（农产品加工及贮藏工程专业论文）苜蓿叶蛋白和叶黄素提取工艺参数优化试验研究.pdf

摘要 苜蓿是一种优质牧草，含有丰富的蛋白和n l 黄素，从苜蓿中提取叶蛋白可缓解我国蛋白饲料 短缺的局面，也是对牧草深；n i l 和综合利用的有效途径之一。苜桔叶蛋白中含有丰富的叶黄素， 叶黄素对人体有着重要的生理功能且具有很强的着色效果，对其提取工艺进行研究具有重要的现 实意义。 本文在考虑蛋白提取率的基础上同时考虑叫蛋白中的叶黄素含量，对从苜桔中提取叶蛋白的 工艺参数进行了研究。分别考察了加水倍量、打浆时间，口h 、保温时间和温度对叶蛋白蛋白含量 和蛋白提取率的影响。试验结果表明除p h 外各因素对叶蛋白蛋白含量影响不人，对蛋白提取率 均有较显著影响；p h 对这两个指标都有显著影响。在单因素试验基础上，确定保温时间1 0m i n ， 采用四因素三水平正交试验确定优化工艺参数为：温度9 0 * c 、p h 不调、打浆时问3m i n 、加水倍 量2 5 ，此条件下，蛋白提取率选3 2 3 ，叶蚩白中n t 。黄素质量分数达1 2 0 0g g g 。 对从苜蓿叶蛋白中提取r l l 黄素的工艺进行了研究。分别考察了不同提取溶剂和提取温度等因 素对叶黄索提取率的影响，在此基础上，采用三因素三水平正交试验考察了溶剂倍量、提取时问 和加碱量( 4 0 k o h 甲醇溶液) 对叶黄素提取率的影响。结果表明本试验条件下的优化工艺参 数为：溶剂伍、提取温度4 0 、溶剂倍量4 0m l g 、提取时间2h 、加碱量2m l g ，此时叶 黄素提取率达8 5 。 以乙醇为提取溶剂，采用微波辅助提取法对从苜蓿叶蛋白中提取叶黄素的提取上艺进行了研 究。试验中分别考察了不同微波功率、微波作用时间和溶剂倍量对叶黄素提取率的影响，结果显 示微波辅助提取法提取苜蓿叶蛋白中口i 黄素是可行的，叶黄素提取率可达8 0 ，远远高于不加微 波时的3 5 。在此基础上，采用三因素三水平正交试验考察了微波功率、微波作用时间和溶剂倍 量对叶黄素提取率的影响，分析得出本试验条件下的优化工艺参数为：微波功率2 0 0 w 、微波作 用时间6 0s 、溶剂倍量4 0 m l g ，提取率约为8 0 。 关键词；提取工艺，叶蛋白，i 卜卜黄素，微波辅助提取，苜蓿 a b s t r a c t a 扣扣i s ah i g hq u a l i t yp a s t u r e i ti sr i c hi np r o t e i na n dl u t e i n e x t r a c t i n gl e a fp r o t e i nf r o ma t f a 驷 c a nr e d u c et h el a c ko fp r o t e i nf e e di no u rc o u n t r ya n di t i sa l s oo n co ft h ev a l i dt e c h n i q u e sf o rp a s t u r e s d e e pp r o c e s s a n ds y n t h e t i c a l l yu t i l i z a t i o n a 朐蜘l e a fp r o t e i nc o n t a i n sm u c hl u t e i nw h i c hh a s s i g n i f i c a n tf u n c t i o n sf o rp e o p l ea n di s as u p e rp i g m e n t s oi ti ss i g n i f i c a t i v et os t u d yt h ee x t r a c t i n g t e c h n o l o g yo fl u t e i nf r o ml e a fp r o t e i n a l s ot h es t u d yc a ne n h a n c el e a fp r o t e i n sv a l u ei nu s e c o n s i d e r i n gt h ey i e l do fp r o t e i na n dt h el u t e i nc o n t e n to fl e a fp r o t e i n ，t h ee x t r a c t i n gt e c h n o l o g yo f l e a fp r o t e i nf r o ma t f a f aw a ss t u d i e d t h ee f f e c to ff a c t o r ss u c ha sr a t i oo fw a t e rt oa l f a l f a ，p u l p i n gt i m e ， p h ，h e a tp r e s e r v a t i o nt i m e a n dt e m p e r a t u r eo nt h ep r o t e i nc o n t e n ta n dt h ey i e l do fp r o t e i nw a s r e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y r e