CN105503684A

CN105503684A - 一种超临界co2萃取雨生红球藻虾青素的方法

Info

Publication number: CN105503684A
Application number: CN201610057061.0A
Authority: CN
Inventors: 魏东; 马超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: CN105503684B

Abstract

本发明提供一种超临界CO₂萃取雨生红球藻虾青素的方法，包括如下步骤：1)雨生红球藻藻泥和无水乙醇按料液比1.5～4.5：1混合配成悬液，料液比单位为g/mL，将悬液在65-85MPa压力下进行超高压细胞破碎；2)步骤1)中细胞破碎所得样品干燥至含水量小于10％；3)干燥后所得样品制成20-40目的藻颗粒；4)对制得的藻颗粒进行超临界CO₂萃取，以无水乙醇为萃取夹带剂，萃取压力为26-30MPa，萃取温度为40-50℃，藻颗粒和无水乙醇的料液比为1：0.5-1.5，料液比单位为g/mL。本发明提供的方法具有能耗低、萃取率高的特点。

Description

一种超临界CO2萃取雨生红球藻虾青素的方法

技术领域

本发明涉及虾青素的萃取技术，特别涉及一种通过超临界CO₂萃取技术从雨生红球藻中萃取虾青素的方法。

背景技术

虾青素的来源一般有四种，除了人工合成的以外，提取虾青素的材料一般认为有三种来源：第一种为传统的虾蟹壳等下脚料，第二种为经过发酵的红发夫酵母，第三种为环境诱导的雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)。通过对这三种材料的综合比较，科学家们发现雨生红球藻由于其自身的特性及经过诱导后虾青素含量很可观而被人们认为是生产虾青素的最佳生物。

然而，积累大量虾青素的雨生红球藻，其厚壁孢子的细胞壁厚于一般的藻体细胞，直接用来提取虾青素，溶剂透过细胞壁和细胞膜的速率受到严重阻碍，造成萃取溶剂难以进入细胞内将虾青素提取出来，因而虾青素提取率很低。这严重影响了虾青素的提取率，大大降低了雨生红球藻的利用价值，造成资源的浪费。

目前，雨生红球藻的破壁方法主要有化学法、物理机械破壁方法和酶解法。化学方法比较系统，但是在其过程中使用了有机溶剂，存在有机溶剂残留会对人体造成伤害；物理机械破壁方法绿色环保、分离简单，适合大规模的工业化生产，但目前细胞破壁率较低，通常为70％左右，而达到90％的破壁方法成本昂贵；万庆家等研究了超高压法从雨生红球藻中提取虾青素的工艺，虽然雨生红球藻中虾青素转移率可达90％，但200MPa的超高压很难达到工业化应用的条件(辽宁中医药大学学报，2010年11期)；酶解法对于虾青素的破坏最小，但是破壁率较低并且增加了后续分离的难度，不适合大规模的工业化生产。

超临界流体(Supercriticalfluid)兼有气体、液体两者的特点，密度接近于液体，粘度和扩散系数接近于气体，不仅具有与液体溶剂相当的溶解力，而且具有优良的传质性能。超临界流体萃取法利用其优点，成为一种提取效率高，溶剂残留少的萃取方法。不少研究均有应用此方法，屈毅等研究了超临界CO₂流体萃取技术从虾壳中提取虾青素，提取率可达到80.5％(食品与发酵工业，2004年12期)。专利CN101691348A采用超临界CO₂萃取直接提取雨生红球藻干粉，该工艺绿色环保并且对虾青素的生理活性影响较小，但是该方法所用设备昂贵，成本很高，特殊的破壁工艺且虾青素的提取率低。

在本技术领域，开发一种可高效提取虾青素的方法实属必要。

发明内容

本发明为弥补现有技术的不足，提供一种超临界CO₂萃取雨生红球藻虾青素的方法，本发明提供的方法具有能耗低、萃取率高的特点。

本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：

一种超临界CO₂萃取雨生红球藻虾青素的方法，包括如下步骤：

1)雨生红球藻藻泥和无水乙醇按料液比1.5～4.5：1混合配成悬液，料液比单位为g/mL，将悬液在65-85MPa压力下进行超高压细胞破碎；

2)步骤1)中细胞破碎所得样品干燥至含水量小于10％；

3)干燥后所得样品制成20-40目的藻颗粒；该步骤中将藻颗粒控制在20-40目有利于后续萃取，若颗粒过细，原料间的间隙小容易结块；而颗粒过粗，则不利于萃取步骤中二氧化碳传质，导致萃取率下降。本申请发明人还发现若不对细胞破碎后样品制粒而直接进行萃取，其萃取率较低。

