全 文 ：浙 江 林 学 院 学 报 2008,25(5):639-643
JournalofZhejiangForestryColege
超临界二氧化碳萃取常山胡柚外果皮中
天然色素的工艺研究
时海香,仲山民,吴峰华
(浙江林学院 农业与食品科学学院,浙江 临安 311300)
摘要:为了得到萃取常山胡柚Citrusparadisi‘ChangshanHuyou’天然色素的最佳工艺条件,为规模化、产业化提取常
山胡柚天然色素提供理论依据,以常山胡柚外果皮为原料,采用超临界二氧化碳萃取技术对常山胡柚天然色素的提取
工艺进行了较为系统的研究,并对提取中的若干关键因素如萃取时间、萃取压力、夹带剂(体积分数为 95%乙醇)用量
和萃取温度等分别进行单因素试验和正交试验,得到了常山胡柚天然色素提取的最佳工艺条件为:萃取时间 2h,萃取
压力25MPa,夹带剂(体积分数为 95%乙醇)用量 300mL,萃取温度35℃。提取后将色素液烘干至恒质量,从而计算
其得率,常山胡柚天然色素的提取率为3.78%。图4表2参15
关键词:经济林学;超临界二氧化碳萃取;常山胡柚;天然色素;工艺
中图分类号:S609.9;TS202.3 文献标志码:A 文章编号:1000-5692(2008)05-0639-05
SupercriticalCO2extractionofnaturalpigmentfromCitrusparadisi
‘ChangshanHuyou’cuticle
SHIHai-xiang,ZHONGShan-min,WUFeng-hua
(SchoolofAgricultureandFoodScience,ZhejiangForestryColege,Lin’an311300,Zhejiang,China)
Abstract:InordertoobtaintheoptimaltechnicalconditionontheextractionofCitrusparadisi‘Changshan
Huyou’andgiveatheoreticguaranteeofextractingitinalarge-scaleandindustrialway,cuticleof
‘ChangshanHuyou’wasstudiedwiththesupercriticalCO2technology.Factorsafectingextractionsuchas
time,pressure,95% ethanoldosageandtemperaturewerestudied.Theresultsshowedthattheoptimal
technicalconditionofextractingnaturalpigmentfrom‘ChangshanHuyou’cuticlewereasfolows:extract
ingtimewas2h;extractingpressurewas25MPa;95%ethanoldosagewas300mL;extractingtemperature
was35℃.Afterextracting,theliquidpigmentwasdriedtoapermanentweighttocalculatetheextraction
rate.Theextractionratewas3.78%.[Ch,4fig.2tab.15ref.]
Keywords:cashforestry;supercriticalCO2extraction;Citrusparadisi‘ChangshanHuyou’;natural
pigment;craft
天然食用色素不仅安全性好,而且许多还具一定的营养价值,广受消费者欢迎,因此,专家对天
然色素的研究也日益增多[1]。常山胡柚 Citrusparadisi‘ChangshanHuyou’果形美观,果色金黄诱人,
香气浓郁,风味独特,品质优良,是深受广大消费者喜爱的绿色食品,是浙江省重点开发的名特优产
品[2-5]。超临界萃取技术是近年来发展起来的新的高效分离技术[6-8],超临界二氧化碳流体具有良
好的渗透能力和溶解能力,能够迅速从固体或黏稠的半固体原料中提取有效成分。同时二氧化碳安
收稿日期:2007-10-12;修回日期:2007-12-17
基金项目:浙江省教育厅资助项目(97128)
作者简介:时海香,硕士,从事林产品加工等研究。E-mail:shx19820629@163.com。通信作者:仲山民,教授,