s u l t ss h o wt h a tt h e s ef a c t o r sh a dl i t t l ee f f e c to nt h ep r o t e i nc o n t e n tb u t a f f e c t e dt h ey i e l do fp r o t e i nv e r ym u c h b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l d e s i g nw a sa d o p t e di nt h ee x t r a c t i o np r o c e s so nc o n d i t i o nt h a th e a tp r e s e r v a t i o nt i m ew a s1 0m i n t h i s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to ft h er a t i oo fw a t e rt oa l f a l f a ，p u l p i n gt i m e ，p ha n dt e m p e r a t u r eo n t h ey i e l do fp r o t e i na n dt h el u t e i nc o n t e n ti nt h el e a fp r o t e i n a n a l y s i sb ys y n t h e s i s ，t h eo p t i m a l t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw e r e ：t e m p e r a t u r e ，9 0 c ：p h ，n o ta d j u s t e d ；p u l p i n gt i m e ，3m i n ；r a t i oo fw a t e rt o a i f a i f a 2 5 t h ee x t r a c t i n gt e c h n o l o g yo fl u t e i nf r o mn 扣归l p cw a ss t u d i e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts o l v e n t s ， e x t r a c t i n gt e m p e r a t u r e ，r a t i oo fs o l v e n tt os a m p l e ，e x t r a c t i n gt i m e ，a n dv o l u m eo f4 0 m e t h a n o l i ck o h o nt h ey i e l do fl u t e i nw a sr e s e a r c h e d r e s p e c t i v e l y b a s e d o nt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h e o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nw a sa d o p t e di nt h ee x t r a c t i o np r o c e s s t h i se x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to f r a t i oo fs o l v e n tt os a m p l e ，e x t r a c t i n gt i m e ，a n dv o l u m eo f4 0 m e t h a n o l i ck o ho nt h ey i e l do fl u t e i n a n a l y s i sb ys y n t h e s i s ，t h eo p t i m a lt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw e r e ：s o l v e n t ，n 忭：e x t r a c t i n gt e m p e r a t u r e ， 4 0 c ；r a t i o o fs o l v e n t t os a m p l e ，4 0 m l g ；e x t r a c t i n g t i m e ，2h o u r ；v o l u m e o f 4 0 m e t h a n o l i c k o h ，2 m l g m i c r o w a v e - a s s i s t e de x t r a c t i o nw a ss t u d i e dt oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r si n f l u e n c i n go ny i e l do fl u t e i n f r o ml e a fp r o t e i n ，s u c ha sm i c r o w a v ep