Как извлечь и очистить природные красители?

1 естественный обзор цвета

Пигменты можно разделить на две основные категории:Естественные цветные свойства and synthetic pigments. One type is artificially synthesized chemical pigments, most of which are azo-type compounds. Some of these can be metabolized in the human body to form β-naphthylamine and α-amino-1-naphthol, which have certain toxic side effects on the human body. В настоящее времяother type is pigments derived from natural plants, animals, microorganisms, etc., which are called natural colorants. Since natural colorants are non-toxic and harmless to the human body, high nutritional value, and some have certain biological activities. Therefore, the research and development of non-toxic and harmless Natural Colorant has also become the trend of pigment development.

1.1 краткая история развития естественной пищевой окраски

Природный пищевой краситель имеет долгую историю в качестве пищевого красителя агента. Древние китайские тексты, такие как Shijing и Qimin Yaoju содержат записи о раскраске вина и пищи с натуральными пигментами растений. В древнем египте и индии, например, пигменты из сорго использовались для окраски предметов. В iv веке до нашей эры люди древней великобритании начали использовать более безумный пигмент для окрашивания вина [2].

В 1856 году профессор в.х. перкинс из великобритании изобрел world'- либо: после этого были синтезированы первый синтетический органический пигмент «анилиновая фиалка» и многие другие органические пигменты [1]. Поскольку эти пигменты яркие по цвету, стабильны по природе, сильны в красочной мощности, легко растворимы, однородны по качеству, подходят для смешивания цветов, без запаха и вкуса, и недороги, они быстро заменили большинство натуральных цветов.

В xx веке, с постоянным развитием токсикологии и аналитической химии, люди постепенно поняли механизм трансформации синтетических пигментов после поступления в организм человека и поняли, что большинство синтетических пигментов, поступающих в организм человека, могут вызывать более серьезную хроническую токсичность и тератогенность и канцерогенность. В ответ на это страны во всем мире приняли соответствующие законы и положения, строго ограничивающие использование синтетических пигментов. В результате, в настоящее время имеется лишь ограниченное количество синтетических цветов пищи. Например, когда синтетические цвета наиболее широко использовались в различных странах мира, их насчитывалось более 100 разновидностей. Однако сегодня в США их всего семь, в китае восемь, а в некоторых странах, таких как Норвегия, использование синтетических цветов полностью запрещено [2]. По сравнению с синтетическими цветами, хотя большинство натуральных цветов чувствительны к различным условиям в продуктах питания, их цвета менее яркие, а также более дорогие. Тем не менее, он безопасен, имеет легкий цвет, и дает тонкое ощущение отсутствия дополнительного цвета, что отвечает психологическим потребностям потребителей. С развитием науки и техники в последние годы, стабильность природного красителя улучшилась, и применение продукта является более удобным и безопасным. Поэтому, пищевая промышленность и#39;s выбор окраски все больше склоняется к естественной окраске.

Natural food coloring has become the mainstream of the coloring market. The current market size of natural food coloring is 250 million U.S. dollars, and if synthetic natural colorants are added, the market value reaches as much as 440 million U.S. dollars. Based on the high food safety and improved stability of natural colorants, it is predicted that the annual growth rate of natural colorants in the future will be 5% to 10% [3]. China' с пищей натуральный колорит составляет около 25000 в лет, карамельной окраски составляет 80%, а остальные растительные экстракты и микробные ферментационные продукты. Есть 65 видов пищевой окраски, утвержденных для использования в китае, из которых 48 являются растительными экстрактами [4]. 1.2 50 000 т/год с окраской карамеля 80%, остальную часть составляют растительные экстракты и продукты микробной ферментации. В китае утверждено 65 пищевых окрасок, 48 из которых являются растительными экстрактами [4].

1.2 классификация естественной окраски пищевых продуктов

Natural food coloring can be classified according to chemical structure, morphological origin and solubility. The most common method is to classify according to chemical structure. Natural colorants in plants can be divided into four categories according to their chemical structures:5 pyrrole derivatives; polyenes (carotenoids); phenolic pigments; and ketones and quinones.