博士,从事经济林产品加工利用与分析研究。E-mail:zhongsm2002@zjfc.edu.cn
浙 江 林 学 院 学 报 2008年10月
全无毒、廉价易得,所得的产品容易与溶剂分离,无溶剂残留问题,而且超临界二氧化碳流体的萃
取温度稍高于常温,有利于热敏性物质的萃取。整个萃取过程是处于无氧环境中,使产品中的易氧化
成分得以保存。通过改变萃取温度、压力和夹带剂,就可以选择性地提取所需物质。超临界萃取技术
已成为萃取分离的重要技术手段。迄今为止,国内外未见该技术用于常山胡柚天然色素提取的研究报
道。本研究是以常山胡柚外果皮为原料,通过对超临界二氧化碳提取工艺中的若干关键影响因子分
别进行单因素试验和正交试验,以确定其最佳提取工艺条件,为规模化、产业化提取常山胡柚天然色
素提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与主要设备
材料:常山胡柚鲜果购于临安市水果市场,选择个匀、无病虫害和无斑点的鲜果为原料。
主要设备:HA121-50-01型二氧化碳超临界萃取装置 (江苏南通华安超临界萃取设备有限公司),
FE220型中型粉碎(北京中兴伟业仪器有限公司),旋转蒸发器R-201(上海申顺生物科技有限公司),
DG-9053AD型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司),DZG-6090真空干燥箱(上海森信
实验仪器有限公司),红外线快速水分测定仪MB45。
1.2 方法
1.2.1 原料预处理 常山胡柚鲜果去蒂后,用清水清洗,擦干,然后把外果皮削成片状,置于烘箱
中,在45℃温度下干燥约24h,至平均含水量7.2%左右,粉碎,过80目(孔径约0.16mm)筛,装瓶
备用。
1.2.2 萃取压力对得率的影响 称取100g常山胡柚外果皮粉末,在萃取温度35℃,夹带剂(体积分
数为95%乙醇)200mL,萃取时间3h,泵频率18Hz等萃取条件下,分别取压力15,20,25,30和
35MPa进行试验,测定色素得率。
1.2.3 萃取温度对萃取得率的影响 称取100g常山胡柚外果皮粉末,夹带剂(体积分数为95%)用量
为 200mL,萃取时间3h,萃取压力 25MPa,分别取温度 35,40,45,50和 55℃进行试验,测定
色素得率。
1.2.4 夹带剂的用量对萃取得率的影响 称取 100g常山胡柚外果皮粉末,萃取时间 3h,萃取压力
25MPa,萃取温度45℃,泵频率18Hz,夹带剂(体积分数为95%乙醇)用量分别为20,30,40,50,
60,100,200,300和400mL进行试验,测定色素得率。
1.2.5 萃取时间对萃取得率的影响 称取100
g常山胡柚外果皮粉末,夹带剂(体积分数为
95%乙醇)用量 200mL,萃取压力为 25MPa,
萃取温度 45℃,泵频率 18Hz,萃取时间分
别为1.5,2.0,2.5,3.0和3.5h进行试验,测
定色素得率。
1.2.6 正交实验方法设计 根据压力、温度、
夹带剂用量和萃取时间等 4个单因素试验结
果,设计了4因素3水平的正交试验[9],见表1。
1.2.7 色素得率的计算 萃取后得到的色素液置于低温真空干燥箱里,45℃下干燥,得到棕红色膏
状物,干燥至恒质量,利用分析天平称量,求其得率。
2 结果与分析
2.1 萃取压力对色素萃取效果的影响
由图1可以看出,当压力低于25MPa时,随着压力增大,得率提高;当压力处于 25～30MPa
时,随着压力的增大,得率降低;当压力高于30MPa时,压力越大,得率有缓慢增长趋势,但是35
表1 L9(34)因素水平设计
Table1 OrthogonaldesignofL9(34)factorandlevel
水平
因素
夹带剂/mL 萃取时间/h 萃取温度/℃ 萃取压力 /MPa
1 200 2.0 40 30
2 300 2.5 45 20
3 100 3.0 35 25
640
第25卷第5期
MPa时的得率比30MPa时仅高0.06%。
萃取压力对萃取过程的影响主要有以下2个方面:一是萃取压力对萃取热力学的影响,主要是通
过压力的改变而改变溶剂的密度,同时亦改变了溶剂对溶质的溶解度;二是萃取压力对萃取过程动力
学的影响,主要是通过萃取压力的改变而改变溶质在溶剂中的扩散速率,从而影响萃取过程的传质能
力,因此最优操作压力的选择应综合考虑上述2个方面的影响,同时还应结合萃取设备的使用、压力
