（食品科学专业论文）玉米黄色素的超临界CO2萃取及其性质和应用的研究.pdf

硕士学位论文玉米黄色素的超临界 col 萃取及其性质和应用的 研究东北农业大学 摘要 玉米黄色素是一种利用价值较高的天然营养色素。我国对玉米黄色素的研究开发 较少， 而且一般用有机溶剂法提取， 获得的色素产品质量差。 本课 题针对这一问 题， 采 用超临界c o z 萃取技术从玉米淀粉加工的副 产品 一玉米蛋白 粉中萃取玉米黄色素， 研究 超临界c o z 萃取和分离过程的试验参数， 并对玉米黄色素分析鉴定、 性质和应用进行研 究。 2 1 .研究超临界c o z 萃取和分离过程的 试验参数， 结果表明: 采用三因 素二次旋转 试 验设计确定超临界 c o z 萃取玉米黄色素的最佳工 艺条件为: 温度 ( 乃 3 8 .8 c 、 压力 (p ) 3 6 m p a 、时间( t ) 1 1 1 m i n ; 利用正交试验 ( l 9 ( 3 ”设计得到高 质全的 色素产品的 较优 分离条件为:分离釜 i 压力9 mp a ，分离釜i 温度4 5 c ，分离釜1 1 温度5 0 ,c . 2 .脱色玉米蛋白 粉在蛋糕、茶肠和冰淇淋中的 应用研究结果表明，蛋 糕中添加4 % 的玉米蛋白 粉， 冰淇淋中添加1 % 的玉米蛋白 粉应用效果良 好， 然而在茶肠中的应用效果 较差。 3 .对两种方法提取的玉米黄色素产品感官指标和理化指标的测定结果说明了 超临 界c o s 萃取法优于有机溶剂萃取法。 4 .对玉米黄色素成品 进行分析鉴定， 结果表明 其中 色素成分为类胡萝卜 素，玉米 油成分含有棕搁酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等脂肪酸，它们对色素有保护作用。 5 . 玉米黄色素稳定性的 研究结果表明: 光、 热、 f e ” 和a l 对色素稳定性影响较大 ， 氧化剂和其它金属离子影响很小， 糖类物质、 酸不影响色素的稳定， 碱、 还原剂n a , s o , 、 v e 、油脂抗氧化剂均对色素有保护作用。 6 . 玉米黄色素在食品中 应用的研究结果表明: 添加色素的人造奶油、 硬糖色泽鲜艳、 感官良 好， 将其保存三个月，自 然光下色素的吸光度值下降较少， 说明 玉米黄色素性质 较 稳 “ ， 完 全 可 以 应 用 i* 品 中 。 犷一 关键词:玉米黄色素 超临界wz 萃取 性质应用 李大清 2 0 0 1 年 s 月 s t u d y o n e x t r a c t i o n o f ma i z e y e l l o w p i g me n t w i t h s u p e r c r i t i c a l c 0 2 a n d i t s p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n ab s tr ac t ma i z e y e l l o w p i g m e n t i s a n a t u r a l n u t r i e n t p i g m e n t w it h h i g h v al u e o f u t i l i z a t i o n . s t u d i e s o n i t a r e f e w i n o u r c o u n t ry . m a i z e y e l l o w p i g m e n t i s c o m m o n l y e x tr a c t e d b y u s i n g o r g ani c s o lv e n t b u t t h e q u a l i ty o f t h e a c q u i r e d p i g m e n t i s b a d . t h i s s u b j e c t i s t o e x tr a c t m a i z e y e l l o w p i g m e n t fr o m m a i z e p r o t e i n p o w d e r b y u s i n g s u p e r c r i t i c al c 0 2 w h i c h i s a b y p r o d u c t o f m a i z e s t a r c h p r o c e s s i n g . i t s t u d i e s t h e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s i n t h e p r o c e s s o f s u p e r c r i t i c a l c 0 2 e x t r a c t i o n o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t and i t s i d e n t i f i c a t i o n and p r o p e r ty and a p p l i c a t i o n . 