CN106748944A - 一种雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雨生红球藻细胞快速破壁原位萃取偶联二次萃取获得高纯度虾青素的方法，它包括如下步骤：(1)取雨生红球藻加入有机溶剂搅拌均匀；(2)将步骤(1)得到的料液注入砂磨机中，研磨粉碎后得到混悬液；(3)对步骤(2)得到的混悬液进行固液分离，回收液相；(4)对步骤(3)收集的液相减压蒸馏，回收有机溶剂，剩余暗红色油膏状物；(5)对步骤(4)得到的暗红色油膏状物进行超临界CＯ2萃取，获得提纯的虾青素提取物。本发明整个破碎原位萃取偶联超临界CO2二次萃取工艺大大缩短了现有工艺的耗时，极大简化了虾青素的纯化工艺，有效的保证了天然虾青素的生物学活性。
Description
技术领域
本发明属于生物分离技术领域，具体涉及一种从雨生红球藻细胞中萃取虾青素的方法。
背景技术
虾青素即3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，为萜烯类不饱和化合物，是一种类胡萝卜素。天然虾青素是自然界中最强的抗氧化剂之一，可以有效清除细胞内的氧自由基，增强细胞再生能力，维持机体平衡和减少衰老细胞的堆积。其清除氧自由基的能力是维生素C的6000倍，花青素的700倍。同时，天然虾青素是唯一一种可以通过血脑屏障的类胡萝卜素。2008年以来，国内外研究发现具有多种生理功效，如在抗氧化性、抗肿瘤、预防癌症、增强免疫力、改善视力等方面都有一定的效果。
天然虾青素的主要来源是海产废弃物、红发夫酵母以及雨生红球藻。其中雨生红球藻中的虾青素含量远高于另外两者，通常可达1.5％-3％，被称为天然虾青素的“浓缩品”。因此，从红球藻中提取天然虾青素成为近年来国内外研究的热点以及生产天然虾青素最主要方法。
雨生红球藻隶属绿藻门、团藻目、红球藻科、红球藻属、雨生种。其细胞壁较厚，加大了从中提取虾青素的难度，采用有机溶剂直接萃取的方式，虾青素的提取率低于50％(CN103044304A)，因此对雨生红球藻细胞进行有效的破壁处理是虾青素提取工艺中的关键步骤。
现有报道的破壁方式主要包括：1.高压均质破碎(CN104961668A)。该方法破壁率为90％左右，样品需要经过反复多次破壁处理，耗时较长从而导致有效成份被氧化；此外红球藻在溶液中极易沉降，导致料液不均匀从而堵塞仪器。2.闪式提取器(CN105254551A)。该方法破碎效率不高，处理量较小，最终产品的提取率较低。3.超高压破碎(CN103787941A)。该方法采用100-300mPa高压破碎，破壁率超过95％，效果较好但对设备要求较高，不易在规模化生产中运用。4.酸处理法(CN103232375A)。该方法额外在体系中添加了酸作为破壁溶剂，增大了产品分离的难度，且酸液不易于回收利用。5.冰醋酸冰浴、匀浆机匀浆及液氮处理相结合破碎法(CN104529852A)。该方法破壁率可达97.7％，但操作程序复杂，成本较高且提取率较低，不适合应用于规模化生产。6.反复冻融法(CN104557651A)。该方法采用加入硫酸铵水溶液反复冻融破壁，冻融周期长达15-20h，单次破壁效率低下并不适合实际生产。7.超微粉碎法。该方法属于干法研磨范畴，破壁效率较好，但由于破碎后红球藻中的油性物质被释放，导致料粉大量粘附在设备釜内不易转移，影响了该方法的应用。
另一方面，虾青素产品的价格与产品的纯度直接相关，虾青素浓度超过5％产品的产品售价大幅提高。初步提取的虾青素纯度一般不高，因此，对初提产物进行纯化是提高虾青素提取物经济价值的重要手段。目前主要的纯化方式采用薄层层析(陈兴才等)或者柱层析(CN103012229A)的方式进行，过程复杂，且引入了其他的有机溶剂，易对产品的杂质成份造成影响。
