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        超臨界二氧化碳萃取甘蔗糖蜜色素的工藝研究

        2020-11-18 05:25:06羅勇為唐林波張平軍
        甘蔗糖業(yè) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:糖蜜夾帶超臨界

        羅勇為,唐林波,張平軍

        (1廣東省科學(xué)院生物工程研究所,廣東廣州510316;2廣東省綠色制糖工程技術(shù)研究中心,廣東廣州510316;3桂林萊茵生物科技股份有限公司,廣西桂林541004;4桂林三金藥業(yè)股份有限公司,廣西桂林541200)

        0 引言

        甘蔗糖蜜色素是由甘蔗中原有色素和在制糖過程中形成的色素2部分組成,包括酚類色素、焦糖色素、美拉德色素和己糖堿性降解色素等,并最終將絕大部分累積于糖蜜中,因此,甘蔗糖蜜色素是含有多種色素成分的混合色素[1]。這些色素具有高附加值,其中焦糖色素廣泛應(yīng)用于釀造、焙烤、糖果、飲料等行業(yè),作為食品添加劑,具有色、香、味的強化功能且食用安全[2]。美拉德色素和酚類色素則具有抗氧化作用,同時還具有耐高溫等特點。從糖蜜中分離出色素是目前開發(fā)利用糖蜜資源重要的課題[3]。

        甘蔗糖蜜中的弱極性色素濃度高、種類多、分子量分散,給色素回收及精制造成很大的困難,相關(guān)研究者對此已作了多方面的研究[1,4-5],如有活性炭吸附法、膜分離法、樹脂法等。其中,活性炭吸附法和膜分離法用于制糖脫色單元成本較高;樹脂法相比活性炭法和膜分離法更經(jīng)濟,具有較高的脫色性能,但樹脂不易再生且產(chǎn)生大量再生廢液。

        超臨界流體萃取(Supercritical Fluid Extraction,SFE)是近代化工分離中出現(xiàn)的高新技術(shù),將傳統(tǒng)的蒸餾和有機溶劑萃取結(jié)合一體[6-9]。通過改變壓力或溫度使超臨界流體的密度大幅改變。在超臨界狀態(tài)下,將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸,使其有選擇性地依次把極性大小、沸點高低和相對分子質(zhì)量大小不同的成分萃取出來。超臨界CO2具有類似氣體的擴散系數(shù)、液體的溶解力,表面張力為 0,能迅速滲透進固體物質(zhì)之中,提取其精華,具有高效、不易氧化、純天然、無化學(xué)污染等特點。目前,采用超臨界流體萃取技術(shù)提取甘蔗糖蜜色素的相關(guān)研究較少,本研究旨在對甘蔗糖蜜中色素類物質(zhì)最佳萃取工藝條件和其抗氧化活性等方面進行研究,為未來的規(guī)?;a(chǎn)提供理論支持和現(xiàn)實依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 實驗材料與試劑

        濃縮的甘蔗糖蜜固形物含量約88%,取于廣東某糖廠;2,2-二苯基-1-三硝基苯肼(DPPH),購于上海麥克林生化科技有限公司;CO2,純度>99.9%,購于廣州嘉堯氣體科技有限公司;無水乙醇等其它試劑,購于廣州化學(xué)試劑廠。

        1.2 實驗設(shè)備與儀器

        SFE221-50-06型超臨界二氧化碳流體萃取儀,海安超臨界萃取儀器有限公司;LYOQUEST-55型冷凍干燥機,西班牙Telstar公司;TU-1901型紫外可見光光度計,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;BSA223S型分析天平,北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海亞榮生化儀器廠;FlowMem0015型微孔濾膜設(shè)備,廈門福美科技有限公司。

        1.3 實驗方法

        1.3.1 超臨界二氧化碳萃取的工藝條件

        取100.0 g濃縮的甘蔗糖蜜物料,加入10.0 g粒徑為2 mm的玻璃珠,置于1 L萃取釜中,在單因素試驗的基礎(chǔ)上,選擇夾帶劑種類、夾帶劑用量、萃取溫度、萃取壓力、萃取時間以及二氧化碳流量等因素,然后,在45℃條件下,將萃取的色素依次經(jīng)過蒸發(fā)濃縮和冷凍干燥,測定色率、紅色指數(shù)及抗氧化活性等相關(guān)指標(biāo)[10-11],研究分析超臨界二氧化碳萃取甘蔗糖蜜中色素的工藝。

