（食品科学专业论文）洋葱皮黄酮类化合物提取技术的研究.pdf

摘要 摘要 对洋葱皮中黄酮类化合物的提取工艺进行了研究。通过对乙醇浓度、浸提温度、 浸提时间、料液比等影响因素的单因素试验和正交试验，获得最佳工艺条件为：粉 碎粒度为6 0 目，体积分数为5 0 的乙醇溶液，提取温度8 0 ，料液比为1 ：4 0 ( g m l ) ， 浸提时间2h 。此工艺条件下，洋葱皮提取物中黄酮类化合物含量可达到3 3 2 1m g 。 采用超声波法从洋葱皮中提取黄酮类化合物。通过对超声波功率、乙醇浓度、 浸提温度、浸提时间、料液比等影响因素的单因素试验和正交试验，获得最佳工艺 条件为：超声波功率1 8 0w ，体积分数为6 0 的乙醇溶液，提取温度5 0 ，料液比 为1 ：4 0 ( g m l ) ，浸提时间1 0r a i n 。在此工艺条件下，洋葱皮提取物中黄酮类化合物 含量可达到3 3 2 1m g g 。 采用超滤法对洋葱皮黄酮提取液进行纯化和浓缩，研究了超滤时间、压力、料 液浓度、温度、体积浓缩比对膜通量的影响和不同清洗剂对膜通量的恢复情况，从 而确定了最佳的超滤工艺和膜清洗方法。结果表明，采用截留分子质量3 0 0 0 0 和5 0 0 0 的膜配合使用，产品中黄酮质量分数达到3 2 7 8 ，黄酮总截留率达到8 9 2 6 。超 声波辅助0 1 n a o h 和0 1 h c l 溶液交替清洗超滤膜效果显著，膜通量恢复率达 到9 4 6 。 通过制备洋葱皮黄酮微胶囊，以提高洋葱皮黄酮的稳定性。试验以b 环糊精为 壁材，研究了分子包埋法制各微胶囊工艺中不同因素对微胶囊化包埋率的影响。结 果表明：芯材与壁材的最佳配比为1 ：1 1 4 9 ，磁力搅拌时间6 0 6 r a i n ，搅拌温度6 1 。 在此条件下，产品微胶囊化效率达到4 1 2 6 。 利用分光光度法和h p l c 法，对洋葱皮提取物中黄酮类化合物的含量及主要成 分进行了分析研究。分析结果表明，洋葱皮提取物中黄酮类化合物的主要成分为槲 皮素及其衍生物一芦丁。 关键词洋葱皮；黄酮；提取；超声波；超滤；微胶囊；紫外可见光谱法；高效液 相色谱法 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r ac t t h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fe x t r a c t i n gf l a v o n o i d sf r o mo n i o ns k i nw a ss t u d i e di n t h i sp a p e r e x t r a c t i o nt e c h n o l o g yo ff l a v o n o i d si no n i o ns k i nw a ss t u d i e db ys i n g l ef a c t o r a n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t e f f e c t so ft h ee t h a n o l - w a t e rs o l v e n t ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e ， e x t r a c t i o nt i m e ，r a t i oo fs o l i dt ol i q u i do ne x t r a c t i o nr a t eo ff l a v o n o i d sw e r ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u me x t r a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ee s t a b l i s h e da sf o l l o w s ：p a r t i c l es i z eo f6 0m e s h ， 5 0 e t h a n o l ( v v ) a ss o l v e n t ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e a t8 0 ，r a t i oo fs o l i dt ol i q u i d1 ：- 4 0 ( m l ) ，e x t r a c t i o nt i m e2h ，i nt h i sp r o c e s st h ec o n d i t i o no fo n i o nf l a v o n o i d sw a s a sh i g h a s3 3 2 1m g g t h eu l t r a s o n i ce x t r a c t i o nm e t h o dw a su s e df o re x t r a c t i n gf l a v o n o i d si no n i o ns k i n e x t r a c t i o nt e c h n o l o g yo ff l a v o n o i d si no n i o ns k