沙棘高效高值综合利用技术的研究

㊀㊀
第34卷第4期2015年8月
中国野生植物资源Chinese Wild Plant Resources
Vol.34No.4
Aug.2015
㊀㊀
收稿日期:2015-03-18
基金项目:国家 十二五 科技支撑计划(2012BAD36B04)㊂
doi:10.3969/j.issn.1006-9690.2015.04.019
沙棘高效高值综合利用技术的研究
金敬红,孙晓明,吴素玲
(南京野生植物综合利用研究院,江苏南京㊀210042)
摘㊀要㊀本文对沙棘的主要可利用成分沙棘果汁㊁沙棘黄酮㊁沙棘籽油等的高效高值综合利用进行了系统性的研究,提出了沙棘果的综合利用加工工艺,能够将沙棘中的常规营养成分㊁功能性成分㊁沙棘黄酮㊁沙棘籽油和花青素得到有效的提取和分离,实现沙棘果的价值最大化㊂
关键词㊀沙棘;浊汁;黄酮;沙棘籽油;花青素;综合利用;高效高值
中图分类号:R284.1㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1006-9690(2015)04-0081-06
Study on the Efficient High-value Comprehensive
Utilization Techniques of Sea-buckthorn
Jin Jinghong,Sun Xiaoming,Wu Suling
(Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants,Nanjing 210042)
Abstract ㊀This paper makes a systematic study on the efficient high-value comprehensive utilization for the main ingredients available of seabuckthorn fruit juice,seabuckthorn flavones and seabuckthorn seed oil.It presents the process technology for comprehensive utilization of sea buckthorn Fruit.This process technology can effectively isolate the conventional nutrients,the functional ingredients,seabuckthorn fla-vones,seabuckthorn seed oil and anthocyanin,realize the maximization of the value of sea buckthorn fruit.
Key words ㊀Sea-buckthorn;turbid juice;flavone;Seabuckthorn seed oil;anthocyanin;comprehensive utilization;high-value
㊀㊀沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)为胡颓子科沙棘属,是一种落叶性灌木,沙棘是植物和其果实的统称㊂分布于欧洲㊁亚洲的寒温带地区,其特性是耐
旱㊁抗风沙,可以在盐碱化土地上生存,被广泛用于水土保持,在中国华北㊁西北地区大量种植㊂沙棘是药食同源的植物品种,沙棘的根㊁茎㊁叶㊁花㊁果,特别是沙棘果实含有丰富的营养物质和生物活性物质,其果实具有很高的营养保健价值,含有多种维生素㊁糖类㊁有机酸㊁蛋白质㊁氨基酸和微量元素,其中维生素C 含量高,素有维生素C 之王的美称[1],具有保肝[2]㊁增强免疫力[3]㊁抗氧化[4]㊁抗衰老[5]等作用㊂
