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完整版玉米皮色素的提取及其稳定性研究本科生毕业设计40设计41
黑龙江东方学院
本科生毕业论文(设计)
玉米皮色素的提取及其稳定性研究
玉米皮色素的提取及其稳定性研究
摘要
以生产玉米淀粉的副产品玉米皮为原料,利用超声提取方法,在单因素实验的基础上,采用正交实验确定了玉米皮色素提取的最佳工艺条件为:
提取溶剂为85%乙醇、提取温度为40℃、超声时间为50min、超声频率为45KHz,超声功率为100KW,料液比为1∶8、溶液pH值为6.50,在此条件下玉米皮色素的提取率可达8.30%,色素颜色为黄色。
通过对玉米皮色素的稳定性的研究,确定了玉米皮色素水溶性较好;色素溶液对光、热比较稳定;在酸碱、金属离子、氧化剂、蔗糖等添加剂中具有较好的稳定性;但在还原剂、苯甲酸钠等添加剂中稳定性较差。
关键词:
玉米皮色素;提取;超声波;稳定性
StudyontheExtrationandStabilityofCornBran
Abstract
Thecornbranfromby-productofcornstarchproducedwasusedtheasrawmaterials.Adoptingultrasoundextractionmethod,onthebasisofsingleexperiment,theoptimumextractiontechnologicalconditionsaccordingtoorthogonaltestswereasfolliws:
85%ethanol,extractingtemperature40℃,ultrasoundtime50min,ultrasonicfrequency45KHz,ultrasonicpower100KW,theratioofsolutiontosolid1∶8,pHvalue6.50.Theextractionratecanreachupto8.30%.Thepigmentcolorwasyellow.
Throughstudingofthestability,water-solubilityofcornbranpigmentwasbetter.Cornbranpigmentwasstablewithlightandheat.Itshowsthatthepigmentwasstableinacidicandalkalineconditions、oxidant、sugarandetal.Butthestabilityinreducingagentandsodiumbenzoatewaspoor.
Keywords:
CornBran;extraction;ultrasound;stability
目 录
摘要i
Abstractii
1绪论1
1.1玉米皮色素的主要成分及其原料资源状况1
1.1.1玉米皮色素的主要成分1
1.1.2玉米皮色素生产的原料资源1
1.2玉米皮色素的功能及其应用2
1.3玉米皮色素的提取方法3
1.3.1溶剂提取法3
1.3.2酶法提取3
1.3.3超临界流体萃取法4
1.3.4微波萃取法4
1.3.5超声波技术辅助萃取法4
1.3.6分子蒸馏技术4
1.4玉米皮色素的稳定性的研究5
1.5研究的目的与意义5
2试验部分6
2.1试验仪器6
2.2试验材料6
2.2.1试验原料6
2.2.2试验试剂6
2.3试验方法7
2.3.1原料及其处理7
2.3.2玉米皮色素溶液最大吸收波长的测定7
2.3.3玉米皮色素提取方法的选择7
2.3.4玉米皮色素提取的单因素实验7
2.3.5玉米皮色素提取的正交实验8
2.3.6玉米皮色素稳定性的研究9
3结果与讨论11
3.1玉米皮色素溶液最大吸收波长的确定11
3.2玉米色素提取方法的确定11
3.3玉米色素提取方法的单因素实验结果12