1 . s t u d y o n t h e e x p e r i m e n t al p a r a m e t e r s o f s u p e r c r i t i c al c 0 2 e x tr a c t i o n s h o w e d t h a t a m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e s e c o n d p o w e r o f t h r e e f a c t o r s w a s s e t u p i n o r d e r t o i d e n t i 勿t h e o p t i m a l t e c h n i c a l c o n d i t i o n . i t w a s t h a t t e m p e r a t u re i s 3 8 . 8 c p r e s s u r e i s 3 6 m p a and t i m e i s 川m i n u t e s . h i g h q u a l i ty m a i z e y e l l o w p i g m e n t w a s o b t a i n e d b y u s i n g t h e o r t h o g o n al ( 场 ( 3 0 ) ) t e s t an d t h e b e tt e r s e p a r a tio n c o n d it io n w a s th a t th e p r e s s u r e o f s e p a r a t io n v e s s e l i is 9 m p a and t h e t e m p e r a t u r e i s 4 5 0 c and t h e t e m p e r a t u r e o f s e p r a t i o n v e s s e l 1 1 i s 5 0 c , 2 . s t u d y o n t h e a p p l i c a t i o n o f m a i z e p r o t e i n p o w d e r i n c a k e ,t e a s a u s a g e and i c e c r e a m s h o w e d t h a t i t i s g o o d t o a d d 4 % m a i z e p r o t e i n p o w d e r t o c a k e and 1 % t o i c e c r e a m. i t c an b e an i n g r e d i e n t a d d e d t o c a k e and i c e c r e a m w h i l e i t i s b a d t o t e a s a u s a g e . 3 . t h e e x p e r i m e n t d e t e c t e d t h e s e n s o ry and p h y s i o c h e m i c al i n d e x o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t e x tr a c t e d w it h t w o m e t h o d s . t h e r e s u l t i l l u s tr a t e d t h a t s u p e r c r i t i c a l c 0 2 e x tr a c t i o n w a s b e tt e r t h an o r g ani c s o l v e n t e x t r a c t i o n . 4 . m a i z e y e l l o w p r o d u c t s w e r e anal y z e d and i d e n t i f i e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t p i g m e n t c o m p o n e n t s w e re c a r o t e in o i d s and c o m o i l c o m p o n e n t s c o n t a i n e d p al m i t i c a c i d , s t e a r i c a c i d , o i e i c a c i d , l i n o l e i c a c i d e t a l w h i c h w e r e p r o t e c t i v e f o r p i g m e n t s 5 . s t u d y o n t h e s t a b i l i ty o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t s h o w e d t h a t i t i s v e ry s e n s i t i v e t o l i g h t , h e a t in g , f e 3 an d a 13 w h il e o x id an t an d s o m e m e t a l i o n s h a v e l itt le e ff e c t . h o w e v e r , it i s s t a b l e t o a c i d an d g l u c o s e , f u r t h e r m o r e a l k a l i , r e d u c i n g a g e n t s n a 2 s o 3 , v c an d g r e a s e ant i o x i d ant h a v e p r o t e c t i v e e ff e c t o n i t . 