天然色素分离新技术.docx

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天然色素分离新技术

独创性声明

本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得广东科贸职业学院或其他教育机构的证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本论文（设计）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

论文（设计）作者签名：

签字日期：

年月日

摘要介绍了天然色素的提取和分析技术的研究进展。

提取新技术如超声波强化萃取、微波强化萃取、超临界萃取技术、大孔吸附树脂精制分离技术、膜分离技术、分子蒸馏技术等。

概述了概述了天然色素的类别和生理保健功效以及目前色素提取技术的研究状况，论述了各种新技术的原理、特点及其应用，探讨了这些提取、分析新技术在天然色素提取上的应用与发展前景。

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关键词天然色素；提取技术；发展前景

1.前言

色素分为天然色素和人工合成色素，广泛用于食品、医药、化妆品等轻工业领域。

天然色素易变质、溶解度小但价格昂贵，因此生产商逐渐用无臭无味、易溶、易调色、价格低廉的合成色素代替了天然色素，但合成色素多为焦油燃料，本身无任何营养价值不说，还对人体有害，甚至有致癌的危险。

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大量生物学、营养学和医学研究报告也指出，合成色素对人体健康造成不利影响，而天然色素具有营养功能和生理保健功能。

随着人们生活水平的不断提高、食品工业的不断发展，安全绿色的天然色素越来越受到人们的喜爱和追求。

色素的生产和获得的主要有三条途径：

一直接提取；二是人工合成；三是利用生物技术生产。

天然色素稳定性差，为保持其生理活性，天然色素的提取一般应使用较温和的工艺条件。

随着科学技术日新月异的发展，天然色素的提取工艺也在快速更新，呈现以普通提取方法为辅，以节能高效环保的高新提取技术为主要趋势的发展方向。

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2.天然色素概述

2.1天然色素的含义和分类

2.1.1天然色素的含义

天然色素是指采用天然物质（包括动植物或微生物代谢物），利用加工所获得的有机着色剂

。

天然色素来自自然，种类繁多且绝大多数无毒副作用，具有特殊的香味和一定的营养与药理保健作用；天然色素具有特殊的香味，用作着色剂或食品添加剂不仅更能贴近物体本身的颜色，而且可增加食品的风味

。

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2.1.2天然色素的分类

天然色素按来源可分为：

植物色素、动物色素和微生物色素三大类；按其溶解性质不同又可分为水溶性色素和脂溶性色素；天然色素按其功效成分可分为：

类胡萝卜素类；黄酮类色素；花青苷类色素；叶绿素色素；其他类色素如姜黄、红曲、甜菜红、紫草红、蓝藻等。

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目前通用以化学结构划分为五类：

类胡萝卜素类、花青素类、黄酮类、吡咯类和其他类

。

2.2天然色素的生理功能

天然色素活性物质的生理功能主要体现在七个方面：

抗氧化作用，抗突变，抗肿瘤作用，调节免疫作用，调节脂类代谢，减缓慢性病的发生、发展和其它生理作用。

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（一）抗氧化作用

1.胡萝卜抗氧化性：

类胡萝卜素能抑制脂质的过氧化，清除单线态氧、羟基自由基、超氧自由基和过氧自由基，是生物体内氧化自由基的清除剂，防止细胞的氧化损伤。

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2.多酚类色素抗氧化作用，花青素与类黄酮类结构中具有不饱和的共轭体系，因此对氧化剂非常敏感，抗氧化作用高于传统抗氧化剂。

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（二）抗突变

大豆异黄酮能明显降低电离辐射诱发的小鼠骨细胞染色体畸变和微核形成，说明色素物质具有抗突变作用。

（三）抗肿瘤作用

植物色素类活性物质抗肿瘤作用表现在抑制肿瘤细胞生长、促进细胞凋亡、直接对细胞起杀伤作用。

（四）调节免疫作用

张海得从柚皮中提取柚皮素能够显著提高实验小鼠的胸腺指数（mg/kg），提示柚皮提取物对免疫的调节作用。

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（五）调节脂类代谢

葛丽霞利用大豆异黄酮对糖尿病大鼠抗氧化能力的影响进行研究，喂养异黄酮组血液和肝组织中GSH-Px、SOD增高，MDA、FAOC浓度降低，实验组与病例对照组存在显著性差异性（P＜0.05），流行病学研究也有相同作用的报道。

