超臨界CO2流體用于萃取酸漿宿萼中類胡蘿卜素的研究

馬 晴，黃 震，2，*

（1.天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學，天津300134；2.天津商業大學包裝工程系，天津300134）

超臨界CO2流體用于萃取酸漿宿萼中類胡蘿卜素的研究

馬 晴1，黃 震1，2，*

（1.天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學，天津300134；2.天津商業大學包裝工程系，天津300134）

采用超臨界CO2流體從酸漿宿萼中提取類胡蘿卜素，探討了萃取壓力、溫度、時間和原料粒度等萃取參數對提取量的影響。還利用UV定量地考察了所提取類胡蘿卜素的耐光照穩定性、耐熱穩定性和抗金屬離子穩定性。結果表明，這些提取物耐熱穩定，但對光很敏感。與金屬離子的相互作用結果顯示，Fe3+、Fe2+和Al3+對類胡蘿卜素提取物的影響很顯著，Cu2+、Zn2+和Ca2+等金屬離子的影響相對較小，而Na+和K+基本沒有影響。

超臨界CO2萃取，類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是一類由植物和微生物組織合成的天然顏料，既可以在大多數植物體內發現，也可以在血清和動物組織找到。酸漿（Physalis alkekengi var.francheti），又名錦燈籠和紅姑娘等，為茄科植物。酸漿宿萼中富含類胡蘿卜素，主要是互為同分異構體的玉米黃質和黃體素，其分子結構如圖1所示。近年來，有關玉米黃質和黃體素功能的研究越來越引起人們的興趣，這包括玉米黃質與眼部疾病、心臟疾病和癌癥的關系上，同時它們的抗氧化性質也是大家所感興趣的。這些研究顯示，攝入富含類胡蘿卜素的蔬菜與癌癥的發生呈負相關關系。本文采用超臨界CO2萃取法來提取酸漿宿萼中的類胡蘿卜素。這種方法具有操作溫度低、過程無氧和無溶劑殘留等優點，而超臨界流體CO2自身無毒、無味、不燃、價廉、易精制，因此特別適合萃取低分子量親酯性或對熱敏感、易氧化、易分解的天然產品，在醫藥、食品及香料工業中呈現廣泛的應用前景［1－3］。

圖1 玉米黃質和黃體素的化學結構

1 材料與方法

1.1 材料與設備

酸漿宿萼（錦燈籠） 購于天津市老百姓大藥房，產自吉林省，將原料洗凈，干燥，粉碎，過篩備用；CO2食品級，純度＞99.99%，北京市亞南氣體有限公司；福臨門天然谷物調和油 中糧食品營銷有限公司；無水乙醇、丙酮、氯化鈉、氯化鉀、硫酸銅、氯化鈣、硫酸鋁、硫酸亞鐵、氯化鐵、硫酸鋅 均為分析純。

SFXTM220型超臨界萃取裝置 美國ISCO公司；TU－1810型紫外－可見分光光度計 北京普析通用儀器責任有限公司；FA2104S型電子天平 上海精科公司；FW100型高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；GW－IAT型電熱鼓風干燥箱 天津市華北實驗儀器有限公司。

1.2 超臨界CO2萃取過程

實驗裝置如圖2所示，由制冷裝置、CO2泵、萃取系統和分離系統構成。實驗開始前打開制冷裝置為壓力泵降溫（0℃左右），同時開機預熱，30min后，裝料，把CO2氣體引入體系，設置溫度、壓力、時間，按照所設定的萃取條件進行操作，用乙醇收集萃取物。其中壓力范圍25～40MPa，溫度40～60℃，顆粒度75～250!m。

圖2 超臨界CO2萃取裝置

1.3 酸漿宿萼中提取的類胡蘿卜素總含量計算

將酸漿宿萼中萃取得到的類胡蘿卜素提取物用無水乙醇稀釋成色素溶液，然后用TU－1810型紫外－可見分光光度計對其在波長400～500nm范圍內進行掃描，以確定最大吸收波長，并測定最大波長下的吸光度值。提取的類胡蘿卜素總含量按下式計算［4］：

式中，X－色素含量（mg/g）；E－最大吸收波長下測得的吸光度；Y－樣品溶液體積（mL）類胡蘿卜素的吸光參比系數（在此為2500）［5］。

1.4 提取類胡蘿卜素的穩定性

將酸漿宿萼的類胡蘿卜素提取物配制成溶液，分別在不同的光照、加熱溫度和金屬離子等外界條件下測定其吸光度值在最大吸收波長處隨時間的變化情況，以確定色素的穩定性。

2 結果與討論

2.1 萃取壓力和溫度的影響

圖3為萃取溫度和壓力對類胡蘿卜素提取量的影響，其中原料顆粒度150!m，CO2流速為2mL/min，萃取時間為75min。從圖中可以看到，類胡蘿卜素的提取量隨著萃取壓力的增加而升高，這是由于溫度一定時，超臨界CO2的密度隨著壓力增加而增大，進而使超臨界CO2溶解能力增加，提高了萃取量。

圖中結果還顯示，溫度的升高有助于得到較高的類胡蘿卜素提取量。這說明升溫引起類胡蘿卜素等溶質的揮發能力的提高幅度大于溶劑CO2溶解能力的下降幅度［6］。

圖3 萃取溫度和壓力對類胡蘿卜素提取量的影響

2.2 原料顆粒度的影響

圖4為原料顆粒度對萃取量影響的實驗結果，其中壓力30MPa、溫度50℃、CO2流速2mL/min、時間100min。由圖可見，隨著原料顆粒度的減小，超臨界CO2萃取的提取量得到增加；當顆粒尺寸小于150!m，提取量增幅變得很小。這是由于原料的顆粒度大小直接影響著超臨界CO2流體與實驗原料的接觸面積，從而影響類胡蘿卜素在給定時間內的萃取量。一般來說，原料的顆粒度越小，原料顆粒表面積越大，與超臨界流體接觸面積越大，傳質速率越大，提取率就越大。

