1、食品科技进展期末论文题 目 ： 超临界二氧化碳萃取南瓜中类胡萝卜素的研究应用系 别：林学与生命科学年 级： 2 0 1 2 级 专业(班）：食品科学与工程学 号： 201206064022 学生姓名： 李 婕 指导教师： 陆 红 佳 2015 年 11 月 18 日超临界二氧化碳萃取南瓜中类胡萝卜素的研究应用李 婕 201206064022摘要：类胡萝卜素有营养特性和益于健康的活性成分，常用于发展创新功能性食品、保健品和药物制剂。从南瓜果肉中萃取类胡萝卜素和其它生物活性物质有相当大的发展，因而能够保证类胡萝卜素的营养和药理性能的萃取程序最为重要。传统的萃取方法，如有机溶剂萃取，经常被用于从植物
2、材料中萃取类胡萝卜素。近年来，超临界二氧化碳（SC- CO2）萃取受到极大的关注，因为它是适合于亲脂性分子的绿色萃取技术，可以得到高品质的萃取物，并且完全不含潜在有毒化学溶剂。本文中，我们将从脱水预处理、萃取工艺参数（温度、压力）等方面叙述一些 SC-CO2 萃取对于南瓜果肉中类胡萝卜素的定性-定量组分获得的成果。关键词：类胡萝卜素；传统的溶剂萃取；共溶剂；超临界二氧化碳Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Carotenoids from PumpkinLijie 201206064022Abstract: Carotenoids are we
3、ll known for their nutritional properties and health promoting effects representing attractive ingredients to develop innovative functional foods, nutraceutical and pharmaceutical preparations. There is considerable interest in extracting carotenoids and other bioactives from pumpkin flesh. Extracti
4、on procedures able to preserve nutritional and pharmacological properties of carotenoids are essential. Conventional extraction methods, such as organic solvent extraction, have been used to extract carotenoids from plant material for a long time. In recent years, supercritical carbon dioxide (SC-CO
5、2) extraction has received a great deal of attention because it is a green technology suitable for the extraction of lipophylic molecules and is able to give extracts of high quality and totally free from potentially toxic chemical solvents. Here, we review the results obtained so far on SC-CO2 extr
6、action efficiency and quali-quantitative composition of carotenoids from pumpkin flesh. In particular, we consider the effects of dehydration pre-treatments and extraction parameters (temperature and pressure).Keywords: carotenoids; conventional solvent extraction; co-solvent; supercritical carbon d
