（制糖工程专业论文）甘蔗制品中抗氧化剂的研究.pdf

摘要 摘要 天然抗氧化剂多为含有多羟基的酚类物质，而甘蔗中含有大量酚类物质。 本课题选择大孔吸附树脂法从廉价的甘蔗中提取酚类抗氧化活性物质，此法提 取抗氧化物质可以与制糖工艺结合，在解决制糖过程中脱色问题的同时获得具 有高附加值的抗氧化剂。 实验中以简单可靠的d p p h 法作为抗氧化活性的评价方法。分别选择d 2 0 1 、 d 2 0 4 、d 3 0 1 、d 7 5 0 等树脂，不同浓度比例的碱盐溶液以及乙醇作为洗脱剂， 对提取工艺进行了最优化选择，结果表明当选用d 2 0 4 大孔吸附树脂，用碱性 n a c l 作为洗脱液时，可以使提取物抗氧化活性达到最高。在此提取条件下对甘 蔗制糖过程中的多种原料进行活性物质提取，发现均具有良好的抗氧化活性。 作为甘蔗制糖过程最终副产物的废蜜也具有高抗氧化活性。 同时对影响抗氧化活性的因素进行了一定探讨，发现p h 值对其影响最大， 甘蔗制品提取物的抗氧化活性随p h 值的升高而下降，p h 达到6 0 时，自由基 清除能力下降加剧。加热温度只对压榨汁提取物的自由基清除率有影响，对其 他原料没有影响。 结果还表明提取物的抗氧化活性随酚类物质含量的增加而升高。 红外光谱对提取物的结构进行分析，发现都含有羟基和苯环，具有酚类化 合物的典型谱图特征。 将提取物应用于油脂中，连续8 天测油脂过氧化值的变化，发现除二清汁 提取物外，其他甘蔗制品提取物均具有良好的阻止油脂氧化酸败效果。与合成 抗氧化剂b h t 以及维生素e 做比较，表明其阻止油脂氧化酸败的能力虽逊于合 成抗氧化剂b h t ，但远比生育酚要好。 研究表明大孔吸附树脂法从甘蔗制品中提取抗氧化活性物质切实可行，所 得活性物质可应用于食品行业。 关键词：甘蔗抗氧化剂；大孔吸附树脂：多酚类 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m o s to ft h en a t u r a la n t i o x i d a n t sa r ep o l y p h e n o l sc o n t a i np o l y h y d r o x y , a n d t h e r ea r e a l a r g em o u n to fp o l y p h e n o li ns u g a rc a n e w ec h o o s em a c r o p o r o u s a d s o r p t i o n r e s i n t oe x t r a c t p o l y p h e n o l a n t i o x i d a n tf r o m s u g a r c a n e w h i c hi s a b u n d a n ti nt h ew o r l d t h i sm e t h o d ，a c c o r d i n gw i t ht h es u g a rr e f i n ep r o c e s s ，c a n s o l v et h ec o l o r a n t sp r o b l e mw h e na t t a i na n t i o x i d a n tw i t hh i g ha d d i t i o n a lv a l u e d p p hm e t h o dw h i c hi s s i m p l ea n dr e l i a b l ei s u s e dt oe s t i m a t et h ee f f e c to f a n t i o x i d a n ti nt h i st h e s i s d i f f e r e n tr e s i ni n c l u d ed 2 0 1 ，d 2 0 4 ，d 3 0 1 ，d 7 5 0a n d d i f f e r e n te f f l u e n tw e r es e l e c t e dt of i n da no p t i m u mc o n d i t i o n t h er e s u l ts h o wt h a t w h e nd 2 0 4 t y p eo fm a c r o p o r o u sa d s o r p t i o n r e s i na n da l k a l e s c e n ts o d i u mc h l o r i d ei s u s e d ，t h ea n t i o x i d a n tp r o p e r t y o fe x t r a c t i o n si st h eb e s t e x t r a c t m a n yo t h e r m a t e r i a l st h r o u g ht h e s u g a rr e f i n ep r o c e s si n t h i sc o n d i t i o n ，a n df i n da l lt h e e x t r a c t i o n sh a sg o o dp r o p e r