超临界CO2流体用于萃取酸浆宿萼中类胡萝卜素的研究

马 晴，黄 震，2，*

（1.天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学，天津300134；2.天津商业大学包装工程系，天津300134）

超临界CO2流体用于萃取酸浆宿萼中类胡萝卜素的研究

马 晴1，黄 震1，2，*

（1.天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学，天津300134；2.天津商业大学包装工程系，天津300134）

采用超临界CO2流体从酸浆宿萼中提取类胡萝卜素，探讨了萃取压力、温度、时间和原料粒度等萃取参数对提取量的影响。还利用UV定量地考察了所提取类胡萝卜素的耐光照稳定性、耐热稳定性和抗金属离子稳定性。结果表明，这些提取物耐热稳定，但对光很敏感。与金属离子的相互作用结果显示，Fe3+、Fe2+和Al3+对类胡萝卜素提取物的影响很显著，Cu2+、Zn2+和Ca2+等金属离子的影响相对较小，而Na+和K+基本没有影响。

超临界CO2萃取，类胡萝卜素

类胡萝卜素是一类由植物和微生物组织合成的天然颜料，既可以在大多数植物体内发现，也可以在血清和动物组织找到。酸浆（Physalis alkekengi var.francheti），又名锦灯笼和红姑娘等，为茄科植物。酸浆宿萼中富含类胡萝卜素，主要是互为同分异构体的玉米黄质和黄体素，其分子结构如图1所示。近年来，有关玉米黄质和黄体素功能的研究越来越引起人们的兴趣，这包括玉米黄质与眼部疾病、心脏疾病和癌症的关系上，同时它们的抗氧化性质也是大家所感兴趣的。这些研究显示，摄入富含类胡萝卜素的蔬菜与癌症的发生呈负相关关系。本文采用超临界CO2萃取法来提取酸浆宿萼中的类胡萝卜素。这种方法具有操作温度低、过程无氧和无溶剂残留等优点，而超临界流体CO2自身无毒、无味、不燃、价廉、易精制，因此特别适合萃取低分子量亲酯性或对热敏感、易氧化、易分解的天然产品，在医药、食品及香料工业中呈现广泛的应用前景［1－3］。

图1 玉米黄质和黄体素的化学结构

1 材料与方法

1.1 材料与设备

酸浆宿萼（锦灯笼） 购于天津市老百姓大药房，产自吉林省，将原料洗净，干燥，粉碎，过筛备用；CO2食品级，纯度＞99.99%，北京市亚南气体有限公司；福临门天然谷物调和油 中粮食品营销有限公司；无水乙醇、丙酮、氯化钠、氯化钾、硫酸铜、氯化钙、硫酸铝、硫酸亚铁、氯化铁、硫酸锌 均为分析纯。

SFXTM220型超临界萃取装置 美国ISCO公司；TU－1810型紫外－可见分光光度计 北京普析通用仪器责任有限公司；FA2104S型电子天平 上海精科公司；FW100型高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；GW－IAT型电热鼓风干燥箱 天津市华北实验仪器有限公司。

1.2 超临界CO2萃取过程

实验装置如图2所示，由制冷装置、CO2泵、萃取系统和分离系统构成。实验开始前打开制冷装置为压力泵降温（0℃左右），同时开机预热，30min后，装料，把CO2气体引入体系，设置温度、压力、时间，按照所设定的萃取条件进行操作，用乙醇收集萃取物。其中压力范围25～40MPa，温度40～60℃，颗粒度75～250!m。

图2 超临界CO2萃取装置

1.3 酸浆宿萼中提取的类胡萝卜素总含量计算

将酸浆宿萼中萃取得到的类胡萝卜素提取物用无水乙醇稀释成色素溶液，然后用TU－1810型紫外－可见分光光度计对其在波长400～500nm范围内进行扫描，以确定最大吸收波长，并测定最大波长下的吸光度值。提取的类胡萝卜素总含量按下式计算［4］：

式中，X－色素含量（mg/g）；E－最大吸收波长下测得的吸光度；Y－样品溶液体积（mL）类胡萝卜素的吸光参比系数（在此为2500）［5］。

1.4 提取类胡萝卜素的稳定性

将酸浆宿萼的类胡萝卜素提取物配制成溶液，分别在不同的光照、加热温度和金属离子等外界条件下测定其吸光度值在最大吸收波长处随时间的变化情况，以确定色素的稳定性。

2 结果与讨论

2.1 萃取压力和温度的影响

图3为萃取温度和压力对类胡萝卜素提取量的影响，其中原料颗粒度150!m，CO2流速为2mL/min，萃取时间为75min。从图中可以看到，类胡萝卜素的提取量随着萃取压力的增加而升高，这是由于温度一定时，超临界CO2的密度随着压力增加而增大，进而使超临界CO2溶解能力增加，提高了萃取量。

图中结果还显示，温度的升高有助于得到较高的类胡萝卜素提取量。这说明升温引起类胡萝卜素等溶质的挥发能力的提高幅度大于溶剂CO2溶解能力的下降幅度［6］。

图3 萃取温度和压力对类胡萝卜素提取量的影响

2.2 原料颗粒度的影响

图4为原料颗粒度对萃取量影响的实验结果，其中压力30MPa、温度50℃、CO2流速2mL/min、时间100min。由图可见，随着原料颗粒度的减小，超临界CO2萃取的提取量得到增加；当颗粒尺寸小于150!m，提取量增幅变得很小。这是由于原料的颗粒度大小直接影响着超临界CO2流体与实验原料的接触面积，从而影响类胡萝卜素在给定时间内的萃取量。一般来说，原料的颗粒度越小，原料颗粒表面积越大，与超临界流体接触面积越大，传质速率越大，提取率就越大。

