CN107417764A - 一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法。本发明萃取方法采用亚临界水萃取设备进行海藻蛋白的萃取，以亚临界水作为萃取剂，在密闭、无氧、高压的容器内，依据有机物相似相溶的原理，萃取得到海藻蛋白。本发明方法绿色环保、成本低，萃取效率高，萃取方法流程简单，生产周期短，保留萃取物的活性不受破坏、不被氧化，萃取得到的海藻蛋白的抗氧化活性高，显著优于反复冻融与超声均质联用而获得的蛋白的抗氧化活性。

Description

一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法

技术领域

本发明涉及亚临界水萃取技术领域，具体涉及一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法。

背景技术

海藻是生长在海中的藻类，是植物界的隐花植物，藻类包括数种不同类以光合作用产生能量的生物。它们一般被认为是简单的植物，主要特征为：无维管束组织，没有真正根、茎、叶的分化现象；不开花，无果实和种子。

海藻一般是生长在潮间带及亚潮间带肉眼可见的大型藻类，通常包括绿藻、褐藻及红藻三大类。在古代中国及日本就有利用海藻作为食物的证据，古医典包括《本草纲目》、《本草经集注》、《海药本草》及《本草拾遗》等都有用海藻治疗各种疾病的纪载。海藻也是印尼及其它东南亚国家的传统药材，用于退烧、治咳，以及治疗气喘、痔疮、流鼻涕、肠胃不适及泌尿疾病等。日本人喜欢食用海藻，以加强身体抗癌、抗肿瘤的能力，且可有效改善糖尿病症状及纾解紧张压力。研究表明，由于海洋生物生长环境特殊使其具有多种生物活性功能，包括防止胰岛细胞凋亡和改善胰岛素抵抗、护肤、抗肿瘤、抗氧化、抗高血压、降血脂、调节免疫、增强骨强度和预防骨质疏松等生理活性。

由于海藻富含多种生命活性物质，如蛋白质、多糖、高不饱和脂肪酸，牛磺酸、类胡萝卜素、甾醇及海带氨酸等，无论是作为日常食物，还是提取活性物质作为药品，海藻有对人类生命极为高级的营养元素。

海藻蛋白是海藻生物结构的重要组成部分，也是组织更新和修复的主要原料，并具有多种生理功能。目前海藻蛋白的研究一直是世界学者研究热点。

目前利用亚临界水萃取对环境样品、污水和土壤进行预处理用于分析领域的研究报道较多，近年来国内外已有利用亚临界水萃取天然活性成分如挥发油、黄 酮、多酚、菇烯、皂苷以及蒽酮类物质的相关报道，但蛋白类物质的亚临界水萃取专利报道较少，对海藻类蛋白的提取未见报道。

鉴于亚临界水萃取对蛋白成分的回收率高，萃取时间短且无加工助剂消耗，而且原料无需干燥，简化了样品预处理，无环境污染，无有机溶剂残留，且具有高效、省时和成本低等优点。

传统的海藻蛋白的提取方法主要是采用反复冻融法、高压均质法、超声破碎法、溶胀法、化学试剂处理法等。化学试剂处理法提取虽能提高提取率，但因其加入了化学试剂，易引起蛋白的变性，对其安全性评价造成影响，同时也对后续纯化造成影响，将几种物理方法连用，在一定程度上降低了生物活性物质的活性，提取蛋白所用时间较长。虽然有文献提及过用亚临界水直接提取粗蛋白，但未见报道直接用亚临界水萃取设备直接提取海藻粗蛋白的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法。该方法通过采用亚临界水萃取设备，以亚临界水为萃取剂直接萃取海藻蛋白，萃取得到的海藻蛋白的活性高，具有良好的渗透与溶解能力，且工艺简单、成本低廉，有效解决了现有技术中海藻蛋白的提取工艺步骤繁杂、萃取物活性低以及生产周期长、成本高的问题。

