胡萝卜素的提取

胡萝卜素的提取分离研究 胡萝卜素的提取摘要：胡萝卜素是安全的、无毒的天然色素，在生物食品等领域均有展应用。胡萝卜素的提取工艺众多，工艺各有特点。简要介绍了溶剂提取法提取胡萝卜素，柱色谱分离胡萝卜素，薄层色谱法检验分离效果的方法。学习柱色谱法、薄层色谱法的原理及其方法。掌握从胡萝卜中分离提纯胡萝卜素的原理和方法。学会用色谱法从胡萝卜中提取胡萝卜素并鉴定之。关键词：胡萝卜素 提取 分离引言： 胡萝卜是传统蔬菜和食用天然胡萝卜素的重要来源。胡萝卜素是500多种类胡萝卜素的一种。是橘黄色脂溶性化合物，它是一种重要的食用天然色素和营养强化剂，易溶于许多有机溶剂，如：乙酸乙酯、氯仿。几乎不溶于丙二醇、甘油、酸和碱不溶于水。胡萝卜素是一种非常安全的、无任何毒副作用的营养元素，具有解毒作用。是维护人体健康不可缺少的营养素。在抗癌、预防心血管疾病、白内障及抗氧化方面有显著的功能，可预防因老化引起的多种退化性疾病。另外，胡萝卜素在食品工业中的应用也日益广泛。 胡萝卜中含有丰富的胡萝卜素，是胡萝卜素含量最高的蔬菜之一。本文以胡萝卜为原料，采用色谱分离的方法研究了胡萝卜素的提取。正文 1.1胡萝卜中的成分 每100克胡萝卜中，约含蛋白质0.6克，脂肪0.3克，糖7.68.3克，铁0.6毫克，维生素A（胡萝卜素）1.3517.25毫克，维生素B1 0.020.04毫克，维生素B2 0.040.05毫克，维生素C12毫克，热量150.7千焦，另含果胶、淀粉、无机盐和多种氨基酸。各类品种中尤以深橘红色胡萝卜素含量最高，各种胡萝卜所含能量在79.5千焦1339.8千焦之间。胡萝卜是一种质脆味美、营养丰富的家常蔬菜，素有“小人参”之称。胡萝卜富含糖类、脂肪、挥发油、胡萝卜素、维生素A、维生素B1、维生素B2、花青素、钙、铁等人体所需的营养成分。 1.2 胡萝卜素的性质 分子式，其分子式为 C40H56，紫红或暗红色的结晶性粉末。不溶于水，微溶于乙醇和乙醚，易溶于氯仿苯和油。熔点176180。在动物体内可转变为维生素A的物质称为前维生素A（Provitamin A）。其代表性物质就是胡萝卜素，胡萝卜素分为-、-、-三种异构体。其中胡萝卜素比较稳定，效力也强。 1.3 胡萝卜素的制备方法 可通过化学合成，植物提取和微生物发酵3种方法生产，根据生产方式不同分为化学合成胡萝卜素和天然胡萝卜素两大类。本实验是从胡萝卜中提取天然胡萝卜素。而提取的方法可选择色谱法。因为色谱法是分离、纯化和鉴定有机化合物的重要方法之一。具有极其广泛的用途。色谱法的基本原理是利用混合物中各组分在某一物质中的吸附或溶解性能（即分配）的不同，或其他亲和作用性能的差异，使混合物的溶液流经该物质， 进行反复的吸附或分配等作用，从而将各组分开。流动的混合物溶液称为流动相，固定的物质称为固定相（可以是固体或液体）。2实验方法的选择 2.1 实验方法 胡萝卜素的提取技术1：目前，用于得到胡萝卜素的方法有天然物萃取法、超临界流体 CO2萃取，微波提取法及复合酶处理提取法等。 2.1.1天然物萃取法 从天然植物原料或者植物原料经加工处理后的下脚料中，采用有机溶剂（如石油醚、氯仿、丙酮、乙醚、乙醇等）萃取胡萝卜素的一种方法。 自然界含有丰富的生物资源，每年能产生总量达百万吨的胡萝卜素，但是它在生物体内的含量并不高，一般仅占干重的 0.2%左右。 