沙棘果实入药具有止咳化痰㊁健胃消食㊁活血散瘀之功效㊂现代医学研究,沙棘可降低胆固醇,缓解心绞痛发作,还有防治冠状动脉粥样硬化性心脏病的作用㊂目前,沙棘在食品㊁化妆品㊁保健品㊁药品等领域
已开发出一些产品,开始进入国内外市场销售㊂
沙棘的研究国内外进行了很多,主要集中在沙棘饮料㊁沙棘黄酮和沙棘油的研究,总体上进行都是浅层次的㊁单一的研究,没有对沙棘资源的利用进行深入的㊁系统化的㊁高效高值的综合利用的研究㊂我院以 十二五 国家农村领域国家科技计划课题的研究为契机,对沙棘的主要营养成分和生物活性物质的综合利用技术进行了深入研究,直接提出了沙棘高效高值综合利用技术体系,为沙棘资源的高效高值开发奠定基础㊂
沙棘的高效高值综合利用技术包括利用沙棘果加工成沙棘浊汁/浓缩液,进一步可加工成沙棘饮料㊁保健品等,通过多沙棘浊汁的物理分离技术,加工得到沙棘果油;从榨取浊汁后的沙棘果中提取分离沙棘黄酮,作为保健食品㊁药品的原材料;利用湿
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中国野生植物资源第34卷
法籽渣分离设备分离的沙棘籽采用超临界流体萃取分离技术提取花青素和沙棘油,再通过工艺参数的调整实现沙棘油和花青素的分离纯化㊂本高效高值综合利用技术体系实现了沙棘资源的开发利用的最大化,能够有效地降低生产成本,取得最大的经济效益㊂
一㊁沙棘浊汁加工技术的研究
沙棘资源的开发中沙棘果汁是最早也是开发最多的产品之一,沙棘果汁产品的开发以沙棘清汁和沙棘复合果蔬汁饮料的加工为主,如枸杞沙棘复合饮料㊁沙棘番茄酸奶㊁沙棘红枣胡萝卜复合饮料㊁沙棘果汁豆乳等㊂沙棘清汁和沙棘复合果汁饮料都是将沙棘原汁经过反复过滤澄清,营养价值降低,保健功效降低或基本丧失,风味减弱,不能体现沙棘的特征㊂沙棘浊汁能够较好地保留沙棘果汁中的营养和保健成分,酸度高,保存时间长,便于运输,是未来市场开发沙棘产品的畅销原料㊂
沙棘榨汁的方法主要有常温酶解榨汁㊁热榨汁和冷榨汁㊂常温酶解榨汁适合于清汁加工工艺,热榨汁出汁率略高,但是不利于营养成分的保全,冷冻打浆榨汁技术是最适合沙棘加工的制汁方法,即在冷冻条件下脱果,果枝分离彻底,汁液损失少,果汁营养成分保存率高㊂
果汁浓缩方法主要有常规蒸发浓缩㊁冷冻浓缩和反渗透浓缩㊂冷冻浓缩能耗大㊁生产成本高,反渗透浓缩浓缩倍数低,主要用于果汁的预浓缩[6];减压蒸发浓缩易于操作,生产成本较低,广泛应用于苹果㊁越橘㊁杨梅㊁蓝莓及梨等的浓缩㊂
1㊀材料与方法
1.1㊀材料
来自甘肃省陇西县,标准抗坏血酸㊁2,6-二氯靛酚钠㊁95%乙醇㊁无水乙醇㊁葡萄糖等,均为市售分析纯㊂
1.2㊀仪器
UV-754紫外可见光分光光度计(上海第三分析仪器厂);ZFQ-85A旋转薄膜蒸发器(上海医械专机厂);沙棘榨汁系列设备(新乡市圣达轻工机械有限公司)㊂
1.3㊀主要理化指标的测定方法
沙棘浊汁和沙棘浓缩浊汁稀释复原后的理化特性按照下列方法进行测定㊂
1)维生素C:采用2,6―二氯酚靛酚滴定法㊂
2)总黄酮:采用硝酸铝-醋酸钾比色法,参照GB/T20574-2006和刘畅等的方法㊂
3)总酸度:采用GB/T12456-2008的方法(以苹果酸计)㊂
4)可溶性固形物:手持糖度仪测定㊂
2㊀试验方案
2.1㊀沙棘浊汁的冷榨汁工艺流程
2.1.1㊀工艺流程
采摘沙棘ң入库-18ħ冻藏ң果枝分离ң分选除杂ң清洗解冻ң压榨取汁ң果渣破碎打浆ң卧螺离心分离ң碟片离心分离ң冷榨汁和离心汁分别于0~5ħ保存
2.1.2㊀工艺说明
2.1.2.1㊀沙棘采摘:带枝采摘沙棘果实,果实金黄色或黄色,剔除腐烂㊁病虫果㊂
2.1.2.2㊀分层置于-18ħ速冻库内,快速冷却冻透㊂