1.3 характеристики и свойства природной пищевой окраски

Natural food coloring has the following characteristics [6]:

(1) большинство природных красителей происходят из животных и растительных тканей, поэтому они являются нетоксичными и имеют высокую безопасность. Большинство натуральных пигментов растений — антоцианы, флавоноиды и каротиноиды. Таким образом, естественная пищевая окраска не только нетоксична и безвредна, но и содержит много питательных веществ, необходимых для человеческого организма или сама по себе витамин или витаминно-подобные вещества, такие как рибофлавин, ликопен и- о, каротин;

(2) естественные красители имеют более естественный оттенок и могут лучше имитировать цвета природных веществ. Оттенок окраски более естественный.

(3) из-за различных химических структур природных красителей, свойства различных пигментов также различны.

2 экстракция природных красителей

2.1 метод извлечения

В настоящее время это наиболее распространенный метод извлечения природных красителей. Принцип заключается в разделении целевых компонентов на основе их различной растворимости в различных растворителях. Процесс экстракции включает в себя высыхание и дробление сырья, за которым следует экстракция растворителя, разделение, концентрацию, сушка и уточнение для получения готовой продукции. Возьмем каротеноидные пигменты в качестве примера. Большинство каротеноидов отличаются высокой липофильностью, легко растворимы в таких растворителях, как хлороформ и ацетон, и почти нерастворимы в воде, этаноле и метаноле. Углеводородные каротеноиды являются еще более липофильными и могут растворяться в нефтяном эфире или алканах. Если структура каротеноида содержит группы, содержащие кислород, то липофильность снижается, а гидрофилитет увеличивается по мере увеличения числа групп, содержащих кислород. Растворимость в нефтяном эфире снижается, а растворимость в этаноле и метаноле повышается. В процессе экстракции следует отбирать различные растворители в зависимости от различных свойств пигмента.

2.2 метод микроволновой экстракции

Технологический поток микроволновой экстракционной технологии для экстракции природных красителей является следующим: предварительная обработка сырья параметрическое смешивание растворителя и сырья параметрическая параметрическая фильтрация параметрическая фильтрация параметрическая сепарация растворителей и извлекаемых компонентов параметрические экстракционные компоненты [". Яо чонгмин и др. 8 определили условия извлечения желтого пигмента gardenia методом микроволновой экстракции с использованием однофакторного эксперимента: экстракционной мощности 210вт, экстракционного агента 500г/л этанолового раствора, экстракционного времени 80с, экстракционной серии 2 и соотношения жидкости к материалу 1:12. В этих условиях уровень извлечения пигмента достиг 98,2%, а цвет - 56,94. Эксперименты показали, что микроволновая экстракция желтого пигмента gardenia имеет преимущества высокой урожайности пигмента, высокой цветовой ценности, растворителя и экономии времени, а также простое оборудование по сравнению с традиционными методами экстракции. Имеет широкие перспективы применения в процессе экстракции природных красителей. По сравнению с традиционной технологией экстракции тепла, технология микроволновой экстракции имеет преимущества короткого времени экстракции, низкой температуры, низкого потребления энергии и высокого качества. Фактические результаты использования этой технологии для извлечения натуральных пищевых цветов показывают, что технология микроволновой экстракции является новым процессом с хорошими перспективам развития. Несмотря на то, что микроволновая экстракция натуральных пищевых цветов достигла некоторых важных результатов в экспериментальной работе, сфера ее применения ограничена из-за ее характеристик. В настоящее время она осуществляется лишь на уровне небольших экспериментальных проектов, и еще многое предстоит сделать, прежде чем ее можно будет применить в промышленности.

2.3 экстракция сверхкритической жидкости

Сверхкритическая жидкость (SF) означает жидкость, термодинамическое состояние которой превышает критическую точку. SF представляет собой жидкость, находящаяся в особом состоянии между газообразным и жидким состоянием, когда взаимодействие газа и жидкости находится в критическом состоянии. Он обладает уникальными физико-химическими свойствами. Сверхкритические жидкости обладают вязкостью, близкой к вязкости газа, плотностью, близкой к плотности жидкости, и коэффициентом диффузии между газой и жидкостью. Они обладают преимуществами как газов, так и жидкостей, поскольку они так же легко распространяются, как газы, и обладают высокой растворимостью, как жидкости.