本发明的目的通过如下方案实现。

一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，包括如下步骤：

（1）在亚临界水萃取设备中，将装有海藻粉的纱布袋悬吊于萃取釜中，将预热好的脱氧去离子水注入萃取釜中，加热加压进行萃取反应；

（2）萃取结束后，收集冷却至室温的萃取液，再进行冷却沉淀，离心，离心得到的上清液为海藻蛋白液；取上清液，冷冻，干燥，得到粗的海藻蛋白。

进一步地，步骤（1）中，所述纱布袋采用规格40-60目的纱布制成；所述纱布袋的开口处穿连有2mm不锈钢丝，作为束口绳，并用于悬吊。

进一步地，步骤（1）中，所述预热是预热至60~100℃，优选为80-100℃。

注入的去离子水为脱氧去离子水，脱氧去离子水在形成亚临界水进行萃取的过程中，避免了萃取物被氧化的问题，从而使最终得到的萃取物将具有优异的活性。

进一步地，步骤（1）中，所述脱氧去离子水注入萃取釜的速率≤100mL/min。

进一步地，步骤（1）中，所述加热是使温度达到100～150℃。

进一步地，步骤（1）中，所述加压是使压力达到1～20MPa。

进一步地，步骤（1）中，所述萃取反应的时间为0.5～2.5h。

进一步地，步骤（2）中，所述冷却沉淀是冷却至4℃进行沉淀。

进一步地，步骤（2）中，所述离心是在4℃、8000r/min条件下离心30min。

进一步地，步骤（2）中，所述冷冻是在≤-20℃温度下冷冻成冰块。

进一步地，步骤（2）中，所述干燥是真空冷冻干燥。

进一步地，整个萃取过程在全程避光条件下进行。

进一步地，上述任一项所述方法中，步骤（1）萃取反应过程不进行加热，温度为室温。

本发明萃取方法通过采用亚临界水萃取设备，以亚临界水作为萃取剂，在密闭、无氧、高压的容器内，依据有机物相似相溶的原理，通过萃取物料与萃取剂在浸泡过程中的分子扩散过程，达到固体物料中的脂溶性成分转移到液态的萃取剂中，再通过脱水处理将萃取剂与目标产物分离，能实现超高压亚临界水直接萃取海藻蛋白，包括在高温高压下进行萃取，或者在室温、高压调节下萃取；萃取得到的海藻蛋白的抗氧化活性高，显著优于反复冻融与超声均质联用而获得的蛋白的抗氧化活性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明萃取方法基于亚临界水萃取设备，具有无公害、绿色环保、无污染、非热加工、保留萃取物的活性不受破坏、不被氧化的优点，同时节能、成本低，产物易分离，且产能大、能实现工业化大规模生产；

（2）本发明萃取方法在所给压力和温度条件下，传质速度快，提取效率高，使用水作为溶剂，避免了有机溶剂带来的污染，同时萃取方法流程简单，生产周期短。

附图说明

图1为本发明具体实施例中采用的亚临界水萃取设备的结构示意图；

图2为实施例1中萃取得到的海藻蛋白的DPPH自由基清除率柱状图；

图3为实施例1中萃取得到的海藻蛋白的ABTS自由基清除率柱状图；

图4为实施例1中萃取得到的海藻蛋白的羟基自由基清除率柱状图；

图5为实施例2中萃取得到的海藻蛋白的DPPH自由基清除率柱状图；

图6为实施例2中萃取得到的海藻蛋白的ABTS自由基清除率柱状图；

图7为实施例2中萃取得到的海藻蛋白的羟基自由基清除率柱状图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下结合具体实施例及附图对本发明作进一步阐述，但本发明不限于此。

本发明具体实施例中采用的亚临界水萃取设备的结构示意图如图1所示，包括控制系统部分与操作系统部分，控制系统部分与操作系统部分通过电信号的方式连接；

操作系统部分包括：氮气瓶1、蓄水装置2、压力泵3、预热釜4、物料篮5、萃取釜6、恒温装置7、冷却釜8、收集器9、压力表10、温度表11、冷却水进口12、冷却水出口13、背压阀14以及截流阀15；

