（应用化学专业论文）紫胶色素提取与性质研究.pdf

摘要 食甩天然色素是目前色素研究的热点，天然色素取代合成色素是发展的必然趋势。紫胶 色素是应用最广泛天然色素之一。获取紫胶色素时，传统工艺一直采用化学法浸提，这样不 仅增加成本，而且提取后的紫胶色素得率和质量受到了很大影响。一般紫胶厂采集紫梗( 原 胶) 用水浸提后弃水而留下紫胶进行工业生产，既浪费原材料，又对环境造成了很大的污染。 水课题利用微碱水浸提原胶提取紫胶色素，使用瓤型膜技术从浸提液中精制紫胶色蔡， 既获得了高品质的紫胶色素，还提高了紫胶色素的得率，从根本上解决了环境污染问题，实 现原胶的综合利用。 主要研究内容包括：对紫胶色素的提取、精制工艺以及稳定性进行了较为系统的研究， 并对工艺的可行陛进行了初步的分析，为进一步工业提取、精制和应用紫胶色素提供了理论 基础。 ! 鹚佥结果确定了用微碱水提取和用膜精制紫胶色素的最佳工艺e f t t - ：紫胶粒度 l m m ， 料液质量比1 ：6 ，浸取温度5 0 。c ，浸取时间6 1 1 ，提取级数3 级，膜精制工艺流程，最终得 率1 2 3 7 ，吸光度o 7 1 4 。 精制色素的稳定性研究表明：光线、温度、氧化剂、还原剂、防腐剂、n a f 、k 十和m 孑+ 对色素的稳定性基本无影响，在碱、f c 3 + 、f 分+ 、c f + 、p b 2 + 和a 1 3 + 溶液中色素的稳定性较 差。 可行性分析表明：在技术、经济、社会和生态环境几个主要的指标者隧到了预期的要求， 有螳方面还具有一举多得的效益，从而可以说明本工艺可行性上是合理可行的。 关键词：紫胶色素；提取；精制；稳定性；可行性： 基金项目：云南省自然科学基金( 编号：2 0 0 2 7 0 0 1 6 m ) a b s t r a c t t h ee d i b l e1 1 a 1 i r a p i g m e n ti se x t e n s i v e l ya n dd e ( ：p l ys t u d i e da tp r e s e n t i ri st h ei n e v i t a b l et r e n d t h a tt h en a t u r a lp i g m e n tr e p l a c e ss y n t h a f i c a lp i g m e n t t h es h e l l a cp i g m e n ti so d eo ft h em o s t e x t e n s i v e n a t u r a l p i g m e n t s w h i l e t h e s h e l l a c p i g m e n t b e i n g o b t a i n e d , t h e t r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y h a s b e e na ( 1 0 p t i n gt h ec h e m i c a lm e t h o dt od i s t i l l hh a sn o to n l yi n c r e a s e dt h ec o s t ；b u ta l s oi n f l u e n c e d g r e a t l yt h ef i e l d - r a t ea n d t h eq u a l i t yo f s h e l l a cp i g m e r a i nag e n e r a lw a ya f t e rs h e l l a cb e i n gs o a k e d ， w a t e rv c a sa b a n d o n i th a sn o to n l yw a s t e dt h em wm a t e d a l sb u ta l s oc a u s e dv e r yg r e a tp o h u f i o nt o t h ee n v i r o n m e n t t h i sp a p e rh a sb e e nu t i l i z e dw e a ka l k a l iw a t e rt os o a ks h e l l a ca n du s e dn e w - t y p em e m b r a n e t e c h n o l o g yt op u n f ys h e i l a ep i g m e n tf r o mt h es o a k i n gw a t e x hh a sg o th i g h - q u a l i t ys h e l l a cp i g m e n t , a n da l s oi m p r o v e dt h ey i e l d - r a t eo ft h es h e l l a cp i g m e n t , s o l v i n gt h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n c o m p l e t e l y i t