t yi na n t i o x i d a n t m o l a s s e sw h i c hi st h ef i n a ls i d e p r o d u c t o f s u g a r r e f i n ep r o c e s sa l s oh a se x c e l l e n t p r o p e r t y t h ef a c t o r st h a ta f f e c ta n t i o x i d a n tp r o p e r t ya l s ob es t u d i e di nt h i st h e s i s i t s h o w e dt h a tp hi sas e n s i t i v i t yf a c t o rt oa n t i o x i d a n ta b i l i t y ，t h ep r o p e r t yd e s c e n d w i t ht h ei n c r e a s eo f p h w h e np h r e a c h6 0 ，t h ea b i l i t yo f c l e a n i n gu pf r e er a d i c a l d e c r e a s e dr a p i d l y t h et e m p e r a t u r eo n l ya f f e c tt h ef r e er a d i c a lc l e a n i n ge f f i c i e n c y o ft h ee x t r a c t sf r o mr a w j u i c e t h e a c t i v i t yo f a n t i o x i d a n te n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp o l y p h e n 0 1 a n a l y s i st h ee x t r a c t i o n s s t r u c t u r eb y i n f r a r e ds p e c t r u m i tm a k eo u tt h a tt h e r e a r eh y d r o x ya n dp h e n y la n dh a v et y p i c a lc h a r a c t e rs p e c t r u mo fp h e n o lc o m p o u n d a d dt h ee x t r a c t sf r o mc a np r o d u c t si n t oo i l ，m e a s u r et h ep o v c h a n g eo fo i li n t h es e q u e n c e8d a y s i ts h o w e dt h a ta l lt h eo t h e re x t r a c t sh a dg o o da b i l i t yt op r e v e n t t h eo i lf r o mo x i d a t i o ne x c e p tc l a r i f i e dj u i c ee x t r a c t s a l s oc o m p a r e dt h ee x t r a c t s p r o p e r t yw i t ht h es y n t h e s i z e da n t i o x i d a n tb h t a n dv i t a m i n ee i ti n d i c a t et h a tt h e a b i l i t yo f t h ee x t r a c t i o ni np r e v e n t i n go x i d a n t i o na n da c i d i f i c a t i o ni sn o ts og o o da s b h t b u ti t sm u c hb e t t e rt h a nv i t a m i ne i tm a k ec l e a rt h a te x t r a c ta n t i o x i d a n t sf r o m s u g a r c a n e u s e m a c r o p o r o u s a d s o r p t i o nr e s i ni sf e a s i b l e ，t h ee f f e c t i v ee x t r a c i o n sc a n b eu s e di nf o o di n d u s t r y k e y w o r d s ：c a n ea n t i o x i d a n t ；m a c r o p o r o u sa d s o r p t i o nr e s i n ；p o l y p h e n o l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：羊专 日期：年b 月= ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密硪 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 毕 施酶 日期：哟弓年b 月j 日 日期：年月日 太多1 d 叶j 第一章绪论 1 1 抗氧化剂概述 1 1 1 抗氧化剂分类 第一章绪论弟一早硒v 匕 抗氧化剂是指用于阻止由于氧化而引起的腐败、酸败或褪色而保藏食品的物 质。