i nw a ss t u d i e db ys i n g l ef a c t o ra n d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t e f f e c t so ft h eu l t r a s o n i cp o w e r ，e t h a n o l w a t e rs o l v e n t ，e x t r a c t i o n t e m p e r a t u r e ，e x t r a c t i o nt i m e ，r a t i oo fs o l i dt ol i q u i do ne x t r a c t i o nr a t eo ff l a v o n o i d sw e r e i n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u me x t r a c t i o nc o n d i t i o n s 。w e r ee s t a b l i s h e da sf o l l o w s ：u l t r a s o n i c p o w e r1 8 0w ，6 0 e t h a n o l ( v a ss o l v e n t ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r ea t5 0 ，r a t i oo f s o l i dt ol i q u i d1 ：4 0 ( e g m l ) ，e x t r a c t i o nt i m e1 0m i n ，i nt h i sp r o c e s st h ec o n d i t i o no fo n i o n + f l a v o n o i d sw a sa sh i g l la s3 4 0 3m g g t h ep u r i f i c a t i o na n dc o n c e n t r a t i o no ff l a v o n o i d sf r o mo n i o ns k i nw e r ec a r r i e do u t b yu l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) t e c h n o l o g y t h ee f f e c t so ft h eu ft i m e ，t h ep r e s s u r e ，t h ef e e d c o n c e n t r a t i o n ，t h et e m p e r a t u r e ，t h ev o l u m ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo nt h em e m b r a n ef l u xa n d d i f f e r e n tc l e a n i n ga g e n t so nt h er e c o v e r yo fm e m b r a n ef l u xw e r ei n v e s t i g a t e d t h e o p t i m a lc o n d i t i o n s f o r t h eu l t r a f i l t r a t i o na n dt h em e m b r a n ew a s h i n gw e r ef i n a l l y d e t e r m i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm a t c hu s a g eo ft h eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew i t h 3 0 0 0 0a n d5 0 0 0m o l e c u l ew e i g h tc u t - o f f ( m w c o ) ，t h ep r o d u c tc o n t a i n e d3 2 7 8 f l a v o n o i d sa n dt h er e t e n t i o nr a t eo ff l a v o n o i d sw a s8 9 2 6 a f t e ru l t r a f i l t r a t i o n t h e u l t r a s o n i ca s s i s t a n tw a s hw i t h0 1 n a o ha n d0 1 h c lw a se f f e c t i v e l ya n dq u i c k l y ， t h er e c o v e r yo fm e m b r a n ef l u xr e a c h e d9 4 6 m i c r o c a p s u l eo ft h ef l a v o n o i d sf r o mo n i o ns k i nw i t hb e t a c y c l o d e x t r i na