3.3.1提取溶剂的确定12
3.3.2乙醇浓度的确定12
3.3.3料液比的确定13
3.3.4提取温度的确定13
3.3.5提取时间的确定14
3.3.6提取pH值的确定14
3.4玉米皮色素最佳提取工艺条件的确定15
3.5验证实验16
3.6玉米皮色素稳定性的确定16
3.6.1不同pH对色素稳定性的影响16
3.6.2常见食品添加剂对色素稳定性的影响17
3.6.3金属离子对色素稳定性的影响18
3.6.4玉米皮色素的耐氧化性和耐还原性18
3.6.5玉米皮色素的耐热性和耐光性19
结论20
参考文献21
致谢23
1绪论
1.1玉米皮色素的主要成分及其原料资源状况
1.1.1玉米皮色素的主要成分
玉米皮色素是一种可以从玉米皮中提取的利用价值较高的天然食用色素。
玉米皮色素属于类胡萝卜素,是以β-胡萝卜素、玉米黄质(3,3-二羟基-β-胡萝卜素)、隐黄素(3-羟基-β-胡萝卜素)、叶黄素(3,3-二羟基-α-胡萝卜素)为主要成分的类胡萝卜素的混合物[1]。
1.1.2玉米皮色素生产的原料资源
玉米皮色素主要来源于农作物玉米深加工的下脚料—玉米皮。
玉米资源十分丰富,是世界上重要的谷类作物。
1998年开始玉米总产量已经超过稻谷和小麦,居世界首位。
世界玉米种植面积增长迅速。
80年代种植面积12954万公顷,90年代种植面积达到13618万公顷,增加了5.1%。
20年来,玉米种植面积增长最多的国家主要有中国,面积增加24.4%;泰国,面积增加20.1%;巴西,增长13.9%;墨西哥,面积增加7.4%;美国,面积增加6.3%[2]。
我国的玉米深加工的前景十分广阔。
玉米深加工企业主要分布的产区,以山东、吉林为主。
据统计,2007年山东省的玉米深加工企业玉米转化能力达到1500万吨,实际转化玉米超过1000万吨[3]。
吉林省的玉米深加工企业加工能力超过1200万吨,实际转化玉米850万吨左右。
两省不但有众多的中小型玉米深加工企业,而且都有几家年加工能力超过100万吨的企业。
如长春大成实业集团有限公司的年玉米加工能力超过了200万吨,吉林燃料乙醇的年玉米加工能力超过了150万吨。
山东西王集团的年玉米加工能力超过了150万吨[4]。
从其他省份来看,黑龙江省玉米深加工企业近年来发展迅速,其玉米加工能力约为650万吨。
辽宁省的玉米深加工企业发展较晚,上规模的不多,全省年玉米加工能力在320万吨左右。
河北省的玉米深加工能力在400万吨左右等等,这都为玉米皮色素生产提供丰富的原料。
随着人们对“回归自然”的呼声日益高涨,以及科学研究对天然食用色素生理活性的逐步发掘,天然食用色素在国际市场上销售额的年增长率一直保持在10%以上。
天然食用色素的市场巨大,需求量逐年上升,各国竞相开发生产,但目前我国天然食用
色素的开发生产远不能满足现代工业发展的需要。
我国幅员辽阔,位处寒、温、亚热、热带地区,生物资源丰富,种类繁多,而且许多品种产地集中,特别是玉米等农产品更是随处可见,为我国玉米皮色素的开发生产提供了丰富的原料。
我国应抓住机遇,立足国内市场,开拓国际市场,充分利用资源优势。
利用玉米开发深加工产品,具有成本低,来源丰富和价格低廉的特点。
其中功能性食品或肽类药物是纯天然的无毒副作用,迎合了当今消费者心理,而且我国人口众多,相对需要量也多。
可以预见,开发高附加值的玉米深加工产品的市场是可观的,它必将为企业带来巨大经济效益,前景十分广阔。
1.2玉米皮色素的功能及其应用
近年来,有关玉米皮色素功能研究越来越引起人们的关注,主要集中在有关玉米皮色素与眼部疾病、心脏疾病和癌症的关系上,同时对其抗氧化性质也颇感兴趣。
流行病学研究显示,摄入富含类胡萝卜素的蔬菜与癌症的发生呈负关系,多摄入富含类胡萝卜素食物可增进健康,降低患癌症、心血管疾病、眼部疾病和白内障等危险。
维生素对眼睛的重要性人所共知,最近又发现其它维生素、类胡萝卜素和微量元素对眼部营养也十分重要,如玉米黄质和叶黄素对眼睛也有保护作用。