氮气瓶1通过管道和调节阀与蓄水装置2的进口端连接；压力泵3的一端通过调节阀与蓄水装置2的出口连接，并通过截流阀15分别及冷却釜8的出口连接，另一端通过调节阀与预热釜4连接；预热釜4通过调节阀与萃取釜6的进口端连接；萃取釜6的内部设置有物料篮5，萃取釜6的外部设置有恒温装置7，萃取釜6的顶部还设置有压力表10和温度表11用于监控釜内的压力及温度；萃取釜6的出口端通过调节阀与冷却釜8的进口端连接；冷却釜8的上端设置有冷却水出口13，下端设置有冷却水进口12；冷却釜8与压力泵3连接的一端还通过背压阀14与收集器9连接；

控制系统部分设计为控制面板16，控制面板16上设计有温度调节控制器17、压强调节控制器18、超温超压报警器19以及整个装置的电源开关20；

萃取过程中，打开连接氮气瓶1与蓄水装置2之间的调节阀，通入氮气除去蓄水装置2中水的氧气，形成脱氧去离子水；需萃取的物料放置在萃取釜6的物料蓝5中，萃取溶剂水通过压力泵3及预热釜4形成脱氧去离子亚临界水进入萃取釜6中，并通过恒温装置7保持萃取釜6的釜内温度，通过压力表10和温度表11监控釜内的压力及温度；萃取后溶解有萃取物的亚临界水通过调节阀进入冷却釜8内进行冷却，冷却后的水再通过背压阀14进入收集器9中进行收集。

本发明具体实施例利用亚临界水萃取设备进行提取，相比其它分离方法具有包括如下的许多优点：

无公害，绿色环保、无污染、非热加工、保留提取物的活性不受破坏、不被氧化，产能大、可工业化大规模生产，节能、运行成本低，易于和产物分离。

常用的传统水提取方法将超声与均质联用提取率高，是传统提取方式中对活性物质损害最小的提取方式，提取的海藻蛋白的复溶性明显优于盐提取的海藻蛋白。

本发明具体实施例中，常用的传统水提取方法的提取过程具体包括如下步骤（全程避光操作）：

（1）准确称取50g螺旋藻粉，按料液比为1:20加入超纯水，常温下磁力搅拌30min使其充分混溶后，放置于-20℃的冰箱中冷冻4h；冷冻结束后，置于37℃水浴锅中解冻；

（2）重复步骤（1）的冻融操作三次，采用均质2min（转速为5000rpm 30s→10000rpm1min →5000rpm 30s）；

（3）均质结束后，以570W的功率超声20min（每超声6s间隔9s），使蛋白质进一步游离出来；

步骤（2）均质和步骤（3）超声的全过程中，样品均置于冰浴中；

（4）超声结束后，将藻液置于4℃、10000r/min条件下离心，取上清液，分装冷冻，并将冻好的冰块冷冻真空干燥后，得到粗的海藻蛋白。

实施例1

利用上述亚临界水萃取设备制备高压水直接从螺旋藻中提取蛋白的方法，具体包括如下步骤：

（1）首先检查亚临界水萃取设备是否能正常启动，再将蓄水装置的水加大预定位置15L，开始准备实验，将事先准备好的螺旋藻干粉（购买的海藻即为粉状）称量50g，用直径为2mm不锈钢束口绳穿连在40目纱布制成的纱布袋的开口处，纱布袋包好，悬吊于萃取釜中，将釜盖好，温度传感器插好便于检测萃取釜上下以及釜内的温度；

（2）打开设备总开关后，将水泵的开关打开，控制脱氧去离子水以100mL/min的流速注入到萃取釜中；

（3）设定提取参数，萃取条件：提取温度为室温，萃取压力分别1MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa条件下，对原料进行有效成分的萃取，当设备达到设定条件时开始计时，萃取时间均为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h均有实验，经对比萃取时间为1h是提取产率稳定达到最高，最终选定为1h；