n dt h ee f f e c t o ft h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fp a s t em e t h o do n t h em i c r o c a p s u l ee f f i c i e n c yw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o d u c t sw i t hh i g hq u a l i t yc o u l db eo b t a i n e da t t h ec o n d i t i o n ss u c ha st h er a t i oo ft h ew a l lm a t e r i a l st ot h ec o r e m a t e r i a l1 ：11 4 9 r s t i r r i n g t i m e6 0 6 m i n s t i r r i n gt e m p e r a t u r e 6 1 o nt h e s ec o n d i t i o n s ，t h e n a b s t r a c i m i c r o e n c a p s u l a t e de f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c tr e a c h e d4 1 2 6 t h e a n a l y s i so ft h ec o m p o n e n t sa n dc o n t e n to ff l a v o n o i d si nt h ee x t r a c tf r o mo n i o n s k i nw a sc a r r i e do u tb yt h eu v v i ss p e c t r a l a n a l y s i sa n dh i g hp e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i nc o m p o n e n t sw e r eq u e r c e t i na n d i t sd e r i v a t i v e s r u t i n k e yw o r d s o n i o n s k i n ；f l a v o n o i d s ；e x t r a c t i o n ；u l t r a s o n i c ；u l t r a f i l t r a t i o n ；m i c r o c a p s u l e ； u v v i ss p e c t r a l - a n a l y s i s ；h p l c 1 i i ；- - i ：i l 科技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，独立进行研究工 作所取得的成果。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。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢嘛谢 c 年易月牛日 河北科技大学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 人授权河北科技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。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口味保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者虢傀箭指删币繇 伽7 年6 月牛日 毖栏 例7 年月争日 程滋 日 名 月 型 石 师 年 挪 阵 影予 指 m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 黄酮类化合物简介 黄酮类化合物( f l a v o n o i d s ) 是自然界尤其是植物界分布较广泛的一大类天然酚类 化合物。大多有颜色，是药用植物的主要活性成分之一【。由于该类化合物具有多种 多样的生物活性，因此一直受到国内外的广泛重视，成为研究和开发利用的热点。 自1 8 1 4 年发现第一个黄酮类化合物白杨素( c h r y s i n ) 以来i 到，新发现的黄酮类化合物 的数量每年都以较快速度增长。 1 1 1 黄酮类化合物的结构与分类 黄酮类化合物系色原烷( c h r o m a n c ) 或色原酮( c h r o m o n e ) 的2 或3 苯基衍生物， 泛指由两个芳香环通过中央三碳链相互连接而成的一系列化合物，一般具有c 6 一c 3 一c 6 的基本骨架特征。 o 图1 - 1 黄酮类化合物基本结构式 f i g 1 - 1 c h e m i c a ls t r u c t u r a lf o r m u l a so ff l a v o n o i d s 可分为黄酮类、黄酮醇类、黄烷酮醇类、黄烷酮类、黄烷醇类、花色苷类、查 耳酮类及其衍生物等；含量较多的主要有黄烷醇类、黄酮醇类和花色素苷类等。 