氧化不仅使食品中的油脂变质，还会使食品发生褪色，褐变和维生素受到破 坏，从而降低食品的质量和营养价值，甚至产生有害物质，引起食物中毒。因此 抗氧化剂在食品工业中占有非常重要的地位。正确理解抗氧化剂的概念应明确以 下三点1 1 ：( 1 ) 它是一类能与自由基反应的物质，但不是氧的驱除剂或吸附剂。它 们的功能是与自由基发生反应，从而中止自动氧化过程。( 2 ) 抗氧化剂只能阻碍 氧化作用的进程，以延缓油脂开始氧化变质的时间，但不可能使已经氧化的产物 复原。( 3 ) 油脂的自动氧化有一段相当长的诱导期，它取决于许多因素，如温度、 光线等等，但集中到一点是氧的活化度，或称“单重态氧”的密度。一旦超过自 动氧化的诱导期，就会生产能自行催化的过氧化物，从而使氧化反应迅速连锁进 行。因此，只有在诱导期之前加入抗氧化剂才能及时切断这种自动氧化过程。故 抗氧化剂加入越早越好，若加入前油脂中已存在过氧化物，不可避免的将使抗氧 化剂遭到不必要的损失。( 4 ) 抗氧化剂极易失去氢离子而自身被氧化，被氧化后 的抗氧化剂反过来也可以成为促进氧化的因素。 抗氧化剂按其溶解性能可分为油溶性和水溶性抗氧化剂两类，常用的油溶性 抗氧化剂有：二丁基羟基甲苯( b h t ) 、丁基羟基茴香醚( b h a ) 、叔丁基对苯二 酚( t h b q ) 、2 , 4 ，5 - = 羟基苯丁酮( t h b p ) 和乙氧喹( e m q ) 、混合生育酚浓缩物、 迷迭香属提取物及愈创树脂等；水溶性抗氧化剂有：抗坏血酸及其钠盐、异抗坏 血酸及其钠盐、植酸等。若按来源可分为天然和合成两类，合成抗氧化剂为：二 丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚、乙氧喹、抗坏血酸及其钠盐、 异抗坏血酸及其钠盐；天然抗氧化剂为：混合生育酚浓缩物、茶多酚、苹果多酚、 迷迭香属提取物及愈创树脂、植酸等m 。 1 1 2 酚类天然抗氧化剂的研究现状 现代医学研究已经证明，人体的许多疾病与生物氧化及过剩的自由基有关， 当人体内的自由基产生过多或清除过慢，就会转而攻击各种细胞器官并使之受到 损伤，从而加速机体的衰老过程并诱发各种疾病。抗氧化剂因为能清除体内自由 基从而具有抗衰老及预防多种疾病的作用。由于人工合成的抗氧化剂对人体有副 华南理工大学工学硕士学位论文 面影响，天然抗氧化剂的提取及其应用已成为一个热点课题。 食用植物包括水果、蔬菜、香料是天然抗氧化剂的主要来源m 】，其中的抗氧 化活性成分主要是酚类化合物，包括多酚( p o l y p h e n 0 1 ) 、简单酚类与酚酸，羟基 肉桂酸( h y d r o x y c i n n a m i ca c i d ) 衍生物与类黄酮( f l a v o n o i d ) 。这些酚类既是抗氧 化剂，又可作为调味剂与着色剂。它们都有共轭环结构而且带有羟基，从而可清 除氧自由基并成为稳定性自由基。许多酚类化合物具有的羧酸基可使金属介导的 脂质过氧化受到抑制。酚类还显示对具有促氧化剂作用的脂氧酶与环氧酶的活性 抑制m 。 在许多动物模型实验中酚类化合物有抗癌作用c 6 - 7 1 ，可能与抗氧化活性有关。 其机制是降低致癌物的生物利用，抑制致癌物的代谢活性，花生四烯酸代谢与蛋 白激酶c 的活性。能抑制癌发生的酚类化合物有姜黄色素、栎皮酮、花生酸、鞣 花酸、香豆素( c o u m a r i n ) 与儿茶素衍生物等。酚类化合物还有抗动脉粥样硬化作 用。红酒中酚类可预防冠心病，其机制是抑制脂质氧化，脂质氧化指的是低密度 脂蛋白的氧化1 5 1 。因此类黄酮类和酚酸类所具有的保健功能主要表现在：清除体内 自由基m ，刺激免疫系统产生抗体，舒张血管，抗癌，抗病毒，抗菌消炎，抗过敏， 产生癌细胞血管阻断素1 9 1 ，抑制磷脂酶a 2 、脂肪氧化酶、环加氧酶、黄嘌呤氧化酶 等酶的活性 i o 】。 多酚( p o l y p h e n 0 1 ) 是一类广泛存在于植物体内的物质，在水果中含量较为丰 富。根据其化学结构的不同，多酚可分为水解单宁( 没食子酸酯类多酚) 和缩合 单宁( 黄烷醇类多酚或原花色素) 。水解单宁和缩合单宁在构成单元骨架上完全不 同，但其分子结构仍具有某些共性：酚羟基数目众多、分子量较大且分布较宽。 正是这种化学结构，使多酚的性质不同于其他植物大分子，如纤维素、木质素等， 也不同于低分子量的植物酚类，如黄酮类、葸醌类物质。多酚分子中的多个邻位 酚羟基结构，可与铜、锌等金属离子络合，使含这些离子的金属酶活性受到抑制， 从而具有多种生物活性。多酚中的邻位酚羟基很容易被氧化成醌类结构，可消耗 环境中的氧，酚类结构使其对活性氧等自由基具有很强的捕捉能力，具有较强的 抗氧化性及清除自由基能力。