此外，采用超临界CO2萃取技术萃取虾青素是目前国内外研究的热点技术，该工艺安全环保，但同样面临细胞不易破碎的问题，为解决该问题通常分为两种方式，其一采用上述的破壁方法，偶联超临界萃取，该方法同样存在上述破碎过程的弊端；其二以未经破碎的红球藻干粉为原料，采用高温高压等手段辅助萃取，该方法对设备要求较高，不易放大生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全新的高效破壁原位萃取偶联超临界CＯ2二次萃取的高纯度虾青素提取工艺。
为解决上述技术问题，本发明的思路是，运用湿法研磨偶联萃取工艺，采用砂磨机在对红球藻细胞破壁的同时完成虾青素的萃取，料液经固液分离后取溶液进行减压蒸馏回收萃取剂，同时获得虾青素的初步提取物，对其进行超临界CO2二次萃取，所得浓缩深红色油膏状物即为虾青素提取物。该工艺条件温和，操作简便，耗时极短，破壁率高达99.9％，虾青素提取率可达99％以上，提取物中虾青素纯度可达到8％以上。
具体的技术方案如下：
一种雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，它包括如下步骤：
(1)取雨生红球藻加入有机溶剂搅拌均匀；
(2)将步骤(1)得到的料液注入砂磨机中，研磨粉碎后得到混悬液；
(3)对步骤(2)得到的混悬液进行固液分离，回收液相；
(4)对步骤(3)收集的液相减压蒸馏，回收有机溶剂，获得虾青素粗提物；
(5)将步骤(4)获得虾青素粗提物进行超临界CO2萃取，所得暗红色油膏状物即为高纯度虾青素提取物。
步骤(1)中，雨生红球藻以其干燥的雨生红球藻藻粉的形式加入有机溶剂，干燥的雨生红球藻藻粉，其含水量通常低于2％。
步骤(1)中，所述的有机溶剂为乙醇、丙酮和正己烷中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。有机溶剂优选这些低粘度、低沸点、流动性好的有机溶剂。不能采用高沸点溶剂或粘度较高的溶剂或油脂类溶剂，这一类溶剂存在不易回收，无法简单实现固液分离以及影响最终虾青素提取物中有效成份的含量的缺点。
步骤(1)中，雨生红球藻与有机溶剂的比为1kg∶1-10L。
步骤(2)中，所述的砂磨机为棒销式砂磨机或涡轮式砂磨机。
步骤(2)中，所述的砂磨机，其研磨腔内填料为陶瓷微珠，研磨腔内微珠装量为研磨腔体积的75％-90％。所述的陶瓷微珠优选材质为氧化锆陶瓷等，所述的陶瓷微珠的尺寸优选直径0.5-5mm。
步骤(2)中，所述的砂磨机，研磨腔内温度控制在10-35℃之间，优选10℃。
步骤(2)中，研磨处理时间为10-600s/L料液。
步骤(3)中，固液分离的方式为离心、板框压滤、负压抽滤或自然沉降。
步骤(4)中，减压蒸馏的温度为30-50℃，优选40℃。
步骤(4)中，一般减压蒸馏直到无冷凝溶剂滴落为止。
步骤(4)中，回收的有机溶剂循环用于步骤(1)中与雨生红球藻混合。
步骤(5)中，所述的超临界萃取工艺，压力为25-40mPa，萃取时间为1-3h，萃取温度为30-50℃。
通常的超临界萃取需要额外添加夹带剂，夹带剂的作用在超临界萃取仪中帮助细胞内的虾青素突破细胞膜，单纯的超临界二氧化碳在两次进出细胞膜时的效率不高，乙醇进出细胞膜比较容易，可以在进出膜的过程中把虾青素带出来。本发明的特色是细胞经过破壁原位萃取后，会把容积完全蒸干，使提取物中没有溶剂残留。二次萃取时直接用纯的初提物为原料进行，由于没有了细胞结构，超临界二氧化碳就不再需要夹带剂的辅助，很容易实现萃取，也不需要后期再进行后处理，直接得到高纯度的干净产品。
有益效果：本发明方法的优势在于：
1.红球藻细胞破壁率极高，且进行破碎的同时溶剂可直接萃取虾青素，整个破碎偶联萃取工艺大大缩短了现有工艺的耗时，有效的保证了天然虾青素的生物学活性。
2.整个工艺中除了添加的易回收溶剂外不添加任何其他溶剂，回收溶剂所获得的虾青素提取物没有其他外源添加的成份，保证了提取物的品质且易于后续产品的开发。