o w e r , m i c r o w a v ea c t i n gt i m ea n dr a t i oo fs o l v e n tt os a m p l e ，w i t h e t h a n o la se x t r a c t i o ns o l v e n tt h er e s u l t sp r o v e dt h a tm i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o nm e t h o d w a s f e a s i b l ea n dt h ey i e l do fl u t e i nw a su pt o8 0 w h i c hw a sm u c hh i g h e rt h a n3 5 t h a to fn o n m i c r o w a v e u s e d t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nw a sa d o p t e di nt h ee x t r a c t i o np r o c e s s r e s u l t ss h o w e dt h e o p t i m a lt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw e r e ：m i c r o w a v ep o w e r , 2 0 0w ：m i c r o w a v ea c t i n gt i m e 6 0s ：r a t i oo f s o l v e n tt os a m p l e ，4 0m l g k e yw o r d s ：e x t r a c t i n gt e c h n o l o g y , l e a fp r o t e i n ，l u t e i n ，m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n ，d 扣t f a i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 研究生签名：晃而灵 时间：加年占月，；日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：羡而灵 时间：2 神g 年占月。日 导师签名： 韩卑佳 时间：跏f 年月f 2 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 优质牧草苜蓿中含有丰富的蛋白和叫黄索，从苜蓿中提取叶蛋白利叶黄素是对牧草深加工和 综合利用的有效途径之一。苜蓿叶蛋白和叶黄素都具有很高的价值，其功能性质是近年来研究的 热点，但其提取工艺尚不成熟，因此本课题对从苜蒂中提取叶蛋白和叶黄素的工艺进行研究是有 意义的。 l 1 1 苜蓿 苜蓿为多年生豆科( l e g u m i n o s a e ) 蝶形花亚科( p a p i l i o n a t a e t a u b ) 车轴草族( t r i b t r i f o l i e a e b r o n n ) 苜蓿属( m e d i c a g ol ) 草本植物，被誉为“牧草之王”，是世界著名的优良牧草，起 源于伊叫，现己遍布全世界。我国在公元前1 1 9 年，汉武帝派遣张骞出使西域时，从乌孙( 今伊 犁河南岸) 带回苜蓿种子。引进后在民安种植，以后不断扩展，现已在我国北方( 主要是硝北及 华北) 地区大面积种植，具有抗寒、抗旱、耐贫瘠、抗风沙等特点，种植较为普遍的是紫花苜蓿 ( 耿华珠，1 9 9 5 ：田丽萍，2 0 0 4 ) 。 苜蓿是我国栽培历史最悠久，分布面积最大的优良牧草。苜蓿在农牧业生产中起着重要作用， 它是家禽的主要优质饲草，无论是青、干草还是青贮，都具有品质优良、适口性好的特点。它也 是农作物的良好前茬，可以提高后茬作物的产量和品质。亦是水土保持植物、蜜源植物，也可以 作为蔬菜、食品利用。随着商品经济的发展及对外贸易的推进，苜蓿产品如干草、草块、草粉等 逐渐被人们所重视，并作为商品直接出售( 耿华珠，1 9 9 5 ) 。 苜蓿的营养价值高，茎叶中含有大量的蛋白质、叶黄素、胡萝h 素以及2 1 种氨基酸，富含 维生素a 、d 、e 、b 6 和k ，还含有钙、镁、磷、铁、钾、叶绿素、亚麻酸、弧油酸、植物雌激 素、皂角营、黄酮、同醇、生物碱等( c r o m b i e ，2 0 0 4 ) 。据分析( 耿华珠，1 9 9 5 ) ，紫花苜蓿的 鲜草中平均约含水分7 4 7 ，粗蛋白4 5 ，脂肪1 0 ，纤维7 o ，无氨浸出物1 0 4 ，灰分2 4 。 由于苜蓿中蛋白和叶黄素含量丰富，因此可从苜蓿中提取叶蛋白和叶黄素，来提高苜蓿潜在 的营养价值和经济附加值，也是牧草深加工和综合利用的有效途径之一。 i i 2 叶蛋白 叶蛋白是以新鲜牧草或青绿植物的茎叶为原料 质，主要由茎叶细胞质内可溶性良好的细胞质蛋白、 组成包裹于细胞壁内，具有很高的营养价值。 