研究显示摄入较多玉米黄质、叶黄素和维生素可防患眼部黄斑退化。
krinsky讨论玉米黄质和叶黄素对视网膜的保护作用,研究它们作为光过滤器的作用和抗氧化活性,及在饮食中增加玉米黄质和叶黄素摄入后使眼部黄斑色素增加[5]。
Mares和Perlman等人综述玉米黄质和叶黄素对健康的益处,认为增加这些类胡萝卜素的摄入将使人体器官中(特别是眼睛)这类物质的浓度上升,因而能够降低患慢性疾病(包括白内障、癌症和心脏病等)风险[5]。
Jewell认为食物中叶黄素和玉米黄质对眼部代谢和功能有直接的影响,叶黄素和玉米黄质能够选择性地在眼部黄斑积累,并提供黄斑色素。
关于玉米黄质和叶黄素的作用机理,推测叶黄素和玉米黄质可清除由于紫外线产生单分子氧对眼睛造成损害。
已经证实叶黄素和玉米黄质是视网膜黄斑区域中唯一存在的类胡萝卜。
在饮食中摄取的叶黄素和玉米黄质可影响黄斑色素密度,使黄斑色素水平较高,降低患老年性眼部黄斑退化可能性,也降低老年性失明危险[5]。
1995年Ariehlevy等研究发现,类胡萝卜素在生物机体的抗氧化防御机制中具有重要作用。
有人认为,细胞缺氧是癌症发生的基本原因之一,因此类胡萝卜素的抗癌作用可用抗氧化作用和缺氧的调节作用来解释。
玉米皮色素的抗氧化机理在于它作为类胡萝卜素所具有的共轭不饱和双键的特性,这一特性使之具有较强与氧反应的能力。
因此,绝大部分类胡萝卜素都是单线态氧及自由基的清除剂,可以与氧以及由于亚油酸氧化而产生的自由基快速反应,阻止了脂质过氧化反应的链式传递,中断过氧化的链式反应。
姚艾东[6]等对玉米皮色素的抗氧化能力进行了测定,并与常用的合成抗氧化剂BHT进行了比较。
结果表明,经氧处理后40min以内,加有玉米皮色素的样品中β-胡萝卜素的光密度下降较少,总体上讲与BHT的抗氧化能力相似,显然,玉米皮色素作为天然营养的添加剂完全可以替代抗氧剂BHT在食品中广泛应用[7]。
玉米皮色素为油溶性色素,可用于人造黄油、人造奶油、糖果、冰淇淋等食品中,其着色效果良好,色泽鲜明,无异味,口感好,产品质量稳定;同时它也是一种具有营养价值的天然食用色素,正在逐渐取代柠檬黄、日落黄等合成色素,是人体所必需的一类化合物,食用后在人体内转化成为维生素A,具有保护视力,促进人体生长发育和提高免疫力的作用。
研究发现,玉米皮色素能够预防癌症,因此,在食品、饮料、医药行业有着广泛的应用前景[8]。
1.3玉米皮色素的提取方法
1.3.1溶剂提取法
最常用的溶剂提取法是根据原料中被提取成分的极性和共存杂质的理化特性的不同,遵循相似相溶原理,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。
我们大部分的色素提取采用都是以溶剂提取为基础的提取方法,例如:
易筱筠[9]等发表的有关溶剂萃取技术的述评,概括介绍了我国现阶段的溶剂萃取技术;杜高英[10]等采用浸提法从黄玉米中提取天然色素玉米黄,通过大量的实验,初步设计出了成品色素生产的工艺流程;彭子模[11]用研磨和浸提法处理玉米淀粉饼渣,蒸馏色素浸提混合液,回收提取液,用不同比例的混合试剂提取以选择最佳方法。
结果发现以石油醚∶乙醇=3∶2和丙酮∶乙醇=3∶2提取液效果最佳,色素产率高,色质好,提取溶剂回收率升高。
1.3.2酶法提取
植物色素往往被包裹在细胞壁内,而大部分植物的细胞壁由纤维素构成。
在提取植物成分前先用纤维素酶可以破坏β-D-葡萄糖苷键,使植物细胞壁破坏,再进行活性成分的提取,可提高提取率。
赵功玲[12]等研究了外加果胶酶及纤维素酶提取番茄中番茄红素的工艺。
薛伟明[13]等研究用纤维素酶提取红花中的红花黄色素。
1.3.3超临界流体萃取法
超临界流体萃取是利用处于临界温度、临界压力之上的超临界流体具有溶解许多物质能力的性,将其作为萃取剂,从液体或固体中萃取分离出特定成分的新型分离法。
如,郎中敏[14]等进论述了超临界萃取技术在天然色素中的应用前景。