多酚还具有较强的紫外吸收特性，对远紫外区吸收 性更强，可作为抗老化剂和防晒剂的有效成分，对皮肤癌有预防作用。多酚类物 质的生理活性是其化学活性的综合体现，这些生理活性除了多酚与蛋白( 酶) 、生 物碱、生物大分子以及多糖的复合反应等相联系外，更重要的是与多酚具有较强 的清除自由基和抗氧化性能密切相关u 1 1 。 现已分离鉴定了许多植物中的抗氧化物质及其活性。如戚向阳等对苹果多酚 提取物进行了研究m ，。h e r r r n a n n 评论了存在于食用植物中各种酚类化合物包括类 黄酮和肉桂酸衍生物m m ，。最近从紫苏子和g a r l a n d 中分离出很少见的酚类抗氧化 物质6 m 1 。k e i k o a z u m a 等从c o l i t o r i u s 的叶子中分离并鉴定了六种酚类抗氧化剂 2 第一章绪论 _ _ _ _ _ - _ - l _ _ i i i i = _ l e e _ _ _ _ _ _ 一 【l8 1 。 研究表明，许多植物中均含有酚类抗氧化剂，些植物中的主要抗氧化成分 列于表1 1 【1 2 , 1 8 2 3 】。 迄今为止国内外研究最多的是茶多酚，它对非特异性免疫功能及细胞免疫功 能有明显的促进作用，对体液免疫功能有抑制作用，是良好的免疫功能调节剂； 能抑制致癌物质对人体的侵害，抑杀某些癌细胞，还可避免一些抗癌药物的毒副 作用；能有效防止人体内低密度脂蛋白的过氧化，可促进纤维蛋白原溶解，对防 止动脉粥样硬化、冠心病、中风等有良好疗效；能有效抑杀危害人体的病毒、病 菌，保护有益菌群，从而防治消化道疾病、感冒等；可抗辐射损伤；另外还能吸 附沉淀或还原重金属离子，对香烟烟雾中的有毒物有清除作用，可防止酒精氧化 后生成乙醛对肝脏的危害m ，。 原花青素( p r o a n t h o c y a n i d i n ) 是由不同数量的几茶素或表儿茶素缩合而成， 具有抗氧化、抗腹泻、抗溃疡、抗抑郁、抗癌、抗突变、抗菌、防辐射、降血压、 清除自由基及促进毛发生长等多种疗效m ，。大豆异黄酮可有效地抑制白血病、结肠 癌、肺癌、胃癌等的发生。竹叶提取物具有优良的抗自由基能力和确凿的类s o d 活性：对亚硝化反应的阻断能力可与v c 相媲美；抗衰老、抗应激和抗疲劳的作用 与纯蜂花粉相当；降血脂和血胆酸、抗氧化的作用与银杏叶提取物相同；抗菌、 消炎和抗病毒的作用与茶多酚相似；镇咳祛痰、消热解毒的功效胜竹沥筹；并 具有显著的免疫增强作用，能提高人体对不良环境和疾病的抵抗力 1 9 1 。 1 1 3 抗氧化机理 1 1 3 1 自由基( fr e er a d i c a i ) 理论 任何包含一个未成对电子的原子、原子团或分子，均称之为自由基1 2 5 1 。自由 基因含有一个未成对电子而具有顺磁性和很高的反应活性。生物体内常见的自由 基是氧自由基，也就是由基态氧接受电子后形成的自由基。e e 如，超氧阴离子自 由基( 0 2 + ) 、羟基自由基( o h ) 、烷氧基自由基( r o ) 等，0 2 形成早，o h 作用最强，r o o h 连锁反应循环最持久。 超氧阴离子自由基不仅具有重要的生物功能和与多种疾病有密切联系，而且 它还是所有氧自由基中的第一个自由基，可以经过系列反应生成其他氧自由基， 具有特别重要的意义。超氧阴离子自由基是基态氧接受一个电子形成的第一个氧 自由基，带有负电荷，是亲水性的，不能穿透细胞膜，超氧阴离子自由基在水溶 液中的存活时间约为1 秒，可以从其生成位置扩散较远的距离，达到靶位置，与 其他活性氧相比，超氧阴离子自由基虽然不很活泼，但危险性却不小，其毒性作 用表现在引起突变和它的直接损伤作用。 羟基自由基是已知的最强的氧化剂，它比高锰酸钾和重铬酸钾的氧化性还强， 3 华南理工大学工学硕士学位论文 是氧气的三电子还原产物，反应性极强寿命极短，它几乎可以和所有细胞成分发 生反应，对机体危害极大。 表卜1 植物中所含的抗氧化活性物质 t a b l e l - 1t h ea n t i o x i d a n t si ns o m ep l a n t s 植物原料抗氧化活性物质 大豆 花生 芥菜和油菜籽 水稻 芝麻 茶叶 迷迭香和鼠尾草 黑胡椒 橄榄 洋葱 甘薯 马铃薯 燕麦 甘草 苹果 向日葵子 银杏叶 葡萄及籽 柑桔类 竹叶 c o r c h o r u so l i t o r i u sl 异黄酮、绿原酸、异绿原酸、咖啡酸、阿魏酸 二羟基槲皮素、花旗松素 水杨酸、肉桂酸、对羟基苯甲酸、藜芦酸、香草酸、原儿 茶酸 异牡荆素( 一种c 一糖甙的黄酮) 、异荆葡基黄酮 芝麻酚、双环氧木酚素或芝麻酚啉酚 表儿茶素( e c ) 、表倍儿茶素( e g c ) 、表儿茶素没没食予 酸酯( e c g ) 、表倍儿茶素没食子酸酯( e g c g ) 鼠尾草酚、迷迭香酚、迷迭香二酚 5 个具有抗氧化性质的酚酸性酰胺 对香豆酸、黄酮醇糖甙、花青甙 槲皮素 绿原酸、异绿原酸、咖啡酸、邻4 咖啡酰奎宁酸 没食子酸、原儿茶酸、咖啡酸、香草酸、卢一羟基苯酸、卢一 香豆酸、阿魏酸 高浓度的二氢咖啡酸和磷脂 3 0 多种类黄酮 原花青素 绿原酸、异绿原酸 黄酮甙、萜内脂 芍药素、矢车菊索、锦葵色素等黄酮类化合物；低聚花色 素原( o p c ) 黄酮、黄烷酮类葡萄糖甙 黄酮、酚酸 5 一咖啡单宁酸( 绿原酸) 、3 , 5 一二咖啡单宁酸、五羟黄酮3 一 半乳糖苷、五羟黄酮3 一葡糖苷、五羟黄酮3 一( 6 - 丙酰基葡 糖苷) 和五羟黄酮3 一( 6 - 丙二酰半乳糖苷) 酚类化合物具有抗氧化活性主要因为它可作为自由基中止剂，有时也作为金属螯合 剂及单线态氧淬灭剂。 