3.整个工艺中溶剂除少量挥发外完全回收用于新一轮的破碎萃取过程，几乎没有消耗。
4.工艺中所用溶剂为低粘度、低沸点、流动性好的有机溶剂，一方面易于破碎后固液分离的过程，另一方面利于溶剂的回收利用。
5.研磨用微珠损耗极小，整个体系运行费用很低。
6.以破碎原位萃取后获得的初提物为原料，进行超临界二次萃取，可使该萃取工艺条件温和，萃取效率显著提高，产品纯度显著提高。
7.现有超临界萃取通常需要采用加入夹带剂的方式，促进虾青素过膜的提取，从而导致萃取产品中带有夹带剂如乙醇、食用油等，产品纯度不高，部分夹带剂可通过后处理去除，而部分夹带剂无法去除。如果不添加夹带剂，采用超临界萃取，萃取物中虾青素纯度稍有提高，但提取率很低。本发明因为细胞采用了破壁原位萃取，因此后续的超临界萃取不需要添加夹带剂，且提取率高。
8.本发明工艺大大缩短了现有工艺的耗时，极大简化了虾青素的纯化工艺，有效的保证了天然虾青素的生物学活性。
附图说明
图1破碎前雨生红球藻在溶剂中的镜检照片；
图2破碎后雨生红球藻在溶剂中的镜检照片；
图3原料藻粉外观照片；
图4按实施例2工艺提取后滤渣外观照片。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
以下实施例所用的砂磨机型号ESW-1.0(棒销式)或者EDW-1.0(涡轮式)。
以下实施例所用的雨生红球藻藻粉，其含水量在2％以下。
以下实施例所用的超临界萃取仪型号HA220-60-06型。
破壁率采用显微镜检技术，取100uL破碎前后的悬液制作标本，无需染色，直接在100倍油镜下观察细胞结构，破碎后无法找到完整细胞结构，故认定破壁率99.9％以上。
虾青素含量测定方法采用国标GB/T 31520的方法，提取率计算方法为提取物中虾青素总质量与原料中虾青素总质量的比值。
实施例1：
取雨生红球藻藻粉1kg，加入1L无水乙醇搅拌均匀后注入砂磨机进料缸中待用。采用棒销式砂磨机，在研磨腔中加入75％腔体积的0.6mm氧化锆陶瓷微珠，10℃预冷研磨腔后打开进料泵电源，研磨时间15s。料液6000rpm冷冻离心5min，取上清50℃减压蒸馏至无溶剂滴落得到虾青素粗提物，同时回收乙醇循环用于雨生红球藻中的虾青素的提取。将虾青素粗提物放至超临界萃取仪萃取釜中，萃取压力30mPa，萃取时间为2h，萃取温度为40℃，分离釜中收集虾青素提取物。细胞破壁率99.9％，天然虾青素提取率99.2％，提取物中虾青素含量8.2％。
实施例2：
取雨生红球藻藻粉0.5kg，加入4L正己烷搅拌均匀后注入砂磨机进料缸中待用。采用涡轮式砂磨机，在研磨腔中加入85％腔体积的1.0mm氧化锆陶瓷微珠，10℃预冷研磨腔后打开进料泵电源，研磨时间60s。料液自然沉降1h，取上清40℃减压蒸馏至无溶剂滴落得到虾青素粗提物，同时回收正己烷循环用于雨生红球藻中的虾青素的提取。将虾青素粗提物放至超临界萃取仪萃取釜中，萃取压力25mPa，萃取时间为1h，萃取温度为30℃，分离釜中收集虾青素提取物。细胞破壁率99.9％，天然虾青素提取率99.5％，提取物中虾青素含量9.1％。(图1破碎前镜检照片，图2破碎后镜检照片，图3原料藻粉照片，图4提取后滤渣照片)
实施例3：
取雨生红球藻藻粉2kg，加入20L丙酮搅拌均匀后注入砂磨机进料缸中待用。采用棒销式砂磨机，在研磨腔中加入90％腔体积的5.0mm氧化锆陶瓷微珠，10℃预冷研磨腔后打开进料泵电源，研磨时间600s。料液负压抽滤，取滤液30℃减压蒸馏至无溶剂滴落得到虾青素提取物，同时回收丙酮循环用于雨生红球藻中的虾青素的提取。将虾青素粗提物放至超临界萃取仪萃取釜中，萃取压力40mPa，萃取时间为3h，萃取温度为50℃，分离釜中收集虾青素提取物。细胞破壁率99.9％，天然虾青素提取率99.8％，提取物中虾青素含量8.8％。
对比例1：