h a s a l s o r e a l i z e d t h e c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n o f t h e o r i g i n a l g l u e f h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ：t h ec o m p a r a t i v e l ys y s t e m a t i cs t u # m go f t h ea b s t r a c t i o n a n d p u r i f i c a t i o nh a sb e e nc a r r i e d t h ep r e l u n i n a r ya n a l y s i st 0t h ef e a s i b i l i t yo f 畦1 et e c h n o l o g ya st o p u r i f y i i l gt e c h n o l o g ya n ds i a b i l 姆o f t h es h e l l a cp i g m e n th a sb e e nc a r r i e d , w h i c hh a sp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr e a l i z e d t h ei n d l 1 q l i a l i z 商o r l b ye x p e r i m e n t s t h eo n m u mt e c h n o l o g i cc o n d i t i o n so fw e a k 删w a t e r - e x t r a c t i o na n d m e m b r a n e - p u r i f i c a t i o nh a v eb e e no b t a i n e d n 】e ya r e ：g r a 嗍o f k ( 1 m m ，m a s sr a t i oo f l a c a n dl i q u i d 鼬1 ：6 , c u s 砌n g 佃珥瑚龇5 0 v ，d 醯i l l j 嚼t i m el a 嘶i l g6h o u r , d i s o a t l n g p r o g r e s s i o n3a n dd e t e r m i n e dm e m b r a n ef l l l l 觚0 1 2p r o c e s s t h eu l t i m a t ep r o d u c t i o nm t e i s1 2 3 7 p e r c e n ta n dt h ea b s o r b e n c yv a l u ei s0 7 1 4 t h e s t u d y o ft h e s t a b i l i t y o f p u r i f i e d l a c d y es h o w s t h a ti ti ss t a b l ei n b e a m ，1 1 咖, o x i d a n t , r e d u c e r ，a n t i s e p t i c ，n a + 、k 十锄dm 矿州陆es e n s i t i v et oa l k a l i 、f e 3 一、f 、 c u 2 + 、p b 2 a n d a l 3 _ t h er e s u i t a o f a n a l y s e s o f 吐l e f e a s i b i l i t y o f p r o c e s ss h o w t h a t i t w a s c o i n c i d e w i t h o u r o b j e 吣i n e c o n o m i c a le f f i c i e n c y , t e c h n i q u e s ，s o c i e t ym de m 6 m m n e m k e yw o r d s ：l a cd y e ；e x l r a c f i o n ；p u r i f i c a t i o n ；嘲脚；f e a s i b i l i t y f o u n d a t i o ni t e m ：g r a n t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fy t m n a np r o v i n c e ( n o 2 0 0 2 7 0 0 16 m ) 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我 个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 曹铭 日期：? ，叮年，月。，e l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件。