻剂、增黏剂、絮凝剂、分散剂、乳化剂、破 乳剂、增溶剂、保湿剂、抗静电剂、纸张增强剂等f 2 8 】。因此，高分子表面活性剂 近年来发展迅速，目前已成为表面活性剂的重要发展方向之一。 1 2 1 高分子表面活性剂的分类 高分子表面活性剂可根据在水中电离后亲水基所带电荷分为阴离子型，阳离 子型，两性离子型和非离子型四类高分子表面活性剂。如阴离子型的高分子表面 活性剂有聚( 甲基) 丙烯酸( 钠) 、羧甲基纤维素( 钠) 、缩合萘磺酸盐、木质素磺酸盐、 缩合烷基苯醚硫酸酯等。阳离子型的高分子表面活性剂有氨基烷基丙烯酸酯共聚 物、改型聚乙烯亚胺、含有季胺盐的丙烯酸酰胺共聚物、聚乙烯苯甲基三甲铵盐 等。两性离子型的高分子表面活性剂有丙烯酸乙烯基吡啶共聚物、丙烯酸阳离 子丙烯酸酯共聚物、两性聚丙烯酰胺等。非离子型的高分子表面活性剂有羟乙基 纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯类共聚物等。 高分子表面活性剂按来源分类可分为天然高分子表面活性剂和合成高分子 表面活性剂。天然高分子表面活性剂是从动植物体内分离，精制而制成的两亲性 水溶性高分子，包括天然高分子经过化学改性而制成的高分子表面活性剂( 也叫 半合成高分子表面活性剂) ，如各种淀粉、树胶、多糖、改性淀粉、纤维素、蛋 白质和壳聚糖等。周家华【2 9 】采用淀粉和苯乙烯合成了淀粉苯乙烯接枝共聚物高分 子表面活性剂。唐有根1 3 0 j 等通过壳聚糖接枝二甲基十四烷基环氧丙基氯化铵，再 磺化引入s 0 3 h ，合成了一种吸湿性极强，具有优异表面活性的新型壳聚糖两性 高分子表面活性剂。合成高分子表面活性剂是指亲水性单体均聚或与憎水性单体 共聚而合成的高分子。如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和聚苯乙烯丙烯酸共聚物等。 张洁辉【3 l 】等采用烷基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯、丙烯酰胺和丙烯酸异辛酯共聚，得 到了三元共聚物高分子表面活性剂。 高分子表面活性剂又可根据在溶液中是否形成胶束分为聚皂和水溶性高分 子表面活性剂。聚皂从离子性来看，也可分为阴离子型、阳离子型和非离子型等。 如阴离子型聚皂有丙烯酸酯的共聚物、顺酐与乙烯基醚的共聚物和顺酐与烯烃的 共聚物等。阳离子型聚皂有含氮杂环聚合物通过卤代烷烃季铵化改性产物、丙烯 酰胺与季铵化丙烯酰胺的共聚物等。非离子型聚皂有冠醚类聚合物、聚环氧乙烷 天津大学硕士学位论文第一章前言 接枝聚合物和纤维素的改性产物等。 1 2 2 高分子表面活性剂的性质 高分子表面活性剂降低表( 界) 面的能力并不显著，去污力、起泡力和渗透力 均较低。但是在各种表( 界) 面上有很好的吸附性，因而分散性、凝聚性和增溶性 均好，用量较大时还具有很好的乳化性和乳化稳定性。 1 2 2 1 表面活性 高分子表面活性剂的表面活性通常较弱，表面张力要经过很长时间才能达到 恒定。表面活性不但与化学结构及相对分子质量有关，而且还与大分子化合物内 链段的排列方式有关。当疏水基上引入硅烷、氟烷时，降低表面张力的能力显著 增强。有机硅高分子表面活性剂由性能差别很大的聚醚链段和聚硅氧烷链段通过 化学键连接而成，亲水性的聚醚链段赋予了其良好的水溶性；疏水性的聚硅氧烷 链段又赋予了低表面张力，而且这类共聚物还具有生物相容性、良好的适应性和 低的玻璃化温度。因此作为表面活性剂是其它有机类表面活性剂无法比拟的【3 2 1 。 氟端基聚合物具有极强的表面活性，当在水溶液中或聚合物共混体中含有极少量 的氟端基聚合物时，即会发生向表面的强烈吸附现象。水溶性的氟端基聚合物水 溶液在临界胶束浓度时表面张力可达n 5m n m 左右 3 3 】。 1 2 2 2 乳化性 高分子表面活性剂不仅具有优良的乳化稳定性，而且往往能赋予乳液以特殊 性能，这是普通表面活性剂无法比拟的。高分子表面活性剂具有较强的乳化能力。 将一定量接枝共聚物溶解于油( 水) 中，充分震荡后，就会使油水体系乳化，并且 保持乳化液稳定。曹亚【3 4 j 等研究了羧甲基纤维素系列高分子表面活性剂与甲苯 水异丙醇体系微乳液的形成过程，发现微乳液粒子大小均一、形态一致、乳液 稳定。 1 2 2 3 胶束性质 为获得必要的亲水性应引入亲水基，但水溶性和亲水基含量及极性间却难以 有一个定量关系。因聚合物不同，分子结构不同，水溶性亦会有很大的变化。当 疏水基作用加强时，水溶性高分子表面活性剂亦会形成胶体溶液，即以分子聚集 体形式存在于溶液中。在多数情况下，水溶性高分子表面活性剂形成的是胶体溶 液，这是一种热力学稳定体系，各种形状的粒子以分子簇的形式悬浮于胶体溶液 中。聚皂同低分子表面活性剂一样，疏水基在表面吸附而使表面张力降低，同时 在溶液内部缔合成胶束【3 5 】。 1 4 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 2 2 4 分散性 普通表面活性剂虽然很多都具有分散作用，但由于受分子结构、相对分子质 量等因素的影响，它们的分散作用往往十分有限，用量较大。高分子表面活性剂 由于亲水基、疏水基、位置、大小可调，分子结构可呈梳状，又可呈现多支链化， 因而对分散微粒表面覆盖及包封效果要比前者强的多。由于其分散体系更易趋于 稳定、流动，成为很有发展前途的一类分散剂。许珂敬【3 6 】等在氧化物陶瓷微粉悬 浮液中通过调节p h 值，使颗粒间具有较高静电效应的基础上加入高分子表面活 性剂，使颗粒间又具有空间位阻效应，防止了颗粒间的团聚，可得到高度分散而 无团聚的粉末和悬浮液。 1 2 2 5 增稠性 增稠性有两个含义：一是利用其水溶液本身的高粘度，提高别的水性体系的 黏度；二是水溶性聚合物可和水中其它物质如小分子填料、高分子助剂等发生作 用，形成化学或物理结合体，导致黏度的增加。后一种作用往往具有更强的增稠 效果。一般作为增稠剂使用的高分子应有较高的相对分子质量，如聚氧乙烯作为 增稠剂时相对分子质量应在2 5 0 万