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（六）减缓性病的发生、发展

党西强等利用胶囊化儿茶素清除肾病大鼠的氧化活性物质，有效地改善病情和并发症产生。

（七）其他生理作用

实验观察番茄红素能减轻博莱霉素诱导的大鼠实验性肺纤维化程度；沙棘原青花素对大鼠应激性胃溃疡具有预防作用

。

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3.目前天然色素提取技术的研究现状

3.1天然色素的提前分离技术

天然色素提取分离的方法很多，常用的制备方法有溶剂提取法、超临界流体萃取法、超声波提取法、浸渍压制法、粉碎法、生物工程法（包括组织培养法、酶反应法和微生物发酵法）等；常用的精制方法有酶法、柱层析法膜分离法和色谱分离法等。

下面取几种简要介绍。

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3.1.1溶剂提取法

根据原料中被提取色素的极性、共存杂质理化特性及相似溶原理选择相应的溶剂使色素溶于溶剂中，提取液再经过滤、减压浓缩、真空干燥、精制等工艺得成品。

溶剂提取法包括浸渍法、渗漉法、前煮法和回流提取法，其中回流提取法用于提取溶剂为有机溶剂的情况。

常用的溶剂极性从大到小有水、酸碱溶液、乙醇、丙酮、石油醚等。

溶剂提取法工艺简单，是最常用的天然色素提取法，但其有浸提、过滤时间长，产品得率低，溶剂消耗量大的缺点。

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3.1.2超临界流体萃取法

超临界流体萃取法（SFE）是在较高压力下将溶质溶解在超临界流体中，随后降低体系的压力或升高体系的温度，是流体中的溶质因密度和溶解度降低而析出。

SFE操作具有温度低，可避免萃取物在高温下分解，工艺简单、效率高、无化学试剂残留、无污染的优点。

但超临界萃取设备的投资费用高，影响了这种方法的应用推广。

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3.1.3柱层析法

将含有色素的混合液通过含有不同吸附剂或固定相的层析柱，利用吸附剂或固定相的理化性质提纯色素的方法，常用有大孔树脂柱层析法和凝胶层析法。

大孔树脂吸附法具有溶剂用量少、吸附量大、吸附速度快、易于解吸附、可再生等优点。

凝胶层析法则是利用被分离物质分子量大小的不同的将它们分离，凝胶层析因其具有设备简单、操作方便，每次层析都无需再生，并且能充分保护被分离物质活性等优点。

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3.1.4膜分离法

用天然或人工合成的高分子膜，以外界能量或化学位差为推动力对被分离物质进行分离、提纯和浓缩的方法。

该法工艺简单、效能高，可用于大多数天然色素的分离提纯。

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3.2目前天然色素提取技术的研究现状

随着食品与医药等轻工业的发展和人们对合成色素危害性及天然色素健康性认识的增加，天然色素的市场需求也大幅增加。

但是我国在色素的提取分离技术研究方面还不是非常成熟，因此我们要充分利用我国地大物博的资源优势，加大研究开发力度，开发出高效经济的提取分离技术，针对天然色素的缺点研究出更好的解决措施

。

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4.天然色素分离新技术

4.1超声波强化萃取技术

4.1.1基本原理

超声波提取法的原理是利用超声波产生的强烈的空化效应、界面效应、聚能效应和高加速度等特殊作用，以及由此产生的振荡、击碎、扩散、崩溃等多级效应来破坏细胞，从而加速提取剂向细胞内扩散渗透，同时也加速被提取物质溶解于提取剂中，提高色素提取率和纯度。

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声波因其频率不同，分为3种不同的类型：

频率＜20Hz为次声波；频率在20Hz~20kHz为声波（或可闻声波）；频率＞20kHz为超声波。

当声波的振动频率大于20kHz时，人们在自然条件下无法听到，将这样的声波称为超声波。

超声波是一种高频的机械波，能在弹性介质中以纵波的方式进行传播。

它是由超声波发生器将输入的交流电转化为高频交流电信号，再通过超声波换能器将高频信号转换而成的高频机械振动。

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4.1.2特点

超声场因超声能量大小的不同，可分为高频超声和功率超声2类。

超声波波长短、频率高，因此其能量高；穿透能力强、束射线和方向性好。

其独特的优点和广泛应用的基础在于超声波的空化作用和次级效应。

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4.1.3影响分离提取率的主要因素

超声波提取技术是一种温和的物理方法，影响提取率的因素主要有：

提取剂、料液比、萃取温度、超声波功率、超声波处理时间和超声波处理次数

。

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4.2微波萃取技术

4.2.1基本原理

微波是指波长从1mm到1m之间，频率为3×

~3×

Hz的电磁波，它介于红外线和无线电波之间。

微波在传输过程中遇到不同的介质，依介质性质不同，会产生反射、吸收和穿透现象，这取决于材料本身的几个主要特性：

介电常数、介质损耗系数、比热、形状和含水量等。

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4.2.2特点

在微波浸取的领域中，被处理的物料通常是能够不同程度地吸收微波能量的介质，整个加热过程是利用离子传导和偶极转动的机理，因此具有反应灵敏、升温快速均匀、热效率高等优点。