7、ioxide第 1 页 共 5 页1.引言类胡萝卜素是从许多植物器官中萃取出来的黄-红色素，代表一组生物活性化合物，主要用于食品加工，可提高食品营养和维生素 A 原的活性、 抗氧化能力，并且增强细胞免疫及体液免疫反应，使产品颜色鲜艳从而吸引消费者 1,2。目前，存在 700 多种天然类胡萝卜素，其中约 50 种可能被吸收、运输、输送到组织、代谢，而最终被人体使用的数量则减少到六个：-胡萝卜素， -胡萝卜素，番茄红素，叶黄素和玉米黄素 3。南瓜产于南美洲，是葫芦科南瓜属。南瓜和西葫芦，是世界范围内都有栽培种植的作物 4。日常生活中，南瓜经常作为主菜或配菜使用，如在馅饼，汤，炖菜和面包店作为配料
8、5。在传统医学中，南瓜具有降糖、降压、抗肿瘤、免疫调节、抗菌、肠道消化、消炎镇痛的效果6。南瓜中还含有许多生物活性成分，包括大量 和 -胡萝卜素、-黄素、叶黄素和玉米黄素、多糖、植物甾醇、不饱和脂肪酸、蛋白质和肽。使其在植物化学制造业中具有相当大的价值 7,8。据研究，常规溶剂萃取（CSE）和超临界二氧化碳（SC-CO 2）萃取南瓜籽油，后者是获得具有不变的药理活性的无溶剂萃取物的有效方法。在过去的几年里，几篇论文都集中于研究从南瓜果肉中萃取类胡萝卜素，以水果果肉作为细胞壁多糖的来源，比如果胶。这些研究调查了萃取参数和植物材料的预处理（脱水，粒度等）对类胡萝卜素的产量和组成的影响 9-12从成
9、熟的南瓜果实中萃取大量的类胡萝卜素，可以作为功能性食品，化妆品和药物制剂的产品成分。一般来说，CSE 使用正己烷，丙醇，甲醇，四氢呋喃或乙酸乙酯来萃取类胡萝卜素 9,10。这种方法萃取时间长，大量的有机溶剂和高温可能导致热敏感分子，如类胡萝卜素的降解，并且常常会在萃取液中留下微量的有毒溶剂 13。SC-CO2 萃取技术已被广泛使用，以替代 CSE 萃取天然产物，因为这种方法的萃取物中完全不含有机溶剂 14。二氧化碳作为溶剂，具有无毒、不易燃，成本低、粘度低、随时可用等优点和高选择性、高扩散系数，且类似液体密度的理化性质 15。还具有低临界温度和压力（分别是 31和 74 bar） ，这使得它为
10、热敏感分子，如类胡萝卜素的萃取提供了理想的溶剂16。已有许多关于 SC-CO2 的适用性对生物活性化合物的研究探讨 17,18。在最近的一篇文章中，南瓜作为生物活性分子的来源，其化学成分，营养以及益于健康的方面已有论述 17。本文重点叙述使用 SC-CO2 技术萃取南瓜果肉中类胡萝卜素及相关问题的最新调查结果。1. 超临界二氧化碳萃取南瓜中类胡萝卜素2.1 预处理影响干燥是贮藏或处理食物的最古老的方法之一，包括水果和蔬菜的干燥。干燥蔬菜粉经第 2 页 共 5 页常被加入食品（汤，面条，面包，蛋糕和面食）来提高风味和营养价值 18。近来，干燥技术获得了极大的关注，特别是在使用 SC-CO2 萃取
11、植物化学物质的工业流程中。许多植物组织和器官的高含水量不利于脂溶性保健食品与 SC-CO2 高效萃取。水具有极性和几乎不溶于超临界二氧化碳的性质，在植物组织中减少了溶质和溶剂之间接触面，增加了溶质的扩散阻力，妨碍了流体流动 18,24,25。同时由于冰形成也导致了限流器或阀门堵塞和去除水提取物的困难等问题 10,11 。因此，SC-CO 2 从植物组织中萃取脂溶性分子要以降低产品水分是的前提，才能提高产量和品质。众所周知，产品的水分含量在一定范围内影响SC-CO2 萃取脂溶性分子 12。已经有对南瓜热风，烘箱，冷冻，对流，微波，渗透干燥方法，以及如微波干燥和真空微波干燥复合处理，还有它们对干燥