6 . t h e a p p l i c a t i o n o f m a i z e y e l l o w p i g m e n t i n f o o d s h o w e d t h a t t h e c o l o u r o f b u tt e r i n e an d c and y a d d e d p i g m e n t w e r e b r i g h t and g o o d . a b s o r e n c y o f p i g m e n t i n b u tt e r i n e d e g r a d e d s l i g h t l y i n n a t u r a l l i g h t t h r e e m o n t h s l a t e r . i t i l l u s tr a t e d t h a t m a i z e y e l l o w p i g m e n t w a s s t a b l e and c an b e u s e d i n f o o d. p o s t g r a d u a t e : l i d a j i n g ma j o r : f o o d s c i e n c e a d v i s o r : p r o f . y a n g t o n g z h o u 0 - /i k e y wo r d s : ma iz e y e l l o w p i g m e n t , s u p e n c r it i c al c 0 2 e x tr a c t i o n , p r o p e r ty , a p p l i c a t i o n 硕士学位论文玉米黄色素的超临界 c o z 萃 取及其性质和应用的 研究东北农业大学 前言 食用色素是食品添加剂的组成部分， 不仅应用于食品工业以改善食品的色泽， 而且 还广泛应用于医药和化妆品工业。 1 9 世纪中叶以 前， 人们一直使用天然色紊。 我国 古代就有使用天然色素作纺织品染 料、 米饭、酿酒、 化妆品等色料的 记载 ( 谢运昌，1 9 9 7 ) 。自1 8 5 6 年英国w . h . p e r k i n s 发明了第一个合成有机色素苯胺紫后、 相继合成了许多有机色素。由于这类色素色泽鲜 艳、色调多、性质稳定、着色力强、坚牢度大、调色易、 使用方便，很快取代了天然色 素。 然而近二十年来，人们发现许多合成色素对人体有害，除了其本身的化学性能危害 人体健康， 而且在合成过程中， 还有可能被砷、 铝等有害物质所污染。 合成色素的致癌、 致畸等严重的毒副作用使得世界各国先后禁止使用许多 合成色素( 凌关庭， 1 9 9 7 ; 张华， 1 9 9 8 ) 。 因此， 人们开始着眼于开发安全可靠的天然色素以 保证人民 的身体健康， 同时在 研究中发现天然色素大多具有一定的生理功能，有的含有人体所需的营养物质维生素或 在人体内 转化为维生素， 如类胡萝卜 素等， 有的 具有一定的药理功效， 对某些疾病具有 预防治 疗作用. 如芸香昔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 ( 杨云，1 9 9 2 ) 。 这些功能性天然色素不仅给予食品鲜艳、 逼真的色泽， 而 且对人体有营养保健功能， 符合现代功能 性食品 发 展的 新趋势。 本课题是针对我国 天然 色素品 种较少、 产量不足和生产方法落后而提出的， 试验中 采用较先进的 超临界流体萃 取技术从玉米淀粉加工的副产物中 提取玉米黄色素， 这为玉米淀粉行业的综合利用提供 一条新途径。 1玉米黄色素 1 . 1 玉米黄色紊的结构和功能 玉米黄色素是一种利用价值较高的 天然食用色素， 是从湿法制玉米淀粉的副产品 一 玉米蛋白 粉中提取出 来的。 它主要由 玉米黄素 ( z e a x a n t h i n , 3 , 3 一 二轻荃一 p 一 胡萝卜 素， 分子式为c h . o , ) 和隐黄素( c r y p t o x a n t h i m 3 - 0基- 0 胡萝卜 素， 分子式为c 4 0 h 5 6 0 ) 组成 ( 凌关庭，1 9 9 7 ;刘程，1 9 9 4 ;王威，1 9 9 4 ) , _ 巧 广 协 一 产 丫 之 牙 ohho 玉米黄素 隐黄素 李大靖 前言 2 0 0 年 5月 该色素属于异戊二烯类色素即类胡萝卜 素，它安全、无毒、无副作用和不良 反应， 并且具有重要的生理功能。 