（4）萃取结束后将萃取液冷却至室温，收集萃取液；将未萃取充分的残渣进行破碎再处理重复步骤（2）、（3）操作两次，冷却至室温，收集萃取液；

（5）将收集好的萃取液置于4℃的冰箱中冷却至4℃进行沉淀；

（6）将冷却沉淀好的藻液在4℃、8000r/min的条件下离心30min，上清液即为螺旋藻蛋白液；

（7）将上清液分装于塑料培养皿中放置于-20℃冰箱中冷冻；

（8）将冷冻好的藻液冰块冷冻真空干燥，即得粗的螺旋藻蛋白。

注意，在进行上述操作时要全称避光操作。

将超高压水萃取得到的活性物质在分光光度计上做全波段扫描，将扫描结果与常用的传统水提取方法得到的粗的螺旋藻蛋白的扫描结果进行对比，结果显示主要吸收峰都在210~220nm之间，说明提取的物质为粗的螺旋藻蛋白。

将通过亚临界水萃取设备制备超高压水直接从螺旋藻中提取的蛋白与常用的传统水提取方法得到的粗的螺旋藻蛋白做抗氧化活性对比，选用的物质浓度梯度为10mg/ml、5mg/mL、2.5mg/mL 、1.25mg/mL、0.625mg/mL、0.3125mg/mL、0.15625mg/mL，DPPH、ABTS自由基清除活性以及羟基自由基清除能力评价结果分别如图2、图3以及图4所示：

（1）由图2可知，清除DPPH自由基时，传统水提取方法提取的粗蛋白活性优于高压水提取的粗蛋白的活性；而高压水提取压力在10MPa条件下的高压水提取出来的粗蛋白DPPH自由基清除活性明显优于传统方法所提取的粗蛋白；

（2）由图3可知，本实施例高压水提取的蛋白与常用的传统水提取方法得到的粗的螺旋藻蛋白对ABTS自由基清除率相当且均清除效果显著；

（3）通过图4比较得知，本实施例高压水提取的蛋白与常用的传统水提取方法得到的粗的螺旋藻蛋白在自由基清除率上差异显著，5MPa超高压水提取出的粗蛋白的自由基清除率达到50%时为5mg/mL，传统水提取方法的羟基自由基清除率在浓度为10mg/ml、5mg/mL、2.5mg/mL 、1.25mg/mL、0.625mg/mL、0.3125mg/mL、0.15625mg/mL时，最高仅为25.26%。在高压水提取的粗蛋白中，随着高压水压力的升高，高压水提取的蛋白清除羟基自由基呈上升趋势。高压水提取出来的粗蛋白在浓度为0.3125mg/mL时均能达到20%以上，而使用传统方法提取的蛋白羟基自由基清除率最高为25.26%，故利用高压水提取的粗蛋白羟基自由基清除率显著高于传统方法所提。

综上所述，高压水提取出来的活性蛋白的抗氧化活性优于常用的传统水提取方法得到的粗蛋白。

实施例2

利用亚临界水萃取设备直接从螺旋藻中提取蛋白的方法，具体包括如下步骤：

（1）确保设备正常使用，蓄水装置水位在15L处，开始准备实验；

（2）将事先准备好的螺旋藻干粉（购买的海藻即为粉状）称量50g，用带有不锈钢束口绳（2mm不锈钢丝）的40目纱布制成的纱布袋盛放，悬吊于萃取釜中，将釜盖好，按照要求安置温度探测器；

（3）打开循环水开关后打开设备总开关，启动水泵的开关，将脱氧去离子水预热至80℃，控制去离子水以100ml/min的流速注入到萃取釜中；

（4）设定提取参数，萃取条件：提取压力为10MPa，萃取温度分别100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃条件下，对原料进行有效成分的萃取，当设备达到设定条件时开始计时，萃取时间均为1h；

