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玉米中胡萝卜素提取工艺优化与设计.doc

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玉米 胡萝卜素 提取 工艺 优化 设计
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本科生毕业论文(设计)中文题目 玉米中胡萝卜素提取工艺优化与设计 英文题目 The corn carotenoids extraction process optimization and design 学生姓名 马孟杰 班级 450904 学号 02 学 院 生物与农业工程学院 专 业 食品科学与工程 指导教师 宋艳翎 职称 讲师 吉林大学学士学位毕业论文摘要摘要胡萝卜素在摄入人体消化器官之后,可以转化成为维生素 A,是作为目前最安全的补充维生素 A 的产品。近年来,大量的研究表明,天然的胡萝卜素不仅可以作为维生素 A 源, 还能清除体内的自由基,提高人体的免疫力,延缓机体和细胞的衰老,减少发生疾病的概率。特别是对于抗癌、防癌的独特功能受到各个行业的关注与重视, 作为营养强化剂被广泛使用。本实验研究采用传统有机溶剂提取的方法以石油醚为提取溶剂,提取玉米中的胡萝卜素,经试验探究,首先进行单因素试验,选取每个不同单因素的最佳因素水平,在确定因素水平之后进行正交试验,得出结论最佳工艺条件为提取时间 50min、提取温度 40℃、提取 pH4.5、萃取 pH4.5。现有的胡萝卜素生产方法而言,大部分都是化学合成胡萝卜素,其价值远没有天然提取的胡萝卜素高,因此价格也有很大的差异,天然胡萝卜素对人体具有更好的功效,因此,提取天然胡萝卜素的提取工艺将一直是人们研究的热点,意义重大。关键词:玉米 胡萝卜素 有机溶剂 提取吉林大学学士学位毕业论文ABSTRACTCarotene intake human digestive system, it can be converted into vitamin A, is currently the most secure products of vitamin A supplementation. In recent years, a large number of studies have found that in addition to natural carotene into vitamin A in the body, but also can eliminate free radicals, improve human immunity, anti-aging body cells and reduce the incidence of the disease. Especially its anti-cancer, anti-cancer unique feature is currently subject experts, scholars and health food industry concern and attention by many countries as a nutrient supplement.This study uses the traditional organic solvent extraction method with petroleum ether as solvent extraction maize carotene, the test probe, the first single factor test, select each of the different levels of the single factor of the best factors, factor in determining the level of after orthogonal experiment concluded optimum conditions for the extraction time 50min, extraction temperature 40 ℃, extraction pH4.5, extraction pH4.5.Existing carotene production methods, the majority are synthetic carotenoids, its value far no natural carotenoids extracted high, so there are big differences in the price of natural carotene has better effect on the human body, so , extraction of natural carotene extraction process will always be a challenge for researchers is of great significance.Keywords: corn carotene organic solvent extraction目录目录第一章 绪论 ......................................................................................................................................11.2 课题研究的目的及意义 ................................................................................................11.3 主要成分及功效 ............................................................................................................21.3.1β-胡萝卜素 .......................................................................................................21.3.2 玉米黄素 ............................................................................................................21.3.3 叶黄素 ................................................................................................................21.4 课题研究的国内外发展现状 ........................................................................................31.4.1 国内发展现状 ....................................................................................................31.4.2 国外研究现状 ....................................................................................................5第二章 实验方案设计 ......................................................................................................................62.1 材料与设备、试剂 ........................................................................................................62.1.1 原材料 ................................................................................................................62.1.2 化学试剂 ............................................................................................................62.1.3 玻璃仪器 ............................................................................................................62.1.4 设备 ....................................................................................................................62.2 胡萝卜素提取率的计算方法 ........................................................................................62.2.1.测定过程 ...........................................................................................................72.2.2:计算分析 .........................................................................................................72.3 单因素配比试验 ............................................................................................................82.3.1 有机溶剂种类对提取率的影响试验 ...............................................................82.3.2 浸泡提取温度对提取率的影响试验 ...............................................................82.3.3 浸泡 pH 值对提取率的影响试验 .....................................................................92.3.4 浸泡提取时间对提取率的影响试验 ...............................................................92.3.5 萃取 pH 对提取率的影响试验 .........................................................................92.3.6 萃取次数对提取率的影响试验 .......................................................................92.4 正交实验过程及结果分析 ..........................................................................................102.4.1 因素水平表 .....................................................................................................102.4.2 正交表 ..............................................................................................................112.5 产品工艺流程及主要工艺条件 ..................................................................................112.5.1 工艺流程 .........................................................................................................112.5.2 工艺条件 .........................................................................................................11第三章 课题实验结果分析 ............................................................................................................133.1 单因素试验结果分析 .................................................................................................133.1.1 有机溶剂种类对提取率的影响试验 .............................................................133.1.2 浸泡提取温度对提取率的影响试验 ..............................................................14吉林大学学士学位毕业论文3.1.3 浸泡提取 pH 值对提取率的影响试验 ............................................................143.1.4 浸泡提取时间对提取率的影响试验 ..............................................................153.2 正交试验结果分析 .....................................................................................................16第四章 全文结论 ............................................................................................................................174.1 课题结论 ......................................................................................................................174.2 创新点 ..........................................................................................................................174.3 课题存在问题 ..............................................................................................................174.3.1.原料处理的问题 .............................................................................................174.3.2.