作为光合作用的辅 助色素， 类胡萝 卜 素参与执行光能传递和 物质转化、 抗光敏化作用、 碎灭自由 基等生理生态过程 ( 闻芝梅， 1 9 9 8 ) ， 还能保护生物 体免受不利环境的侵害，例如由于臭氧层空洞扩大，紫外线辐射量的增大造成对动植物 有害的影响和人类皮癌的 增加， 类胡萝卜 素也 起保护作用 ( 王业勤， 1 9 9 7 ) 。 另外， 类胡 萝卜 素具有较高的 营养价值，是重要的营养素来源。它在体内 能转化成维生素 a ，具有 保护视觉、上皮组织、促进人体健康发育、 提高机体免疫力的作用，对心脏疾病、癌症 和其他一些疾病有预防作用， 尤其有益于儿童健康发育 ( b u s h w a y , 1 9 8 5 ) 。 据美国农业部 报导，植物化学物质玉米黄素对于保护眼睛健康很重要。在眼睛的晶状体中，没有0 - 胡萝 卜 素，但存在玉米黄素，它能碎灭单线态氧，能间接减少晶状体蛋白的氧胁迫。又 有研究表明:饮食中的类胡萝 卜 素可以降低白内障疾患的危险性。同时，研究表明:人 体血浆中的主要类胡萝 卜 素包括玉米黄素、 叶黄素、番茄红素、隐黄素、。、p 一 胡萝 卜 素等，它们的含量高时， 发生湿型黄斑变性病的危险降低( 王业勤，1 9 9 7 ) 。由于类胡萝 卜 素对人体有重要的营养保健功能， 使得人们对天然类胡萝 卜 素制品的需求量日 益增加， 开发和利用天然类胡 萝卜 素资源己 成为一种引 人注目的 发展趋势。 玉米黄色素既有天然 食用色素的作用， 又兼有营养强化剂的 功效和重要生理功能，符合食品添加剂 “ 天然， 、 “ 营养” 、 “ 多功能”的发展方向，使其在食品、饮料、日 化、医药行业有着广泛的 应用 前景。 1 . 2 玉米黄色素的开发利用现状 在欧美日 等发达国家， 天然色素从7 0 年代开始逐步替代广泛使用的合成色素， 它已 经成为主要食品着色剂， 食品彼盖面达 6 0 % 以 上。挪威等国已宣布完全禁止使用合成色 素。美国 1 9 7 6 年天然色素的使用量达4 5 4 4 吨，产量是合成色素的 5 倍多。日 本 1 9 9 3 年食用天然色素品种达9 8 种之多 ( 谢运昌， 1 9 9 7 ) 。 我国 列入食品添加剂卫生标准的 天 然色素， 截止 1 9 9 0 年底有3 9 种， 玉米黄色素在 1 9 8 6 年编入 中华人民共和国国家标准 g b 2 7 6 0 - 8 6 ，即“ 食品添加剂使用卫生标准” ， 被批准作为天然食用色素可添加于人造奶 油和糖果等食品中， 最大使用量为5 . o g / k g( 凌关庭。1 9 9 7 ) 0 作为一种类胡萝卜 素，玉米黄色素一般是 利用有机溶剂进行萃取或抽提，并经过蒸 发和浓缩而获得色素产品 ( 尤新，1 9 9 3 ; ;汪芳安，1 9 9 6 ;曹毅，1 9 9 8 ) 。目 前， 我国对 玉米黄色素研究开发得较少， 仅停留 在实验室阶段。国内 外报导过许多关于类胡萝卜 紊 的提取分离方法，最据权威的是a o a c 法 ( w i l l i a m s , 1 8 8 4 ) ，也是采用有机溶剂浸提 进一步的 分离制备采用氧化镁和微晶纤维素混 合柱层析。 后来，大多数的 研究方法都与 a o a c 法相近， 只是提取的溶剂有所改变。 这些方法共有的缺点是在色素产品中不可避免 地存在具有一定毒性的残留溶剂，影响色素质量，损害人体健康。 近年来，随着超临界流体萃取技术的发展， 许多 研究者将这一技术应用于脂溶性类 胡 萝卜 素的提取，色素的得率、纯度均较高， 结果令人满意。由 于玉米黄色素属脂溶性 色素， 使得通常溶剂提取的产品中残留 溶剂 ( 如正己 烷)的去除很难达到f a o / w h o 的 标 准，而应用超临界流体萃取技术在生产过程中无有机溶剂残留，这正符合食用天然色素 安全、无毒和纯天然性的标准。 关于类胡萝 卜 素的分离制备，国内 外大多采用柱层析法，分离出每一种类胡萝 卜 组 分后再对每一组分进行定性定量研究。后来又发展为用薄层色谱、液相色谱分离制备色 素 ( t e e ，1 9 9 3 ; c a n e , 1 9 9 1 ; k h a c h i k , 1 9 8 9 ; e s k i n s , 1 9 7 9 ; r o u s e l f , 1 9 8 8 ) ，这两种 方法既可达到分离，同时又可对其定量、定性，但缺点是制备量少且必须有标准品对照 才能定性。 紫外可见光谱法也可以 对色素进行定性分析， 但不能将混合物分离，而且与 标准吸收光谱对照由于仪器和试剂的不同， 存在误差， 无法准确进行定性分析 ( 蔺定运， 1 9 8 7 ) 。 另外， 也可根据化学方法中类胡萝卜 素所呈现的特定颜色对其定性 王静, 1 9 9 7 ) , 将这几种方 法结 合在一起， 可以 很 好地 衬类胡 萝卜 素进行定 性( 蔺 定运， 1 9 8 7 ; t h o m a s , 1 9 8 8 ; z a k a r i a , 1 9 7 9 ) 。 