天然的黄酮类物质多是其基本结构的衍生物，而且多以糖苷的形式存在，除常 见的糖苷外，还有c 苷，如葛根黄素等，其糖链中常见的糖有d 葡萄糖、l 鼠李糖、 d 半乳糖、d 葡萄糖醛酸、芸香糖、龙胆二糖、龙胆三糖等。 1 1 2 黄酮类化合物的生物活性 1 1 2 1 清除自由基的作用、 一定数量的自由基对于人体免疫系统及其它一些生理功能是必不可少的，但过 多的自由基会对人体产生危害【3 1 。而黄酮类化合物就是植物体内合成的具有抗氧化作 用的次生代谢产物。并不是所有的黄酮类化合物均有相同的清除功能，据研究，黄 酮化合物b 环上的3 , 4 邻二羟基是具有清除自由基生物活性的关键结构i 4 1 。 采用电子顺磁共振技术，发现一枝篙总黄酮对0 2 一的作用表现为高浓度清除，低 河北科技大学硕+ 学位论文 浓度增强的双向作用；对o h 自由基的作用始终表现为浓度依赖性地清除作用，而 且清除作用很强| 5 j 。另有研究发现竹叶的总黄酮含量及其清除活性氧自由基的能力均 与银杏叶具有可比性i6 l 。灯盏花素对自由基引起的细胞膜脂质过氧化损伤有保护作用 【7 】 o 1 1 2 2 对心血管系统的作用 某些黄酮类化合物植物成分具有延长肾上腺素作用的活性，从而维持血管的正 常渗透压，减少血管的脆性，缩短血流时间，被称之为维生素p 。芦丁、橙皮苷、儿 茶素、香叶木苷等有维生素p 作用，能降低血管脆性及异常的通透性，可用作防治 高血压及动脉硬化的辅助治疗剂。不少治疗冠心病有效的中草药或活血化瘀类中药 中均含有黄酮类化合物。芦丁、槲皮素、葛根素、人工合成的立可定等均有明显的 扩冠作用，并已经用于临床。有些黄酮类成分有降低血脂及胆固醇的作用【8 1 。 1 1 2 3 对癌症的预防与治疗 黄酮类化合物的抗癌作用主要是指它能够减小甚至消除一些化学致癌物质的毒 性。关于黄酮类化合物的抗癌机理，w a t t e n b e r g 认为它起到一种阻断剂的作用，因 为所有的化学致癌物进入体内后，要在体内一种依赖于细胞色素p 4 5 0 的酶的作用下 活化为可随意与d n a 反应或结合的中间物才有致癌活性。而黄酮类化合物作为阻碍 剂可以抑制该酶的活性，阻止化学致癌物活化为有致癌活性的中间物或诱导某些酶 的活性，使致癌物脱毒，也可能与那些有致癌活性的中间物结合，从而避免它们与 d n a 结合或反应1 9 】o 1 1 2 4 对体内酶系统的影响 黄酮类化合物对体内酶系统具有诱导或抑制的作用，这种作用构成了黄酮类化 合物许多药理学活性的基础。许多研究表明，黄酮类化合物的抗炎、抗过敏、防止 血栓、预防糖尿并发症的功能正是通过对脂肪氧合酶、环氧酶和醛糖还原酶的抑制 作用实现的i 删。 g a l a t i 等研究了柑橘类黄酮的抗炎效果，结果显示活性与类黄酮呈剂量相关，其 主要作用机制为影响花生酸的代谢以及抑制组胺的释出。m i d d l e t o o 等报导了槲皮素 抑制组胺释出的效果，而且呈剂量相关【1 1 】。 1 1 2 5 抗菌抗病毒作用 黄酮类化合物的抗菌抗病毒作用已经得到医药界的肯定，有研究表明槲皮素、 芦丁等具有抗人类疱疹病毒的效果。黄酮类化合物的抗菌抗病毒机理主要是抑制溶 酶体酶、磷酸脂酶的脱壳作用，影响病毒转移的基因的磷酸化，抑制病毒和r n a 的 合成1 1 1 。 除上面提到的几方面外，黄酮类化合物还具有免疫调节活性和止痛镇痛等作用。 2 第】章绪论 1 1 3黄酮类化合物的应用 1 1 3 1 天然甜昧剂 蔗糖等普通食糖是日常生活中广泛使用的调味品之一，但食用普通食糖易使人 发胖，不利于牙齿的健康，尤为糖尿病人所忌讳。高甜度、无毒、无热量或低热量、 口味好的天然保健性甜味剂的开发研究引起人们极大兴趣。研究表明，有些黄酮类 物质可用作甜味剂应用于食品工业中。 唐晓峰等研究发现，甜茶中二氢查耳酮具有无热值和甜味持久性特征，是理想 的无营养甜味剂，甜度为蔗糖的3 0 0 倍，可直接用于食品，特别适用于低p h 值的食品。 柚皮苷与异香兰素作用得新橙皮苷，新橙皮苷经过氢化转变为新橙皮苷二氢查耳酮， 其甜度为蔗糖的9 5 0 倍，而且此两种甜味剂回味均无苦味，可直接用于各种食品中， 并具保健作用1 1 3 j 。 1 1 3 2 天然抗氧化剂 近年发现，人工合成抗氧化剂均具有一定的毒性，丁基羟基茴香醚( b u t y l a t e d h y d r o x y a n i s o l e ，简称b n a ) 对白鼠有致癌作用；二丁基羟基甲苯( b u t y l a t e d h y d r o x y t o l u c n c ，简称b h t ) 口- - a 1 起动物肝脏增大等毒副作用，现已限制或停止使用。 黄酮类化合物具有高效、低毒、廉价、抗氧化性强的特点f 川，从药食两用植物中筛 选此抗氧化剂已成为人们关注的焦点。 国外近年非常重视黄酮类化合物作为食品添加剂的开发研制，已开发出添加有 黄酮类化合物的可乐型饮料、口香糖、面包、啤酒等，这类食品口感好，易保存( 不 用另加保鲜剂) ，并具有一定抑菌、杀菌等明显功效。 1 1 3 3 天然色素 近2 0 年来，发现一些合成色素都有不同程度的毒性，其应用受到一定限制，因 而从自然界寻找合成色素的替代品一天然食用色素的研究备受各国重视。