目前，从天然植物中提取-胡萝卜素的技术主要有有机溶剂提取技术。常用有机溶剂为甲醇、无水乙醇、无水乙醚、石油醚、丙酮及石油醚丙酮。但大量的有机溶剂的使用会带来不同程度的污染，且不易回收。 2.1.2超临界流体 CO2萃取 超临界流体 CO2萃取胡萝卜素可以大大提高其产率。具有萃取效率高，速度快，无污染，工艺简单，萃取物色味纯正等优点据报道，在萃取过程中，压力越高收率越高，压力较小时，提高压力对提高收率影响很大，压力较大时，提高压力收率增加有限；温度越高收率越高，因此采用超临界二氧化碳萃取胡萝卜素时，适宜的操作条件为：压力 3035MPa 温度 2040，CO2的流量为 2025kg/g 。但利用该设备生产胡萝卜素，成本高，对于大规模工业化生产不太适宜。 2.1.3 微波提取法 微波提取技术是目前用于食品和中药有效成分提取的一项新技术。微波用于生物原料萃取时。微波的高频电磁波穿透萃取煤质，达到被萃取物料的内部，并迅速转化为热能，使细胞内部温度快速上升。当细胞内部压力超过细胞壁承受能力时，细胞破裂。细胞内有效成分流出，在较低的温度溶解于萃取煤质，再通过过滤和分离，便获得萃取物。 2.1.4 复合酶处理提取法 酶法提取-胡萝卜素目前的研究主要是提高果汁饮料中-胡萝卜素的含量。复合酶处理提取法即利用酶的破坏细胞壁作用，使结合状态的-胡萝卜素游离出来，在此基础上再加工成饮料或其它食品其营养价值将会大大提高。 2.2实验原理 溶剂提取法是提取-胡萝卜素最常用的方法，且所需仪器少，故选用此法。溶剂选择1:1丙酮：石油醚（v/v)。原因如下：当组织中含有大量的水时, 水溶性的萃取试剂如丙酮、甲醇等, 可以使组织有效地干燥脱水, 随后, 色素便可高效地萃取出来2。 柱层析法是将固定相装在一金属或玻璃柱中，或是将固定相附着在毛细管内壁上做成色谱柱，试样从柱头到柱尾沿一个方向移动而进行分离的方法。胡晓丹等在提取金盏菊花中的类胡萝卜素过程中，采用氧化镁、氧化铝和层析硅胶三种玻璃层析柱，以石油醚浸润，类胡萝卜素粗提液通过层析柱后，将洗脱液用薄层色谱法评价三种填充料的纯化效果，数据显示氧化镁纯化效果最优。Cristiane H等应用活化的氧化镁 / 硅藻土（质量比 11）填充柱纯化- 胡萝卜素、叶黄素、新黄素和紫黄质等几种类胡萝卜素，以便于高效液相色谱测。柱层析法一般用于类胡萝卜素的粗提取，对单体颗粒以及直径大小要求不严格，目前此种方法在国内外应用比较广泛。本次实验用的填充剂为中性硅胶4。红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。本次实验采用红外光谱对提取物进行鉴定。3.实验材料和方法 3.1 实验材料 新鲜胡萝卜 3.2仪器和试剂 仪器 :三角瓶（50ml）、分液漏斗（150ml）、烧杯，研钵，蒸馏瓶（ 50ml）、普通蒸馏装置（或减压蒸馏装置）、漏斗、旋转蒸发仪，柱接收瓶，色谱柱、硅胶薄层板、量筒、层析缸。 试剂 :胡萝卜、丙酮、石油醚 （bp3060）、硅胶（层析用，200300目）、无水硫酸钠、石油醚（ bp6090）、丙酮：石油醚（1：9）（V/V）。4.实验内容 4.1 胡萝卜素的提取 （1）将新鲜胡萝卜洗净、擦干 ,切去尾部，切碎到胡萝卜为1mm的小块时，称取碎鲜胡萝卜200g及2g食盐于小研钵中,进行研磨操作时，研钵应放在不易滑动的物体上，研杵应保持垂直。