4 第一章绪论 1 1 3 2 油脂氧化过程 脂类的氧化主要是脂类与氧分子的直接反应，称为“自动氧化”，另有光敏氧 化和酶氧化。其中最主要的是自动氧化，油脂的变质大部分是由于自动氧化造成 的，分析脂类的自动氧化过程并有效的减缓这一过程、提高脂类的稳定性在油脂 工业中至关重要。脂类的自动氧化是一个产生自由基和自由基参与的链式反应， 会受到光、热和可变价金属( f e 、c u 、m n 、c r 等) 所促进也会被阻氧剂( 多酚类、 氢醌、亚硫酸盐等) 所抑制。在自动氧化过程中，有两个基本物质，一个是作为 供氧体的氧，一是被氧化的脂类【2 6 ，。该过程通常分为四个阶段，诱导期、传播期、 终止期和二次产物生成期。其中，诱导期是指完全没有过氧化的不饱和脂肪酸最 初过氧化起动，也就是不饱和脂肪酸被一个反应性足够强的物质进攻，从其亚甲 基上取走一个氢原子的反应。诱导期中启动自由基的诱发剂可能是脂酶、光，但 多数为过渡金属离子，油脂的诱导期长短是油脂氧化稳定性的标志，影响脂类氧 化速度的因素很多，主要是抗氧化剂、金属及脂类本身的不饱和度，抗氧化剂的 加入能延长脂类的诱导期，从而增加油脂的稳定性。 添加剂抗氧化剂的作用就是提供一个氢原子来使自由基的电子形成稳定结 构，代替了作为供氢体的油脂分子，抗氧剂同样约束了油脂分子自身氧化的连锁 反应，所以推迟了油脂的酸败。 a o h ( 抗氧化剂) + r 一a o + r h ( 稳定产物) a o h + r o o 一a o + r 0 0 h ( 稳定产物) 抗氧剂产生的醌式自由基可通过分子内部的电子共振而重新排列，呈现比较 稳定的新构型，这个醌式自由基不再具备夺取油脂食品中氢原子所需的能量，故 为稳定产物，从而起到了保护油脂食品的作用。此类供氢的抗氧化剂并不能永久 起到抗氧化作用，而且也不能使己酸败的油脂恢复原状，必须是在油脂未发生自 身氧化或刚开始氧化时加入抗氧化剂才有效。 酚类抗氧化剂的增强剂，如柠檬酸、磷酸等本身并没有抗氧化作用，但能对 催化氧化作用的金属离子钝化，同时产生的氢离子又可使抗氧化剂再生1 2 7 1 。 s h ( 增强剂) + a o 一s + a o h 1 1 3 3 抗氧化剂保护的原则及作用原理 抗氧化剂保护的一般原则： ( 1 ) 减少局部氧气浓度； ( 2 ) 清除起动脂质过氧化的引发剂； ( 3 ) 结合金属离子，使其不能产生起动脂质过氧化的羟基自由基或使其不能分解 脂质过氧化产生的脂过氧化氢； 5 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 将脂质过氧化物分解为非自由基产物； ( 5 ) 阻断脂质过氧化的反应链，即清除脂质过氧化中间自由基，如脂自由基、脂 氧自由基和脂过氧自由基。 酚类化合物清除自由基的作用机理在于能与过氧自由基反应阻止自由基引发，与 金属离子螯合阻止羟基自由基生成，与脂质过氧基反应阻止脂质过氧化过程m 2 9 。 依据各种抗氧化剂的作用原理，大致可以分为下述三类： ( 1 ) 抗氧化剂本身极易被氧化，从而降低介质中的含氧量，延缓食品成分的被氧 化。常用的有抗坏血酸及其衍生物、异抗坏血酸及其钠盐。 ( 2 ) 抗氧化剂能抑制或减弱氧化酶类的活动，预防氧化酶的催化作用。如亚硫酸 盐类、二氧化硫及各种含硫化合物。 ( 3 ) 抗氧化剂本身可释出氢离子，破坏或中止油脂在氧化过程中所产生的过氧化 物，使之不能继续被分解成醛或酮类等低分子物质。如各种酚类抗氧化剂， 其中包括合成类的，如丁基羟基茴香醚( b h a ) 、二丁基羟基甲苯( b h t ) 、 叔丁基对苯二酚( t h b q ) 、没食子酸及其衍生物；天然的生育酚、愈创树 脂、栎精等o m 。 1 2 抗氧化活性测定方法 筛选和研究天然抗氧化物质，首先要对其抗氧化活性进行分析评价，常用的 分析方法有：利用电子自旋共振( e s r ) 和化学发光等物理化学方法测量脂质过氧 化过程产生的自由基；利用其他化学法或仪器分析法检测脂质过氧化过程产生的 其它物质( 丙二醛、共轭二烯、烃类气体等) ，例如，硫氰酸铁，亚油酸法、t c l b 一胡萝h 素漂白法或t b 脂质体系统等化学法；用气相色谱测定油脂酸败的最 终产物一戊烷等方法。基于抗氧化剂的作用机理，可以通过其对自由基的清除作 用来评价抗氧化活性，自由基的检测方法很多，如电子顺磁共振( e p r ) 、电子自 旋共振法( e s r ) 、气一液相色谱法、o r a c ( o x y g e n r a d i c a la b s o r b a n c ec a p a c i t y ) 法等。但这些方法大都需用昂贵的仪器，一般实验室难以支付。