黄酮类化 合物多呈黄色，可以据食品加工的需要而选择合适的黄酮类化合物作为着色剂。 此外，由于黄酮类化合物具有多种保健功能，因此还可以开发出多种保健食品， 如利用富含生物类黄酮的荞麦，就生产出苦荞营养粉、糖尿病食疗粉、苦荞茶等十 几种保健产品。从法国桦树皮和葡萄籽中提取的总黄酮制成食用保健品“碧罗芷” 已被美国食品和药物管理局( f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n ，简称f d a ) 认可，经研究 表明其抗氧自由基作用是v e 的5 0 倍，v c 的2 0 倍，且可防止中枢神经系统疾病的发生。 1 2 黄酮类化合物的提取与分离 1 2 1 黄酮类化合物的提取方法 目前，提取黄酮类化合物的主要方法有溶剂提取法、碱提取酸沉淀法、微波萃 取法、超临界流体萃取法等。 3 河北科技大学硕士学位论文 1 2 1 1 有机溶剂提取法 本方法是比较传统的提取方法，也是现在从洋葱中提取黄酮类化合物的主要方 法。对苷类和极性较大的苷元如羟基黄酮、双黄酮、橙酮、查耳酮等，常用某些 极性较大的溶剂如甲醇、乙醇或混合溶剂提取，对大多数苷元则用乙醚、氯仿、乙 酸乙酯等极性较小的溶剂提取。 1 2 1 2 碱提取酸沉淀法 黄酮类有一定的极性，但却难溶于酸性水，易溶于碱性水。故可用碱性水提取， 再于碱性水提取液中加入酸，黄酮类即以沉淀析出。此法简单易行，如芦丁和橙皮 苷的提取都应用了这个方法1 1 6 1 。在用碱提取酸沉淀法时，应当注意所用碱浓度和酸 浓度均不宜过高。 1 2 1 3 微波萃取法 微波萃取是一种非常具有发展潜力的新的萃取技术，即用微波能加热与样品相 接触的溶剂，将所需化合物从样品基体中分离出来并进入溶剂，是在传统萃取工艺 的基础上强化传热、传质的一个过程【1 7 1 。 在萃取过程中，由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力 超过细胞壁的膨胀承受能力，导致细胞破裂，细胞内有效成分自由流出，获得萃取， 物料。另一方面，微波所产生的电磁场加速了被萃取组分趋向萃取溶解界面的扩散 速率，从而使萃取速率提高数倍，同时还降低了萃取温度，最大限度地保证萃取的， 质量。 1 2 1 4 超临界流体萃取法 超临界萃取是指用处于临界温度和临界压力状态的流体作为萃取剂，利用其兼 有气体和液体的双重性质，通过控制温度和压力进行选择性提取的高效、新型提取 技术。它具有传质速度快、渗透能力强、溶解萃取效率高、提取温度低、可室温下 操作而更利于热敏性成分的提取、无溶剂残留、无污染、操作方便、快速、低廉、 能保持天然特征等优点【1 8 】。随着超临界流体的迅速发展，用该技术提取天然植物中 的有效成分也越来越广泛。但是该设备费用比较昂贵，而且需高压技术，在设备和 过程设计上还缺乏基础数据和系统的方法。 1 2 1 5 酶提取法 植物的有效成分往往被包裹在细胞壁内，提取时细胞壁造成传质阻力，使提取 效果受到很大的限制。酶的作用可使细胞壁疏松、破裂，因此可以减小传质阻力， 加速有效成分的释放，从而提高提取效率【1 9 】。毕会敏等用纤维素酶法提取红景天总 黄酮，浸出率为4 3 8 5 。研究表明，采用纤维素酶对红景天进行酶解处理，可提高 黄酮类物质的浸出率，且粗提物产率高。 4 第1 章绪论 1 2 2 黄酮类化合物的分离方法 1 2 2 1 柱色谱法 ( 1 ) 硅胶柱色谱法此法应用范围最广，非极性与极性化合物都能用，适用于 分离黄酮类、黄酮醇类、二氢黄酮醇类、二氢黄酮类、异黄酮类、黄酮苷元类。少 数情况下，在加水活化后也可以用于分离极性较大的化合物，如羟基黄酮醇类及其 苷类等。与硅胶混存的微量金属离子，应预先用浓盐酸处理，以免干扰分离效果【2 l 】。 ( 2 ) 聚酰胺柱色谱法聚酰胺的吸附强度主要取决于黄酮类化合物分子中羟基 的数目、位置及溶剂与黄酮类化合物或与聚酰胺之间形成氢键缔合能力的大小i 捌。 但是聚酞胺柱色谱法往往存在流速较慢及一些低分子杂质混入，树脂有时会有酞胺 基单体脱落，而酞胺单体是有毒的，因此在某些天然产物分离纯化中就不能采用。 张玉等采用聚酰胺法分离纯化柑桔皮中的总黄酮，先用水淋洗至无色，再以8 0 的乙醇洗脱，洗脱体积为3 倍柱体积，经过3 次上柱吸附纯化后，其柑桔黄酮的纯度 可达4 5 2 6 i 冽；黄优生等采用聚酰胺法对山楂总黄酮进行纯化，纯化后测得山楂总 黄酮含量为3 9 左右1 2 4 j 。 ( 3 ) 葡聚糖凝胶柱色谱法它主要靠分子筛作用分离黄酮甙类，在洗脱时，一 般按分子量的大小顺序洗出柱体。李教社等用此法从蜜蒙花中分离得n 3 种黄酮甙类 化合物【捌；李文魁等用此法从朝鲜淫羊霍地上部分分离得到2 种黄酮甙类化合物【2 6 i 。 1 2 2 2 大子l 树脂吸附法 大孔树脂吸附法的原理是吸附性和分子筛性，吸附性主要来源于范德华力和氢 键作用力；分子筛性来源于大孔树脂的多孔性结构产生的渗透和过滤作用【蜘。被分 离的成分根据其分子的大小不同和吸附能力的差异而分离。通常将大孔吸附树脂分 为极性与非极性两类【z 引。 近年来大孔吸附树脂在中药成分( 如黄酮、生物碱等) 精制纯化等领域中应用越来 越多。