允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：阀铀村论文作者签名- 曾够 日期：如，年1 月土日 昆明理工大学硕士研究生学位论文第一章文献综述 1 1 食用色素 第一章文献综述 食用色素是非常重要的食品添加剂，给食品以悦目的色泽，给人们以美的享 受，对增加人们的食欲有重要的作用，并且还是鉴别和评价食品质量的基础。根 据其来源不同，一般分为天然色素和合成色素两大类。1 9 世纪中叶以前，人们都 是使用天然色素，自从1 8 5 6 年英国入p e r k i n s t q 首次合成有机色素苯胺紫以后，相 继合成了许多有机色素，由于合成色素具有：颜色鲜艳，着色力强，不易褪色， 用量较低，性能稳定等优点，在近一百年来得到了广泛的应用，随着医学毒理学 和生物学研究的不断深入，人们对合成色素有了新的认识，发现许多人工合成的 食用色素对人体都有不同程度的伤害作用，甚至有致癌和诱发染色体突变的作用。 例如苯胺类色素，其中有的在人体内可形成致癌物质b 苯胺和n 氯苯胺酚。与合 成色素比较天然色素的优点：安全性高，资源丰富。最近的研究发现，天然食用 色素不仅安全，而且许多具有一定的营养价值和生理功能，如b 胡萝卜素就是一 种重要的营养强化剂，在防癌抗癌和预防心血管疾病方面也有明显的作用，所以 对天然色素的开发和应用是人们追求高品质生活和食品工业发展的必然要求，天 然食用色素的研究和开发受到极大重视。 随着人们崇尚天然、安全第一的心理要求和科学技术的发展，天然色素的发 展相当迅速，如日本1 9 9 5 年天然色素的用量达2 3 6 0 4 吨，合成色素仅1 8 6 吨，前 者的消费金额约为后者的1 0 倍。中国1 9 9 6 年合成色素的产量约8 0 0 吨，天然色 素的产量约达1 万吨( 其中焦糖色素约7 0 0 0 吨) 7 1 食用色素虽然用量很少，作用很大，因为食品的外观和颜色往往是选择食品 的首要标准。目前世界食用色素市场的总金额约1 3 4 亿美元，其中合成色素约4 亿美元，天然色素约9 4 亿美元。近年来，合成色素的增长不大，天然色素以每年 4 的速度递增。尽管天然色素的价格较贵，常受到加工条件的限制，由于消费者 乐于接受，消费意识的力量对市场的影响很大p j ，在“绿色运动”呼声越来越高的 今天，天然色素的发展前景十分看好，不少国家已逐步有计划地推行天然色素代 替合成色素。逐步实现食品添加荆中食用色素“天然化”和“保健化”。可以预测， 昆州理t 大学硕十研究生学位论文 第一章文献综述 将来天然食用色素必然代替合成色素【4 删。 目前，大多数国家都建立了相应的食用色素使用管理机构，规定了严格的控 制质量的法规条例，例如英国，月本，e u ( 欧盟) f a o w h o 规定了允许使用天 然色素品种、用量等，美国政府f d a ( 食品及药物管理局) 规定使用的天然色素 为l o 余种n 。 1 2 食用天然色素 1 2 食用天然色素的分类 食用天然色素种类繁多，根据色调不同可分为红紫。黄橙，蓝绿三大系列； 根据来源可分为植物色素，动物色素，微生物色素和矿物色素；根据其化学结构 分类如表1 所示。 表1天然食用色素的分类嘲 种类色素 胭脂树橙( 红术索，绛红术索) ，虾壳色素，甜橙色素，叶黄索，南极磷虾色素， 桅子黄色素，玉米黄色素，番红花色素，天然胡萝卜素( 胡萝 胡萝h 隶，红薯 类胡萝卜索 胡萝t - 豢t 蓝藻胡萝卜紊) 番茄色素。辣椒色素弗非酵母色索苏木藻色素， 金盏草色素 红米色素，备种浆类色素( 接骨术浆果色素。越橘色素，鹅霉色素，红霉色素， 美洲大树霉色素，香霉色素，悬钩子色豢，荑洲越橘色素，美洲红山霉色素，蓝 花色苷娄靛果色素，黑加仑色素，黑草莓色素，术霉色素，红加仑色素树梅色素，枸杞 予色素) ，黑豆色素，大花美人焦色素，黑樱桃色素，玫瑰茄色素，葡萄汁乜素， 橡皮壳包素。紫苏色素，紫玉米色素紫山药色素，紫浆皋色素，紫青芋色素 菊花黄色索，沙棘黄色素，柿子色素，苷革色素，花生衣红色索，美洲山核桃色 黄铜类素，荟香苷提取物，紫檀红色素，苏本色索牛油树果色素，可可色素，罗望予 色素，槐豆胚色索，高粱色素洋薄色素，红花黄色素，红花红色素 酣类 茜草色素，紫草色素，胭膳虫红色素，牛舌草色素，紫敉色素，酸枣色素 卜啉类叶黄素，叶绿酸，血色素，矮竹色素 双酮类色素姜黄囊 霉酚类色素板栗壳色素，苜色素，盒撄子粽- 茶黄色素 口- 花色苷甜菜红，落饕红 碳类色索植物碳黑色囊，可可碳黑色素，骨碳黑色素油烟色素 红曲红色素，红曲黄色素，焦糖色素，洋棼本色素密蒙色素，蓝藻色素，紫粟 j 他色素，栀予蓝色素，栀子红色素黑芝麻色素，海州常山色素，槐豆胚芽色素 枫叶黑色素儿茶黑色素，乌贼色素 金属金锟铝 昆明理工人学硕二l 研究生学位论文第一章文献综述 类。 此外还可按其溶解性不同，将天然食用色素分为水溶性色素和脂溶性色素两 1 2 2 食用天然色素的性质 与食用合成色素相比，食用天然色素具有下列特点： 优点： ( 1 ) 绝大多数天然色素无毒和无副作用，安全性高【8 】。 ( 2 ) 很多天然色素中含有人体必须的营养物质，或其本身就是维生素或具有维 生素性质的物质，例如b - 胡萝b 素，它是人体维生素a 的来源；玫瑰茄天然色素 含有1 7 种氨基酸和大量维生素c 都是对人体具有营养价值的物质【9 】。 ( 3 ) 有的天然色素具有一定的药理功效f 1 3 】，对某些疾病具有治疗作用，如芸 香苷天然食用黄色素具有使人维持毛细血管正常抵抗能力和防止动脉硬化等功 能，在医学上一直作为治疗心血管疾病的辅助药物和营养增补剂，叶绿素铜钠盐 具有止血消炎作用，用作牙膏添加剂，可防止牙龈出血，具有较好的效果。 ( 4 ) 食品的色泽是评定食品质量的一个重要方面，许多食品合理的着色，使食 品更鲜艳，可诱发人的食欲，增加诱人的力量【2 4 】。有了品种齐全的天然色素，可 以生产各种配制食品，填补纯天然食品的不足，例如可以利用黄色素等各种原料 生产配制桔汁，并与天然原桔汁十分相似。 缺点： ( 1 ) 溶解性差。除类胡萝卜素类色素和卧啉类色素为脂溶性外，其余都为水溶 性，溶解性低，使用时不易混合均匀，常发生沉淀，且不易调色和着色1 2 5 2 7 1 。 ( 2 ) 纯度低，产品差异较大。因多数从天然生物体中提取，常共存有其他成分， 并伴有特殊气味。基本上都是多种成分的混合物，同一色素由于来源和加二 方法 不同，所含有的成分会有差别。例如：从蔬菜中和蚕纱中提取的叶绿素就有差别。 ( 3 ) 色调不稳定，受周围环境影响很大( 如p h 值，金属离子，溶剂等) ，特别 是p h 值改变时，色素结构易发生变化，所呈现颜色也随之而改变( 甜菜红除外) f 2 8 2 9 1 。 ( 4 ) 耐光性，耐热性弱天然色素种类繁多、性质复杂，就一种天然色素而言， 应用时专用性较强，应用范围较窄【3 0 - 3 8 。 昆明理1 夫学硕上研究生学位论义第一章文献综述 1 2 3 食用天然色素提取 食用天然色素的提取方法主要有浸提法，微波摹取法，超f 临界流体萃取法 超声波提取法，生物技术生产色素等 3 7 】。 1 2 3 1 浸提法 这是目前最常用的天然色素的提取方法，提取剂主要为水和一些有机溶剂。 以类胡萝b 素类色素为例，大部分的类胡萝b 素类色素都具有较强的亲脂性，易 溶于氯仿，丙酮等溶剂，几乎不溶于水，乙醇和甲醇，其中烃类类胡萝b 素类色 素的亲脂性更强，能溶于石油醚或烃中。在类胡萝 素类色素的结构中若含有含 氧基l ；f i ，则随着分子中的含氧基团数目的增多，亲脂性减弱，亲水性增强，在石 油醚中的溶解度减少，在乙醇和甲醇中的溶解度增加。他的提取是以性质为基础 的。新鲜样品中的类胡萝b 素，亲脂性强的都是石油醚一丙酮混合液萃取，萃取4 5 次，直至萃取液为无色为止瞄“。 1 2 32 微波萃取法f 2 3 2 】 由于浸提法存在的耗时，低效，低品质，操作复杂等缺点，1 9 8 6 年美国科学 家首先利用微波炉通过适当操作进行了有机化合物的萃取，从此微波萃取( m a e ) 受到了人们的广泛关注。加拿大的c w t t r a n 国际公司e sf o s 公司联合体深入研 究m a e 技术，并成功地开发了m a e 生产设备。 微波萃取的本质是微波对萃取溶剂和物料的加热作用。微波加热的机理有别 于常规加热，它能穿透萃取溶剂和物料使整个系统均匀加热，这样省去了常规加 热由表及里传导所需的时间，使萃取体系快速升温，萃取速率明显高于常规的加 热。 12 33 超临界流体萃取法 4 5 l 超临界流体萃取( s c f e ) 是一种新型的萃取分离技术，早期被广泛应用于化 工，医药，食品等行业。近年来，人们开始尝试把s c f e 技术应用到天然色素的提 取中。孙君社i 叫将s c f e 技术应用于辣椒红色素的提取，得到的色素产品均超过国 昆明理工大学硕士研究生学位论史第一章文献综述 标并达到f a o w h o 的要求。何春茂【“】将s c f e 技术应用于青蒿素的提取，大大提 高了色素的溶解性和色价，并获得了良好的精制效果。 1 2 3 4 超声波提取法柏4 7 1 这种方法是利用超声具有空化，粉碎，搅拌等特殊的作用，对植物细胞进行 破碎，使溶媒渗透到植物的细胞中，以便于植物中的化学成分溶于溶媒中，通过 分离，提纯，以获得所需的化学成分。与常规的提取法相比，超声波提取法具有 实验设备简单，操作方便，提取时间短，产率高，无需加热等优点。目前在中草 药化学成分的提取中等到了广泛的应用。 1 2 3 5 生物技术生产色素1 4 8 l 由于天然色素使用天然原料来提取，随自然条件的变动，原料的质量，产量 和价格均易波动。为了解决这个问题，人们开始采用生物技术来生产天然色素。 采用生化技术选取含有植物色素的细胞，在人工精制条件下，进行培养，增殖， 可在短期类培养出大量的细胞，然后用通常方法提取。这种方法不受自然条件的 限制，能在短期类生产大量的色素( 如用甜菜根的根心细胞生产红色色素) 。现在 我国不断地研究开发可食用的天然色素，如：从荠菜中提取的天然荠菜红，从乌 树中提取的黑色素。此类色素不仅安全性高，而且均具有一定的生理机能或药用 价值，气味清香，易教消费者接受。 1 2 4 天然色素的精制 采取一般的提取工艺浓缩得到的液体产品或者由此干燥得到的固体产品都是 粗制天然色素，由于没有精制，产品色价低，杂质含量高，有的具有原料本身带 有的特殊异味，有的具有强烈的吸水性，无法使用。