12、动力学，化学性质的影响（水分，灰分，还原糖，纤维素，蛋白质，脂质，和类异戊二烯） ，质地和最终产品的颜色的研究 7,16,27。由于其承受能力，烘箱干燥是最常用的干燥方式，但它往往导致热不稳定化合物或可氧化的底物，如类胡萝卜素脂质的降解。高温可能会改变化学成分，颜色，营养价值和干燥产品的感官品质。在南瓜的热处理工艺的过程中，类胡萝卜素降解导致其颜色的变化 19,20。然而，只有少数的论文报告有南瓜果肉干燥对类胡萝卜素的影响数据。王等人使用常规的溶剂萃取技术发现，南瓜肉切片，用热风处理（70）使南瓜水分残留 9.3，所确定的类胡萝卜素含量相对于生南瓜减少了 65（67.6 毫克/ 100 克）
13、23。为了克服这些局限性，烘箱干燥通常在真空下进行，在中等温度（40-60）下或取代冷冻干燥，植物材料的原料物性和理化性质几乎不改变 25。然而，这种方法的主要的缺陷成本高，仅有理由萃取具有较高商业价值的产品。Nawirska 等 26评估了 12 个南瓜品种的总类胡萝卜素含量，获得了最高的平均总类胡萝卜素含量的冻干样品（160mg/ 100g d.m.） 。然后使用真空微波干燥（130mg/ 100g d.m）和对流干燥（5mg/ 100g d.m） 。Durante 等人 27比较了真空干燥和冷冻干燥方法对干燥的南瓜基质中类胡萝卜素含量的影响。烘箱干燥和冷冻干燥的南瓜含水量分为约为 8和
14、12w/w 。王等人23提出用红藻萃取物（RAE ）一种前景广阔的新型干燥剂，在 40（w/w）的状态下来干燥南瓜切片的方法。他们发现，RAE 处理的样品含水量 7.8，比总的类胡萝卜素含量低大约15，大大高于比热风干燥的南瓜片制品。对南瓜进行 SC-CO2 萃取类胡萝卜素的研究，石等人 29对南瓜果肉进行冻干处理，含水量为 10，养活萃取，获得类胡萝卜素最大含量约 10.9mg/ 100 g；而采用冷冻干燥基质获得类胡萝卜素量最大含量为 132.2mg/ 100 g；相反地，Durante 等人 28研究，通过 SC-CO2 烘干南瓜果肉得到的总类胡萝卜素产量分别为 49.2 与 5.8mg
15、/ 100 g 干物质，约为冷冻干燥样品的 8.5 倍。由 Gutierrez30等人的研究，从烘箱干燥可以得到更高的类胡萝卜素的产量，可能是由于长时间的热处理工艺对植物组织和细胞结构，例如细胞膜和叶绿体的解聚和细胞壁松动，并在随之增加基质流体的渗透性。此外，已经有研究表明冷冻干燥可能加强组织聚集，导致溶质与溶剂接触面减少而对萃取率产生不利影响 23。第 3 页 共 5 页由超临界二氧化碳萃取类胡萝卜素的含量也受干燥样品的颗粒尺寸影响。通常，粒径越小，萃取类胡萝卜素的含量越高 23。这是由于较大的表面体积和小的粒子，减少物必须通过的路径长度减小 24,25 。另一方面，使用非常小的颗粒可能损伤
16、机器，小颗粒在萃取床过度紧凑，会增加内部传质阻力，引起沟道效应 26。据我们所知，没有实质性的数据研究南瓜果肉的粒度大对于类胡萝卜素的萃取效果。2.2 温度和压力的影响超临界流体萃取的溶解度和选择性在很大程度上取决于流体密度和溶质的蒸气压力受温度和压力之间的平衡。一般来说，在恒定压力下，温度的升高降低了的 SC-CO2 的密度，从而降低其溶解能力，但它提高了萃取的化合物的蒸气压，从而增加了分析物的溶解性和萃取率。在恒温下，流体的密度随压力的增加而增加，同时增大了被分析物的溶解度 32。石等人 28。在使用 SC-CO2 从南瓜中萃取类胡萝卜素的过程中，在 40 至 70不同的温度和 25 至
17、35 MPa 不同的压力下，他们发现，类胡萝卜素产率随着压力和温度的增加而增加。在 70和 35 MPa 时，得到最高萃取率（6.1mg/ 100g d.m） ，并强调了在影响 SC-CO2 萃取南瓜中类胡萝卜素的两个参数之间相互作用的重要性。温度是从植物中萃取类胡萝卜素异构化和降解的一个特别重要的影响因素。植物组织中大多数类胡萝卜素作为全 E 异构体，当处于光和热的条件下极易转化为 Z 异构体。研究表明，当温度在 80以上时，类胡萝卜素有明显的异构化和降解 24。石等人 28观察到，使用超临界二氧化碳对南瓜进行萃取，当温度从 40 升至 70时， （9 + 13）-Z- 胡萝卜素的异构体从