o r a c 法在国外 曾被广泛应用，在该分析体系中，以1 3 一藻红蛋白( 1 3 p e ) 作为指示蛋白，用2 ，2 一 偶氮( 2 一脒基丙烷) 二氢氯化物( 2 ，2 一a z o b i s ( 2 - a m i d i n o p r o p a n e ) d i h y d r o c h l o r i d e ，a p p h ) ，t r o l o x ( 一种可溶性v e ) 作为控制标准。结果以o r a c 单位表示，每一个o r a c 单位相当于1umt r o l o x 产生的净保护 3 1 1 。表1 - 2 是用 o r a c 值表示的多种植物的抗氧化活性1 3 2 1 。o r a c 值越大抗氧化活性越强。 o r a c 法灵敏可靠但其中所用试剂尤其是t r o l o x 价格较高。而利用稳定的自 由基d p p h ( 2 , 2 一d i p h e n y l p i c r y l - h y d r a z y l r a d i c a l ，二苯代苦味肼基自由基) 进行分光 检测是近几年刚刚发展的一种方法，该法简便易行，灵敏可靠，仪器药品均在一 般实验室可支付范围 3 33 4 。是筛选天然抗氧化产物的好方法。本研究中选择d p p h 6 第一章绪论 法对所得提取物进行抗氧化活性分析。 1 3 甘蔗中抗氧化活性物质 甘蔗是一种热带草本植物，与高粱、玉米和约翰逊草等同属于蜀黍类，自史 前4 0 0 年到现在一直用于制糖业。甘蔗汁性寒味甘，具有清热生津、润燥止渴、 消积下气的功能，适用于热病津伤、心烦口渴、反胃呕吐、肺燥咳嗽、大便燥结 诸症，是四季保健的良好饮料。蔗汁中的蔗糖和纤维中的纤维素是甘蔗的两种主 要化学成分，另外还含有葡萄糖、果糖、转化酶类、淀粉、葡聚糖和胶质、无机 成酚、有机酸、蛋白质、色质香味成分以及其他微量成分m 。 表1 - 2 水果蔬菜的高o r a c 值( 1 0 0 9 ) t a b l e l - 2t o p s c o r i n gf r u i t sa n dv e g e t a b l e so r a cu n i t sp e r1 0 0g r a m s 糖的色质指使粗糖和成品糖带颜色的化合物的混合体，由四组主要的化合物 构成：首先是由甘蔗植物衍生的化合物，通常是酚类、多酚类和黄酮类化合物， 它们是糖色的主要来源。这些色素许多是黄至棕色，在甘蔗中作为无色化合物存 在，通过酶的或化学的氧化在蔗汁中成有色状态。它们是芳香族物质，但这并不 一定意味着具有芳香味，而是它们的分子结构包含一个特定的共振电子体系。这 种结构形成的一个重要特征是p h 敏感性，也就是说，它们的吸收光谱明显地随 p h 值变化。在蔗糖中发现有几种微量的花色素类色素，但这些红一紫一棕色的组 分对糖色的加深影响极小。其次是焦糖化合物，是随着温度升高，蔗糖和其他糖 类发生热降解时形成的复杂混合物，其中包含着色力很强的物质。羟甲基糠醛是 当糖在酸性p h 受热而成，它本身无色，但迅速分解成黑色聚合物。第三类是类黑 7 华南理工大学工学硕士学位论文 色素，颜色很深，由糖类与蛋白质或氨基酸反应生成，尽管原糖中蛋白质含量很 低，但类黑色素的高着色性却导致很深的颜色。第四组色质是由果糖在碱性条件 下降解而成 3 5 1 。 已有研究表明甘蔗中的色素物质具有抗氧化活性，下表为d r m i c h a e ls a s k a 和d r c h u n gc h ic h o u 所报导的几种甘蔗制品提取物的o r a c 值1 。 表1 3 几种废蜜及糖汁、糖浆提取物的o r a c 值( 1 0 0 9 干物质) t a b l e l 3s e v e r a le x t r a c t i o n sf r o mm o l a s s e s ，c a n ej u i c ea n ds y r u po r a cu n i t sp e rl o o g d r ys o l i d s 样品o r a c 废蜜1 废蜜2 废蜜3 甘蔗初压榨汁 蒸发糖浆 4 4 4 0 1 1 3 7 0 5 3 4 0 2 6 4 0 0 2 7 6 0 0 对比表1 - 2 与表1 - 3 可以看出，与其他植物相比，甘蔗提取物具有较高的抗氧 化活性，研究表明，甘蔗提取物的抗氧化活性与其色值有正相关性。可推测甘蔗 中起抗氧化作用的物质主要也是色素类物质。相比于其他植物，从甘蔗制糖过程 中提取抗氧化物质有以下优点：这种热带作物在我国南方大面积种植，价格低廉； 活性物质提取的同时仍然可以榨出其中的蔗糖，即可以从甘蔗中同时榨出蔗糖和 提取出抗氧化物质，而其他植物如茶叶提取茶多酚，苹果中提取苹果多酚，在提 取天然抗氧化物质后只能废弃。因此从甘蔗制糖过程中提取抗氧化活性物质具有 更广阔的前景。 1 4 离子交换树脂提取天然抗氧化物 物质的分离纯化方法有萃取、沉淀、离心、层析等，层析法近年来发展迅速， 纸层析、薄层层析、离子交换层析、凝胶色谱、高效液相色谱、气相色谱均利用 了相似的原理，即利用物质中的各组分在两种不同的物相体系中，表现出溶解、 吸附、亲合作用的热力学和动力学性质的差异而达到相互分离。 超临界c o ：萃取法和大孔吸附树脂法在天然物质提取中的应用越来越广泛。超 临界c 0 。