        實驗單因素水平如下:夾帶劑種類分別為乙醇、乙酸乙酯;夾帶劑質(zhì)量濃度為 90%、80%、70%、60%、50%;萃取溫度為 25、35、45℃;萃取壓力為15、20、25、30、35 MPa;萃取時間為30、60、90、120、150 min;二氧化碳流速為15、20、25、30 L/h。

        1.3.2 色率的測定

        色率(或色價),它表示該提取樣品顏色的深淺,可決定其在食品及飲料中的添加量。色率的測定:準(zhǔn)確稱量1.00 g固體色素,以蒸餾水溶解,定容至1000 mL,然后經(jīng)0.22 μm濾膜過濾,用紫外可見光光度計測定樣品的吸光值A(chǔ)610nm,平行3次,取平均值A(chǔ)1,計算EBC色度:

        EBC單位的定義:稀釋定量濃度的樣品在波長610 nm下的吸光值為0.076,其色率為20000 EBC單位。

        1.3.3 紅色指數(shù)的測定

        紅色指數(shù)又稱色調(diào),是表示色素中紅色物質(zhì)含量多少的一個量,它表示了色素的色澤,該數(shù)值越高,所含紅色物質(zhì)越多,其成品顏色亦越紅。紅色指數(shù)的測定:將上述1.3.2節(jié)的樣品,用紫外可見光光度計測定樣品的吸光值A(chǔ)610nm及A510nm,平行3次,計算平均值分別為A1、A2,紅色指數(shù)計算公式如下:

        1.3.4 抗氧化能力的測定

        DPPH法廣泛用于定量測定抗氧化能力。樣品DPPH自由基清除率的測定:取一定量的提取物,加入70%(V/V)的乙醇溶液后定容至100 mL,配成含萃取物的量為 20 ug/mL的樣液。稱取 20 mg DPPH,用無水乙醇定容至250 mL,濃度為2×10-4mg/L的DPPH乙醇溶液。分別吸取樣品溶液2 mL,加入DPPH乙醇溶液(2×10-4mg/L) 2 mL,搖勻后避光反應(yīng)處置30 min,用分光光度計測定517 nm處的吸光度A樣品。同時,測定樣品溶液2.0 mL與乙醇2.0 mL混合液在517 nm處的吸光度A空白,再測定1.0 mL DPPH溶液與1.0 mL乙醇混合液在517 nm處的吸光度A對照。同一樣品重復(fù)測定3次。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 夾帶劑種類對萃取色素的影響

        常用的超臨界二氧化碳流體萃取夾帶劑有甲醇、乙醇及乙酸乙酯等,它們的極性從高至低的排序為:甲醇>乙醇>乙酸乙酯。由于甲醇具有中等毒性,所以選擇乙醇和乙酸乙酯進行對比試驗。夾帶劑∶色素按質(zhì)量比為4∶1的比例混合,移至萃取釜,具體的萃取實驗條件為:二氧化碳流速設(shè)為20 L/h,萃取溫度為35℃,萃取壓力為20 MPa,萃取60 min,實驗結(jié)果見圖1所示。

        根據(jù)圖1中數(shù)據(jù),無添加夾帶劑(空白)和添加乙醇、乙酸乙脂夾帶劑萃取的色素色率分別為21000、29000、28500 EBC單位,色素的紅色指數(shù)分別為2.68、1.76、2.02。無添加夾帶劑(空白)與添加夾帶劑對比,添加夾帶劑萃取的色素色率顯著升高,而其紅色指數(shù)明顯降低。乙醇夾帶劑萃取產(chǎn)品的色率比乙酸乙酯萃取產(chǎn)品色率高500 EBC單位,表明乙醇夾帶劑萃取而得的有色物質(zhì)比乙酸乙酯多,且乙醇夾帶劑萃取而得的有色物質(zhì)DPPH自由基清除率達到74.2%(見表1)。在紅色指數(shù)方面,乙酸乙酯萃取色素比乙醇萃取色素高 12.9%。為提取糖蜜中有色物質(zhì),選擇乙醇夾帶劑進行后續(xù)實驗。