Сверхкритическая экстракция жидкости (скфэ) является новым типом технологии экстракции и разделения. За последние двадцать лет технология SCFE широко использовалась в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. В последние годы предпринимались попытки применять технологию скфэ при добыче природных красителей. Shao Wei et al.] провели предварительное исследование по экстракции пигмента красного дрожжевого риса методом supercritical CO₂, и получили оптимальные рабочие условия для экстракции пигмента красного дрожжевого риса методом supercritical CO₂ ₂: температура экстракции 50%, температура экстракции 50%, давление экстракции 20MPa, скорость экстракции CO flow 10kg/h, время экстракции 4h. Ли шуцзюнь [12] использовал сверхкритическую экстракцию CO₂ для извлечения естественных красных пигментов из вольфяники. Эксперимент подтвердил, что степень дробления пробы, содержание влаги в сырье, время экстракции, температура, давление и расход потока являются важными факторами, влияющими на скорость экстракции, и были определены оптимальные условия процесса: проба раздавлена до 40 сеток, содержание влаги в сырье составляет около 5%, время экстракции 100 мин, температура экстракции 35 градусов, давление экстракции 35 мпа, и расход сверхкритической жидкости CO ° составляет 25 кг/ч. Коэффициент извлечения при оптимальных условиях составляет около 88%. Однако основной проблемой, влияющей на ее применение в настоящее время, является высокая инвестиционная стоимость сверхкритического добывающего оборудования.

2.4 ультразвуковая экстракция

Ли юньян и др. [13] в исследовании по вопросу об использовании ультразвука для оказания помощи в экстракции пигментов из скорлупы каштанов сделан вывод о Том, что ультразвуковая экстракция имеет преимущества, связанные с меньшим временем экстракции и более высокими показателями экстракции пигмента, чем обычная экстракция, что может значительно повысить эффективность производства. Ван женю и др. [14] также изучали процесс ультразвуковой экстракции пигментов из большого цветущего кая. Оптимальными параметрами экстракционного процесса были определены: ультразвуковая частота 30 КГЦ, экстракционный агент разреженного H₂SO₄ при 2% по массе, время обработки 40 мин и скорость экстракции 50 °C. При экстракции ликопена использовалась мощность 320 вт, время экстракции 6 мин, время ультразвука 3 с, интервал времени 4 с, соотношение твердых и жидких частиц 1:2, экстракция повторялась дважды. Коэффициент извлечения ликопена составил 96,83%. По сравнению с сверхкритической добычей CO, она является низкой по себестоимости, низкой по инвестициям и высокой эффективностью добычи [15]. Ван цюфен и др. [16] изучили использование ультразвука для повышения эффективности экстракции лимонена органическими растворителями. Экспериментальные результаты показали, что ультразвуковая расширенная экстракция не только сократила время экстракции по сравнению со стимулирующей экстракцией, но и увеличила скорость экстракции. Экстракционный тест куртмина показал, что ультразвуковая расширенная экстракция имеет самый быстрый коэффициент экстракции, и его коэффициент экстракции несколько выше, чем у метода Soxhlet [17].

3 очистка пигмента

Жидкий продукт, получаемый путем концентрации экстракта, полученного с помощью обычного процесса экстракции, или твердый продукт, получаемый путем сушки жидкости, представляет собой сырой природный колорит. Без очистки продукт имеет низкое цветовое значение, высокое содержание примесей, и некоторые имеют особый запах от самого сырья, в то время как другие имеют сильное поглощение воды и не могут быть использованы. Они напрямую влияют на стабильность и красочные свойства натуральных пигментов, ограничивая их применение. В связи с этим в процесс производства натуральных красителей в целях их очистки следует внедрять передовые технологии разделения и очистки, которые могут повысить производительность съедобных натуральных красителей и расширить сферу их применения.

3.1 метод ультрафильтрационной очистки

The purification process for natural colorantsМожет использоваться ультра-фильтрационная мембрана с соответствующим размером поры, так что молекулы воды и даже небольшие молекулярные примесей могут проходить через ультра-фильтрационную мембрану, в то время как активные ингредиенты в растворителе разделены, таким образом очищая пигмента в определенной степени и концентрируя его много раз. Естественные красители уже очищены с помощью ультра-фильтрационных мембран за рубежом, и исследования в этой области также проводятся в китае. He Chongyan et al. [18 использовали двухступенчатый метод ультра-фильтрации и нанофильтра для эффективного отделения, очистки и концентрации свеклы красного пигмента, а качество продукции соответствовало национальным стандартам (GB8271-87) и международным стандартам (фао/воз).

