Как извлечь и очистить природные красители?

1 естественный обзор цвета

Пигменты можно разделить на две основные категории:Естественные цветные свойстваиСинтетические пигменты- да. Одним из них являются искусственно синтезированные химические пигменты, большинство из которых являются азотипными соединениями. Некоторые из них могут быть метаболизированы в организме человека, чтобы сформировать β-naphthylamine и α-amino-1-naphthol, которые имеют определенные токсичные побочные эффекты на организм человека. Другим типом являются пигменты, полученные из естественных растений, животных, микроорганизмов и т.д., которые называются естественными цветами. Так как природные красители являются нетоксичными и безвредными для человеческого организма, высокая питательная ценность, а некоторые имеют определенную биологическую деятельность. Таким образом, исследования и разработки нетоксичных и безвредных природных красителей также стали тенденцией развития пигмента.

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.

Естественная окраска пищевых продуктов стала основным направлением рынка окраски- да. В настоящее время размер рынка натуральных пищевых красителей составляет 250 миллионов долларов США, а если добавить синтетические натуральные красители, рыночная стоимость достигает 440 миллионов долларов США. По мотивам высокогоБезопасность пищевых продуктовИ повышение стабильности природных красот, прогнозируется, что ежегодный темп роста природных красот в будущем составит от 5% до 10% [3]. Китай и Китай#39; с пищей натуральный колорит составляет около 25000 V лет, карамельной окраски составляет 80%, а остальныеРастительные экстрактыИ продукты микробной ферментации. 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

Естественная пищевая окраска может быть классифицирована по химической структуре, морфологическому происхождению и растворимости. Наиболее распространенным методом является классификация по химической структуре. Природные красители растений могут быть разделены на четыре категории в зависимости от их химических структур :5 пиролевых производных; Полиэны (каротеноиды); Фенолические пигменты; И кетоны и киноны.

1.3 характеристики и свойства природной пищевой окраски

Естественная окраска пищевых продуктовИмеет следующие характеристики [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 структурЕстественные цветные свойства, 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. По запросу:Каротеноидные пигментыВ 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 гардиныЖелтый пигмент,Имеет преимущества высокой пигментной урожайности, 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

Процесс очистки дляЕстественные цветные свойстваМожет 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. Лу сяолинг и др. [25 использовали декстрянский гель в качестве вспомогательного средства при изучении перерабатывающей садоводческой промышленностиЖелтый пигмент,И добился хорошего эффекта переработки 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 экономичныхЦвет окружающей средыМетоды экстракции и сепарации, а также повысить устойчивость существующих природных красителей к свету, тепле, pH и ионам 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