刘健伟等对d 1 0 1 型( 非极性) 、h z 8 0 6 型( 中等极性) 和a b 8 型( 弱极性) 3 种大孔 吸附树脂进行了筛选，并对甘草中总黄酮分离纯化工艺进行了研究1 2 9 】；徐海南等研 究了7 种不同类型的大孔吸附树脂对射干总异黄酮的吸附特性，结果表明a b 8 型树脂 对射干总异黄酮吸附性能较好1 3 。陈勇等采用d m 4 0 1 型大孔吸附树脂对川射干异黄 酮的吸附特性进行研究，经大孔吸附树脂分离纯化后川射干异黄酮的含量为5 8 7 0 1 3 l 】。但由于毒性残留问题，此方法不适合本试验研究。 1 2 2 3 高效液相色谱法 高效液相色谱法( h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ，简称h p l c ) 具有分离 效率高、分析速度快、检测灵敏度高等特点，且适应于高沸点、大分子、强极性和 热稳定性差的化合物的分离分析【3 2 】。近年来，高效液相色谱法已经用于黄酮类化合 5 河北科技大学硕士学位论文 物的分离纯化以及定量和定性分析上【3 3 1 。 虽然高效液相色谱法较之柱色谱法和大孔树脂吸附法分离效果非常理想，但考 虑到其分离成本较高，其更多的是用于黄酮类化合物的定性检测、定量分析或少量 样品的制备等。 1 3 超滤技术研究进展 膜分离技术是一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术，已经成为工业上气体 分离、水溶液分离、化学产品和生化产品的分离与纯化的重要过程，广泛应用于食 品、化工、环保、医药等领域f 3 钾。超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，u n ，是膜分离科学的重要分 支，是以膜两侧的压力差为推动力、以膜孔的机械筛分原理为分离基础的溶液大分 子级别的分离过程。超滤用膜的孔径在o 0 5 脚一1n n l ，截留分子量范围从5 0 0 1 0 0 万左右，能截留溶液中的细菌、热源、病毒、胶体微粒、蛋白质和大分子物质，透 过溶剂及小分子溶质，实现溶液中大、小分子溶质的分离【3 5 】。与传统的分离方法相 比，超滤法显示出其独特的优势，正被越来越多的领域加以研究应用。 1 3 1 基本原理 超滤分离过程中不产生相变，这也是其广泛应用于食品、生物技术、化学和制 药等工业的主要原因。超滤过程在压力的作用下，料液中含有的溶剂及各种小的溶 质从高压料液侧透过超滤膜到达低压侧，从而得到透过液或称为超滤液。而尺寸比 膜孔径大的溶质分子被膜截流成为浓缩液。溶质在被膜截流的过程中有以下几种作 用方式阳：在膜的表面截流；在膜的表面及微孔吸附；膜孔的堵塞。 1 3 2 超滤膜性能表征 1 3 2 1 浓差极化 浓差极化是膜表面局部浓度增加引起边界层流体阻力增加，导致传质推动力下 降的现象1 3 7 1 。超滤时，由于筛分作用，料液中的部分大分子溶质会被膜截流，溶剂 及小分子溶质则能自由地透过膜，从而表现出超滤膜的选择性。被截流的溶质在膜 表面处积聚，其浓度会逐渐升高，在浓度梯度的作用下，接近膜面的溶质又以相反 方向向料液主体扩散，平衡状态时膜表面形成一溶质浓度分布边界层，对溶剂等小 分子物质的运动起阻碍作用。界面上比主体溶液浓度高的区域就是浓差极化层。这 种影响具有可逆性，可通过降低料液浓度或改善膜面附近料液侧的流体力学条件， 如提高流速、采用湍流促进器和设计合理的流道结构等方法，来减小浓差极化的影 响。 1 3 2 2 渗透速率 渗透速率用来表征超滤膜过滤料液的速率，它是膜性能的重要指标。而渗透速 6 第】章绪论 率又分为纯水渗透速率和溶液渗透速率，纯水渗透速率可用于膜的性能指标的标定。 1 3 2 3 截留分子量 超滤膜的代表性参数一般是指其截留分子量( m o l e c u l ew e i g h tc u t o f f ，m w c o ) ， 它不仅用来表示超滤膜的孔径而且可表征膜的分离特性【3 8 】。通常定义为超滤膜对某 标准物截留率达到9 0 时所对应的相对分子质量。 1 3 3 超滤传质机理 以压力为驱动力的超滤膜过程，膜通量受压力的影响通常分为三个阶段1 3 9 】。第 一阶段：低压区，超滤膜自身的机械阻力和膜污染的阻力占主导地位，膜通量随膜 两侧压差的增加呈直线上升趋势。在此过程中超滤膜的渗透通量小，浓差极化现象 可以忽略。第二段：中压区，浓差极化阻力占主导地位，膜通量与跨膜压差呈曲线 关系。第三段：高压区，膜表面开始形成凝胶层，随着膜面溶质量的增多，凝胶层 厚度逐渐增加，增加的压力很快为凝胶层阻力抵消，通量又恢复到原来的水平。达 到临界压力后，由于膜表面形成了凝胶层，凝胶层阻力占主导地位，膜通量与跨膜 压差无关。实际应用中应尽量避免凝胶层的形成。超滤膜的工作压力都应选择在中 压区，这样既能保证较高的膜通量，又能防止凝胶层的形成，过滤总阻力不致太高。 1 3 4 膜的污染与清洗 ? 膜污染是指进料液中的悬浮微粒、胶体粒子或溶质分子在与膜存在物理化学作 用而引起的各种粒子在膜表面或膜孔内吸附或沉积，造成膜孔减小甚至堵塞，导致 膜渗透通量下降和分离特性发生不可逆变化的现象。污染表现为膜通量随着操作时 间的延长而衰减且常伴随着溶质截流率的增加。 