（5）萃取结束后将萃取液冷却至室温，收集萃取液；将未萃取充分的残渣进行破碎再处理重复（2）、（3）操作两次，冷却至室温，收集萃取液；使用完设备后关掉电源开关并关掉循环水阀门。

（6）将收集好的萃取液置于的冰箱中冷却至4℃进行沉淀；

（7）将冷却沉淀好的藻液在4℃，8000r/min的条件下离心30min，上清液即为螺旋藻蛋白液；

（8）将蛋白液分装于塑料培养皿中放置于-20℃冰箱中冷冻。

（9）将处理好的藻液冰块冷冻真空干燥，即得粗的螺旋藻蛋白。

注意，在进行上述操作时要进行全程避光操作。

将萃取得到的活性物质在分光光度计上做全波段扫描，将扫描结果与常用的传统水提取方法以及实施例1得到的粗的螺旋藻蛋白的扫描结果进行对比，结果显示主要吸收峰都在210~220nm之间，说明提取的物质为粗的螺旋藻蛋白。

将从螺旋藻中提取的蛋白与常用的传统水提取方法得到的粗的螺旋藻蛋白做抗氧化活性对比，选用的物质浓度梯度为10mg/ml、5mg/mL、2.5mg/mL 、1.25mg/mL、0.625mg/mL、0.3125mg/mL、0.15625mg/mL，DPPH、ABTS自由基清除活性以及羟基自由基清除能力评价结果分别如图5、图6以及图7所示：

（1）由图5可知，当样品浓度从0.15625mg/mL到2.5mg/mL时，传统水提取方法提出的粗多肽的DPPH自由基清除率明显高于亚临界水提取的蛋白的自由基清除率；而亚临界水提取的蛋白随着提取条件中温度的升高，抗氧化活性明显增强，140℃、150℃亚临界水条件下提取的粗蛋白对DPPH自由基清除率明显高于传统水提取方法提取的蛋白；

（2）在ABTS的自由基清除中，分析图6可知，亚临界水提取的螺旋藻蛋白与传统水提取方法得到的螺旋藻蛋白的抗氧化活性均较强，而亚临界水提取的粗蛋白随着温度的上升，ABTS的抗氧化活性逐渐增强，且亚临界水提取时温度120℃以上时，提取的蛋白抗氧化活性明显优于传统方法提取的蛋白；

（3）羟基自由基清除率如图7所示，由图7可知，传统水提取方法提取的蛋白抗氧化活性较差，亚临界水提取的粗蛋白的清除效果较之传统水提取方法提取的蛋白清除效果显著。

Claims (10)

1.一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在亚临界水萃取设备中，将装有海藻粉纱布袋悬吊于萃取釜中，将通过预热好的脱氧去离子水注入萃取釜中，加热加压进行萃取反应；

（2）萃取结束后，收集冷却至室温的萃取液，再进行冷却沉淀，离心，取上清液，冷冻，干燥，得到粗的海藻蛋白。

2.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述纱布袋采用规格40-60目的纱布制成；所述纱布袋的开口处穿连有2mm不锈钢丝，作为束口绳，并用于悬吊。

3.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述预热是预热至60~100℃；所述脱氧去离子水注入萃取釜的速率≤100mL/min。

4.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述加热是使温度达到100～150℃；所述加压是使压力达到1～20MPa。

5.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述萃取反应的时间为0.5～2.5h。

6.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述冷却沉淀是冷却至4℃进行沉淀。

7.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述离心是在4℃、8000r/min条件下离心30min。

8.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述冷冻是在≤-20℃温度下冷冻成冰块；所述干燥是真空冷冻干燥。

9.根据权利要求1所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，整个萃取过程在全程避光条件下进行。

10.根据权利要求1~9任一项所述的一种基于亚临界水萃取设备直接萃取海藻蛋白的方法，其特征在于，步骤（1）中，萃取反应过程不进行加热，温度为室温。