该法要求技术含量高,条件不易控制。
并且此法特别适于萃取挥发性、热敏性色素,如叶绿素和胭脂树色素橙的提取[15-16]。
1.3.4微波萃取法
微波技术辅助萃取是将微波激活与传统的溶剂萃取法结合起来而形成的新型萃取技术。
其基本原理是,在微波场中利用吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热,从而使得被萃取物质从基体和体系中分离。
该技术具有选择性高、适合于热不稳定物质等特点。
已报道的如邓宇[17]等进行的番茄红素提取方法的研究。
国内还有利用微波萃取法提取柚皮色素和桅子黄色素等的研究[18-19]。
1.3.5超声波技术辅助萃取法
超声波萃取法的基本原理是利用超声波的空化作用加速植物有效成分的溶出,另外超声波的次级效应,如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲提取成分的扩散释放,并充分与溶剂混合,利于提取;超声波的粉碎、搅拌等特殊作用,可打破植物细胞壁,以使溶媒尽快渗透到植物细胞中,溶出其中有效成分。
例如,刘晓轩[20]等采用正交法超声波提取密蒙花黄色素,方法简单、操作时间短、萃取率高。
汪振洋等进行了超声波辅助提取葡萄籽中原花青素的研究。
1.3.6分子蒸馏技术
分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术,可以在高真空度下进行连续操作。
其基本原理是基于不同物质分子在高真空下分子运动平均自由程的差别,在远低于物质常压沸点温度的条件下将其分离出来。
该技术具有蒸馏温度低、蒸馏压力低、分离程度高、受热时间短等特点,因而能大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏性物料的品质,真正保持了纯天然的特性。
分子蒸馏技术适合于把粗产品中高附加值的成分进行分离和提纯,是其它常用分离手段难以完成的。
钟耕[21]等采用分子蒸馏法,以冷榨甜橙油为原料,提取其中的类胡萝卜素,产品不含有机溶剂、纯度高、色价高。
1.4玉米皮色素的稳定性的研究
玉米皮色素作为一种天然食用黄色素,与同类色素相比具有较好的稳定性。
玉米皮色素易溶于甲醇、丙酮、无水乙醇、水、氢氧化钠和盐酸溶液;不溶于石油醚、四氯甲烷、三氯化碳、乙酸乙酯。
近年来,对于玉米皮色素的稳定性的研究有一些报道,例如,崔凌飞[22]等采用浓度为70%乙醇进行玉米皮色素的提取并对玉米皮色素的稳定性进行了研究。
研究表明,柠檬酸、香精对玉米皮色素的色泽稳定性影响不大;苯甲酸钠对玉米皮色素稳定性有一定影响,山梨酸钾对玉米皮色素的稳定性则有较大影响。
李平等[23]采用95%乙醇在常温下浸泡提取玉米皮色素的方法,也进行了研究,其研究表明:
玉米皮色素具有一定耐氧化性和耐还原性,强氧化剂对玉米黄色素的影响较大,可以将色素分子结构破坏,使其颜色发生变化,故在色素的使用过程中应避免与强氧化剂接触。
如金属离子Fe3+对玉米黄色素的影响最大,破坏作用最强,其次是Ca2+、Cu2+、Al2+,而Fe2+、Zn2+影响不大,Na+、K+对玉米黄色素几乎没有影响。
而还原剂亚硫酸钠对玉米黄色素可起到保护作用。
1.5研究的目的与意义
以玉米皮中黄色素的提取工艺及其稳定性作为研究内容,确定其最佳提取工艺条件,并了解其有关性质。
采用超声波辅助提取的方法,利用超声波技术辅助萃取的空化作用加速植物有效成分的溶出,另外超声波的次级效应,如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲提取成分的扩散释放,使其充分与溶剂混合,有利于提取。
通过对玉米皮色素提取工艺的研究,为生产玉米淀粉行业的副产品的综合利用探索出一条新的途径;同时对玉米皮色素的稳定性进行了研究,旨在为其开发和应用提供科学依据。