提取剂的回收处理 .........................................................................................184.4 课题未来展望 ..............................................................................................................18致谢 ..................................................................................................................................................19参考文 献 ..........................................................................................................................................20第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题研究内容本实验采用传统有机溶剂萃取的方法来提取玉米中的胡萝卜素1.通过单因素试验确定试验因素的主次,主要有:机溶剂种类、浸泡提取温度、浸泡提取时间、浸泡 pH 值、萃取次数、萃取时的 pH 值等。2.由单因素试验结果选取主要的试验因素进行正交试验,对正交试验数据进行分析,得出提取条件的最优组合,改善提取工艺,最终提高玉米中胡萝卜素的提取率。1.2 课题研究的目的及意义1931 年,Wakenroder 从胡萝卜中发现了一种橙色色素,并将其命名为胡萝卜素,1831 年,Karre 确定了胡萝卜素的结构。当胡萝卜素被人体器官摄入吸收后,就可以转化成为维生素 A,是目前补充维生素 A 的产品中比较安全的,维生素 A 对夜盲症以及改善皮肤粗糙的状况具有一定的帮助,维生素 A 是机体正常的生长和发育及抗感染功能的保证。近年来许多研究发发现,天然的胡萝卜素不仅可以作为维生素 A 源, 还能清除体内的自由基,提高人体的免疫力,延缓机体和细胞的衰老,减少发生疾病的概率。特别是对于抗癌、防癌的独特功能受到各个行业的关注与重视, 作为营养强化剂被广泛使用。胡萝卜素有 α、β、γ、δ 等几种同分异构体,其中以 β 一胡萝卜素是其最主要的功能性成分,生理活性最强。玉米作为世界三大粮食作物之一, 在农业生产中占有绝对重要地位,我国的玉米产量位居世界第二,在玉米湿磨法生产淀粉时会有副产品玉米蛋白粉,其中含有丰富的天然 β 一胡萝卜素资源,随着我国玉米深加工行业的发展,玉米蛋白粉的产量也在逐步增加,但是现在我国绝大多数的玉米加工企业对玉米蛋白粉的处理还停留在作为饲料上面,所产生的附加值很低,拂过吉林大学学士学位毕业论文2眭玉米蛋白粉进一步进行深加工,开发例如胡萝卜素等附加值产品,则可大幅度提高玉米产业链的经济价值,带动经济的发展。1.3 主要成分及功效1.3.1β-胡萝卜素β-胡萝卜素是胡萝卜素中的主要成分及功能性物质,β-胡萝卜素本身的颜色因其浓度不同,可以涵盖由红色至黄色的所有色系,因此是一种受到食品行业相当欢迎的油溶性色素,其适合蛋白质变性产品以及油溶性产品的开发,例如:素食产品、胶囊、人造奶油、速食面的调色、鱼浆炼制品等。如果对 β-胡萝卜素进行微胶囊处理,则其转变为水溶性色素,课应用于几乎所有的食品。1.3.2 玉米黄素玉米黄素是类胡萝卜素中的另外一种主要成分,其作为一种天然的脂溶性色素,易溶于石油醚、丙酮、乙醚、酯类等,具有良好的耐酸性和耐氧性;在高温处理的条件下,短时间内剧本处于稳定状态,如果处理时间过长,则不稳定,在低温下则性质比较稳定,一般情况下,如果玉米黄素是存在于固体食品中,那么它在常温和自然光条件下相对比较稳定,浓度为 1%的玉米黄素溶液对太阳光比较敏感。玉米黄素的主要生理功能有防癌抗癌、减轻紫外线辐射、预防心血管疾病以及保护视力,对于玉米黄素主要的研究和应用几种在天然着色剂,另一方面,它还可以作为天然的抗氧化剂,应用于饮料的生产。1.3.3 叶黄素类胡萝卜素中还有一种重要的有效成分是叶黄素,叶黄素广泛存在于花卉、水果、蔬菜等植物当中,研究表明,在现阶段已知的自然界存在的 600多种类胡萝卜素当中,存在于人的组织和血液中的只有大约其中的 20 种,实第一章 绪论3验验证表明,存在于植物当中的叶黄素可以作为具有优异性能的抗氧化剂,在食品当中添加适当量的叶黄素可以预防老年性眼球视网膜黄斑退化所引起的失明以及视力下降,还可以预防机体器官衰老以及细胞衰老,同时,叶黄素还可以被当做饲料添加剂使用,应用于家禽蛋类的着色,因此,在食品中的作用是作为营养保健剂和着色剂。叶黄素是一种普遍存在的营养素,人们通过日常使用蔬菜和水果就能得到吸收,在缺乏叶黄素的情况下,可以通过服用补充剂来得到改善,对于消化系统相对较差的老年人,需要补充叶黄素的话可以使用舌下喷剂。另一方面,过量的吸收叶黄素会对肝脏造成沉重负担,产生不良影响。1.4 课题研究的国内外发展现状1.4.1 国内发展现状我国的玉米产量位居世界第二位,是玉米生产大国,这将成为从玉米中提取胡萝卜素得天独厚的先天条件,但是目前的现状是国内并没有非常重视从玉米中提取胡萝卜素这样的玉米深加工行业,绝大多数的玉米加工副产物都是被加工成饲料出手,这就大大降低了原料的利用率以及产品的科技含量,限制了从玉米中提取胡萝卜素的产业链的发展。就目前情况而言,我国提取胡萝卜素的工艺主要是采用传统方法,及传统的有机溶剂提取法。生产工艺核心是提取,这关系到胡萝卜素能从原料中出来,所以提取剂的选择至关重要。对提取剂的要求,具有较高的沸点,能够充分溶解胡萝卜素,并且不与水混溶。常用的提取溶剂有乙醇,丙酮,石油醚,醋酸乙酯,乙醚,苯和四氯化碳这几种,考虑到乙醇和丙酮是水溶性有机溶剂,在提取时会与水混溶,故选用其他几种,又因为石油醚的沸点最高,在加热提取时不易挥发,所以常选择石油醚作为最合适的提取剂,也可几种提取剂结合使用。萃取剂的选择是影响萃取效果的一方面因素,另一方面,原料的物理性质以及环境等因素也会对萃取效果造成一定的影响,实验数据表明,原料颗粒小,水分少,萃取温度高,时间长,萃取效果越好。吉林大学学士学位毕业论文4在研究过程中,科研人员还尝试将各种不同的辅助手段运用到糊了扩波速的提取中,常见的有超声波辅助和超临界 CO2萃取。超声波浸提法的作用原理是利用了超声波的空化作用增大了分子的运动速度和频率,从而提高了类胡萝卜素物质的溶出速度和溶出数量,大大加速了植物中有效成分的提取。有研究表明,利用超声辅助的方法提取胡萝卜素,在缩短了提取时间的同时,还大大提高了胡萝卜素的提取量,实验数据表明,采用超声方法提取玉米中的胡萝卜素,30min 提取所得的量就远大于没有超声的条件下提取 30min 所得的量,主要原因是因为胡萝卜素提取过程实质上是溶质(类胡萝卜素)从固相中向溶剂相中扩散的传质过程, 大体上可分为三步:(1)刚开始溶剂向固相内部渗透和扩散;(2)固相内部的有效物质溶解;(3)溶质从固相中溶出向固相外表面扩散并转向溶液中,逐渐达到平衡。在对溶液惊醒充分搅拌的条件下,通常人们浸提过程的控制步骤是溶质的内扩散过程,在超声辐射的条件下进行提取,超声场的声能量会产生超声空化作用,伴随超声空化产生的机械效应引起的液流宏观湍动、固体粒子的高速碰撞和固体内微孔介质的微扰动,都大大加强了涡流的扩散,也使涡流的扩散速度大大加快,因此加快了提取过程;另一方面,由于超声场产生的空化泡位于固-液表面,在崩溃是会产生一定的变形从而失去对称性,这种形变会再固体表面形成高速的微射流,速率超过 100m/s,微射流可以对固体颗粒的表面进行凹蚀、粉碎和剥离作用,创造出新的火星表面,使得传质的比表面积增大,因此,采用超声波辅助提取胡萝卜素,可以大大提高胡萝卜素的提取率。但是由于超声波的作用范围有限,对于采用超声波辅助提取的研究还停留在实验室小型设备上,要想应用大面积的超声操作暂时还比较困难,科研人员正在研究将这种方法运用到工业生产中,以实现流水线生产,增大产值。还有研究运用超临界 CO2方法提取胡萝卜素,这种方法的科技含量相对较高。超临界 CO2流体萃取的原理是利用超临界流体的密度与其溶解能力的关系,即利用温度与压力对超临界流体溶解能力的影响进行的。将待分离的物质与超临界流体在超临界的状态下进行接触,使其有选择性地把分子量大小、沸点高低和极性大小的成分一次萃取出来。当然,各个压力范围所对应得到的萃取物不是单一的,但是可以通过控制萃取的条件来得到一定比例的混合物,然后再借助升温、减压等方法使得超临界流体变成普通的气体,这
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