国 外已 经 将超临 界萃 取技术与 色谱法结 合在一起 对物质 进行 分 离提纯和成分鉴定 ( c h e s t e r , 1 9 9 6 ) , 在类胡萝 卜 素的稳定性和应用研究方面， f r a n c i s ( 1 9 9 5 ) 详细综述了类胡萝 卜 素作 为色素在食品上的应用及对光、 热的稳定性; k e a r s l e y ( 1 9 8 1 ) 等对包括6 一 胡萝 卜 素在 内的食品天然色素的光、热、酸碱稳定性及应用作了系统研究。近年来，关于类胡萝 卜 素作为食品 着色剂在国 外已 大量应用， 尤其p - 胡萝卜 素 应用较广( 瑞士罗氏药品化学有 限公司，1 9 9 4 : 石永 锋， 1 9 9 7 ; 刘 海桑， 1 9 9 2 ) , 1 9 8 9年联合国 食品 与农业组织 和世界 卫生组织 ( f a o / w h o ) 确认0 一 胡萝 卜 素为a 类优良 食品添加剂，目 前在5 2 个国家和地区 使用。 我国食品添加剂手册规定: 玉米黄色素可替代0 一 胡萝 卜 素的使用 ( 刘程, 1 9 9 4 ) , 国内对类胡萝 卜 素研究利用的较少，只有少数的几个单一品种，常见的有从胡萝 卜 中 提 取的5 一 胡萝 卜 素和从辣椒中 提取的辣椒红素， 而对玉米黄色素开发利用得较少且未能工 业化生产。 另外，与其他天然黄色素相比，玉米黄色素具有许多独特的营养价值， 而且 它的耐光性、耐温性、耐酸碱性、耐氧化性、耐还原性均较其它天然黄色素 ( 如姜黄色 素) 好 ( 张锋斌，1 9 9 9 ) 。同 时它生 产所需 原料一玉米蛋白 粉来源丰富，不受季节限 制， 成本低廉，这是其他天然黄色素如姜黄、 橘子黄、红花黄、地黄、 茶黄等色素无法比 拟 的。 2 超临界流体萃取技术 ( 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 ) 2 . 1 超临界流体萃取的原理 超临界流体萃取技术是近二十多 年发展起来的 一种新型化工分离技术。 它综合了 各 类提取分离的特点，从天然产物中分离有效成分具有安全、无毒、高效的优点。 超临界流体萃取是以 超临界状态下的流体作为溶剂，利用该状态流体所具有的高 渗 透能力和高溶解能力萃取分离混合物的过程( 孙国宏， 1 9 9 9 ; 陈维枢， 1 9 9 8 ; r i z v i , 1 9 8 6 ; ) 。 当流体的温度和压力处于它的临界温度 t c 和临界压力p c 以 上时， 称该流体处于超临界状 态。 图1 是纯物质的 压力 一温度相图 ( 余蜀宜， 1 9 9 7 ) 。 从图中可以 看到， 如果沿着气液 共存线向高 温、高压的 方向 移动， 就会达到该物质的临界点。 此过程中温度的 上升引 致 热膨胀， 使液相的密度减小: 而压力的 上升则 将气相压缩， 使其密度加大。 在临界点( p o t r ) ， 气相与液相混然一体， 两相的 密度相等， 相界的界线消失， 两相之间的相变潜热变 为零， 当 乃界， 乃几时，流体就成为超临界流体s c f( 右上方斜线区) 。 液 固 个1|1 么只田r 气 1 e沮 度 t 图1纯物质的温度一 压力 相图 f i g . 1 p h a s e d i a g r a m o f t e m p e r a t u r e - p r e s s u r e o f p u r e s u b s t a n c e 超临界流体作为一种流体状态，与 气体和液体既有相似之处有所不同。作为萃取溶 剂， 超临界流体有两种特性特别有意义。 其一是它的优良 传质特性，表 1 列出了 气体、 超临界流体和液体的典型物理特性 刘程，1 9 9 8 ) , 表 1 气体、栩临界流体和清休的班型愉理恃件 t a b l e 1 t h e t y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f g a s a n d s u p r e c r i t i c a l f l u i d a n d l i q u i d 3 ( 密度 / 9 . ( c m ) 一 ， 枯度 / 1 0 -, g . c m - ,. s - , 扩散系我/ c m . s 气体 ( 3 0 c , 1 0 1 . 3 2 5 k p a ) 0 . 0 0 6 - 0 . 0 0 2 1 - 3 0 . 1 -0 . 4 超临界流体 接近临界温度和压强 接近临界温度和4 倍压强 0 . 2 - 0 . 5 0 . 4 -0 . 9; 二 ; 0 . 7 . 1 0 0 . 2 一1 0 液体 ( 3 0 c , 1 0 1 . 3 2 5 k p a ) 0 . 6 1 . 6 2 0 - 3 0 0( 0 . 2 2 ). 1 0 , 从表工 中可以 看出， 超临界流体非气非液， 又兼有两 相的 特点， 因 此有人称之为“ 无 相之境” 。 超临界流体的密度接近于液体， 因此具有较强的 溶解能力: 它的粘度接近于普 通气体， 扩散能力比 液体大1 0 0 倍， 所以 在超临界流体中， 可以比 在一般液体溶剂中更 快地进行传质， 从而在短时间内达到平衡。 这就是超临界流体萃取优于普通液一 液萃取的 主要原因。 