这些都将影响到天然色素的 稳定性和染着性，限制了它的应用。所以需要对天然色素进一步制成精制品，精 制技术是天然色素开发和研究的热点，目前主要有以下几种精制方法： 昆明璀t 人学坝i 开究生学位论文第一章文献综述 124 2 酶精制法【4 8 删】 酶足具有专一性的高效催化剂，其催化作用常常在常温，近中性的条件下就 能进行，这种特别适合耐热性不强的天然色素的精制。酶法精制就是利用酶的催 化作用，使天然色素粗制品中的杂质通过酶反应被除去，到达精制的目的。f j | 奉 专利报道，从蚕沙中提取的叶绿素带有某中异样气味，品质很差。采用酶法精制 肟，其品质得到了很大的提高。但是由于酶的选择性，每种酶只能针对一种类型 的色素，且成本较高，从而限制了它的广泛应用。 12 4 3 膜精制法【5 1 天然色素工业可选用适当孔径的膜，使水分子甚至小分子杂质通过膜，而使 溶剂中的有效成分被阻留，从而使色素达到某种程度的纯化和高倍数浓缩。国外 已经使用超滤膜精制天然色素。我国也有这方匿的研究，如北京食品研究所的王 熊6 1 】用该法精制栀子黄色素获得了良好的精制效果；天津轻工业学院【5 5 】用该法精 制天然色素萝h 红色素其产率和色价均得到了一定程度的提高。 1 2 4 4 吸附树脂精制法【4 9 1 根据不同色素的性质选择特定的吸附剂，用吸附，解吸法精制色素。意大利 曾用吸附剂精制葡萄汁色素的报道，可除去葡萄汁中的果胶质及某些重金属离子， 所得到的精制品作为高级葡萄酒和饮料的着色荆，天津轻工业学院用吸附树脂法 精制天然色素萝n 红其色价提高了1 5 倍以上：萧伟样等用树脂吸附分离密蒙花黄 色素，其产品得到了很大的提高：马银海等用吸附树脂吸附分离甘蓝红色素也得 到了良好的效果。 12 4 5 凝胶屡析法【4 9 】 凝胶层析法的应用在5 0 年代初期已有报道，在6 0 年代得到了迅速的发展， 成为分离分析生物大分子和有机多聚物的非常有效的方法。它的原理是分子筛作 用，即被分离物质的分子大小不同，它们能够进入到凝胶内部的能力不同，当色 素溶液通过凝胶柱时，比凝胶空隙小的分子可以自由进入凝胶内部，而比凝胶空 6 昆明理工人学硕i 研究生学位论文第一章文献综述 隙大的分子不能进入凝胶内部，只能通过凝胶颗粒的间隙，因此移动速率有羞异。 分子大的物质不被排阻而随移动相走在前面，分子小的物质由于在空隙内扩散， 移动被滞留，随移动相走在后面，从而使二者分离。凝胶层析具有设备简单，操 作方便，每次层析都无需再生等优点。凝胶层析不仅适用于分析而且适用于大规 模的制备。现在已经成为分离提纯蛋白质，酶和核酸等生物大分子物质不可缺少 的技术。 1 2 5 天然食用色素的测定f 6 2 】 目前，色素的测定方法有：薄层层析法，高效液相色谱法，固相分光光度法 极谱法，毛细管电泳法，紫外分光光度法等。其中最常用的是薄层层析法，紫外 分光光度法和高效液相色谱法。 薄层层析法的工作原理是利用不同种类的色素在一定的展开剂中的比移值不 同，将其比移值和标准色斑的比移值进行比较，从而确定色素的种类。 紫外分光光度法是利用各种色素的最大吸收波长的不同，从而把它们鉴定分 离开来。 高效液相色谱法是根据不同色素保留时间的不同和峰面积的大小进行定性和 定量。 1 2 6 食用天然色素的发展趋势 中国是一个资源大国，在天然色素资源方面有很大的潜力，近年来作了大量 的探索与研究，取得了丰硕的成果，现在我国天然色素企业1 0 0 余家，年产量超 过3 万吨，但是产品过于单一，其中产量最大的是焦糖素，占七成以上。砸对如 此蓬勃发展局面，天然色素开发研究的发展趋势表现大力发展“天然、营养、多 功能”的食用天然色素；采用高新技术、完善及改进原有工艺；加强原料的综合 利用等方面。 1 2 6 1 大力发展“天然、营养、多功能”的食用天然色素 近年来，天然色素如焦糖素、红蓝素、辣椒红及栀子黄色素等发展较快，另 昆明理工大学硕士1 1 j f 究生学位论文第章文献综述 隙火的分子不能进入凝胶内部，只能通过凝胶颗粒的间隙，因此移动速率有筹异。 分子大的物质不被排阻而随移动相走在前面，分子小的物质由于在空隙内扩散， 移动被滞留，随移动相走在后面，从而使二者分离。凝胶层析具有设备简单，操 作方便，每次层析都无需再生等优点。凝胶层析不仅适用于分析而且适用于大规 模的制备。现在已经成为分离提纯蛋白质，酶和核酸等生物大分了物质不可缺少 的技术。 1 2 5 天然食用色素的测定f e 2 1 目前，色素的测定方法有：薄层层析法，高效液相色谱法，固相分光光度法 极谱法，毛细管电泳法，紫外分光光度法等。其中最常用的是薄层层析法，紫外 分光光度法和高效液相色谱法。 薄层层析法的工作原理足利用不同种类的色素在一定的展开剂中的比移值不 同，将其比移值和标准色斑的比移值进行比较，从而确定色素的种类。 紫外分光光度法是利用各种色素的最大吸收波长的不同，从而把它们鉴定分 离开来。 高效液相色谱法是根据不同色素保留时间的不同和峰面积的大小进行定性霸i 定量。 1 2 6 食用天然色素的发展趋势 中国是个资源大国，在天然色素资源方面有很大的潜力，近年来作了大量 的探索与研究，取得了丰硕的成果，现在我国天然色素企业 0 0 余家，年产量超 过3 万吨，但是产品过于单一，其中产量最大的是焦糖素，占七成以上。