根据吸附作用和聚焦作用描述污染机理的观点i 删，其中吸附作用指膜和溶质间 的相互作用，由于料液和膜接触，所以吸附污染不可避免；聚焦作用指料液中溶质 问的相互作用凝胶、聚合、吸附等，也可以把膜污染理解为不同物质与膜之间的多 种复杂作用的结果。近年来，有些学者研究认为膜与溶质之间的作用对膜污染的影 响最大。几乎所有的溶质都会与膜进行作用，并且这些作用都会一定程度上影响膜 污染的进程。黄征青等总结了超滤膜的污染机理，给出了用吉布斯吸附方程和弗 雷德里希吸附方程表示的膜污染的吸附模型4 2 1 。 。 由于膜污染伴随着超滤过程；因此超滤进行到一定时间，膜的通量就会下降。 为了超滤过程得以正常进行，针对膜污染产生的原因，采用合适的清洗剂和合理得 清洗方法可以很好的清除膜污染物，恢复膜通量。常用的方法主要有物理清洗法和 化学清洗法。 一 吴光夏等用中空纤维膜处理药酒的研究表明，物理负压清洗方法优于反压清洗 和低压高流速清洗法【4 3 1 。杨国龙等通过超滤大豆蛋白膜的清洗试验得出稀表面活性 7 河北科技大学硕士学位论文 剂的碱溶液和稀酸液循环清洗超滤膜，能够较好的除去膜污染，恢复膜通量，膜通 量恢复率在9 0 以上l 删。 清洗的其他方法还有：利用脉冲电场去除聚合物膜表面的荷电颗粒试验中发现， 脉冲电场清洗方法，可有效的针对荷电膜，如果颗粒与膜表面的电势荷电相同时， 采用此法得到的膜通量是常规清沈方法膜通量的4 8 倍1 4 5 1 。利用超声波技术去除超滤 和微滤膜表面及膜孔内的污染物，在超声频率和强度达到一定的条件下，可使污染 物有效的去除【删。 1 4 微胶囊技术 1 4 1 微胶囊简介 在1 9 4 9 年，美国w i s c o n s i n 大学药学博士d e w u r s t e r 教授改进了药物的总包衣过 程，他采用一种巧妙的机械微胶囊化方法，将壁材喷在悬浮在空气中的微粒表面， 后来这一技术演变成现在大量使用的流化床制粒系统，广泛应用于食品的微胶囊加 工。2 0 世纪5 0 年代，美国n a t i o n a lc a s hr e g i s t e r 公司开展了化学记录材料和无色压敏 复写纸的研究开发，b k g g r e e n 在1 9 5 3 年发明了凝聚法微胶囊化的方法，解决了无色 染料的稳定性问题，首次将液体材料进行微胶囊包覆【4 7 】。 微胶囊技术是指利用天然或合成高分子材料，将分散的固体、液体，：甚至是气 体物质包裹起来，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子的技术。包裹的过程即为 微胶囊化。微胶囊化后可以实现许多目的【铝】：改善被包裹物质的物理性质( 颜色、外 观、表观密度、溶解性1 ；使物质免受环境的影响，提高物质的稳定性；屏蔽味道和 气味；降低物质毒性；将不相容的物质隔离；根据需要控制物质的释放等。 微胶囊化技术将被包埋物作为芯材，外面聚合物为壁壳的微容器或包装体。微 胶囊的大小为5 m 一2 0 0 肛m ，囊壁的厚度一般在0 2 胛至几微米内，在特定的条件 下，囊壁所包埋的组分可以在控制的速率下释放。在食品工业中，为了获得特殊的 胶囊化产品，关键就是要选择好具有该特性的壁材1 4 9 1 。目前在食品工业中最常用的 壁材为植物胶、阿拉伯胶、海藻酸钠、卡拉胶、琼脂等，其次是淀粉及其衍生物， 如各种类型的糊精、低聚糖。此外还有蛋白质类、油脂类等。 1 4 2 微胶囊化的方法 1 4 2 1 喷雾干燥法 喷雾干燥法以其操作灵活，成本低廉，具有良好的产品质量而成为食品工业中 应用最广泛的微胶囊化方法。喷雾干燥微胶囊化过程，首先是制备芯材和壁材的混 合乳化液，然后将乳化液在干燥器内进行喷雾干燥而成。壁材在遇热时形成一种网 状结构，起着筛分作用，水或其它溶剂等小分子物质因热蒸发而透过“网孔”顺利 8 第1 章绪论 的移出，分子较大的芯材滞留在“网，内，使微胶囊颗粒成型。芯材通常是香料等 风味物质和油类，壁材常选用明胶、阿拉伯胶、变性淀粉、蛋白质、纤维酯等食品 级胶体l 州j o 一 1 4 2 2 喷雾冷却法 喷雾冷却法是从喷雾干燥法发展起来的，其操作过程和喷雾干燥法相似，只是 喷雾冷却法是将已加热熔融的壁材迅速降温凝固。喷雾冷却法中，典型的壁材有氢 化植物油、脂肪酸酯、脂肪醇、单和双甘油酸酯等。其中，单和双甘油酸酯可增强 微胶囊的分散度，有利于新物系的形成1 5 1 】。应用喷雾冷却法可包埋硫酸亚铁、酸类、 维生素类、风味物质等食品添加剂及其它敏感性物质和一些不溶于一般溶剂的物质， 利用该产品对水溶性风味物质的缓释有保护作用，可用于焙烤食品、固体汤料和高 级脂肪中。 1 4 2 3 空气悬浮法 、 空气悬浮法又称硫化床法或喷雾包衣法，其工作原理是将芯材颗粒置于硫化床 中，冲入空气使芯材随气流做循环运动，溶解或熔融的壁材通过喷头雾化，喷洒在 悬浮上升的芯材颗粒上，并沉积于其表面。这样经过反复多次的循环，芯材颗粒表 面可以包上厚度适中且均匀的壁材层，从而达到微胶囊化目的【5 2 】。 1 4 2 4 凝聚法 凝聚法又称相分离法，其形成过程一般可分为3 个阶段，即凝聚相的形成、壁 膜的沉积、壁膜的固化。凝聚相是在芯材和壁材的混合物中加入另一种物质，或将 壁材的溶解度降低，从混合液中凝聚而产生的一种新的相【5 3 1 。壁膜沉积过程是壁材 凝聚出来附着在芯材表面，形成包裹层，壁膜形成后通过加热、交联、去除溶剂等 使壁膜进一步固化，最后完成整个微胶囊化过程。 