把微波用在浸取方面，发现它能强化浸取过程，降低生产时间、能源、溶剂的消耗以及废物的产生，同时可以提高产率和提取物的纯度，既降低了操作费用，又合乎环境保护的要求，是一种有良好发展前途的新工艺

。

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4.3超临界流体萃取技术

超临界流体就是指某种气体、液体或气液混合体，但该流体在一定温度和压力下，会出现气液界面消失的现象，处于一种不同于液态、气态和固态的超临界状态，兼有液体和气体的某些特殊物理化学性质（密度和溶解能力接近液体，粘度和扩展性能接近气体）。

常见的超临界流体有二氧化碳、一氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷、甲醇、乙醇、苯、甲苯、氨、水等；最常用的是二氧化碳（临界条件接近室温、无毒无味、化学稳定、价廉易得）。

超临界流体萃取技术是一项新兴的萃取分离技术，就是以超临界流体作为萃取剂，进行萃取分离目标物质。

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随着科技的不断发展，超临界流体萃取已发展到与其它高新技术联用，如分子蒸馏、色谱、核磁共振、吸附分离、超滤等技术联用，以实现优势互补、拓宽应用范围

。

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4.4树脂吸附法

吸附树脂是一类多孔性、高交联度的高分子吸附剂，其比表面积（主要是孔内的表面积）较大。

根据表面化学的原理，表面具有吸附能力，因此它可从气相或液相中吸附某些物质。

吸附树脂主要由范德华作用力、偶极-偶极相互作用及氢键作用而吸附物质的，随表面性质、表面力场的不同，吸附具有一定的选择性。

该方法主要是根据混合物中各组分性质的不同（主要是极性），选用相应的吸附树脂、洗脱剂，通过吸附解吸来有选择性分离纯化物质。

吸附树脂根据其极性大小，可分为非极性吸附树脂、中极性吸附树脂、极性吸附树脂和强极性吸附树脂四大类；非极性树脂常用于从极性物质中吸附非极性物质，极性树脂适用于从非极性物质中吸附极性物质

。

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4.5膜分离技术

4.5.1膜分离技术的简介

膜分离技术是20世纪70年代发展起来的一种不涉及相变、新型节能的技术。

它是利用天然或人工合成的高分子膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异，借助化学位差或外界能量的推动，来实现物质分离、纯化和浓缩。

其推动力有浓度差、压力差和电位差等，涉及的机理有机械过滤作用、溶解-扩散作用、物质交换作用。

它主要是根据各组分之间分子量大小、颗粒大小及形状的不同而进行分离。

根据被分离物质分子大小的不同，膜分离可分为微滤、透析、超滤、纳滤。

反渗透、电渗析、液膜分离等

。

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膜是具有选择性分离功能的材料。

利用膜的选择性分离实现料液不同组分的分离、纯化、浓缩过程称作膜分离。

膜可以在分子范围内进行分离，并且这一过程是物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。

根据膜的孔径的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是微滤级别的膜：

陶瓷膜和金属膜；有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、聚醚砜、聚氟聚合物等。

根据膜构件的不同，膜可分为平板膜、卷式膜、管式膜

。

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4.5.2不同膜材料的孔隙率

膜孔隙率即多孔膜中空气所占体积百分数。

孔隙率高，膜透过性就好，琪通量也高，4种膜材料中再生纤维素膜的孔隙率最高，其次是聚醚砜膜；聚四氟乙烯膜的孔隙率最低，其透过性也差。

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4.5.3膜孔径选择

膜孔径是影响膜截留率和通量的一个重要因素，就色素提取液的纯化而言，要选择除杂率高、色素截留率低、通量高的膜

。

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4.6分子蒸馏技术

4.6.1基本原理

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

。

4.6.2分子蒸馏技术的简介

分子蒸馏分离技术是20世纪30年代发展起来的一种特殊、高新的液-液分离技术，是一种非平衡蒸馏，又称短程蒸馏。

它是在一定的温度（远小于常压沸点）和压力（0.133~1MPa）下，待分离组分受热蒸发溢出液面后，因不同物质分子的分子运动平均自由程的不同，而进行分离纯化物质。

分子运动自由程是指一个分子在相邻二次分子碰撞之间所运动路程，某一特定分子在某涉及段内的分子运动自由程的平均值就称为分子运动平均自由程。

待分离体系受热获得足够能量后分子溢出液面，轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，在液面上设置一冷凝板（置于轻分子和重分子的运动平均自由程之间），从而轻分子能到达冷凝板而冷凝移出，重分子不能到达冷凝板而回到气液体系中