操作、动力消耗等技术经济问题[10,11]。根据本试验的结果和设备的动力消耗情况,选取20,25和30
MPa等3个水平再进行正交试验。
2.2 萃取温度对色素萃取效果的影响
由图2可以看出,在试验选择的条件下,当温度为35～50℃时,色素得率随着温度的升高而提
高。这主要是因为:压力较高时,超临界二氧化碳的密度也比较高,随着萃取温度的升高,虽然其密
度也会有所下降,但是却增强了溶质从溶质基质上的解离速率,也增强了溶质在固体基质和溶剂中的
扩散速率,从而有利于萃取过程的进行。而当温度为50～55℃时,色素的得率随着温度的升高而降
低,这是因为萃取温度对萃取效果具有双重的影响[12]:一方面温度升高有利于增加溶质的挥发性和提
高物料的扩散系数,有利于色素的萃出;另一方面,温度升高又降低了二氧化碳的浓度,从而导致二
氧化碳溶解能力的降低,不利萃取。此外,温度升高也可能导致夹带剂的蒸发从而也影响得率,同时
也可能影响色素的稳定性。因此,萃取温度不宜过高。根据单因素分析,选定35,40和45℃作为正
交试验中的萃取温度。
2.3 夹带剂的用量对色素萃取效果的影响
通过试验得出,不加夹带剂萃取3h后几乎得不到色素,所以需加入夹带剂。乙醇由于具有无毒
无害等优点,所以是最常用的夹带剂。由图3可以看出,夹带剂用量的增大,有利于常山胡柚天然色
素的溶出,色素的萃取率升高。但是,当夹带剂达到一定用量后,色素的得率基本上维持在一定数
值。根据此单因素试验,夹带剂用量高于100mL时,色素得率的增长趋于缓和,因此,笔者以100,
200和300mL作为正交试验中夹带剂用量的选定值。
2.4 萃取时间对色素萃取效果的影响
时间对萃取过程有一定影响,传质速率的大小能直接在萃取时间的长短上得到体现,但是当溶质
在溶剂与基质间的传递接近动态平衡时,时间对萃取过程的影响变得平缓。刚达到平衡点的时间是萃
取所需的最少时间,也是最优时间[13-15]。本试验是在 18L·h-1二氧化碳的条件下进行的,结果如图
4。从图4可看出,萃取时间由 1.5～2.0h时,得率升高较快,在2h以后,提取率维持在一定的数
值,即溶质在溶剂与基质间的传递接近动态平衡,这与前面的理论分析基本吻合,所以,根据此单因
素试验,以2.0,2.5和3.0h作为正交试验中萃取时间的选定值。
2.5 正交试验
试验结果及极差分析如表2。由极差分析的K值可以看出,在正交试验中夹带剂的量和萃取压力
对得率的影响的变化趋势和单因素中是一致的,而萃取时间和萃取温度对得率的影响的变化趋势与单
图1 萃取压力对得率的影响
Figure1 Efectofpressureonextractionrate
图2 萃取温度对得率的影响
Figure2 Efectoftemperatureonextractionrate
时海香等:超临界二氧化碳萃取常山胡柚外果皮中天然色素的工艺研究 641
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图3 夹带剂95%乙醇对得率的影响
Figure3 Efectofentrainer95%ethanolonextractionrate
图4 萃取时间对得率的影响
Figure4 Efectoftimeonextractionrate
因素试验中不一致,这可能受因素
的交互作用影响;同时由极差分析
中R值可知,对影响二氧化碳流体
萃取常山胡柚天然色素的因素的主
次作用为:萃取时间＞萃取压力＞
夹带剂用量＞萃取温度,超临界二
氧化碳萃取常山胡柚天然色素的最
佳工艺条件为:萃取时间 2h,萃
取压力 25MPa,夹带剂(体积分数
为95%乙醇)用量为 300mL,萃取
温度35℃。
2.6 色素的初步鉴定
据紫外可见光谱及特殊显色反
应,即 HCl-Mg粉反应,FeCl3显色
反应,中性醋酸铅沉淀反应,可初
步推断常山胡柚天然色素为黄酮类
色素。
3 结论
研究结果表明,用超临界二氧
化碳流体萃取常山胡柚天然色素的
方法是可行的。通过试验,得到了
超临界二氧化碳流体萃取常山胡柚天然色素的最佳工艺条件是:萃取时间2h,萃取压力25MPa,夹
带剂(体积分数为95%乙醇)用量为300mL,萃取温度35℃。
本研究结果对于芸香科Rutaceae果实色素的超临界二氧化碳流体萃取也有很好的指导意义。
参考文献:
[1]尹起范,魏科霞,杨艳玲,等.从紫色甘蔗皮中提取天然色素的研究[J].淮阴师范学院学报:自然科学版,2003,2
(3):220-222.