        圖1 夾帶劑種類對萃取色素的影響

        表1 不同夾帶劑對色素DPPH值的影響

        2.2 夾帶劑濃度對萃取色素的影響

        夾帶劑濃度變化,可影響萃取流體的極性。乙醇夾帶劑∶色素按質(zhì)量比依次為9∶1、4∶1、7∶3、3∶2、1∶1的比例混合,即乙醇夾帶劑的質(zhì)量濃度分別是90%、80%、70%、60%、50%,分別移至萃取釜,具體的萃取實驗條件為:二氧化碳流速設(shè)為20 L/h,萃取溫度為35℃,萃取壓力為20 MPa,萃取60 min。實驗結(jié)果見圖2所示。由圖2中可知,乙醇夾帶劑的質(zhì)量濃度分別是 90%、80%、70%、60%、50%時,萃取色素的色率為 79800、28900、31000、40500、31600 EBC單位,萃取色素的紅色指數(shù)為 3.89、1.75、1.72、1.68、1.02。當(dāng)乙醇夾帶劑質(zhì)量濃度為 90%~60%時,隨著夾帶劑含量的減少,色率呈逐步上升趨勢,而當(dāng)夾帶劑質(zhì)量濃度為50%時,萃取產(chǎn)品的色率顯著下降,表明夾帶劑質(zhì)量濃度為60%時,最適合萃取糖蜜色素中的有色物質(zhì)。乙醇夾帶劑質(zhì)量濃度用量為90%時,紅色指數(shù)為3.89,但當(dāng)乙醇夾帶劑質(zhì)量濃度少于80%,紅色指數(shù)均在1.80以下。為提取糖蜜中有色物質(zhì),選擇 乙醇夾帶劑質(zhì)量濃度為60%進行后續(xù)實驗。

        圖2 夾帶劑濃度對萃取色素的影響

        2.3 溫度對萃取色素的影響

        夾帶劑溫度變化導(dǎo)致二氧化碳的密度變化,可影響萃取流體的極性,為了避免萃取溫度過高導(dǎo)致發(fā)生反應(yīng)而影響萃取色素質(zhì)量和抗氧化活性,選擇25~45℃范圍進行對比試驗。乙醇夾帶劑∶色素按質(zhì)量比為3∶2的比例混合3份,分別移至萃取釜,具體的萃取實驗條件為:萃取溫度分別為25、35、45℃,萃取壓力為20 MPa,萃取時間為60 min,二氧化碳流速設(shè)為20 L/h。實驗結(jié)果見圖3所示。由圖3中數(shù)據(jù)可知,萃取溫度分別是25、35、45℃時,萃取色素的色率為40700、40400、43600 EBC單位,萃取色素的紅色指數(shù)為1.62、1.70、1.89。在實驗溫度范圍內(nèi),萃取色素產(chǎn)品的色率及紅色指數(shù),隨著溫度的升高而升高。表明萃取溫度增加,則被萃取溶質(zhì)的揮發(fā)性能力和擴散系數(shù)也會增加。因此選取最優(yōu)萃取溫度為45℃。

        圖3 萃取溫度對萃取色素的影響

        2.4 萃取壓力對萃取色素的影響

        乙醇夾帶劑∶色素按質(zhì)量比為 3∶2的比例混合4份,分別移至萃取釜,具體的萃取實驗條件為:萃取溫度為45℃,萃取壓力分別為15、20、25、30、35 MPa,萃取時間為60 min,二氧化碳流速設(shè)為20 L/h。實驗結(jié)果見圖4所示:根據(jù)圖4可知,在萃取壓力為15~30 MPa范圍時,隨萃取壓力的增加,萃取產(chǎn)品的色率和紅色指數(shù)隨之增加:萃取壓力為15 MPa時取得最小值,色率為34300 BEC單位、紅色指數(shù)為1.85;萃取壓力位30 MPa時達到最大值,色率為44760 EBC單位、紅色指數(shù)為2.02。這是由于在一定壓力范圍內(nèi),萃取壓力越大,萃取流體二氧化碳的密度越大,被萃取物的溶解度越大。而當(dāng)萃取壓力位35 MPa時,萃取產(chǎn)品的色率和紅色指數(shù)顯著下降,色率降至 14500 EBC單位、紅色指數(shù)為1.08。

        另外,根據(jù)圖5,DPPH自由基清除率先升后降,在30 MPa左右達到最大值,壓力高于30 MPa后,DPPH自由基清除率有所下降。在一定的壓力范圍內(nèi),壓力的增大,使超臨界二氧化碳流體的密度增大,利于色素成分的提取,但是,超臨界二氧化碳流體的擴散系數(shù)隨壓力的增大而減小,不利于活性色素成分的提取??紤]成本等各方綜合因素,選擇萃取壓力為25 MPa。