其二是流体在超临界状态的一定范围内，其密度、粘度等随温度、压力显著 地变化，因 此而其溶解能力又与 其密 度有很大关系， 温度和压力的变化往往会导致超临 界流体的溶解能力发生急剧的变化，正是利用超临界流体这一特性进行物质的选择性萃 取与萃取后的分离 ( r i z v i , 1 9 8 6 ;吴卫泽，1 9 9 9 ) , 到目 前为止，常用的超临界流体萃取剂主要有乙 烷、乙 烯、丙烷、丙烯、苯、氨和 c 0 2 ， 其中最常用的是c o c 0 2 价格便宜， 具有高度的溶解能力， 而且是非极性溶剂， 对 中、低分子量和非极性化合物 ( 许多 天然物质都属此类)有 较强的亲和力。其低粘稠度 和低表面张力又使之能深入提取材料的基质中，发挥非常有效的萃取功能。同时， c o , 又容易从萃取物中脱离， 可以 得到纯净的萃取物。 另外， c o , 作超临界萃取剂， 操作温度 硕士学位论文玉米黄色素的超临界 c o z 萃取及其性质和应用的 研究 东北农业大学 较低， 不会使萃取物发生质变， 而且， c o , 是惰性气体， 不会引燃和发生化学反应。由 于 c 0 2 溶剂为无毒气体， 还可以避免采用通常有机溶剂所带来的污染问题， 因此食品工业一 般采用c 0 2 作超临界萃取的溶剂。 2 . 2 超临界流体萃取的发展 关于 超临 界流体的 发现和研究， 至今己 有一 个多 世纪， 早 在1 8 7 9 年h a n n y 和h o g a r t h 首 次提出超临界流体具有很强的溶解能力。但是超临界流体萃取在石油、化工、医药、 食品 等方面的应用仅有几十年的历史。 直到2 0 世纪5 0 年代， 美国的t o d d 和e l g i n 才开 始把超临界流体萃取用于工业分离。 1 9 7 0 年， r o s e h u s , v i t z t h u m , z o s e l 等人申 请了 许 多超临界流体萃取咖啡中的咖啡因、啤酒中的呈味物质、烟草中的尼古丁以及茶叶中的 儿 茶 酚、 香辛 料中的 精油等专利 ( r i z v i , 1 9 8 6 ; p a l m e r , 1 9 9 5 ; m e r m e l s t e i n , 1 9 9 9 ; 石秉容，1 9 9 3 、 李健，1 9 9 8 ) 。 近2 0 年来，超临界流体萃取技术己 经发展成为一门 新的 分离技术。由于利用超临界流体萃取技术可以明显地提高产品的产率、纯度和质量，并 且还能够节能、省时，因此使得这一技术在石油、医药、 食品、化工等领域有着广泛的 应用前景。目 前，这一技术已 经在国内外得到了大规模的工业化应用。德国h a g 公司在 七十年代末， 建立了 第一个利用超临界流体技术从咖啡豆中 脱除咖啡因的工厂。随后八 十年代，国外的超临界流体工业萃取装置接连上马。我国在九十年代，已有十余套工业 萃取装置问 世。 超临界流体萃取技术己工业化应用的 领域有: 从油沙中 提取汽油，从咖 啡豆、茶叶中 脱除咖啡因，从食油中分离特定 成分， 从啤酒花中 提取有效成分、 聚合物 的 合成和回收润滑油等。 正在研究和小规模应用的有: 提取动植物油 脂、 保健营养成分、 细胞内生化物质等， 去除影响食品品质甚至引起毒害的 微量成分， 活性炭再生， 药品( 葛 发欢， 1 9 9 5 ) 、 香料、 香精的生产， 从发酵液中 提取乙醇， 分离相对分子质量相差较大的 高分子聚合物， 脱除精细陶瓷制品的有机结合剂，脱除抗生素等医药制品生产中所有的 有机溶剂等 ( 刘程，1 9 9 8 ) 0 2 . 3 超临界流体萃取在色素生产中的应用 超临界 c 0 2 提取物的极性大体位于正己 烷提取物与抓仿提取物之间，因此特别适合 萃取脂溶性成分( 孙庆杰， 1 9 9 7 ) 0 除了 在油脂工业上用超临界低 萃取大豆油( f r i e d r i c h , 1 9 8 2 ; ) 、 种子油 ( l i s t , 1 9 8 9 ; s t a h l , 1 9 8 4 ) 、 玉米胚芽油 ( l i s t , 1 9 8 4 ; c h r i s t i a n s o n , 1 9 8 4 : 尹卓容， 1 9 9 6 ; 周海滨， 1 9 9 8 ) 等外， 也特别适合萃取脂溶性色素， 如0 一 胡萝卜 素、 辣椒红素、 胭脂树橙、叶黄素等。此外， 通过使用不同的 夹带剂， 从而使萃取范围 扩大，可萃取具有一定极性的色素如茶多酚、 银杏黄酮等。 在国内，1 9 9 2 年武练增等用超临界 c o z 从红尖辣椒中萃取辣椒红素;1 9 9 6 年赵亚平 等用超临界 c o z 从粉碎的干辣椒中提取辣椒红素:1 9 9 6年孙君社也用超临界 c 0 萃取纯 化辣椒红素;1 9 9 7 年潘日 鸿【 台 也萃取分离出辣椒红素。目 前， 我国已 用超临界流体萃 取技术工业化生产辣椒红素。1 9 9 5 年高德永用超临界c o s 萃取可可色素;1 9 9 8 年， 孙庆 杰用超临界c o , 萃取番茄红素。 国外用超临界c 0 2 萃取胡萝 卜 素的研究较多。