经压榨后从其汁液中提取出的植物性蛋白 叶绿体内的基质蛋白以及一部分线粒体蛋白 叶蛋白中含有粗蛋白3 2 6 0 、脂肪1 5 3 0 、灰分o 5 1 5 、可利用碳水化合物 5 - 2 0 、粗纤维0 5 1 5 ，通常因原料种类，收割明及提取工艺条件的不同而有所差异。叶 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 蛋白含有1 8 种氨基酸，包括8 种人体必需氨基酸，且其比例较为均衡，与联合囤粮农组织推荐 的成人氨基酸模式基本相符( 刘青广，2 0 0 5 ) ，特别是赖氨酸含量较高( 薛正莲，2 0 0 5 ) 。此外， 叫蛋白有很高的能量值，叶蛋白可消化率为6 2 7 2 ，能量代谢率为6 9 9 0 ，粗蛋白质生物 价为7 3 一7 9 。叶蛋白除含有丰富蛋白质和较高水平能量值外，还含有叶黄素( 1 0g k g 一一1 3 g k g 。) ，平均利用率为1 0 9g k g ，以及大量的胡萝h 素、必需脂肪酸，其中4 2 - 5 1 为不饱和 脂肪酸( s r i v a s i a v a ，1 9 8 8 ) 、多种维生素以及钙、镁、钾、铁、锌等矿物质元素( a l e t o r ，2 0 0 2 ) ， 具有防病治病，抗衰老强身健体等多种生理功能( 田丽萍，2 0 0 5 ) 。 叶蛋白可作为一种良好的营养强化剂，加入食品中可同时提高产品的蛋白质和膳食纤维含 量。在经济条件落后，蛋白质缺乏的国家和地区，可以用这种廉价易得的叶蛋白替代昂贵的动物 蛋白，作为营养强化剂添加到膳食中。邓勇等在中国农大所做的叶蛋白强化膳食营养学试验证明， 在膳食中补充一定量的叶蛋白，可以提高血液中血红蚩白的水平，缓解由于蛋白摄入不足引起的 贫血( 邓勇，1 9 9 7 ) 。 在发达国家或地区，人们的饮食主要以动物蛋白为主，由于食物中太多的饱和脂肪酸及胆固 醇，易引起较高的心血管发病率。叶蛋白不含动物性胆固醇且不饱和脂肪酸含量高，因此可以防 治人们由于摄入过多的动物蛋白导致的“文明病”的发生，如肥胖、高血压、高血脂、心脑血管 病、糖尿病等( 陈贵堂，2 0 0 4 ；陈贵堂，2 0 0 5 ；活泼，2 1 3 0 5 ) 。另外，叶蛋白还有抗肿瘤作用以 及对肾脏病有益。汪旭等研究了植物蛋白对肝炎后肝硬化患者的营养支持作用，试验表明高能量 植物蛋白饮食有利于改善肝炎厉肝硬化患者的营养状态( 汪旭，2 0 0 2 ) 。傅晓研究了植物叶蛋白 对抗脂质过氧化作用酶系统的影响，表明植物叶蛋白能提高机体抗脂质过氧化物作用酶系统的功 能，同时可促进动物的生| 王= 发育，足一种既有营养又能降低血脂含量的保健食品( 傅晓，2 0 0 3 ) 。 然而，直接提取山来的叫蛋白带有很浓的青草味，不管是味觉还是视觉都不易被人们接受， 所以要精制之后的叶蛋白才适于作为食品营养补充剂，而目前通常都是将这种没有经过进一步加 工的叶蛋白直接用于饲料添加剂。叫蛋白可用作鸡、猪等的蛋白质和维生素补充饲料。国内外的 许多试验证明，用叶蛋白取代猪、家禽日粮中的部分乃至全部的蛋白质米源，或取代哺乳犊牛的 部分全乳代用品时，都能取得良好的饲养效果。在渔业生产中，叫蛋白浓缩物也可以部分代替鱼 粉等优质蛋白饲料( 刘信宝，2 0 0 2 ) 。 我国蛋白质饲料短缺，据预测，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年我国蛋白质饲料资源需求分别为6 0 0 0 万吨 和7 2 0 0 万吨，2 0 1 0 年，如果我国人均摄入动物蛋白质达到世界平均水平，畜牧业总需求蛋白质 饲料6 0 0 0 万吨，届时短缺5 0 ，即3 0 0 0 万吨，每年需花费大量外汇进口( 田丽萍，2 0 0 4 ；王成 章2 0 0 3 ) 。因此，开发利用苜蓿叶蛋白资源有利于缓解蛋白饲料资源短缺的局面，促进畜牧业 的发展。 1 1 3 叶黄素 叶黄素是一种天然色素，又名“植物黄体素”，属于类胡萝b 素色素之一，广泛存在于花卉， 水果，蔬菜等植物中。叶黄素系共轭多烯烃含氧衍生物，叶黄素类包括叶黄素、玉米黄素、隐黄 素和辣椒红素等，其中叶黄索分子式c 4 0 h s 6 0 2 分子量5 6 8 8 5 。万寿菊、苜蓿、玉米、菠菜、甘 2 中国农业人学硕士学位沦文第一章绪论 监等植物中都含有大量的叶黄素。在苜蓿、菠菜、甘蓝中，叶黄素是以自由态的形式存在的，而 在万寿菊、矗米及一些浆果中则是以酯的形式存在，多为二酯。 叶黄素具有很多的功能特性，广为人知的是它的视觉保护功能，研究发现，叶黄素的摄入量 以及血清中的含量水平与视觉疾病如老年黄斑变性( a g e r e l a t e dm a c u l a rd e g e n e r a t i o n ，a m d ) ( m a r e s p e r l m a n ，2 0 0 1 ) 和白内障( b r o w n ，1 9 9 9 ) 成反比，摄入富含叶黄素的食物或补充剂会 增加视网膜色斑的光密度( j o h n s o n ，2 0 0 0 ) 【光密度可直接衡量叶t 黄素浓度) ，从而帮助患a m d 和其他 ! ! l l 觉疾病的患者恢复功能。除了视觉保护功能外，研究还发现叶黄素能够延缓早期动脉硬 化( d w y e r ，2 0 0 1 ) 从而保持心脏健康，还可以保护皮肤免受紫外线的伤害( a l v e s r o d r i g u e d ， 2 0 0 4 ) ，以及抗癌抗氧化等作用( g r a r l a d o ，2 0 0 3 ) 。