萃取技术是一项萃取高新技术，具有工艺简单、无有机溶剂残留、操作条 件温和等优点而倍受食品工业的青睐。大孔吸附树脂具有物化稳定性高、吸附选 择性好、不受无机物存在的影响、再生简便、解吸条件温和、使用周期长、宜于 构成闭路循环、节省费用等优点，广泛用于物质的分离纯化。 8 第一章绪论 从植物中浸提天然物质常用的溶剂有热水、甲醇、乙醇、乙醚以及酸、碱溶 液等。其中乙醇一水体系是含羟基、羧基、磺酸基和季铵盐等强极性化合物的最 好溶剂，而n a o h 溶液是含羧酸、磺酸、酚以及肟、羟肟酸、烯醇、硫醇等的良 好溶剂m 1 。本课题提取的为酚类物质，所以选用碱液作为洗脱剂将酚类从树脂上解 吸下来。 1 4 1 离子交换树脂 离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的网状结构的高分子材料。它是由 不溶性的三维空间网状骨架，连接在骨架上的功能集团和功能集团所带的相反电 荷的可交换离子。反离子在溶液中可以解离，并在一定条件下可与其他符号相同 的离子发生交换反应。因离子交换反应一般是可逆的，在一定条件下被交换的离 子可以解吸，使离子树脂又恢复到原来的离子式，所以，离子交换树脂通过交换 和再生可以反复利用。目前使用的离子交换树脂大都是以苯乙烯一二乙烯苯共聚 体和丙烯酸及其衍生物与二乙烯苯的共聚体为基体。依据交换基团性质的不同可 以把离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，按骨架结构不同，离 子交换树脂可分为凝胶型和大孔型树脂两大类。“。 凝胶型树脂是由苯乙烯和二乙烯基苯( d v b ) 混合物在引发剂存在下进行自由 基悬浮聚合得到的具有交联网状结构的聚合体，交联度越低树脂吸水越多、溶胀 越大。 大孔离子交换树脂是在一般凝胶型树脂基础上发展起来的一种新型树脂，其 特点是在整个树脂内部无论干、湿或收缩、溶胀( 在水中) 都存在着比一般凝胶 型更多、更大的孔道，因而表面积大，在离子交换过程中，离子容易迁移扩散， 交换速度较快，工作效率高 3 9 1 。离子交换树脂的吸附功能因大孔型树脂的发展而大 大提高，可广泛应用于水处理、食品工业、制药工业、合成化学和石油化学工业、 环境保护以及湿法冶金等行业。依据本课题的内容在此仅介绍大孔型树脂在脱色 及天然物质提取中的应用。 1 4 2 大孔吸附树脂在糖液脱色中的应用 脱色机理：与纯粹的离子交换剂不同，脱色树脂并不遵循化学等量原则m ，。这 一点还反映在在一定范围内，糖浆的脱色率与进料糖浆的色值并无直接关系的事 实中。因此，阴离子交换树脂吸附糖色素不是简单离子交换作用。糖中的色素主 要通过两个机制固着在阴离子交换树脂上m ，。色素阴离子与树脂固定活性基团之间 的离子键作用，即库仑力：以及色素大分子与树脂固相之间由于范德华力而形成 的吸附作用。范德华力包括三种类型的作用力：k e e s o m 力( 定向力) ，d e b y e 力( 诱 导力) 和l o n d o n 力( 色散力) 。色散力是范德华力中最重要的作用力，它表示非 9 华南理工大学工学硕士学位论文 极性分子之间的作用。色素分子的非极性部分与树脂的苯乙烯一一二乙烯苯骨架 之间具有很强的相互作用。由于大部分糖中的色素为阴离子形态，在较高p h 值时 带负电荷，强碱性阴离子树脂能有效地脱色。同时，两种机制对色素分子的作用 导致树脂固相对色素分子束缚力的增强。羧酸和酚类分子通过化学反应及分子相 互作用固着在树脂上。 离子交换树脂在脱色上具有反复使用周期长，使用方便等优点，它在蔗糖生 产中的应用主要有两个方面，一是在从粗糖精制糖中代替活性炭脱色，二是用于 甘蔗糖浆的脱色和除去灰分。精制的主要目的是除去粗糖中的分子量较大的有机 物及色素，前者在加石灰和磷酸时被凝聚澄清而除去，色素可用离子交换树脂或 活性炭、骨炭吸附除去。 离子交换树脂进行脱色与用活性炭等脱色比较优点是：( 1 ) 与骨炭比较，设 备费用仅约为1 7 ，且装置占地面积也小得多；( 2 ) 脱色率高达9 0 以上，高质量 糖的收率高，生产费用低廉；( 3 ) 离子交换树脂脱色装置的操作运转很简单且容 易实现自动化，能得到质量十分稳定的精糖液。在粗糖中色素的种类虽多，但大 多数是具有极性的阴离子性物质和两性物质，因而采用强碱性阴离子交换树脂等 吸附色素效果极好o “。 1 4 3 大孔吸附树脂在天然物质提取中的应用 大孔吸附树脂作为一种具有多孔立体结构人工合成的聚合物吸附剂，是依靠 它和被吸附的分子( 吸附质) 之间的范德华引力，通过它巨大的表面积进行物理 吸附而工作的。在实际应用中对一些与其骨架结构相近的分子如芳香族环状化合 物尤其具很强的吸附能力。 大分子吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、 生物碱等大分子化合物的提取分离。对人参皂甙、三七皂甙、绞股兰皂甙、甜菊 皂甙、薯蓣皂甙、甘草甜素、银杏黄酮内脂、山楂黄酮、黄芪皂甙、橙皮甙、大 豆异黄酮、茶多酚、洋地黄强心甙、麻黄精粉、柚甙、毛冬青黄酮甙、红豆杉生 物碱、多种天然色素、中药复方药物提取等以及生物化学制品的净化、分离、回 收都有良好的效果。并在抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯，生化制药方面 有很广泛的应用。 