1 9 8 8 年f a v a t i 等从冷冻干燥的首楷叶 蛋白浓缩物中萃取胡萝 卜 素和叶黄素:1 9 9 3 年s p a n o s 等从马铃薯中 萃取0 一 胡萝 卜 素; 1 9 9 5年 m a r g a r e t等从冷冻干燥的胡萝卜 中萃取a 一 胡萝卜 素和d 一 胡萝 卜 素;1 9 9 6年 李大靖 前言 2 0 0 1 年 s 月 v e g a 等从胡萝卜 素榨汁渣中萃取a 一 胡萝卜 素和0 一 胡萝卜 素; 1 9 9 1 年d e g a n 等研究了 胭 脂树橙的 超临界c o z 萃取;1 9 9 1 年r o y r . c h a o 等也用超临界c 0 2 从胭脂树种子中萃取出 天然色素。 在应用超临界流体萃取天然色素方 面， 研究较多的是辣椒红素和胡萝卜 素， 而对玉米黄色素研究得较少。 使用超临界流体萃取技术，可以在温和的条件下完成天然色素的提取，保持天然色 素的营养功能特性，这正符合目 前人们热衷于对天然营养绿色食品添加剂的开发与研究 的想法，然而目 前利用超临界流体萃取技术生产天然色素还未得到广泛的工业化应用。 主要是超临界流体萃取设备一次性投资较大，而且萃取天然色素的工艺尚不成熟，但是 由于超临界流体萃取的种种优点，超临界流体萃取天然色素的研究将是今后发展的一个 重点。 特别是随着人们对功能性天然色素的认识 和重视，相信超临界流体技术将取代传 统的有机溶剂法提取色素， 能 够生产出高纯度、 高品质的色素产品， 以 满足人们的需要。 3 研究的目的和内容 我国 食用天然色素工业发展迅速， 但是与经济发达国 家相比，在品种数和产量上都 落后于 它们， 远不能满足日 益发展的食品工业的需要。 玉米黄色素作为一种天然营养功 能性食用色素， 符合色素工业发展的新趋势。 而且，我国是世界第二大玉米生产国， 年 产玉米达8 5 0 0 万吨左右 ( 石桂春，1 9 9 8 ) ， 玉米的深加工综合利用显得尤为重要。 玉米 淀粉的加工副产物玉米蛋白 粉只是简单地用作饲料，有的当作废物处理和排放，不仅浪 费资源、 经济效益低，而且造成环境污染 ( 李远志，1 9 9 8 ) ，如在玉米生产淀粉的同时， 配套利用其副产物一玉米蛋白 粉生产玉米黄色素，同时， 脱色的 玉米蛋白 更便于在食品 工业上的开发利用。这样则不仅能有效地利用玉米资 源，而且可以为企业创收，获得一 定的 经济效益和社会效益。因此，更有必要研究开发利用玉米黄色素. 超临界流体萃取技术是近年来发展起来的一种新型的提取分离 技术，它的 推广应用 是今后研究物质分离方法的一个重要方向。本课题主要利用超临界 c 0 从玉米蛋白粉中 萃取玉米黄色素， 确定合理的工艺参数，并对玉米黄色素分析鉴定、性质指标研究，旨 在为玉米黄色素的生产提供新工艺、 新方法和为玉米淀粉行业综合利用提供新途径。 本课题研究的主要内容: ( 1 ) 对超临界c 0 z 萃取过程的工艺条件进行研究， 优化萃取过程的工艺参数 ( 温度、 压力、 时间和col 流量) ，以 获得较高 质量和产量的玉米黄色素产品， 并且选择最优分离 条件; ( 2 ) 研究玉米蛋白 粉萃余物在食品中的应用; ( 3 )利用有机溶剂法提取玉米黄色素，并与用超临界 c 0 z 萃取的玉米黄色素在感官 指标和理化指标上进行比 较; ( 4 ) 对玉米黄色素的 着色成分进行分析鉴定， 玉米油脂肪酸成分进行分析，以 确定 玉米黄色素产品对人体无害; ( 5 ) 研究玉米黄色素对光、热、p h 值等的稳定性; ( 6 ) 研究玉米黄色素在食品中的应用。 硕士学位论文玉米黄色紊的 超临界c o l 萃 取及其 性 质和应用的 研究 东北农业大学 材料与方法 1 材料 1 . 1主要材料与试剂 玉米蛋白粉:黑龙江龙拱玉米淀粉糖有限公司提供 c o l :食品级， 哈尔滨中国酿酒厂、二氧化碳分厂 金龙鱼牌食用调和油:营口渤海油脂工业有限公司 2 8 4 6 型油脂抗氧化剂:阳江市港阳香化企业有限公司 人造奶油:东北农业大学实验室提供 鸡蛋、肉、牛奶、小苏打等:市售 正己 烷、石油醚、丙酮、乙酸乙醋、乙醚、氛仿、乙醇、过氧化氢、亚硫酸钠、 抗坏血 酸、 氧化镁、甲醉、 硫酸铜、 三抓化铁、 硫酸亚铁、 硫酸铝、 抓化钙、 硫酸锌、 氛化钠、 抓化钾、盐酸、硫酸、硝酸、正丁醉、蔗糖、果糖、葡萄糖等均为分析纯或生化试剂 1 . 2 主要设备 h a 1 2 1 - 5 0 - 0 1 型超临界萃取装置:江苏南通华安 超临界萃取有限公司 美国b e c k m a n d u - 7 紫外一 可见光分光光度计 日 本s h i m a d z u l c - 3 a 高效液相色谱仪 日 本s h i m a d z u g c - 9 a 气相色谱仪 电子天平: 沈阳龙腾电子称量仪器有限公司 电热恒温水浴锅:黄弊市渤海电器厂 电热恒温干燥箱:南京实验仪器厂 旋转蒸发仪:中科院生物物理所科龙仪器厂 v f m 2 0 - b 立式食品 搅拌机: 广东 省韶关 市食品 机械厂 远红外线烤箱:广州冶金机械厂 m m 1 2 型绞肉机:广东省韶关市食品 机械厂 平动u 型打卡机:河北省衡山 市包装线材厂 x d h n2 7 a 卧转式自 动控温禽类烤箱: 浙江省瑞安勤奋机械厂 g y b 6 0 - 6 s 高压均质机:上海东华高压匀浆泵厂 r b j - 6 - 2 冰淇淋机:洛阳开发区三川制冷设备厂 2 3 1 型玻璃电极:上海电光器件厂 7 5 0 0 紫外一 可见光分光光度计:上海天美科学仪器有限公司 7 2 1 型紫外一 可见光分光度计: 上海分析仪器厂 r j m - 2 8 - 1 0 型茂福炉: 沈阳市电 炉厂 7 8 - 1 型磁力加热搅拌器: 杭州仪表电 机厂 h c - t p 1 1 一 1 0 型架盘药物天平:上海第二天平仪表厂 索氏提取器 常压蒸馏装置 李大姗 材料与方法 2 0 0 1 年 5 月 2 方法 2 . 