4)对制得的藻颗粒进行超临界CO₂萃取，以无水乙醇为萃取夹带剂，萃取压力为26-30MPa，萃取温度为40-50℃，藻颗粒和无水乙醇的料液比为1：0.5-1.5，料液比单位为g/mL。

优选的，步骤1)中对悬液进行超高压细胞破碎过程中将悬液温度控制在4-6℃。

优选的，步骤2)中在真空条件下干燥细胞破碎所得样品。

进一步优选的，步骤2)在35～45℃进行干燥。

优选的，步骤4)中对藻颗粒进行超临界CO₂萃取时加入玻璃珠与藻颗粒混合。

作为一种具体实施方式，所述玻璃珠的加入量和藻颗粒的质量相等。

优选的，所述玻璃珠的粒径为2-4目。

作为一种优选方案，步骤1)中所述料液比为3.5:1；步骤4)中所述萃取压力为30MPa，萃取温度为50℃，藻颗粒和无水乙醇的料液比为1：1.5。在优选条件下，细胞在破碎1min后破碎率即可达到100％，虾青素萃取率可高达83.79％。

作为一种具体实施方式，步骤4)进行超临界CO₂萃取的萃取时间为3h、CO₂流速20L/h、分离器压力为5MPa。

进一步的，步骤1)中所述雨生红球藻藻泥的含水率为60-70％；

进一步的，步骤1)中对雨生红球藻悬液在65-85MPa压力下超高压细胞破碎1-3min。

本发明的优点及有益效果：

(1)传统超临界萃取工艺常采用雨生红球藻粉，而本发明直接雨生红球藻藻泥(新鲜藻泥或冷冻的新鲜藻泥)作为原料，极大地降低了干燥工艺所带来的高能耗和高成本，同时又能确保营养物质不被破坏，从而实现了经济效益和环境效益上的双赢。

(2)不同于细胞破碎率较低的传统物理机械破壁法，本发明采用高压细胞破碎机对雨生红球藻泥进行细胞破碎，优化料液比后能使细胞在破碎1min后其破碎率就达到100％，极大有利于胞内物质的溶出，进而增加虾青素的提取率。

(3)不同于雨生红球藻粉湿法制粒时需要添加粘合剂，本发明破壁后的藻泥直接干燥到一定含水率，进而制成一定目数的颗粒便于超临界萃取，节省了制粒工艺的成本。

(4)本发明采用高压细胞破碎机破壁、干燥制粒、超临界CO₂萃取的整体高效串联萃取工艺，使虾青素的萃取率高达83.79％，为雨生红球藻深加工产品的进一步开发提供了实用技术支持。

附图说明

图1：料液比对细胞破碎率的影响

图2：真空干燥温度对破壁藻泥含水率的影响

图3：虾青素标准曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明提供的超临界CO₂萃取雨生红球藻虾青素的方法，直接利用雨生红球藻藻泥为原料，采用超高压细胞破碎，对雨生红球藻藻泥进行破壁处理，然后干燥破壁后的藻泥到一定含水率，进而制成一定目数的颗粒，最后通过超临界CO₂萃取装置进行虾青素的高效萃取。本申请发明人在开发超临界CO₂萃取雨生红球藻虾青素的方法时，开展了如下研究工作：

实施例1：考察料液比对细胞破碎率的影响

实验条件：在解冻的雨生红球藻藻泥(含水率65％左右)中加入一定量的无水乙醇配成100ml雨生红球藻悬液，在80MPa压力下(冷水机温度：6℃)通过超高压细胞破碎机进行细胞破碎。试验设计了1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1这几种不同的料液比(雨生红球藻泥:无水乙醇，湿重g:体积mL)以考察料液比对细胞破碎率的影响。

实验结果参见附图1，在压力为80MPa下，当料液比(雨生红球藻泥：无水乙醇)低于3.5:1时，细胞破碎率随破碎时间的延长而增加。然而料液比高于3.5:1时，虽然1min就能达到破碎率100％，但此时细胞悬液的流动性较差，容易造成堵塞。综合考虑破碎时间与破碎效果，80MPa下选取料液比为3.5:1，此时100ml细胞悬液超高压破碎1min后细胞破碎率即可达到100％。

在本实验中，雨生红球藻厚壁孢子通过高压均质后能使大部分细胞壁破碎，破碎后的虾青素能够被释放进入匀浆液中，而均质过程能产生瞬时高温，此高温能导致虾青素的生理活性降低。为了控制温度的升高降低热效应的影响，本申请发明人在超高压细胞破碎机进口处增添一个热交换器，将细胞破碎过程中雨生红球藻悬液温度控制在4℃左右，出口温度调节在4℃左右。如此一来可进一步保留营养物质的生物活性。