18、10.3显著上升到 12.7，压力从 25MPa 增加到 35MPa 时，变化范围为 8.0-12.5。 石等人 28发现，当萃取温度从 50 提高到 80，压力恒定为 25MPa 时，类胡萝卜素产率从 132.2 降至 44.6mg/ 100g d.m。并且，Z- 胡萝卜素与总类胡萝卜素的比例从 13.7提高到 24.5。Durante 等人 29研究，在 35 MPa 和 60时，超临界二氧化碳对烘箱干燥的南瓜基质进行萃取，得到总的类胡萝卜素中 Z 异构体（以 13-Z- 胡萝卜素表示）的萃取物含量约为 9.3。虽然 SC-CO2 的流速是影响从南瓜中萃取类胡萝卜素的一个重要参数，但是目前
19、为止还没有文献资料作为参考。2.3 机溶剂和超临界二氧化碳从南瓜中萃取类胡萝卜素成分的比较常规的溶剂萃取（CSE ）已被广泛地用于从植物中萃取生物活性化合物。尽管它存在包括萃取时间长，消耗大，是潜在的有毒溶剂等许多缺点，但是 CSE 仍常被用作基准萃取方法。从南瓜果肉萃取物和类胡萝卜素的概况表明，最近已经把 CSE 和 SC-CO2 萃取类胡萝卜素的效率做比较 16-18。石等人 28使用乙醇或己烷从成熟南瓜中获得的总类胡萝卜素产率（1:1 体 v/v）最高，由超临界二氧化碳萃取得到的，在 70和 40或不加入乙醇作为改良剂的萃取物产率较低。从南瓜中萃取的总类胡萝卜素比由 Durante 等人
20、低的原因，可能取决于包括基因型、 环境、采收时间、 收获后贮存、 基质制剂方法等的几个因素变化。然而，也在这种研究中，由己烷萃第 4 页 共 5 页取得的从南瓜基质中到的类胡萝卜素约是 SC-CO2 获得的 1.6 倍。加入磨碎的南瓜籽基质，有助于提高类胡萝卜素的 SC-CO 2 萃取。事实上，在这些实验条件下，由己烷和 SC-CO2 萃取的类胡萝卜素产率并没有显著不同 29。石等人 28研究描述，在 70下，超临界二氧化碳萃取（使用乙醇作为改良剂）比在 CSE萃取得到的叶黄素和叶黄素酯，番茄红素与 9-Z 和 13-Z- 胡萝卜素的总量更高 28。2. 结语在过去的几年中，SC-CO 2 萃
21、取南瓜中类胡萝卜素的方法受到了极大的关注。研究综述显示，SC-CO 2 的南瓜萃取物富含 和 胡萝卜素以及其它生物活性化合物。优化实验参数，如压力，温度、南瓜果肉含水量的研究，都能够大幅提高类胡萝卜素的萃取率。南瓜果肉的真空干燥和冷冻干燥预处理，使超临界二氧化碳萃取得到更佳的成果。然而，可能是由于组织和细胞结构解聚，增加了基体的渗透率，所以真空烘箱干燥基质中类胡萝卜素的萃取率比烘箱干燥的产品效果更好。由 SC-CO2 对南瓜中类胡萝卜素萃取的最佳操作条件应该是：压力 35MPa 和温度 5070。在 50 和 80下，由水（ 10）和橄榄油（10）或乙醇（10）和橄榄油（10）组合作为萃取剂，
22、可以分别取得最高萃取率 28-30。虽然 SC-CO2 技术的运营成本居高不下，难以大规模的进行工业水平的萃取，但是这些研究结果鼓励从南瓜中萃取高品质的生物活性成分的试验，从而大规模工业生产保健品，药用化妆品以及医药制剂等更多的研究，同时也比较了超临界二氧化碳萃取与常规萃取技术从南瓜中得到的生物活性提取物和作用机制的差异。为开发出更多新颖、创新、高品质的产品做准备。参考文献1 谭晨. 类胡萝卜素脂质体的研究D.江南大学, 2015.2 孙玉敬,乔丽萍,钟烈洲,等. 类胡萝卜素生物活性的研究进展 J. 中国食品学报, 2012, (1): 160-166.3 霍培,季静,王罡,等. 植物类胡萝卜
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