1 玉米蛋白粉组成成分的测定 2 . 1 . 工 水分的测定 采用恒温干燥法 ( 黄伟坤，1 9 8 9 ) 2 . 1 . 2 蛋白质的测定 采用凯氏定氮法 2 . 1 . 3 粗脂肪的测定 采用索氏抽提法 2 . 1 . 4 色素含量的测定 采用a a c c ( a m e r i c a n a s s o c i a t i o n o f c e r e a l c h e m i s t s )法 1 4 - 5 0 : ( p a r k ， 1 9 9 7 ; j o h n s t o n , 1 9 8 0 ) 准确称取样品0 . 5 0 0 - 1 . 0 0 0 g ， 加入到4 0 m 1 丁醇饱和水溶液中， 浸提3 h ，并不时 轻 轻振荡。浸提结束后再次振荡，用滤纸过滤得上清液，用紫外一 可见光分光光度计在 4 3 5 . 8 n m 处测吸光度。 在丁醇饱和水溶液中e . = 1 . 6 6 3 2 类胡萝卜 素含量可用下式计算: 色素含量c ( r g / g ) = ( a s / e : ) x 1 0 0 0 v / ( 1 0 0 m ) 其中a .s ,- 样品吸光度 e .: = 1 % 该溶液标准吸光度1l萃取溶液的体积 ( m l ) 二 样品质量 ( 9 ) 2 . 2 超临界c o , 萃取试验参数的研究 2 . 2 . 1 超临界c o z 萃取试验操作规程 本试验所用超临界c 0 2 萃取装置主要由 下列部分组成: c 0 2 钢瓶、 制冷装置、 2 1 . 贮罐、 温度控显系统、 压力控显系统、 安全保护装置、 流量为2 0 l / h 的高压计量泵、 热交换器、 1 l / 5 0 m p a 萃取釜、0 . 6 l / 3 0 m p a 分离釜、 流量计、过滤净化装置、阀门等。 超临界c 0 2 萃取工艺流程如图2 所示 具体操作规程:接通总电源 ， 起动制冷装置 、 起动萃取釜、分离釜工 、n 的加 热装置 一 原料 ( 玉米蛋白 粉) 装入料筒，再装入萃取釜， 用密封圈封好 一 待制冷结 束， 并且各釜预热温度接近设定温度时， 打开萃取釜进气阀门， 压力平衡后， 关闭 一 打 开萃取釜放气阀门， 待压力降 低2 m p a 左右， 关闭 重新打开萃取釜进气阀门， 起动高 压泵 待萃取釜压力接近设定压力时， 打开萃取釜出 气及分离釜1 . i i 进气阀门 调 节阀门， 控制萃取釜及分离釜i .n 的压力 一 待压力、 温度与所设定值相符时， 开始 计时 一 萃取结束后， 先关闭 泵、 制冷及加热装置开关， 再切断总电 源 一 开大阀门 一 待萃取釜压力降到与分离釜、 贮皓、 钢瓶一致时， 关闭萃取釜进气及出气阀门 一 打开 萃取釜放空阀门 待压力降为常压时，打开萃取釜封盖， 取出料筒 整个萃取过程 结束 ( 孙艳波，1 9 9 9 ) , 硕士学位论文玉米黄色素的超临界 c o , 萃取及其性质和应用的研究 东北农业大学 分离釜fl 净化籍 眺钢耘 流t计 图2 超临界c o , 萃取工艺流程 f i g . 2 t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f s u p e r c r i t i c a l c 氏e x t r a c t i o n 2 . 2 . 2 衡量超临界 c 0 2 萃取条件的试验指标值的确定 由于玉米黄色素为脂溶性色紊， 在试验中， 色素与 玉米油一起被萃取出 来， 而玉米黄 色素 产物就是玉米油与类胡萝卜 素的混合物， 所以 将玉米黄色素的萃取量 ( m ) 作为衡量 超临界萃取条件的工艺指标。关于天然色素的表示方法，主要是色素含量， 但天然色素 除色素成分外， 还含有一些非色素成分， 故不能用一般测定原料色素含里的方法来测定。 国 外大都采用色价法。 联合国食品和农业组织和世界卫生组织 ( f a o / w h o ) 也是 用色价表 示色素产品质量 ( 蔺定 运，1 9 8 7 ) ，即1 % 色素溶液在l c m 光路长度的 吸光度 ( e . 0 ) ， 所 以 也把色价作为衡量萃取出玉米黄色素质量的工艺指标。二者综合起来考虑， 用萃取量 和色价的 乘积 ( m * e , . 0 ) 作为 衡量玉米黄色素产量与 质量的 最终 指标. 测定色价的方法: 精确称取样品， 使其吸光度在 0 . 2 -0 . 7范围内， 用正己 烷定容 至1 0 0 耐。 用正己 烷作对照， 用l c m 比 色皿在最大吸收波长下测定测试液的吸光度a 。 按 下式求出色价。 色价二 a * 1 0 / 样质量 ( 克) 2 . 2 . 3 c 0 2 流量对玉米黄色素萃取的影响 一