圖4 原料粒度對類胡蘿卜素提取量的影響

2.3 萃取時間的影響

通常延長萃取時間對提高萃取量是有利的，圖5為萃取時間對類胡蘿卜素提取量的影響。其中，原料顆粒度150!m，溫度50℃，壓力35MPa，CO2流速2mL/min。從圖中可以看到，類胡蘿卜素提取量在20min內迅速達到 5.4mg/g；80min為 11.1mg/g，160min為14.1mg/g。當超過160min時，萃取量增加非常緩慢。

圖5 萃取時間對類胡蘿卜素提取量的影響

2.4 所提取類胡蘿卜素的穩定性

2.4.1 光照的影響 由圖6可知，類胡蘿卜素溶液在室內自然光和暗處放置時，其吸光度值隨時間的下降極為緩慢；但在陽光照射下，其吸光度值呈快速下降，一直到20d后下降至原來的30%時才呈緩慢降低的情況。結果顯示，放置5d后，陽光照射下吸光度值保留為54.1%，自然光下為95.72%，暗處為97.62%；放置60d后，陽光照射下吸光度值僅保留了18.07%，自然光下為86.33%，暗處為92.27%。這些結果說明了陽光對酸漿宿萼中的類胡蘿卜素有很強的破壞作用，而自然光和暗處對其影響非常小。

圖6 光照條件對提取類胡蘿卜素的影響

2.4.2 溫度的影響 與前文所述一樣，將超臨界CO2提取物用食用調和油定容后，在4支25mL比色管中等量倒入20mL溶液，分別放在30、60、80、100℃下恒溫放置，測定其吸光度在8h內的變化情況，確定溫度對所提取類胡蘿卜素的影響，實驗結果見圖7所示。

圖7 溫度對提取類胡蘿卜素的影響

由圖7可知，30℃時溶液吸光度值變化甚微，8h后還保留98.7%。在80、100℃下，溶液的吸光度值在開始的2h內有5%左右的損失，然后吸光度值變化很小。8h后，80℃下的吸光度值還保留93.3%，100℃時保留了91.5%，因此，溫度對酸漿宿萼中類胡蘿卜素提取物的穩定性沒有較明顯的影響。

2.4.3 金屬離子的影響 酸漿宿萼中的所提取類胡蘿卜素不溶于水，但溶于丙酮與水體積比為10∶1的混合溶劑［7］，據此將超臨界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，然后分別向其中加入2mL濃度為0.02mg/mL的金屬離子水溶液，放置一定的時間后，測其吸光度值，結果見圖8。

從圖8中可以看出，Fe2+與Fe3+兩種離子加入后，隨即使得其吸光度值分別降低了7%和5%，其它金屬離子基本沒有影響溶液的起始吸光度值變化。這表明Fe與Fe兩種離子對類胡蘿卜素有顯著的破壞作用。隨著放置時間的延長，Fe3+使溶液的吸光度值降低最為明顯，因此對類胡蘿卜素穩定性的影響最大；其次是Fe2+和Al3+，24h后溶液吸光度值下降了將近18%，對于Cu2+、Zn2+和Ca2+離子，溶液吸光度值下降了大約9%～12%。而Na+、K+基本沒有影響。所以類胡蘿卜素在加工和使用過程中要盡可能地避免接觸到Fe3+、Fe2+和Al3+。

圖8 金屬離子對提取類胡蘿卜素的影響

3 結論

本文采用超臨界CO2流體從酸漿宿萼中提取類胡蘿卜素，探討了各萃取參數對提取量的影響，并考察了所提取的類胡蘿卜素的穩定性。結果如下：

3.1 隨著萃取溫度和壓力的提高，類胡蘿卜素的提取量顯著提高；原料顆粒具有較小的尺寸及延長萃取時間時，均有利于類胡蘿卜素的提取。

3.2 酸漿宿萼類胡蘿卜素提取物具有較好的耐熱性，但是其耐光性較差，因此應注意對其避光保存。

3.3 酸漿宿萼類胡蘿卜素提取物受 Fe3+、Fe2+和Al3+的影響很顯著，受 Cu2+、Zn2+、Ca2+、Fe2+等金屬離子的影響相對較小，而基本不受Na+和K+兩種離子的影響。

［1］Q Lang，C M Wai.Supercritical fluid extraction in herbal and natural product studies－a practical review［J］.Talanta，2001，53（4）：771－782.

［2］SMachmudah，Y Kawahito，M Sasaki，etal.Process optimization and extraction rate analysis of carotenoids extraction from rosehip fruit using supercritical CO2［J］.Journal of Supercritical Fluids，2008，44（3）：308－314.

［3］E Cadoni，M R De Giorgi，E Medda，et al.Supercritical CO2extraction of lycopene and!－carotene from ripe tomatoes［J］.Dyes and Pigments，2000，44（1）：27－32.

［4］藺定運.食用色素的識別及應用［M］.北京：中國食品出版社，1987：33－34.

［5］惠伯棣，王亞靜，裴凌鵬，等.酸漿漿果和宿萼中的類胡蘿卜素組成分析［J］.中國藥學雜志，2006，41（8）：583－584.

［6］孫健，張愛君，徐飛.超臨界CO2萃取甘薯中!－胡蘿卜素的研究［J］.江蘇農業科學，2008，35（6）：247－248.

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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 *通訊聯系人

馬晴（1984－），女，在讀碩士，研究方向：農產品加工與貯藏。

教育部回國人員科研啟動基金項目（教外司留［2008］890號）。