玉米皮色素作为一种天然食用色素,本身没有毒性,而且具有保护视力,促进人体生长发育和提高免疫力、预防癌症的作用。
2试验部分
2.1试验仪器
DK-98-1电热恒温水浴锅
天津市泰斯特仪器有限公司
数控恒温浴锅
上海申胜生物技术有限公司
R-205旋转蒸发器
上海申胜生物技术有限公司
SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵
巩义市予华仪器有限责任公司
KQ-500VDE型超声波仪
昆山市超声仪器有限公司
DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱
上海一恒科技有限公司
722光栅分光光度计
上海精密科学仪器有限公司
2.2试验材料
2.2.1试验原料
玉米皮
绥化市青冈县玉米淀粉厂
2.2.2试验试剂
乙醇(95%)
分析纯
天津市天新精细化工开发中心
丙酮
分析纯
天津市东丽区天大化学试剂厂
石油醚
分析纯
天津市凯通化学试剂有限公司
乙醚
分析纯
天津市津东天正精细化学试剂厂
盐酸
分析纯
天津市天新精细化工开发中心
氢氧化钠
分析纯
天津市天新精细化工开发中心
氯化钠
分析纯
天津市天新精细化工开发中心
氯化镁
分析纯
天津市博迪化工有限公司
氯化钙
分析纯
天津市天新精细化工开发中心
无水硫酸钠
分析纯
天津市化学试剂三厂
磷酸氢二钠
分析纯
天津市化学试剂三厂
硝酸钠
分析纯
天津市天新精细化工开发中心
蔗糖
食品级
天津市化学试剂三厂
苯甲酸钠
食品级
天津市化学试剂三厂
柠檬酸
食品级
天津市化学试剂三厂
过氧化氢
分析纯
天津市东方化工厂
抗坏血酸
分析纯
天津市天新精细化工开发中
2.3试验方法
2.3.1原料及其处理
玉米皮干燥粉碎后过60目筛备用。
2.3.2玉米皮色素溶液最大吸收波长的测定
准确量取5mL提取液于比色管中,以95%乙醇作参比溶液,用722型光栅分光光度计在380nm~500nm之间测定提取液的吸光度A。
2.3.3玉米皮色素提取方法的选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮2份,分别加入40mL95%乙醇作为提取溶剂。
一份放置于电热恒温水浴锅上,进行浸提,提取温度为30℃,提取时间为2h;另一份则进行超声波辅助提取,提取温度为30℃,提取时间为2h,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.4玉米皮色素提取的单因素实验
2.3.4.1提取溶剂的选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮5份,分别加入40mL的水,95%乙醇,无水乙醚,丙酮,石油醚作为提取溶剂进行超声波辅助提取,提取温度为30℃,提取时间为2h,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.4.2乙醇浓度的选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮5份,分别加入40mL浓度为75%、80%、85%、90%、95%的乙醇作为提取溶剂进行超声波辅助提取,提取温度为30℃,提取时间为30min,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.4.3料液比的选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮4份,分别以料液比为1∶8、1∶12、1∶16、1∶20加入浓度为85%的乙醇溶液,进行超声波辅助提取,提取温度为30℃,提取时间为30min,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.4.4提取温度的选