操作步骤同实施例1，其中添加溶剂采用葵花籽油替代乙醇，研磨后的混悬液无法直接采用离心或负压抽滤或自然沉降的方法实现固液分离，需添加大量水絮凝细胞碎片后再通过离心实现固液分离。分离后的液相无法通过减压蒸馏的方式回收添加的溶剂，整个工艺细胞破壁率99.9％，天然虾青素提取率85.8％，提取物中虾青素含量仅为0.25％，不利于后续产品的开发。
对比例2：
取雨生红球藻藻粉0.5kg，采用超临界萃取仪直接萃取，夹带剂为无水乙醇，萃取条件同实施例2，提取物中虾青素含量为1.2％，天然虾青素提取率25.2％，提取效率低下。
对比例3：
取雨生红球藻藻粉0.5kg，采用超临界萃取仪直接萃取，夹带剂为无水乙醇，萃取压力40mPa，萃取时间为2h，萃取温度为70℃，提取物中虾青素含量为1.8％，天然虾青素提取率36.8％，提取效率低下。
对比例4：
取雨生红球藻藻粉0.5kg，采用超临界萃取仪直接萃取，不添加任何夹带剂，萃取压力40mPa，萃取时间为2h，萃取温度为70℃，提取物中虾青素含量为2.1％，天然虾青素提取率15.7％，提取效率低下。
Claims (11)
1.一种雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)取雨生红球藻加入有机溶剂搅拌均匀；
(2)将步骤(1)得到的料液注入砂磨机中，研磨粉碎后得到混悬液；
(3)对步骤(2)得到的混悬液进行固液分离，回收液相；
(4)对步骤(3)收集的液相减压蒸馏，回收有机溶剂，获得暗红色油膏状物为虾青素粗提物；
(5)对步骤(4)获得的虾青素粗提物进行超临界CO2萃取，所得暗红色油膏状物为虾青素提取物。
2.根据权利要求1所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的有机溶剂为乙醇、丙酮和正己烷中的任意一种或两种以上任意比例的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(1)中，雨生红球藻与有机溶剂的比例为1kg∶1-10L。
4.根据权利要求1所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的砂磨机为棒销式砂磨机或涡轮式砂磨机。
5.根据权利要求1或4所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的砂磨机，其研磨腔内填料为陶瓷微珠，研磨腔内微珠装量为研磨腔体积的75％-90％。
6.根据权利要求1或4所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的砂磨机，研磨腔内温度控制在10-35℃之间。
7.根据权利要求1或4所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(2)中，研磨处理时间为10-600s/L料液。
8.根据权利要求1所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(3)中，固液分离的方式为离心、板框压滤、负压抽滤或自然沉降。
9.根据权利要求1所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(4)中，减压蒸馏的温度为30-50℃。
10.根据权利要求1所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(4)中，回收的有机溶剂循环用于步骤(1)中与雨生红球藻混合。
11.根据权利要求1所述的雨生红球藻细胞快速破壁偶联萃取虾青素的方法，其特征在于，步骤(5)中，超临界CO2萃取压力为25-40mPa，萃取时间为1-3h，萃取温度为30-50℃。
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