大块的固体只能先压碎再研磨，不能用研杵直接捣碎，否则会损坏研钵、研杵或将固体溅出。研碎。（2）将研成泥状的胡萝卜用玻璃漏斗转移至500mL平底烧瓶中，配好1:1丙酮：石油醚（v/v)共300ml，取少量清洗研钵，重复三次，将液体转移到平底烧瓶中，玻璃漏斗同样洗涤三次，将剩下的溶剂全部转移到圆底烧瓶中，封口，冷浸一周。 4.2.浸出液与滤渣的分离 将过滤器清洗干净（不锈钢过滤器用蒸馏水刷洗即可，玻璃过滤器在不加滤膜的情况下，用正己烷或石油醚进行过滤操作，再用蒸馏水过滤冲洗干净），将润湿的滤纸放在滤膜支撑网或玻璃砂芯滤器中间，用过滤漏斗压住滤纸，将阳极化铝弹簧夹夹住上下法兰边，接通真空泵电源，按下电源开关，这时应有气泵的运转声音，用手轻触气泵上的抽气口应感到抽气效果，看压力表显示正常，说明真空泵运转正常，关闭电源，将减压器的调压旋钮完全打开，将过滤器和真空泵用橡胶管连接好，将胡萝卜和浸出液混合物倒入滤杯内，注意不要太满，按下电源开关，调整减压器的调压旋钮，使达到所需要的真空压力，即可开始工作，用溶剂清洗平底烧瓶和滤杯中的滤渣，重复三次。关闭电源开关、打开减压器的调压旋钮待过滤器内恢复为常压时（即压力表归零），再将泵与过滤器的连接导管分离，使用后，将滤纸取出，丢掉。 4.3.胡萝卜素的洗涤 分液漏斗在使用前要将漏斗颈上的旋塞芯取出，涂上凡士林，但不可太多，以免阻塞流液孔。将分液漏斗插入塞槽内转动使油膜均匀透明，且转动自如。然后关闭旋塞，往漏斗内注水，检查旋塞处是否漏水，不漏水的分液漏斗方可使用。将洗瓶中收集到的滤液转移到分液漏斗中，用饱和食盐水洗涤，振摇分液漏斗后，将分液漏斗放在铁架台上，下面放一个烧杯收集流出液。静置分层后，流出水层及水乳层，重复上述操作两次，用饱和食盐水洗涤，静置，分层，流出下层液体。有机溶剂层从上口倒出到烧杯中，收集。再向收集了下层液体的烧杯中加入20ml石油醚，反萃两次，得到的有机溶剂与之前收集到的有机溶剂混合，得到了胡萝卜素的提取液。 4.4.胡萝卜素的浓缩 将收集的液体用旋转蒸发仪回收溶剂，将250ml旋蒸瓶称重，待溶剂还剩100ml时，换250ml的旋蒸瓶继续蒸干，称重。 4.5.胡萝卜素的柱层析 硅胶柱层析的分离原理是根据物质在硅胶上的吸附力不同而得到分离，一般情况下极性较大的物质易被硅胶吸附，极性较弱的物质不易被硅胶吸附，整个层析过程即是吸附、解吸、再吸附、再解吸过程因成分的极性不同而分离的方法。（1）装柱：取一根层析柱，用镊子取少许脱脂棉放于干净的色谱柱底部，轻轻塞紧。在柱子上口放一个干燥的玻璃漏斗，通过玻璃漏斗缓慢的加入中性层析硅胶，加到柱高的1/2处,用洗耳球轻轻拍打柱身,使装填紧密,如填充的硅胶由于拍打后高度不够,可以继续加入硅胶,至硅胶界面不再下降为止，再在上面加一层脱脂棉,压平。（2）淋洗：打开活塞，刚开始用胶头滴管沿柱四周缓慢加入石油醚，至石油醚溶液下降到棉花下1cm处后，通过漏斗倒入石油醚，加压，直至有石油醚流出。（3）上样：将旋蒸瓶中的膏状物转移到烧杯中，用5ml石油醚溶解，用胶头滴管沿柱四周缓慢加入胡萝卜提取液，直至样品完全加入，用1ml洗涤烧杯两次，重复上面的加样方法。（4）洗脱：至样品溶液全部下降到硅胶表面下1cm处后，用石油醚（bp6090）：丙酮=9:1（v/v)作洗脱剂进行洗脱，加压，调节活塞控制洗脱速度1滴/s ,每2ml收集一份样品液，给收集液体的接收瓶按收集顺序贴上标签。 