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮4份,分别加入40mL浓度为85%的乙醇作为提取溶剂进行超声波辅助提取,提取温度分别为30℃、40℃、50℃、60℃,提取时间为30min,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.4.5提取时间的选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮4份,分别加入40mL浓度为85%的乙醇作为提取溶剂进行超声波辅助提取,提取温度分别为40℃,提取时间为20min、40min、60min、80min、100min,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.4.6提取溶液pH值选择
准确称取5.0g干燥粉碎后的玉米皮4份,分别加入40mL浓度为85%的乙醇作为提取溶剂进行超声波辅助提取,提取温度分别为40℃,提取时间为60min,提取溶液pH依次为5.00、6.00、7.00、8.00、9.00,提取功率为100KW,超声频率为45KHz,观察浸提液的颜色,将浸提液过滤,在λ=440nm处测其吸光度A值并计算提取率。
2.3.5玉米皮色素提取的正交实验
根据单因素实验的结果,选取对玉米皮色素提取效果影响较显著三个因素:
提取温度、提取时间、提取溶液pH进行正交实验。
以玉米皮色素的吸光度值为评价指标,选用正交设计表L9(34)安排实验,因素水平设计表见表2-1。
表2-1正交实验因素水平设计表
水平
因素
A(提取温度)
/℃
B(提取时间)
/min
C(提取溶液pH值)
1
30
30
6
2
40
40
6.5
3
50
50
7.0
2.3.6玉米皮色素稳定性的研究
2.3.6.1不同pH值对玉米皮色素稳定性的影响
精密称取一定量的玉米皮色素膏配制成质量浓度为1%的玉米皮色素母液。
取14支试管,分别加入5.00mL玉米皮色素溶液并用HCl溶液和NaOH溶液,并将溶液pH值调整为从1~14,常温下静置10min,在λ=440nm处测其吸光度A值。
2.3.6.2常见食品添加剂对色素稳定性的影响
取12支试管,分别加入9.00mL质量浓度为1%玉米皮色素溶液,再分别加入浓度为0.5%、1.0%、2.0%、4.0%的蔗糖、柠檬酸、苯甲酸钠等溶液1.00mL,摇匀,常温下静置10min,在λ=440nm处测其吸光度A值,考察不同浓度的食品添加剂对色素稳定性的影响。
选用加入浓度为2.0%的蔗糖、柠檬酸、苯甲酸钠溶液的玉米皮色素溶液,常温下静置4h、8h、12h、16h、20h,在λ=440nm处测其吸光度A值,考察添加剂在不同作用时间内对色素稳定性的影响。
2.3.6.3金属离子对色素稳定性的影响
取4支试管,分别加入9.00mL质量浓度为1%玉米皮色素溶液,分别加入质量分数为1.0%的NaCl、MgC12、CaC12等溶液1.00mL,摇匀,常温下静置10min、4h、8h、12h、16h、20h,在λ=440nm处测其吸光度A值,考察不同的金属离子在不同的作用时间内对色素稳定性影响。
2.3.6.4玉米皮色素的耐氧化性和耐还原性
取8支试管,分别加入5.00mL质量浓度为1%玉米皮色素溶液,再分别加入适量的过氧化氢和抗坏血酸(Vc)溶液,并用85%的乙醇定容至10.00mL,使色素溶液中过氧化氢、抗坏血酸(Vc)浓度为0.5%、1.0%、2.0%、4.0%,摇匀,常温下静置10min,在λ=440nm处测其吸光度A值,考察不同浓度的氧化剂和还原剂对色素稳定性的影响。
选用过氧化氢、抗坏血酸(Vc)浓度为2%的玉米皮色素溶液,常温下静置4h、8h、12h、16h、20h,在λ=440nm处测其吸光度A值,考察氧化剂和还原剂在不
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