。

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5.新技术的发展趋势

5.1超声波萃取技术

超声波萃取技术具有处理时间短、能耗低、提取效率高、环境污染小、提取时无需加热、能保持提取物生物活性等优越性，已应用在生活的各个领域，特别适合于天然活性物质的提取。

在更加深入研究超声波提取过程的动力学机制和了解超声波处理对色素性质影响的基础上，进一步改善提取工艺，降低设备成本，或结合其他高新技术使用，必将有助于拓展超声波在天然色素提取方面的应用领域，发挥巨大的工业化应用潜力，在科学研究以及社会生产等各方面发挥举足轻重的作用

。

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5.2微波强化萃取技术

微波技术具有升温快、易控制、加热均匀、节能等优点，可强化浸取过程、缩短生产周期、降低能耗、减少废物、提高产率和提取物纯度，操作费用低、利于环保

。

与超临界流体萃取相比，微波萃取仪器设备比较简单、廉价且适用面广，较少受到萃取物极性的限制，有良好发展前景

。

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5.3超临界流体萃取技术

超临界流体萃取是利用临界温度、临界压力之上的超临界流体具有溶解许多物质的能力的性质，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技术。

与传统的压榨法、浸提法、回流法相比，SFE技术最大的优点是无化学溶剂消耗和残留、无污染，避免了色素在高温下的热裂化，保护了色素的天然活性，保持了天然色素的色泽、香气纯正。

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SFE技术理论尚不成熟，在规模化、工业化的应用上尚存在一些问题；由于萃取过程在高压下进行，对设备及整个管路系统的耐压性能要求较高，故投资成本较高。

但是，由于SFE技术的种种优点和不可替代性，该技术将会取代传统萃取天然色素的方法，生产出高纯度、高品质的天然色素产品

。

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5.4树脂吸附技术

大孔树脂吸附法以其有机溶剂用量少、耗能少、吸附量大、吸附速度快、易于解吸附、可重复使用等特性，在色素精制中的应用越来越广泛

。

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5.5膜分离技术

膜过滤技术与其它过滤方法相比具有以下优越性：

过滤是无须添加絮凝剂，节省了大量絮凝剂成本的支出；过滤收率高，损失较少；滤液质量高，澄清透亮，不乳化；由于采用菌丝体与大部分蛋白一步截留过滤法，操作工艺流程简化，操作成本降低；系统实行系统封闭过滤，且可实现全自动控制，滤液不受人为污染，排渣无须手动，操作劳动强度减轻；由于系统独特的结构设计、系统设计及配套的清洗方案，使系统的稳定性、效率、抗污染能力及适用于高粘度料液过滤的能力较其它过滤方法具有显著的优越性

。

膜纯化技术操作简便、省时，又节约了处理成本，且纯化过程操作简单，极具工业应用前景

。

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5.6分子蒸馏技术

分子蒸馏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。

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分子蒸馏技术在制备天然色素方面具有独特优势，制得的色素产品质量、外观、得率都高于真空蒸馏的产品，客服了传统分离提取法的种种缺陷，必将在天然色素的制备方面起到巨大的推动作用。

目前，该技术已广泛应用于石油化工、食品工业等领域，特别适用于天然物质的分离与提纯

。

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6.结论

天然色素在动植物体中分布广泛，其化学成分十分复杂。

超临界流体萃取、分子蒸馏等技术大多是可以用不复杂设备，在比较温和条件下操作就可以获得较多得率和纯度的天然色素产品，具有较好的选择性，适合色素化合物成分的分离。

因此，这些提取、分析新技术有望成为天然色素提取分离，快捷分析的有效手段，并成为天然色素的开发应用提供了有效的技术保证，从而满足人体对食品，药物安全性要求的提高，保证人类的自身安全。

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致谢

这篇毕业论文是在我的导师黄百祺老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。

他严肃的科学态度，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

从课题的选择到项目的最终完成，黄老师都始终给予我精心指导，在此谨向黄老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

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当然，我还要感谢我的朋友，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

特别是小潘和司徒，他们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。

骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有很多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！

瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

愿把我的幸福和快乐都送给关心和支持过我的人，也愿他们一切如意。