面对如 此蓬勃发展局面，天然色素开发研究的发展趋势表现大力发展“天然、营养、多 功能”的食用天然色素；采用高新技术、完善及改进原有工艺；加强原料的综合 利用等方面。 12 6 1 大力发展“天然、营养、多功能”的食用天然色素 近年来，天然色素如焦糖素、红曲素、辣椒红及栀子黄色素等发展较快，男 近年来，天然色素如焦糖素、红曲素、辣椒红及栀子黄色素等发展较快，另 昆明理工人学硕i 研究生学位论文第一章文献综述 隙大的分子不能进入凝胶内部，只能通过凝胶颗粒的间隙，因此移动速率有羞异。 分子大的物质不被排阻而随移动相走在前面，分子小的物质由于在空隙内扩散， 移动被滞留，随移动相走在后面，从而使二者分离。凝胶层析具有设备简单，操 作方便，每次层析都无需再生等优点。凝胶层析不仅适用于分析而且适用于大规 模的制备。现在已经成为分离提纯蛋白质，酶和核酸等生物大分子物质不可缺少 的技术。 1 2 5 天然食用色素的测定f 6 2 】 目前，色素的测定方法有：薄层层析法，高效液相色谱法，固相分光光度法 极谱法，毛细管电泳法，紫外分光光度法等。其中最常用的是薄层层析法，紫外 分光光度法和高效液相色谱法。 薄层层析法的工作原理是利用不同种类的色素在一定的展开剂中的比移值不 同，将其比移值和标准色斑的比移值进行比较，从而确定色素的种类。 紫外分光光度法是利用各种色素的最大吸收波长的不同，从而把它们鉴定分 离开来。 高效液相色谱法是根据不同色素保留时间的不同和峰面积的大小进行定性和 定量。 1 2 6 食用天然色素的发展趋势 中国是一个资源大国，在天然色素资源方面有很大的潜力，近年来作了大量 的探索与研究，取得了丰硕的成果，现在我国天然色素企业1 0 0 余家，年产量超 过3 万吨，但是产品过于单一，其中产量最大的是焦糖素，占七成以上。砸对如 此蓬勃发展局面，天然色素开发研究的发展趋势表现大力发展“天然、营养、多 功能”的食用天然色素；采用高新技术、完善及改进原有工艺；加强原料的综合 利用等方面。 1 2 6 1 大力发展“天然、营养、多功能”的食用天然色素 近年来，天然色素如焦糖素、红蓝素、辣椒红及栀子黄色素等发展较快，另 昆明理f ：火学坝士研究生学位论文 第一章文献综述 外还有姜黄色素，紫草色素，红花黄色素等天然色素。这些色素都是从天然产物 中提取，许多具有特殊的营养价值和医学功能。这类型的“天然、营养、多功能” 使用天然色素越来越受到大家的重视。 1 2 6 。2 采用高新技术、完善及改进原有工艺 在食用天然色素的生产和进一步加工过程中，可采用的高新技术包括：基因 工程、细胞工程、发酵工程、吸附色潜、离子交换色谱、凝胶过滤、微孔过滤、 膜分离、电渗析、反渗透、超临界c o 。流体萃取、亲和层析及冷冻干燥等技术，这 些高新技术的应用可以提高食用天然色素的得率，增加产量，提高纯度，保证质 量，降低成本。 1 2 6 3 加强原料的综合利用 综合利用原料，可以增加产品的种类，提高经济效益，降低产品的成本，如 _ f j 辣椒生产红色素时，可以同时提取辣椒碱，渣子可以作辣椒粉、辣椒酱；紫胶 生产漂白紫胶时，可以在洗色液中提取紫胶色素等。 1 3 紫胶和紫胶色素 1 3 1 紫胶虫与紫胶 紫胶，又名虫胶，是寄生在寄主植物上的紫胶虫所分泌的一种天然动物性树 脂，因其颜色紫红，故称紫胶；因系紫胶虫分泌物，叉称虫胶。紫胶在采集后通 过加1 ，制成颗粒胶或片胶，广泛用于国防、电气、塑料、油漆、医药、食品等 工业。在加工过程中，提取的副产品紫胶色素，是一种天然食用红色素，用于加 工糖果、饮料、糕点、肉类、化妆品等方面，兵有色泽鲜艳、安全健康等优点， 是化学合成色素难以比拟的，因而广受欢迎。 1 3 2 紫胶色素 紫胶色素是唯一从动物提供的树脂中的提取物。人们对紫胶色素的利用早于 昆明理工大学硕上研究生学位论文第。章文献综述 对紫胶树脂的利用，紫胶色素传统上用于食品，医药，化妆品，印染和纺织等行 业，其颜色本身为红色或桃红色，但通过媒染可获得其他色调1 4 “。近年来，随着 医学毒理学和生物学实验工作的发展，人们认识到人工合成食用色素有的对人体 有一定的毒性，有的还有致癌作用，因此，天然色素又重新得到普遍重视和应用。 紫胶色素具有水易溶性和无毒性，己作为安全性较高的添加剂得到广泛使用，而 且，紫胶色素与其它天然色素比还具有着色力强，对光，金属离子和热的稳定性 好等优点，紫胶色素作为天然食用色素同益被人们所接受。日本等国家已用紫胶 色素染制食品，其应用前景十分广阔。 1 3 2 1 紫胶红色素物理性质 紫胶红色素( l a c r e dc o l o u r ) 为鲜红色，无邪恶臭味，呈酸性，水醇溶性的 疏松粉末体，其他名称有l a cd y el a ca c i d ，l a c c a i c 。紫胶红色素从天然色素的 化学结构分类上属于醌类中的葱醌亚类色素：从溶解性能上属于水醇溶性的染料 型色素。紫胶红色素是一种混合色素，经分析鉴定其组分是有蒽醌衍生的色素一 紫胶红色素ab ce 和紫胶红色素d 构成。