另外，叶黄素是植物体内的一种天然色素， 可用作着色剂来调节食品和饮料的色泽，还可作为饲料添加剂添加到禽类饲料中。禽类食后体肉 和蛋黄呈现诱人的色泽( 冯定远，2 0 0 1 ) 。 叶黄素因其对人体的重要生理功能和其着色效果，越来越受到人们的重视。目前，叶黄素已 在医药、食品、饲料中得到开发利用( 尤新，2 0 0 1 ) 。瑞士罗氏公司开发了护眼酒味胶糖。美国 凯明公司开发了超视力饮料。德国巴斯夫维生素公司开发了含有叶黄素的鸡饲料添i j n ；f f o ，我国山 西恒康乳业公司下属天成生物公司从万寿菊中提取含有叶黄素的类胡萝h 素产品，用于鸡饲料添 加剂。此外，叶黄素还可以提供烟草中的香味物质。 1 2 叶蛋白叶黄素提取工艺国内外研究进展 1 2 1 提取方法概述 天然有机化合物的提取方法按形成的先后和应用的普遍程度可分为经典提取方法和现代提 取方法。经典提取方法是指出现比较早，技术较成熟，已经得到普遍应用的常规提取方法。经典 提取方法主要有溶剂提取法、水蒸气蒸馏法等。经典提取方法往往不需要特殊的仪器，因此应用 比较普遍。现代提取法姓以现代先进的仪器为基础或新发展起来的提取方法。主要有超临界流体 提取法、微波提取法等。 溶剂提取是根据原料中被提取成分的极性、共存杂质的理化特性，遵循相似相溶的原则，使 有效成分从原料固体表面或组织内部向溶剂中转移的传质过程。即溶剂从溶剂主体传递到固体或 组织的表面，溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内，化学成分溶解进入溶剂，通过固体微孔隙 通道中的溶液扩散至表面，成分从固体表面传递到溶剂主体。常用的有浸渍法、煎煮法和回流法。 溶剂提取法提取效果除主要取决于选择合适的溶剂和提取方法外，原料的基原、采集季= 诲、地域 差别、质量优劣、提取部位、提取温度、提取时间、溶剂对原料的溶胀等因素也不同程度影响提 取效果。 实验室传统的溶剂提取法包括浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取法及连续回流提取法等。 用浸渍法提取植物成分时，可采用极性依次增大的溶剂提取。如国内外一些植物化学实验室依次 采用二氯甲烷、甲醇及水在室湍条件下对植物成分进行提取。渗漉法是目前国内外普遍采用的方 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 法，效率较浸渍法高，且可用以提取较大量的植物样品。根据需要可以采用单一溶剂进行渗漉， 也可使用几种溶剂依次进行渗漉。浸渍法和渗漉法一般提取温度较低，提取物中所含杂质较少。 与上述两种方法相比，煎煮法、回流提取法及连续回流提取法在较高温度下对植物成分进行提取， 提取效率更高，但杂质也相对较多。连续回流提取法还具有操作简单、节省溶剂的特点。在不了 解植物所含成分稳定与否的时候，一般应避免使用高沸点溶剂的煎煮法和回流提取法，以防植物 所含成分发生变化。在可用的提取溶剂中，水的成本最低，且非常安全。些商品化的天然产物 在制备过程中采用水为提取溶剂。但用水提取，提取液中的杂质较多，如无机盐、蛋白质、糖和 淀粉等，给进步分离带来许多困难。植物中的大多数成分都可以用有机溶剂来提取。有时遇到 植物中所含的成分较为简单或某一成份含量较高时，可根据其极性大小或溶解能力，选择一种适 当的溶剂把所需的成分提取 l 来，而杂质留在植物残渣里。乙醇是最常用的有机溶剂，具有低毒、 价廉、沸点适中、便于回收利用等特点，且对植物细胞的穿透能力强，除了蚩白质、黏液质、果 胶、淀粉和部分多糖等外，大多数有机化合物都能在乙醇中溶解。 水蒸气蒸馏法适用于提取能随水蒸汽蒸馏而不被破坏的植物成分。这些化合物与水不相混溶 或仅微溶，且在约1 0 0 * c 时有一定的蒸汽压。当水蒸气加热沸腾时，能将该物质一并随水蒸气带 出。 超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，简称s c f ) 是指温度压力均处于临界点以上的流体。超临 界流体是一种处于气体与液体之间的流体状态，具有与液体相近的密度，与气体接近的枯度，扩 散系数介于气体和液体之间，由于这些性质，超临界流体具有常规溶剂所无法比拟的溶解能力、 流动性能和传递性能。超临界流体提取( 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 ，简称s f e ) 是以超临界流 体为溶剂，利用其高渗透性和高溶解能力米提取分离混合物的过程。可用作超临界流体的物质有 二氧化碳、氧化二氮、乙烯、三氟甲烷、六氟化硫、氨气、氢气等，但目前人们较多选用的流体 是二氧化碳。c o ：是非极性分子，主要用于提取低极性和非极性的化合物。向超临界流体c o ：中 加人一定量的水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯等极性物质或他们的混合物( 称为夹带剂) ，对分离物 质的特定组分有较强的影响，对提高溶解度，增加抽出率或改善选择性有较大作用。