4.6.胡萝卜素的红外光谱 红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版，可将这些图谱贮存在计算机中，用以对比和检索，进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。5.胡萝卜素的提取流程图胡萝卜预处理将新鲜胡萝卜洗净、擦干 ,切去尾部，切碎。称取碎鲜胡萝卜200g于小研钵中 ,研碎。碎胡萝卜移至500mL圆底烧瓶中，用1:1丙酮：石油醚（v/v)冷浸一周。冷浸抽滤用真空泵抽滤，最后一次抽滤需用10ml石油醚洗涤滤渣。将滤液转移到分液漏斗中，用饱和食盐水洗涤，分液，收集上层液体，下层液体返萃后同样收集上层液体。萃取 将收集的液体用旋转蒸发仪回收溶剂，待溶剂还剩100ml时，换小的旋蒸瓶继续蒸干，称重。浓缩将旋蒸瓶中的膏状物转移到烧杯中，用5ml石油醚溶解，用镊子取少许脱脂棉放于干净的色谱柱底部，轻轻塞紧，加入层析硅胶至1/2处,再在上面加一层脱脂棉,压平。加入样品后，用洗脱剂洗脱。硅胶柱层析红外光谱 6.实验装置图 7.数据记录表表一 胡萝卜的提取率数据表样品名称质量烧杯重量m1127.2g新鲜胡萝卜+烧杯重m2327.6g旋转蒸发仪配瓶重m3142.177g浓缩后胡萝卜素+旋转蒸发仪配瓶重m4142.278g表二 测胡萝卜含水量样品名称质量新鲜胡萝卜重22.48g干燥后的胡萝卜重第一次2.127g干燥后的胡萝卜重第二次2.108g干燥后的胡萝卜重第三次2.108g8.数据处理 8.1测定提取率称取的新鲜胡萝卜重量为:m2-m1 即：327.2-127.2=200.4g浓缩后胡萝卜素的重量：m4-m3 即：142.278-142.177=0.101g测含水量 新鲜胡萝卜重：22.48g干燥后胡萝卜的重量不再变化，可认为已达恒重，此时胡萝卜的重量为：2.108g胡萝卜的干重占湿重的百分比：胡萝卜干重/胡萝卜湿重 即：2.108/22.48=9.38%胡萝卜胡萝卜素的含量为(以干重算): 0.101/(200.49.38%)=5.37% 表三 实验结果表样品量浓缩量干重/湿重提取率200.4g0.101g9.38%5.37% 8.2红外光谱法鉴定胡萝卜素 如图所示，2923cm-1与2853cm-1附近的强吸收峰为-CH3和-CH2-中饱和C-H键伸缩振动吸收峰；由于胡萝卜素为红外飞对称结构，分子链中11个C=C的吸收峰非常弱，在上图中表现为1600cm-1-1680cm-1处的弱吸收峰谱带；1461cm-1处的中等强度处吸收峰为-CH3的反对称弯曲振动和-CH2-对称弯曲振动吸收带的重叠谱带；1376cm-1处的中等强度吸收峰为-CH3的对称弯曲振动产生；965cm-1处的较强吸收峰为反式碳碳双键上的C-H的面外弯曲振动吸收峰。9.结论 通过此次实验，证实了混合用有机溶剂冷浸法提取胡萝卜是可行的。结果表明, 当组织中含有大量的水时, 水溶性的萃取试剂如丙酮、甲醇等, 可以使组织有效地干燥脱水, 随后, 色素便可高效地萃取出来。在分离过程中，可以看到颜色不一的色谱带，说明柱层析法分离胡萝卜素是有效的。在柱层析中能看到颜色不一的色谱带，后来有一些扩散，说明装柱的好坏与胡萝卜提取物中各