        圖4 萃取壓力對萃取色素的影響

        圖5 萃取壓力對色素DPPH值的影響

        2.5 萃取時間對萃取色素的影響

        乙醇夾帶劑∶色素按質(zhì)量比為 3∶2的比例混合4份,分別移至萃取釜,具體的萃取實驗條件為:萃取溫度為45℃,萃取壓力為25MPa,萃取時間分別為30、60、90、120、150 min,二氧化碳流速設(shè)為20 L/h。實驗結(jié)果見圖6所示。由圖6中數(shù)據(jù)可知,萃取時間分別為30、60、90、120、150 min時,萃取色素的色率為21000、44100、47000、48100、48900 EBC單位,萃取色素的紅色指數(shù)為2.48、2.01、1.96、1.93、1.82??梢钥闯觯弘S著萃取時間的延長,色素色率在前期增長速率很快,但當(dāng)萃取時間大于90 min時,糖蜜色素的色率變化速率趨于平緩;另外,萃取產(chǎn)品的紅色指數(shù),隨著萃取時間的增加而降低。綜上所述,為節(jié)約能源以及流體成本,選用最優(yōu)的萃取時間是90 min。

        2.6 二氧化碳流速對萃取色素的影響

        圖6 萃取時間對糖蜜色素的影響

        乙醇夾帶劑∶色素按質(zhì)量比為 3∶2的比例混合4份,分別移至萃取釜,具體的萃取實驗條件為:萃取溫度為45℃,萃取壓力為25 MPa,萃取時間分別為90 min,二氧化碳流速分別為15、20、25、30 L/h。實驗結(jié)果見圖7所示。由圖7中數(shù)據(jù)可知,二氧化碳流速分別為15、20、25、30、35 L/h時,萃取色素的色率為 29800、46900、49760、50100、50250 EBC單位,萃取色素的紅色指數(shù)為2.07、1.97、1.83、1.62、1.32。結(jié)果表明:二氧化碳流速范圍為 15~25 L/h時,產(chǎn)品色率的增加速率較快,而當(dāng)二氧化碳流速高于25 L/h時,萃取產(chǎn)品的色率變化不明顯,推測是因為萃取已接近終點,增加二氧化碳的流速對增加被萃取物萃取效果不顯著;萃取色素的紅色指數(shù)隨著二氧化碳流速的增加而降低。

        另外,由圖8可知,在二氧化碳流速為15~25 L/h時,DPPH自由基清除率較快速的升高;在二氧化碳流速為25~35 L/h時,色素類化合物的活性基本保持穩(wěn)定??紤]設(shè)備維護成本等因素,選取二氧化碳流速的最優(yōu)水平為25 L/h。

        綜上所述,根據(jù)單因素實驗結(jié)果得最佳工藝條件為:乙醇夾帶劑質(zhì)量濃度60%、萃取溫度為45℃、萃取壓力為25 MPa、萃取時間為90 min以及二氧化碳流量25 L/h,此條件下,超臨界二氧化碳萃取甘蔗糖蜜中的色素總量為2.83%、色率為49570 EBC單位、紅色指數(shù)為1.85,此色素對DPPH自由基清除率為76.2%。

        圖7 二氧化碳流速對糖蜜色素的影響

        圖8 二氧化碳流速對色素DPPH值的影響

        3 結(jié)論

        通過單因素實驗,選擇確定夾帶劑種類、夾帶劑用量、萃取溫度、萃取壓力、萃取時間以及二氧化碳流量等因素的最優(yōu)取值范圍。根據(jù)實驗結(jié)果得最佳工藝條件為:乙醇夾帶劑質(zhì)量濃度60%、萃取溫度為45℃、萃取壓力為25 MPa、萃取時間為90 min以及二氧化碳流量 25 L/h,此條件下試驗超臨界二氧化碳萃取甘蔗糖蜜中的色素總量為 2.83%、色率為49570 EBC單位、紅色指數(shù)為1.85,此色素對DPPH自由基清除率為76.2%。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)是利用極性的差異將糖蜜中低極性色素成分萃取出來,結(jié)果表明:采用此方法能在低溫下高效提取糖蜜中油溶性色素,且能保護活性成分不受破壞,具有良好的抗氧化活性。研究結(jié)果可為資源化利用糖蜜中色素提供理論和技術(shù)依據(jù)。

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