夹带剂的使 用可使超临界流体c 0 2 提取适用范围进一步扩大。 微波辅助提取( m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n ) 是将微波激活和常规的溶剂提取法结合起米 而形成的一种新的提取方法。微波是一种电磁能，通过离子迁移和偶极子转动引起分子运动，但 不引起分子结构改变和非离子化的辐射能。微波提取只需极短的时间，提取效率高，而且由于短 得多的提取时问，高温敏感的物质经提取后的变化比较小，可以获得更火的产率。在化学分析上， 用微波提取只需较少的样品和溶剂，成本上更经济，同时也可以降低溶剂带来的毒性和减少产生 的废弃物。虽然微波提取给出与常规方法差不多或稍低的产率，但是准确度要比常规方法好。 1 2 2 微波技术 1 2 2 1 微波及其加热机理 二次世界大战期间，微波技术首次被应用于军事雷达中，之后磁控管的诞生及材料介质特性 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 数据的积累为微波技术在上业上的应片j 奠定了坚实的基础。白1 9 7 0 年英国h a r w e l l 实验室使用微 波炉装置成功处理了核废料以来，微波辐射技术扩展到了化学领域。目前，微波技术已经进入人 类社会的各个领域，广泛应用于食品加：r 、农业、林业、轻：l 业、医疗卫生、橡胶和塑料固化、 陶瓷烧结等领域，无论从基础理论方面，还是应用技术方面，均取得了较大的进展，正向常规的 化学方法提出挑战。 微波提取( m i c r o w a v e a s s i s t e de x t r a c t i o n ) 是将微波激活和常规的溶剂提取法结合起来而形 成的一种新的提取方法。1 9 8 6 年，g a n z l e r 等报道了用微波能从十壤、种子、饲料中分离各种类 型化合物，用于随后进行的色谱分析，这是探讨微波溶剂提取并将其结果与常规索氏提取相比较 的第一篇文章。之后，由于其优点众多，微波提取法越米越受到重视。 微波是一种电磁能，通过离子迁移和偶极子转动引起分子运动但不引起分子结构改变和非 离子化的辐射能。微波是频率大约在3 0 0 l l h z 一3 0 0 g h z ，即波长在1 1 0 0 0 i r k r f l 范围内的电磁波， 位于电磁波谱的红外辐射光波和无线电波之间( 图4 - 1 ) ，最常用的微波加热频率为9 1 5m h z 和 2 4 5 0m h z 。 9 1 5m h z ( 3 27 9c m ) 圈卜1 微波在电磁波谱中的位置 f i g1 1 s e t , o no f m i c r o w a v e i n t h ee l e c t r o m a g n e t i c w a v es p e c t r u m 微波对极性介质的加热过程与介质内部分子的极化有着密切的关系，根据参加极化的微观粒 子的种类在电磁场的作用下，电介质分子极化大约可分为四类，即电子极化( 原子核周围电子 的重新排布) 、原子极化( 分子内原子的重新排布) 、取向极化( 分子永久偶极的重新取向) 和空 间电荷极化( 自由电荷的重新排布) 。在这四种极化中，前两种极化的弛豫时间( 外电场以一定 频率振荡时，由于分子本身的热运动以及相邻分子之间的相互作用分子转向极化的运动相对于 外电场的变化有一个时间上的滞后，该时问称为介质弛豫时间) 在1 0 - ”1 0 - ”s 和l0 - ”1 0 。1 3s 之 间，与微波电磁场的变化速率相比要快得多( 微波交变电场振动一周的时间约在lo _ 9 1 0 。1 2s 之 间) 。闪此微波场不会引起电子极化利原子极化，而后两种极化的时间刚好与微波的频率吻合， 所以，微波对介质的加热有两种机理，即离子传导和偶极子转动机理。在微波加热的实际应用中， 离子传导和偶极子转动这两种机理的微波能耗散同时存在。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 离子传导机理在所加电场中可离解离子的导电移动，离子移动形成电流且由于介质对离 子流的阻碍产生摩擦而产生热效应。溶液中所有离子均起导电作用，但作用大小与介质中离子的 浓度和迁移率有关。因此，离子迁移产生的微波能量损失依赖于离子的大小、电荷量和带电性， 并受离子及溶剂分子之间相互作用的影响。 2 偶极子转动机理介质由许多一端带正电、一端带负电的分子( 或偶极子) 组成。如果将 介质放在金属板之间，介质内的偶极子作杂乱无章的运动。当直流电压加到金属板上时，两极之 间存在一直流电场。介质内部的偶极重排，形成有一定取向的有规则手i i ：列的极化分子。若将直流 电换成一定频率的交流电，两极之间的电场就会以同样频率交替政变，介质中的偶极子也相应快 速摆动。如在2 4 5 0m a z 的电场中，偶极子就以4 9 x l 矿次s 的频率快速摆动。由于分子的热运 动与相邻分子的高速摩擦年【j 碰撞等相互作用，使偶极子随外电场方向的改变而作规则摆动时受到 干扰和阻碍，就产生了类似摩擦的作用，使杂乱无章运动的分子获得能量，以热的形式表现出来， 介质的温度也随之升高。偶极子转动加热的效率与介质驰豫时间t 、介质的温度和粘度有关。 