本实施例中，细胞破碎率(ξ)的计算按照KobayashiM(BiotechnologyTechniques,1997,11(9):657～660)的方法，用“浮游生物计数框”进行细胞计数，计算细胞破碎前、后完整细胞的数目。计算公式为：ξ＝(未破壁细胞数目-破壁后完整细胞数目)/未破壁细胞数目。

实施例2：考察真空干燥温度对破壁藻泥含水率的影响

实验条件：将实施例1中在80MPa、料液比(雨生红球藻泥：无水乙醇)3.5:1条件下高压破碎1min后的藻泥倒入平皿，在真空干燥箱进行真空干燥(真空度0.08MPa)，最后通过水分快速测定仪对不同干燥时间的藻泥进行水分含量测定。试验设计了35℃、40℃、45℃三个不同温度以考察干燥温度对藻泥含水率的影响。

实验结果参见图2，试验首先考察了在三个不同温度下分别真空干燥2h～10h的干燥效果。由图2可知，在同一温度下，样品的水分含量随着真空干燥时间的延长而降低。真空干燥时间相同时，样品的水分含量随着真空干燥温度的提高而迅速降低。因后续造粒机制粒对样品的水分含量要求以低于10％为佳，所以最终选择在45℃下干燥24h为佳，水分含量达到8.7％。

实施例3：造粒机制粒

将实施例2中在45℃下真空干燥24h所得样品在摇摆式颗粒机上使用目数为20-40目的筛网制粒成20-40目的颗粒，以便后续的超临界CO₂萃取。

实施例4：超临界CO₂萃取虾青素

将实施例3得到的粒径为20～40目的雨生红球藻颗粒(约2kg)进行超临界二氧化碳萃取。本实验采用的设备为HL-2L/50MPa-IIBQW型超临界流体萃取装置，萃取釜为2L，每批投料量为200g雨生红球藻颗粒，同时加入等量的玻璃珠(粒径为2～4目)作为抗结剂与雨生红球藻颗粒均匀混合，并采用无水乙醇作为萃取夹带剂。

萃取实验条件为：原料粒度20～40目，萃取时间3h，CO₂流速20L/h，分离器压力为5MPa。试验采用L9(33)正交实验设计，从萃取压力、温度和料液比(藻颗粒：无水乙醇)三个因素考察超临界CO₂对虾青素萃取率的影响，实验设计见表1，实验结果见表2。

表1正交实验因素水平表

表2虾青素萃取正交实验分析表

见表2，根据极差大小可看出三个因素的主次顺序分别为：压力>温度>料液比(藻颗粒：无水乙醇)。最佳组合为A1B1C1，即：萃取压力为30MPa、萃取温度为50℃、料液比为1：1.5。在该组合下，虾青素的萃取率为83.79％。

本实施例中虾青素萃取率的测定方法说明如下：

虾青素萃取率＝(原料中虾青素的质量-萃余物中虾青素的质量)mg/原料中虾青素的质量mg×100％。

本实施例虾青素定量分析的标准曲线：用三氯甲烷：乙醇(1:1，v/v)溶液配制一定梯度浓度的虾青素标准溶液，分别于最佳波长487nm处测量吸光值，并绘制标准曲线，如图3所示。虾青素标准品在487nm下的标准曲线回归方程为：y＝0.4239x+0.012，(R²＝0.999)。其中，X为虾青素浓度(μg/mL)，y为所对应的吸光值(OD487nm)大小。

文中未特别说明之处均为本技术领域公知常识或常规技术手段，在此不再一一赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种超临界CO₂萃取雨生红球藻虾青素的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)步骤1)中细胞破碎所得样品干燥至含水量小于10％；

3)干燥后所得样品制成20-40目的藻颗粒；

4)对制得的藻颗粒进行超临界CO₂萃取，以无水乙醇为夹带剂，萃取压力为26-30MPa，萃取温度为40-50℃，藻颗粒和无水乙醇的料液比为1：0.5-1.5，料液比单位为g/mL。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中对悬液进行超高压细胞破碎过程中将悬液温度控制在4-6℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中在真空条件下干燥细胞破碎所得样品。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)在35～45℃进行干燥。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中对藻颗粒进行超临界CO2萃取时加入玻璃珠与藻颗粒混合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述玻璃珠的加入量和藻颗粒的质量相等。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述玻璃珠的粒径为2-4目。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述料液比为3.5:1；步骤4)中所述萃取压力为30MPa，萃取温度为50℃，藻颗粒和无水乙醇的料液比为1：1.5。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)进行超临界CO₂萃取的萃取时间为3h、CO₂流速20L/h、分离器压力为5MPa。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述雨生红球藻藻泥的含水率为60-70％；步骤1)中对悬液在65-85MPa压力下超高压细胞破碎1-3min。