3.2 метод очистки смолы адсорбции

Адсорбционная смола представляет собой тип полимера, который характеризуется адсорбцией и имеет эффект концентрации и отделения органического вещества. Широко используется при сортировке, подготовке и очистке органических веществ. Адсорбционные характеристики адсорбционной смолы для веществ в основном зависят от химических свойств, удельной площади поверхности и размера поры поверхности адсорбирующего материала. В соответствии с поверхностными свойствами смолы адсорбционные смолы, как правило, подразделяются на три категории: неполярные, среднеполярные и полярные. Неполярные адсорбционные смолы пригодны для адсорбции неполярных растворителей, нейтральные адсорбционные смолы могут использоваться для адсорбции неполярных растворителей из полярных растворителей, а также для адсорбционных растворителей с определенной полярностью из неполярных растворителей. Смолы полярной адсорбции пригодны для адсорбции полярных растворителей из неполярных растворителей. Функционирование адсорбционной смолы, как правило, включает такие процессы, как адсорбция, элюция или регенерация, а также промывание. Соответствующий адсорбентный смоловый материал и конкретный адсорбент и элюент выбираются в зависимости от характера различных пигментов. Адсорбция и десорбция могут использоваться для достижения цели рафинирования пигментов [19].

Метод макропористой адсорбции смолы все более широко используется в процессе очистки пигмента в связи с его низким потреблением органических растворителей, низким потреблением энергии, большой способностью к адсорбции, быстрой скоростью адсорбции, легкой десорбцией и возможностью повторного использования. Например, тяньцзинский институт легкой промышленности использовал адсорбционную смолу для очистки натурального красноватого редкокрасочного красного цвета, а значение цвета увеличилось более чем в 15 раз [2]; Bi Hongxia et al. [21] использовали адсорбционную смолу ab8 для очистки европейского красного пигмента сливы, и скорость восстановления кристаллов пигмента составила 61,8%, а цветовое значение достигло 15,48; Peng Yongfang et al. [22] использовали макропорированную адсорбционную смолу для отделения желтого пигмента Melia azedarach, и качество продукта значительно улучшилось; Ма йинхай и др. 23 использовали адсорбционную смолу для адсорбции и отделения красного пигмента от капусты. - 48; Peng Yongfang et al. [22 использовали макропоризовую адсорбционную смолу для отделения желтого пигмента жимолочного цветка, и качество продукта значительно улучшилось; Ma Yinhai et al. 23 использовали адсорбционную смолу для адсорбции и отделения красного пигмента капусты, а также добились хороших результатов.

3.3 гелевая хроматография

Принцип гелевой хроматографии для разделения пигментных растворов заключается в Том, что когда пигментный раствор проходит через гелевый столбец, пигментные молекулы, которые меньше, чем гелевые поры, могут свободно войти внутрь геля, в то время как молекулы, которые больше, чем гелевые поры, не могут войти внутрь геля и могут только пройти через разрыв между гелевыми частицами, поэтому скорость миграции различна. Вещества с большими молекулами не исключаются и перемещаются вперед в мобильной фазе, в то время как вещества с небольшими молекулами сохраняются из-за рассеивания в порах и перемещаются за мобильную фазу, разделяя тем самым эти две фазы [24]. Гелевая хроматография имеет преимущества простого оборудования, удобного функционирования, не требует регенерации для каждой хроматографии, а также эффективной защиты деятельности отдельных веществ. Гелевая хроматография стала незаменимым методом не только для разделения и очистки биологических макромолекул, таких как белки, но и для очистки пигментов. Lu Xiaoling et al. [25 использовали dextran gel в качестве поддержки в исследовании рафинирования желтого пигмента gardenia и добились хорошего рафинирующего эффекта с доходностью 48,9%.

4. Выводы

Натуральные пищевые красители ингредиенты широко доступны и приходят в широком диапазоне цветов. Неотложная задача, стоящая перед исследователями, состоит в Том, чтобы выбрать тех из них, которые богаты ресурсами, дешевы, стабильны, жизнестойки в хюэ, нетоксичны и безвредны, а также пользуются спросом на рынке. Необходимы обширные исследования для извлечения новых пигментов из новых ресурсов, разработки эффективных и экономичных методов извлечения и разделения природных колоратов, а также повышения стабильности существующих природных колоратов к воздействию света, тепла, pH и ионов металлов.