1 2 2 2 微波加热的特点 1 加热速度快常规加热方式是由外部热源通过传导和对流方式由表及里对物体加热，即将 热量从被加热物体外部传入内部，逐步使物体中心温度升高，因此存在温度外高内低的温差，要 使中心温度达到所需温度，需要较长的时间。相比之下，微波加热是一个内部加热过程，是物料 在电磁场中由介质损耗而引起的“体加热”，在高频微波作用下，溶质和溶剂中的偶极分子产生 偶极涡流、离子传导和高频摩擦，从而在极短时间内产生很大的热量，使温度迅速升高。 2 加热均匀在常规加热方式中，所使用的容器大多由热的不良导体做成，加热容器把热传 导到溶液内部需要较长时间。另外，因液体表面的汽化，对流传热形成内外的温度梯度，仅一小 部分液体温度可达到容器外部的加热温度。而微波加热的能量是通过空间或媒体以电磁波形式传 递，热能在瞬间渗透到被加热物体中，此时物料的表里温升均匀，无需热传导过程，内外同时加 热，形成所谓的无温度梯度加热。因此，微波提取具有加热均匀的优点。图4 2 为两种加热方式 比较示意图。 触波挑 图1 2 常规加热与微波加热原理比较示意图 f i g 1 2d i a g r a m m a t i cs k e 【c ho f c a n v e n t i o n a la n dm i c r o w a v eh c a t i n gt h c o r y 6 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 3 高效节能常规加热的能耗包括三部分：物料升温的热消耗，醴各预热及向外界散热的损 失和热介质流失。这是由物料表面热传导加热方式决定的，而后两项的损失占总能耗的比例较大， 因而造成能量利用率低。微波加热时，微波能仅对吸收微波的物体进行加热，而室内的空气及容 器均不被加热，组成微波加热设备的热损失仅占总能耗的极小部分。再加上微波加热不需要高温 热介质。故绝大部分微波能量被物料吸收转为升温的热量，所以热效率极高。 4 选择性强微波对介电性质不同的物料呈现出选择性的加热特点，介电常数及介质损耗因 子小的物料，对微波的入射可以说是“透明”的。介质在微波场巾存在三种情况，一是对微波不 吸收也不透过，而产生反射的物质，如金属导体：二是微波能完全通过但不吸收微波能的介质， 如聚四氟乙烯：三是能吸收微波能的介质，如水、乙醇等。通常溶质和溶剂的介电常数越大，对 微波的吸收能力越强，升温越快。而对于不吸收微波的非极性溶剂，微波几乎不起加热作用，因 而，在微波加热过程中表现出加热的选择性。 表4 - 1 是几种微波辅助提取中常用提取剂的物理常数。可以看出，尽管水的介电常数较大为 8 0 ，单位时间内吸收的微波能比其它溶剂多，但因其耗散因子小仅为1 5 7 0 ，水将吸收的微波能量 转化为热的能力比其它溶剂低，冈而容易出现局部过热现象。 表1 1 微波辅助提取中常用溶剂的物理常数和耗散因数( 曾鸽呜，2 0 0 4 ) t a b l e l 1p h y s i c a lc o n s t a n t s a n d d i s s i p a t i o n f a c t o r so fs o l v e n t s i n m i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i n g 溶剂极性参数升零引介质警凶子，孟鏊鬣。、，篙。雩毫6 密闭雩笔温度 正己烷0 1 18 9一一o3 06 9一。 乙酸乙酯4 46 0 2 3 2 5 3 1 60 4 3 7 7 丙酮一2 0 71 155 5 5 5 5 61 6 4 甲醇 51 3 2 7 2 096 4 0 005 46 51 5 1 乙醇432 4 66 1 52 5 0 0 10 8 7 81 6 4 水1 028 01 25 61 5 7 008 91 0 0一 注：a ：2 0 x 2 测定值；b ：10 l4k p a 测定值；c ：1 2 0 7k p a 测定值；d ；表明微波不加热 5 伴随有生物效应微波加热过程中除热效应外，还有生物效应( 非热效应) 。由于生物体 内含有大量的水分，而水是极性分子，具有较大的介电常数和较小的介质损失因子，因此在微波 的交变电场作用下易引起强烈的极性振荡及局部过热现象，导致细胞分子问氢键松弛，细胞膜结 构电击穿破裂，破坏细胞结构，从而加速溶剂分子对基体的渗透和目标成分的溶剂化及浸出速度。 1 2 3 叶蛋白提取工艺及其参数国内外研究现状 国内外对叶蛋白提取工艺的研究报道较多。主要是以紫花苜蓿为原料且大多都集中于热提 取 j 艺的研究，近年米也有少量不同原料和不同方法的研究报道。 阎巧娟等石j f 究丁加热法提取工艺条件对苜蓿叫蛋白蛋白质含量的影响( 阎巧娟，1 9 9 7 ) ，通 过不同p h 值和苜蓿的不同生k 期的单因素，以及不同加水比例、加盐比例、提取液p h 值和絮 凝温度对蛋白质含量影响的多因素试验，得出了制取高蚩白质含量叶蛋白的提取工艺条件还得 出苜蓿的含水率、干基蛋白质含量和叶蛋白蛋白质含量均随采集茬数的递增而降低，且叶蛋白蛋 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 白质含量与原料的蛋白质含量呈正相关。 秦春兰等以紫花苜蓿为原料，进行了叶蛋白提取工艺的试验研究( 秦春兰，1 9 9 8 ) 。