、 1 4 2 5 挤压法 挤压法是一种比较新的微胶囊技术，特别适用于包埋各种风味物质、香料、维 生素和色素等热敏感性物质，因为其处理过程采用低温方式。流程为先将芯材分散 到熔融的碳水化合物中，然后将混合液装入密封容器，在压穿台上利用压力作用压 迫混合液通过一组膜孔而呈丝状液，挤入吸水剂中。当丝状混合液与吸水剂接触后， 液状的壁材会脱水、硬化，将芯材包裹在里面成为丝状固体，尔后将丝状固体打碎 并从液体中分离出来，干燥而成1 5 4 | 。 1 4 2 6 包接络合法 包接络合法又称分子包埋法【5 5 j ，利用具有特殊分子结构的壁材进行包埋而成。 如常用的b 环糊精进行分子包埋取得了令人满意的效果。b 环糊精是由7 个毗喃型 葡萄糖分子以a 1 ，4 糖苷键连接成环状化合物，其外形成圆台状，亲水性基团分布在 表面而形成亲水区，内部的中空部位则分布着疏水性集团( 疏水中心) ，疏水中心可与 9 河北科技大学硕十学位论文 许多物质形成包接络合物将外来分子置于中心部位而完成包埋过程。 1 4 3 微胶囊在食品中的应用 1 4 3 1 油脂的微胶囊化 油脂是人们日常生活和食品加工的重要物质，但油脂易氧化变质，氧化后的油 脂会产生不良风味，并引起机体的氧化，从而引发癌症和人体衰老。另外，油脂的 流动性差，给调料和汤料在包装和食用时带来很大不便。经微胶囊化处理后，可将 油脂制成固体粉末油脂。 新西兰的j i a h o n gs u 等用大豆油以及聚蓖麻油酸甘油酯与酪蛋白酸钠单独或共 同使用制备初步的油包水乳液，再用酪蛋白酸钠作为乳化剂制备成水包油包水双重 乳液，包埋率高于9 0 ，同时还表明聚蓖麻油酸甘油酯与酪蛋白酸钠存在协同效应， 因此可以适当减低乳化剂的浓度【5 6 】。s t e p h a nd r u s c h 等选用粘度不同的两种淀粉分别 对鱼油进行包埋，结果表明，在含油量5 0 时，较低粘度的淀粉表面油含量较低旧。 1 4 3 2 香料香精的微胶囊化 在食品贮藏过程中，为防止香味的挥发和与其他物质反应并对热和潮湿敏感， 应用微胶囊化和控释技术使香味在食品中能长期保存。如在口香糖、咖啡香料、蒜 味香料组分、橙油等生产中，可提高产品香料含量，延长释放时间，有利于包囊香 料的贮存，防止氧化。 t h c v c n c tf 等人研制的柑橘微胶囊，r o s c n b e r gm 研制的醋酸胶囊，他们均采甩 阿拉伯胶为壁材。现在多数研究者以碳水化合物、胶类及蛋白质类物质的混合物为 壁材，这样既可以降低成本，又保证了成膜效果好、包埋率高【5 8 1 。谢良等研究了茵 香油喷雾干燥微胶囊化的工艺【5 9 】，通过研究大豆分离蛋白与麦芽糊精之比和黄原胶 用量对微胶囊化效率和产率的影响，以及这几种材料对乳化体系的影响，从而确定 最佳的工艺条件。 1 4 3 3 微胶囊在饮料方面的应用 微胶囊技术在饮料方面的应用主要包括茶饮料、果汁、蔬菜汁及果蔬汁饮料、 固体饮料及其他饮料保健饮料、酒等。 2 0 0 3 年浙江大学梁靖等，用不同浓度的b 环糊精研究对绿茶饮料香气的影响， 结果表明，香气的种类变化不大，但香气总量却有增加，尤其是高沸点的香气比重 增加，认为在绿茶饮料加工中，可利用b 环糊精的包络作用，防止香气的挥发和损 失，达到保香增香的目的i 鲫。 1 4 3 4 在甜味剂、防腐剂和抗氧化剂方面的应用 阿斯巴甜作为一种广泛应用的甜味剂，通常将其以微胶囊的形式包裹在脂肪、 油、淀粉等材料内，以防因水、高温等而带来的甜味丧失。为防止食品污染，可将 1 0 第1 章绪论 柠檬酸、抗坏血酸、乳酸等胶囊化，作为杀菌剂，可起到食品防腐作用1 6 1 】一茶多酚 是一种天然的食品抗氧化剂，但茶多酚易溶于水，难溶于油。通过微胶囊技术既提 高了茶多酚的稳定性，以免遭外界因素的破坏，又使其适用于油溶性食品的抗氧化， 扩大其使用范围。 美国s a n d h u 等研究者申请的专利中用可食性聚合膜包埋b h a ，制得b h a 凝 胶粒，该凝胶粒在油与脂肪中熔化后能释放出b h a ，达到抗氧化效果。1 9 8 9 年在英 国举行的第六届食品与农业研究发展会上，y w e r n e r 对b h a 在8 环糊精水溶液 中能进行包埋进行了研究，用一个模型讨论了包埋后是如何影响抗氧化的作用的， 得出对b h a 微胶囊化用b 环糊精作壁材是有效的和有益的结论【6 2 】。 1 4 3 5 微胶囊在糖果方面的应用 在糖果生产中，用环糊精包埋胡萝卜素、核黄素、叶绿素、甜菜红等，对糖果 进行调色，经日光照射不褪色。营养素经包埋后加入糖果中，可强化糖果营养，产 品亦不会产生风味劣变、氧化酸败，并能延长保质期。香精经包埋后加入糖果中， 其挥发性、热分解和氧化作用显著减慢。在果汁奶糖的生产中，将果汁包埋后再加 入奶粉、炼乳中制成奶糖，可防止果汁中的单宁、有机酸等成分与奶中蛋白质反应 而变性和降低营养价值，并能改善产品品质，提高人体对蛋白质的吸收率。 1 4 3 6 微胶囊在乳制品中的应用 在乳品生产中，应用微胶囊技术，可生产各种风味奶制品，如可乐奶粉、果昧 奶粉、姜汁奶粉、发泡奶粉、啤酒奶粉t 粉末乳酒及膨化乳制品等。将大麦芽、啤 酒花、酸味剂、香精以一定比例混合包埋后再与奶粉、碳酸氢钠等以一定比例混合 后干燥、包装，制得保健啤