Справочные материалы:

[1] чжан хуа, ли цзинлин. Размышления о научных исследованиях и разработках пищевых натуральных красителей [J]. Ляонин сельскохозяйственная наука, 1996(6):27-29

[2] ван чэн. Процесс экстракции и физико-химические свойства красного пигмента свеклы [D]. Компания Master' диссертация, наньцзинский технологический университет

[3] янь хуцин, хуан сухуан. Прошлое, настоящее и будущее пищевой окраски [J]. Пищевые добавки китая, 2002(3):11

[4] лю лянфан. Новые разновидности и разработки пищевых добавок в китае [J]. Наука и техника в пищевой промышленности, 1999 год (3)

[5] ван тауюн, ван фей, ван чэньонг. Исследования и разработки натуральных пигментов растений в китае [J]. Пищевая промышленность (специальный выпуск, посвященный пищевым добавкам и вспомогательным веществам/пищевым добавкам), 2001 год (3):32-33

[6] вэнь гуаню, чжу вэнсюэ. Добыча, разработка и использование натуральных пигментов растений [J]. Журнал хенанского научно-технического университета (агроном-издание), 2003,(6):68-74

[7] Лу цзюфан, ли чжунчэн, бао тиежу. Химический состав процесса разделения. Пекин: Tsinghua University Press, 1993: 118-129

[8] яо чжун мин, Lv сяолинг, чу шучэн. Исследование процесса экстракции желтого пигмента gardenia — сравнение методов микроволновой экстракции с традиционными методами экстракции. Журнал тяньцзинского института легкой промышленности, 2001, (4): 20-23

[9] ли цяолинг. Применение технологии микроволновой экстракции при экстракции натуральной пищевой окраски. Пищевые добавки китая, 2003, (4): 105-107

[10] чжан цзяньсян. Технология разделения в пищевой промышленности [м]. Пекин: легкая промышленность, 1999: 50-68

[11] шао вэй, тан мин, сян цзе. Исследование по извлечению красных дрожжевых пигмента риса supercritical CO₂. Китай пивоварения, 2005,(7):22-24

[12] ли шуцзюнь. Исследование условий процесса извлечения красного пигмента из вольфберри сверхкритическим жидким CO2. Пищевые добавки китая, 2004,(2):25-27

[13] ли юньюань, сон гуансен. Исследование по экстракции пигмента скорлупы каштана с помощью ультразвука [J]. Пищевые добавки, 2003,(8):57 — 58,65

[14] ван чжэню, чжао синь. Исследование по извлечению пигментов из цветов большого цветка куи ультразвуком [J]. Лесная химическая промышленность, 2003,(2):65-67

[15] зуо айрен, фан циншэн. Исследование по извлечению ликопена ультразвуковой волной. Пищевая промышленность, 2003,(5):36-38

[16] ван цюфен, сон чжанкян, чжао шуинг и др. Ультразвуковая волна для улучшения экстракции масла neem органическими растворителями. Химия и промышленность лесных товаров, 2004,24(1):25-28

[17] цинь вэй, чжэн тао, юань йонхуй и др. Ультразвуковое увеличение поля извлечения куркумина [J]. Журнал университета цинхуа, 1998, 38(6): 46 — 48

[18] He Chongyan, Feng Chunsheng, Wang Li и др. Исследование методов очистки и стабилизации свеклы красного пигмента [J]. Китайские пищевые добавки, 1998, (2): 10-13

[19] чжан цзяньсян. Технология разделения в пищевой промышленности [м]. Пекин: легкая промышленность, 1999: 50-68

[20] у янвен. Экстракция и очистка естественного красно-редкого красного цвета [D]. Компания Master' диссертация, тяньцзинский колледж легкой промышленности, 1998 год

[21] би хунся, ли цзяньвэй, чэнь вэй и др. Адсорбция и очистка красной пигмента из европейской сливы с помощью адсорбционной смолы AB-8 [J]. Журнал Zhengzhou Institute of Technology, 2004, (2): 40-42

[22] пэн юнфан, ма инхай, го сяоцзинь и др. Адсорбция и отделение желтого пигмента от Melia azedarach с помощью макропористых смол [J]. Ионный обмен и адсорбция, 1998, 14(6): 494-498

[23] Ma Yinhai, Yang Changhong. Адсорбция и отделение красного пигмента от Brassica oleracea смолой X-5 [J]. Наука о еде, 1999(1): 32-34

[24] чжэн цзяньсян. Технология разделения пищевых продуктов [м]. Пекин: легкая промышленность, 1999: 70-72

[25] Лу сяолин, яо чжун мин, цзян пин. Исследование по очистке желтого пигмента gardenia с помощью гелевой хроматографии [J]. Пищевая промышленность и ферментация, 2003, 27(4): 39-42