其通式# j 1 3 6 1 ： r 比重o 5 4 克厘米，( 指经1 0 0 目的筛出物) 比热6 4 3 焦耳克、度 溶解性紫胶色素溶于水，甲醇，乙酸，戊醇等；微溶于乙醇，丙二醇，丙 酮等；不溶于苯，乙醚，三氯甲烷以及在化妆品常用的来源于动物矿物的人 工化学合成的诸如：脂油，脂，富脂，脂肪酸，脂肪醇，单脂肪酸多元醇脂 等组分。 垒 足明删t 大学硕士研究生学位论文 第一章文献综述 光稳定性在酸性介质中稳定。 热稳定性在酸r 陛介质中稳定，但在1 8 0 。c 高温下则开始分解 吸光性紫胶色素在不同酸碱性的水溶液吸光陆线最大吸收峰不同，在p h 3 时为4 9 0 h m ；在p h 6 时为4 9 5 n m ：而在p h 9 时则为5 3 0 n m 。 1 322 紫胶红色素化学性质【3 6 】 紫胶色素由于其结构中含有较多的羟基，酚羟基和羧基，使得其易受酸碱的 影响砸发生化学结构的改变从而改变其化学性质。 颜色稳定性不仅紫胶色素在不同的p h 下呈现不同的颜色，而且只有在酸性 介质中其颜色的光，热稳定性才理想，不同p h 下的颜色变化见表2 表2 不同p h 下紫胶色素的颜色变化 p h颜色变化 1 2 0 放置后分解褪色 成盐性紫胶红色素在碳酸氢钠，碳酸钠，氢氧化纳等碱性物的水溶液中， 其诸组分分子结构中的羧基，酚羟基被中和而成盐，其溶液的颜色也变成紫红色， 甚至分解褪色，同时吸光曲线也随之发生了变化。 金属离子稳定性紫胶红色素在遇铁，铜及其离子变成紫色。但在p h 4 以f 时不受影响。在碱土金属如镁，钙，键以及铝等金属离子，紫胶红色素则发生沉 淀反应。该反应在色素化学上特称色淀反应。 蛋白质稳定性紫胶红色素遇蛋白质反应变成紫色甚至黑紫色。 1 3 3 紫胶色素研究现状 在天然色素的提取和精制工艺中，目前国内外多采用化学的方法，其主要方 法有：浸泡法，酶反应法，溶剂萃取法等。其工艺流程如下1 4 。】： 昆明理工人学硕t 研究生学位论文 第章文献综述 紫 在紫胶色素提取领域中，k l a m a t h 等人用碳酸钠溶液萃取，加氯化钙和苯酚， 过滤沉淀，蒸汽干燥的方法；b h i d e 等人用水萃取，酸处理，阳离子交换树脂蚓收 的方法；s i n g h 等人用乙醇浸泡紫胶，热丙醇，乙醚和氯仿，从蜡和树脂中分离色 素物质。盐酸酸化处理的方法f 6 1 】。 1 4 本实验的任务和创新之处 综上所述，结合云南特有的紫胶资源优势，本课题设想将新型分离技术一膜 分离技术。应用到紫胶色素提取中代替传统化学方法。 利用膜分离技术的无相交、无试剂加入、属于物理分离等优点提取精制紫胶 色素，从根本上解决传统化学方法对紫胶色素和环境造成的不良影响。 1 4 1 本实验的任务 通过这次实验研究，要解决如下的问题： 1 采用浸提法提取紫胶色素，用微碱水作为浸取剂，考察提取工艺参数及工 艺条件。包括考察料液比，浸泡时间、浸泡温度及物料粒度与选取最佳值。 2 采用膜分离技术精制紫胶色素，考察膜分离的工艺条件、产物得率及纯度。 3 考察提取精制产物的基本性质，主要是考察紫胶色素在各种条件。f 的稳定 性，测定膜分离技术所得产品性能能否达到国标要求，最终通过实验确定此方法 所得的紫胶色素在工业应用中所需的基本参数。 4 对提取精制工艺的可行性进行初步论证。 昆l 婀理丁大学顿卜研究生学位论史 第一一章文献综述 1 4 2 本实验的创新之处 1 采用微碱水浸提法提取紫胶色素。传统的紫胶色素生产厂家大都是采用化 学法浸提紫胶色素，此方法加入了大量的化学试剂，不仅成本较高，紫胶色素得 率不够理想，而且提取后的紫胶和紫胶色素的质量和应用将受到影响。同时虫胶 厂生产颗粒胶和片胶时，用水浸泡紫梗，将浸泡液丢弃，对环境造成污染。本课 题研究的微碱水浸提工艺，不仅解决了由于化学试剂引入影响紫胶色素的质量和 得率，而且充分利用了虫胶一的洗涤液，从洗涤液中回收紫胶色素，使紫梗得到 综合利用，从根本上解决了环境污染问题，带来可观的经济收益。 2 利用膜精制紫胶色素。传统的化学精制法都难以避免地使用了大量的酸、 碱和有机溶剂，使所得色素的成份复杂且性质受到了影响。利用膜精制方法，避 免了大量的酸碱加入，使色素的成份简单，对色素性质无影响。由于膜分离技术 工艺简单，属于物理方法分离以及分离的效果优越等优点，利用膜精制提高了紫 胶色素的质量，提升了紫胶色素得率。 3 通过膜精制法得到紫胶色素，研究紫胶色素的基本性质，为紫胶色素在食 品及其它领域的应用提供基本参数，指导紫胶色素在实际中的应用。 4 云南省是植物王国，其紫胶资源可开发的潜力非常广阔，长期以来，紫胶 的进一步加工及利用一直是人们关注研究的焦点，但深入的研究受到科学技术的 发展制约。随着本课题研究开发紫胶色素高效提取精制成功，将对拓展紫胶资源 的应用，增加贫困山区群众的经济收入，扩大紫胶色素的使用范围，提高紫胶色 素产品在国际市场的竞争力具有积极的意义。 昆明理【。大学硕士研究生学位论文第二：章膜分离的摹奉理论 第二章膜分离的基本理论0 b o j s 3 彤1 本课题是利用膜分离狡术提取精制紫胶色素，为了更好的利用这项新型分离技 术，有必要对膜分离的基本理论有个简单的了解，以便应用理论指导实际应用，解 决实际应用中如何选择膜类型，确定膜操作参数，考察影响膜分离效果因素等问题。 