以p h 值、 加水比、打浆时间为因素，进行正交试验，用加热法分离叶蛋白，试验发现叶蛋白的提取率的高 低主要决定于细胞的破碎程发因此关键一步为打浆，在该试验条件下最佳提取温度7 0 c 。 李道娥等对加热法提取苜蓿叶蛋白的丁芝进行了深入研究( 李道娥，1 9 9 8 ) ，分别进行了提 取液加盐量利絮凝温度对蛋白质含量影响的单因素试验以及加水、加盐量和p h 值的提取液、不 同絮凝温度对蛋白质含量影响的多因素试验研究，得到了提高蛋白质含量的可靠工艺。 周志宇等对苜蓿采用6 种不同前处理方法进行叶蛋白提取试验( 周志宁，1 9 9 9 ) ，分别是： 多次加水洗汁、直接压汁、振荡后直接压汁、浸泡后直接压汁、震荡后加水洗汁和浸泡后加水洗 汁。比较得出振荡后直接压汁提取叶蛋白产品量高，适用于大规模生产。 姚爱兴等研究了串叶松香草和紫花苜蓿中叶蛋白的提取技术( 姚爱兴，2 0 0 0 ) ，捉取液分别 进行酸、碱和中性处理后用加热法沉淀叶蛋白。试验结果显示紫花苜蓿提取率优于串叶松香草， 其叶蛋白提取率以酸化加热最高，碱性次之，中性最少；叶蛋白中粗蛋白和胡萝h 素含量均以紫 花苜蓿为高，酸碱处理对其含量影响不人，中性处理时较低。 周青平等采用不同的加热时间和溶液酸度提取苜秸叶蛋白，对苜蓿叶蛋白凝集量利苜蓿d i 蛋 白中粗蛋白含量进行测定( 周青平，2 0 0 2 ) 。结果表明：提取苜蓿叶蚩白的加热时间在7 m i n 9 m i n 较为适宜，提取时溶液p h 值应当控制为3 5 ，苜蓿叶蛋白中粗蛋白含量的变化不大，在5 4 一6 5 。 杨丽娥等以紫花苜蓿、苦荬菜为材料，研究不同p h 条件下热提法和乳酸发酵酸法对叶蛋白 得率的影响( 杨丽娥，2 0 0 3 ) 。结果表明：提取液p h 为3 时，叶蛋白得率最高。此外，还研究了 苜蓿叶蛋白色泽与提取液温度的关系。 王晋峰等对不同的提取方法( 盐析法、加热法、结晶和重结晶法以及有机溶剂分级沉淀法) 和不同的原料进行了研究( 王晋峰，2 0 0 3 ) 。结果表明：就生产食品和饲料而言，采用加热法是 适宜和可行的；就供试材料的来源、营养、品质和无毒化而言，紫花苜蓿、光叶紫花苕、自三叶、 多年生黑麦草均较理想，氨基酸分析，以紫花苜蓿最高。 朱字旌等采用酸化加热加盐法对苜蓿干草中叶蛋白摄佳提取工艺进行了研究( 朱宇旌， 2 0 0 6 ) 。分别研究了草粉预浸时间、絮凝时间、絮凝温度、料水比、加盐量和提取液p h 值等因素 对叶蛋白粗蛋白提取率的影响，采用单因素和正交试验得山影响粗蛋白提取率的因素依次为：料 水比 加盐量 p h 絮凝时间，最佳工艺条件为：料水比1 ：2 0 ，加盐量1 絮凝时间5m i n ，p h2 5 ， 预浸时间2 4h ，絮凝温度6 0 。 田少君等对烟叶1 蛋白主要提取：l 艺进行了分析比较( 田少君，2 0 0 5 ) 。通过不同p h 值、 加热时间和加盐比例对烟蛋白得率的影响试验，对叶蛋白提取工艺进行了优化研究。结果表 明：烟叶叶蛋白凝集物随着加热时间的延| 吏而增加，随p h 值的增加呈先增大后减小的趋势，随 ( n h 4 ) 2 s 0 4 饱和度的增加也呈增加的趋势：最佳加热时间为9m i n 一11r a i n ，提取p h 为3 0 - 3 5 ， ( n h 4 ) 2 s 0 4 饱和度为6 5 7 5 ；响应而分析可知p h 值和加热时间之间没有交互作用，p h 值对烟 n l 叫蛋白的影响更显著。 8 中围农业大学硕士学位论文第一章绪论 华南理t 大学赵谋明、饶国华等采用碱溶酸沉法对低次烟叶中蛋白质的提取工艺进行研究， 并利用高效液相色谱系统对其氨基酸组成进行了分析( 赵谋明，2 0 0 6 ；饶国华，2 0 0 5 ) 。单因素、 正交及响应而试验的结果表明：烟叶磨浆的最佳工艺为固液比1 ：1 7 ，提取温度6 0 。c ，提取液p h 值8 0 ，磨浆两次；烟叶蚩白碱溶工艺最佳参数为温度6 0 。c ，p h 值8 0 ，时问6 0m i n ，搅拌条件 下碱溶提取3 次：烟叶蛋白酸沉工艺中，在p h 值3 0 、温度4 下静置8h 效果最佳，烟叶蛋白 酸沉提取率最高为8 6 7 1 ；烟叶蛋白的氨基酸分析结果显示，烟叫蛋白的氨基酸组成种类齐全， 必需氨基酸含量较高，氨基酸分数较高。 舒友琴等对菠菜口| 蛋白提取进行了研究( 舒友琴，2 0 0 5 ) 。测定了不同生长时期内的菠菜叶 蛋白含量，以高蛋白含量生长期内的干菠菜叶作为实验材料，研究了不同p h 值、提取温度、提 取时间及料液比对菠菜叶蛋白提取率的影响。结果表明，p h 值9 5 、提取温度5 5 。c 、提取时间 6 0 m i n 、料液比1 ：3 5 为菠菜叶蛋白的最佳提取条件；p h 4 0 为菠菜叶蛋白的最佳沉淀p h 值。 李勇等研究了提取时间对竹叶中粗蛋白提取量及纯度的影响( 李勇，2 0 0 5 ) ，得山了最佳提 取时间为3 0m i n ；然后以打浆时水的温度、p h 值、料液比为因素，采用正交实验法确定了提取 最佳工艺条件为：温度1 1 、p n 值9 、料液比( g ：m l ) 为1 ：2 0 ；在此基础上探讨了酶解对提取 叶蛋白的影响，进行了酶解1 艺研究，结果发现其蛋白质提取率从原来的2 9 上升到4 9 。 农丹等采用酸化和加热