图4 原料粒度对类胡萝卜素提取量的影响

2.3 萃取时间的影响

通常延长萃取时间对提高萃取量是有利的，图5为萃取时间对类胡萝卜素提取量的影响。其中，原料颗粒度150!m，温度50℃，压力35MPa，CO2流速2mL/min。从图中可以看到，类胡萝卜素提取量在20min内迅速达到 5.4mg/g；80min为 11.1mg/g，160min为14.1mg/g。当超过160min时，萃取量增加非常缓慢。

图5 萃取时间对类胡萝卜素提取量的影响

2.4 所提取类胡萝卜素的稳定性

2.4.1 光照的影响 由图6可知，类胡萝卜素溶液在室内自然光和暗处放置时，其吸光度值随时间的下降极为缓慢；但在阳光照射下，其吸光度值呈快速下降，一直到20d后下降至原来的30%时才呈缓慢降低的情况。结果显示，放置5d后，阳光照射下吸光度值保留为54.1%，自然光下为95.72%，暗处为97.62%；放置60d后，阳光照射下吸光度值仅保留了18.07%，自然光下为86.33%，暗处为92.27%。这些结果说明了阳光对酸浆宿萼中的类胡萝卜素有很强的破坏作用，而自然光和暗处对其影响非常小。

图6 光照条件对提取类胡萝卜素的影响

2.4.2 温度的影响 与前文所述一样，将超临界CO2提取物用食用调和油定容后，在4支25mL比色管中等量倒入20mL溶液，分别放在30、60、80、100℃下恒温放置，测定其吸光度在8h内的变化情况，确定温度对所提取类胡萝卜素的影响，实验结果见图7所示。

图7 温度对提取类胡萝卜素的影响

由图7可知，30℃时溶液吸光度值变化甚微，8h后还保留98.7%。在80、100℃下，溶液的吸光度值在开始的2h内有5%左右的损失，然后吸光度值变化很小。8h后，80℃下的吸光度值还保留93.3%，100℃时保留了91.5%，因此，温度对酸浆宿萼中类胡萝卜素提取物的稳定性没有较明显的影响。

2.4.3 金属离子的影响 酸浆宿萼中的所提取类胡萝卜素不溶于水，但溶于丙酮与水体积比为10∶1的混合溶剂［7］，据此将超临界CO2提取物配制成溶液并定容。在9支25mL比色管中等量倒入20mL溶液，然后分别向其中加入2mL浓度为0.02mg/mL的金属离子水溶液，放置一定的时间后，测其吸光度值，结果见图8。

从图8中可以看出，Fe2+与Fe3+两种离子加入后，随即使得其吸光度值分别降低了7%和5%，其它金属离子基本没有影响溶液的起始吸光度值变化。这表明Fe与Fe两种离子对类胡萝卜素有显著的破坏作用。随着放置时间的延长，Fe3+使溶液的吸光度值降低最为明显，因此对类胡萝卜素稳定性的影响最大；其次是Fe2+和Al3+，24h后溶液吸光度值下降了将近18%，对于Cu2+、Zn2+和Ca2+离子，溶液吸光度值下降了大约9%～12%。而Na+、K+基本没有影响。所以类胡萝卜素在加工和使用过程中要尽可能地避免接触到Fe3+、Fe2+和Al3+。

图8 金属离子对提取类胡萝卜素的影响

3 结论

本文采用超临界CO2流体从酸浆宿萼中提取类胡萝卜素，探讨了各萃取参数对提取量的影响，并考察了所提取的类胡萝卜素的稳定性。结果如下：

3.1 随着萃取温度和压力的提高，类胡萝卜素的提取量显著提高；原料颗粒具有较小的尺寸及延长萃取时间时，均有利于类胡萝卜素的提取。

3.2 酸浆宿萼类胡萝卜素提取物具有较好的耐热性，但是其耐光性较差，因此应注意对其避光保存。

3.3 酸浆宿萼类胡萝卜素提取物受 Fe3+、Fe2+和Al3+的影响很显著，受 Cu2+、Zn2+、Ca2+、Fe2+等金属离子的影响相对较小，而基本不受Na+和K+两种离子的影响。

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Extraction of carotenoids from calyx of Physalis alkekengi var.francheti by supercritical CO2

MA Qing1，HUANG Zhen1，2，*
（1.Tianjin Key Laboratory of Food and Biotechnology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China；2.Department of Packaging Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

The supercritical CO2extraction has been examined for carotenoids extraction from Physalis alkekengi var.francheti calyx.The influences of the extraction pressure，temperature，time and particle size on the extraction yield were investigated.By means of UV spectrometry analysis，the stability of the extracted carotenoids was also investigated under several different conditions.The results showed that the obtained carotenoids were thermostable but very sensitive to sun－shining light.They were also strongly affected by some metal ion such as Fe3+，Fe2+and Al3+，relatively weakly influenced by Cu2+，Zn2+and Ca2+，and nearly not affected by two earth ions of Na+and K+.

supercritical CO2extraction；carotenoids

TS201.1

A

1002－0306（2011）01－0250－03

2010－01－04 *通讯联系人

马晴（1984－），女，在读硕士，研究方向：农产品加工与贮藏。

教育部回国人员科研启动基金项目（教外司留［2008］890号）。