[2]张华,李景琳.对食用天然色素研究与开发的思考[J].辽宁农业科学,1998(6):27-30.
[3]郭清泉,陈焕钦.功能性食用天然色素[J].中国食品添加剂,2003(1):49-52.
[4]仲山民.常山胡柚可持续发展问题探讨[J].经济林研究,2000,18(4):59-60.
[5]亦辉.全果压榨常山胡柚浓缩汁的加工[J].食品研究与开发,2004,25(6):88-89.
表2 L9(34)正交试验结果及极差分析表
Table2 ResultoftheL9(34)orthogonalexperimentandchartofrangeanalysis
项目 夹带剂/mL 萃取时间/h 萃取温度/℃ 萃取压力/MPa 得率/%
实
验
号
1 200 2.0 40 30 2.86
2 200 2.5 45 20 2.71
3 200 3.0 35 25 1.91
4 300 2.0 45 25 3.28
5 300 2.5 35 30 2.80
6 300 3.0 40 20 1.78
7 100 2.0 35 20 2.79
8 100 2.5 40 25 3.20
9 100 3.0 45 30 1.55
极
差
分
析
K1 7.48 8.93 7.84 7.21 T=22.88
K2 7.86 8.71 7.54 7.28 T=2.54
K3 7.54 5.24 7.50 8.39
K1 2.49 2.98 2.61 2.40
K2 2.62 2.90 2.51 2.43
K3 2.51 1.75 2.50 2.80
R 0.13 1.23 0.11 0.40
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第25卷第5期
[6]邵伟,唐明,熊泽.超临界CO2萃取红曲色素的研究[J].中国酿造,2005(7):22-24.
[7]TAYLORLT.SupercriticalFluidExtraction[M].NewYork:JohnWilyandSonsINC,1996:14-17.
[8]李秋红,罗莉萍,叶文峰,等.超临界CO2萃取杜仲叶总黄酮的研究[J].食品科学,2006,27(12):553-555.
[9]王钦德,杨坚.食品试验设计与统计分析[M].北京:中国农业大学出版社,2003:330-360.
[10]MONTEROGA,SMITHCB,HENDRIXWA,etal.Supercriticalfluidtechnologyintextileprocessing:anoverview
[J].IndEngChemRes,2003,39(12):4806-4812.
[11]高彦祥,马清香.天然色素超临界CO2萃取技术研究进展[J].食品科学,2005,26(增刊):149-155.
[12]张震华,闫红,葛毅强,等.超临界流体萃取葡萄皮精油的最佳工艺研究[J].食品科学,2005,26(3):94-97.
[13]胡淼.超临界CO2萃取青蒿素及其纯化工艺研究[D].杭州:浙江大学,2005.
[14]KOHLERM,HAERDIW,CHRISTENP,etal.ExtractionofarternisininandartemisinicacidfromArtemisiaannuaL.
usingsupercriticalcarbondioxide[J].JChromatogrA,1997,785:353-360.
[15]邱洪涛.超临界CO2萃取白花前胡丙素的研究[D].天津:河北工业大学,2005.
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浙江林学院考察团一行应邀赴波兰考察
2008年5月24-28日,浙江林学院常务副校长周国模、特聘教授曹志洪、环境科技学院环境科
学与工程学科负责人张妙仙等一行3人应邀访问了波兰卢布林工业大学。
访问期间,周国模介绍了学校基本情况,曹志洪教授作了关于农村生活污水处理的学术报告。双
方就学生交流、项目合作、教师短期交流和讲学等方面进行了洽谈,并签署了校际合作备忘录,访问
获得了圆满成功。
考察团一行重点参观了卢布林工业大学环境工程学院,同时还访问了位于卢布林市的国际农业物
理研究所。
陈斌
时海香等:超临界二氧化碳萃取常山胡柚外果皮中天然色素的工艺研究 643