如安徽农业大学汪小钢等用吸附树脂分离制备茶多酚“、重庆大学周小华等 利用树脂分离纯化黄芩总黄酮“”、华南理工大学张海德用大孔吸附树脂从柚皮中 提取黄酮类抗氧化剂“。 1 0 第一章绪论 1 5 本课题的主要研究内容和意义 1 5 1 课题意义 自由基理论表明，自由基是导致人体衰老及各种疾病的重要原因，抗氧化剂 由于能清除人体的自由基而具有预防癌症、心血管疾病等疾病以及抗衰老的作用。 而合成的抗氧化剂如b h a 等可导致d n a 的损伤及动物恶性肿瘤的发生，其安全 性受到质疑，因此高效、安全的天然抗氧化剂的筛选无疑具有重要意义。 在天然抗氧化剂的筛选方面前人做过不少研究，但大部分植物原料昂贵、稀 少，而且在提取抗氧化物质后就被废弃，造成其他成分的浪费，不能充分利用植 物原料的各个组分。甘蔗是一种产地集中来源丰富的热带作物，其价格低廉，其 中的色素作为抗氧化活性物质被提取后，不影响蔗糖的提取及蔗渣的继续应用， 使甘蔗的各种成分得到充分利用。而对于制糖过程来说，颜色是影响蔗糖质量的 指标之一，脱色是一直困扰制糖业的难题。如果能够选取一种合适的提取方法， 将抗氧化活性物质的提取与制糖工艺相结合，在提取活性物质的同时获取高质量 的糖品，可称得上一举两得。而甘蔗制糖过程的最终副产物废蜜多用于发酵生产 酒精，如果能从中提取抗氧化剂，还可以减少色素物质对环境的污染，其经济效 益和社会效益非常可观。 甘蔗制糖过程各原料中含有抗氧化物质，在国外仅有少量报道【4 ”，但抗氧化 活性物质的提取在国内尚为空白。 因此本课题的创新性及意义为：( 1 ) 提取天然抗氧化物质；( 2 ) 加强甘蔗的 综合利用；( 3 ) 改良制糖工艺，提高产品质量。 1 5 2 主要研究内容 ( 1 ) 从甘蔗制糖过程各原料中提取抗氧化活性物质的工艺最优化。d p p h 法测定 自由基清除率，依据自由基清除能力确定最佳提取条件。同时讨论了色素 提取对制糖工艺过程的贡献。 ( 2 ) 对影响提取物抗氧化活性的因素进行了研究，包括p h 值、加热温度、加热 时间、浓度以及酚类物质含量。 ( 3 ) 通过红外光谱对所提取抗氧化剂所含基团进行预测。 ( 4 ) 甘蔗抗氧化剂在油脂防酸败中的应用。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章甘蔗抗氧化物质的提取 天然色素按其结构可分为五种“：四毗咯衍生物、异戊二烯衍生物、多酚 类衍生物、酮类衍生物和醌类衍生物。其中的多酚类衍生物以c 6 - c 。- c 。为碳骨架， 苯环上都具有两个以上的羟基，最常见的有花青素类、花黄素类和儿茶素类， 其多羟基结构使得许多多酚类物质具有抗氧化活性。 甘蔗中含有的芹菜素、芸香甙、异橙皮甙、t r i c i n 、s w e r t i s i n 、以及苯甲 酸衍生物、肉桂酸衍生物等都属于多酚类衍生物。大孔吸附树脂可用于有色物 质的吸附，因此可考虑首先用大孔吸附树脂吸附甘蔗及中间制品中的有色物质， 然后选择一种溶剂将色素洗脱下来。提取方法对天然提取物的抗氧化活性影响 很大，选择一种最佳提取方案，使提取物达到最高抗氧化活性是本章要解决的 问题。 2 1 材料与方法 2 1 1 实验试剂与材料 实验所用主要试剂及原料列于表2 1 。 表2 - 1 主要实验试剂 t a b l e 2 - 1m a i n r e g e n t si ne x p e r i m e n t 实验所用树脂如下： d 7 5 0 大孔强碱性苯乙烯阴离子交换树脂，主要用途及特性：糖液脱色，水溶液 和非水溶液中脱色和去除有机杂质。 1 2 第二章甘蔗抗氧化物质的提取 d 7 3 0 大孔强碱性丙烯酸阴离子交换树脂，主要用途及特性：水溶液和非水溶液 中脱色，也作为有机物清扫剂。 d 3 1 4 大孔弱碱性丙烯酸阴离子交换树脂，主要用途及特性：糖液脱色，生化药 物提取，水溶液中脱色和去除有机杂质。 d 2 0 4 大孔强碱性苯乙烯阴离子交换树脂。 d 3 0 1 大孔强碱性苯乙烯阴离子交换树脂，主要用途及特性：工业水处理、含铬 废水处理、糖液脱色等。 d 2 0 1 大孔强碱性苯乙烯阴离子交换树脂，主要用途及特性：纯水制备，生化药 物分离和糖类提纯，癸二酸脱色专用。 0 0 1 7 强酸性苯乙烯阳离子交换树脂主要用途及特性：硬水软化和纯水制备， 湿法冶金，制糖、制药、味精行业，及作为脱水剂和催化剂。 2 1 2 实验仪器与设备 实验用主要仪器设备列于表2 - 2 表2 2 主要仪器与设备 t a b l e 2 - 2m a i ne x p e r i m e n t a p p a r a t u sa n de q u i p m e n t 设备名称 电热恒温水浴锅 7 5 2 c 紫外可见分光光度计 酸度计( p h s 一2 5 型) 电子分析天平( d = 0 1 m g ) 磁力搅拌器 c s l 0 1 a b 型电热鼓风干燥箱 阿贝折光仪( w 2 s 一1 型) 层析柱中2 5 x 7 0 m m 生产厂家 上海沪南科学仪器厂 上海第三分析仪器厂 s a r t o t i u s 公司 h a n n ai n s t