膜分离过程作为- - f 3 n 型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，在近3 ( ) 年来发展 迅速，已在工业各个领域和科学研究中得到了广泛的应用。膜分离过程已经成为解 决当代能源问题、资源、和环境污染问题的重要高新技术及可持续性发展技术的基 础。 膜分离技术利用具有特殊选择分离性的有机高分子材料和无机材料，形成不同 形态结构的膜，在一定驱动力作用下，根据双元我多元组分透过膜的速率不同而达 到分离或特定组分密集的目的。自从1 8 5 4 年发现可透析现象，人们就开始霞视对膜 进行研究，到本世纪6 0 年代，膜分离技术迅速发展，部分膜分离技术进入工业化生 产，首先在海水，苦咸水淡化领域得到应用，7 0 年代，膜分离技术开始应用于食晶 业。目前，已经成熟和不断研发出来的反渗透、超滤、微滤、纳滤、电渗析、渗 析、气体分离、无机膜、渗透汽化、膜接触、膜反应及控制释放等技术。由于膜分 离技术具有以下优点： 1 无试剂加入，无须额外材料损耗、无须再生、无二次污染、可连续操作。 2 能充分利用工业压力源作为膜分离推动力，物料仅通过简单地流经膜表面即 可得到分离和浓缩。 3 工业兼容性强，易与相关工艺配套，能因地制宣的满足多样化工业组合要求。 4 模块组合方式既可满足集中应用，又可进行单元操作，不受场地和自然条件 的限制。 5 常温操作、投资少、能耗低、回收率高、无公害。 6 设备结构紧凑、占据空间小、工艺简单、组装方便、容易操作。 7 一般无须相变和化学变化即可达到分离目的。 膜分离技术正广泛应用于石油、化工、电子、电力、能源、环保、食品、饮料、 轻：l ：、医药和生物： i 翌等行业，产生了很大的经济和社会效益，发挥了越来越重要 的作用。如： 1 3 昆叫理_ 1 大学硕l 。研究生学位论文 第二章膜分离的基本媸论 微滤技术用于处理溶液中的细微颗粒，细菌和胶体颗粒物质，分离效率高， 成本低，已成为这一领域的标准技术。 超滤技术用于大分子和小分子的分离，在液体净化和生物，食品的浓缩加 r 等方面具有巨大的潜力。 纳滤技术以其独特的功效已成为生物制药和精细化工的重要高效节能单元 操作，并将成为2 l 世纪饮用水净化的关键技术5 0 1 。 本课题正是借助膜分离的这些优点，把它应用于紫胶生产废水处理和紫胶色素 的分离精制，以便解决目前困扰紫胶生产厂家的生产废水处理以及紫胶色索精制领 域诸多问题。 2 1 膜分离的理论基础 2 1 1 膜的定义 膜至今还没有一个精确、完整的定义。最通用的广义定义是“膜”为两相之间 的一个不连续区间。因此膜可分为气相、液相和圃相，或者是他们的组合。简单的 说膜是两种流体之间一个很薄的阻挡层。这个阻挡层阻止了这两种流体的力学流动。 因此，它们通过膜传递是主要借助于吸附作用和扩散作用，描述传递速率的膜性能 是膜的渗透性。 2 1 2 膜的分类 由于膜的种类和功能繁多，分类方法也很多，通用的有四种方法：按膜的性质 分类，按膜的结构分类，按膜的用途分类以及按膜的作用机理分类。此外还可以按 来源形态分类。例如：按结构分类可以分为对称膜和不对称膜。按来源分类可以分 为合成膜和生物膜，同时合成膜又可以分为有机膜和无机膜。 2 1 3 膜过程及其分类 从广泛的意义上说，每种膜都是一类过滤单元。与一般的过滤相同，要求被分 离的混合物至少有一种组分几乎可以无阻碍的通过膜，而其它的组分则斗；列程度的 4 昆明理工人学硕上研究生学位论文第二章膜分离的基本理论 被阻碍。所有的膜分离过程都有这两个典型的特征： ( 1 ) 膜分离是纯物理性的分离，即要求被分离的组分即不会有热学性的变化， 也不会有化学性和生物性的变化。 ( 2 ) 膜分离工艺是以组件形式构成的，因此可以适应不同的生产能力的要求。 膜过程按分离的目的可以分为反渗透( r o ) ，超滤( u f ) ，微滤( 盯) ，纳滤( n f ) 渗 析( d ) ，电渗析( e d ) ，气体分离( g s ) ，渗透汽化( p v ) ，乳化液膜( e 脒) 。 2 1 4 膜分离基本概念一一选择性，通量，推动力 选择性s ，j 是根据“产物混合物”和“原料混合物”的组成来定义的。 对于二元混合物，如果用摩尔分数表示，则选择性为： 鼠i x = 畿2 器等 值得指出的是，除了选择性s t j 以外还常用另一种量度来表示膜的选择性，即 对关键组分的截留率： r ；= ! 生二坠：1 一羔量 w 口 w f 通量是指与面积相关的物料通量，因此单位为质量面积掌时间 通量和选择性都是局部参数。 膜的推动力一般为压差，浓度差和电势差。 2 2 膜分离主要影响因素 一般来说，膜的截留率和通量是浓度、压力、温度和p h 值( 对可分离有机物质 而言) 的函数。 2 2 1压力 正如一些传质模型预测的那样，压力升高渗透最j w 线性增加溶质的截留率增加 并接近以定值。而对于有机物质而言，由于溶质与膜聚合物材料之间的相互作用， 有时溶质的截留率随着压力的升高降低。 1 5 昆明璀丁大学f i ! i ii 耐f 究生学位论文第二二章膜分离的基奉理论 2 2 2 温度 温度升高，渗透压、溶剂和溶质的渗透性都相应的增加，而溶剂的渗透性的增 加必将加快溶剂的通量。这种溶剂的通量的增加可用阿累尼乌斯温度和纯水的渗透 参数之间的关系式来表示。纯水通量随温