2.1.2.3㊀在不化冻的前提下利用脱果机实现果枝分离,分选去杂㊂
2.1.2.4㊀用常温水清洗去除沙棘表面的灰尘,解冻后用螺旋压榨机榨汁㊂
2.1.2.5㊀压榨取汁后的果渣用粉碎机进一步破碎,适量加入水分打浆,采用三足式离心机离心分离果枝和果渣㊂
2.1.2.6㊀利用高速碟片式离心机(7000~10000r/ min),将少量的沙棘果油分离出来㊂
2.1.2.7㊀冷榨汁和离心果汁分别装桶于0~5ħ保存㊂
2.2㊀沙棘浊汁的真空减压薄膜浓缩工艺流程2.2.1㊀工艺流程
原果汁ң转入真空旋转薄膜蒸发器ң抽真空ң加热ң浓缩ң转入周转桶ң抽真空ң充氮ң封口ң0~5ħ保存
2.2.2㊀工艺说明
2.2.2.1㊀果汁从冷库中取出,按照需求转入真空旋转薄膜蒸发器;
2.2.2.2㊀抽真空至0.095MPa以上,水浴至60~ 65ħ加热,开启冷凝器进行真空浓缩;
2.2.2.3㊀浓缩至水分蒸发量达到60%左右,破真空,冷却至室温,转入密闭容器内;
2.2.2.4㊀密闭容器抽真空,充氮,封口,置于0~ 5ħ冷库保存㊂
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第4期金敬红,等:沙棘高效高值综合利用技术的研究
3㊀结果与分析
在沙棘加工过程中对维生素C㊁沙棘黄酮㊁可溶性固形物㊁总酸进行全过程检测,分析加工过程对相关成分的影响㊂浓缩的沙棘浊汁入库后进行跟踪检测,对浓缩汁的稳定性进行研究㊂
表1㊀沙棘加工过程中理化参数的变化
关键工艺点维生素C含量/
(mg/100mL)黄酮含量/
(mg/100mL)可溶性固形物
含量/%
总酸含量/%
鲜果52841416.4 3.86冷冻果50441216.6 3.88冷榨汁50838315.7 3.83离心果汁46240616.7 3.79浓缩冷榨汁91467538.68.92浓缩离心果汁86670441.28.68
㊀㊀从表1可以看出,在沙棘的加工过程中,维生素C㊁总黄酮和可溶性固形物及总酸度均有所改变,原因是在加工过程中先后去掉了皮㊁渣㊁籽等杂质,粗汁经过离心除去了沙棘果油,在加工过程中以维生素C为代表的营养成分和以沙棘黄酮为代表的生物活性物质均有所降低,不过由于加工条件温和,降低的程度均不大㊂
表2㊀沙棘浓缩浊汁的稳定性研究
时间/
d维生素C含量/
(mg/100mL)黄酮含量/
(mg/100mL)可溶性固形物
含量/%
总酸含量/% 091467538.68.92 789267238.88.79 1585864038.68.82 3079958238.78.85 6064248838.58.91 12061540438.58.93 24059833738.48.94
㊀㊀从表2可以看出,伴随着贮存时间的延长,沙棘浓缩汁中的营养成分和生物活性物质均会出现一定程度的下降,由于采取了抽氧充氮保护,加上低温冷库贮存,维生素C和黄酮类成分的下降幅度比传统的方法慢,240天的贮存效果跟传统方法60天接近㊂
4㊀讨论
从营养保全和保健功能的角度来说,浊汁跟清汁相比具有明显的优势㊂清汁经过多次沉淀过滤加工工艺之后,以维生素C和黄酮为代表的营养成分和生物活性物质损失严重,而且在产品的储存期内稳定性下降,产品的货架期明显缩短,必须通过添加其他的稳定剂解决,过多的添加食品添加剂不仅增加了生产成本,而且不受消费者的欢迎㊂
二㊁沙棘黄酮加工技术的研究
沙棘的药用在我国具有悠久的历史,是传统的藏药㊁蒙药,作为中药具有止咳化痰㊁健胃消食㊁活血散瘀之功效㊂黄酮是沙棘中一种重要的生物活性物质,在降低胆固醇㊁抗菌消炎㊁抗肿瘤㊁抗衰老㊁抗病毒㊁抗辐射以及改善心血管功能等方面具有明显的药理功效㊂
沙棘黄酮的提取一般有从沙棘叶提取和从沙棘果提取两种途径㊂从沙棘叶的提取需要专门采集收购沙棘叶,本文不做讨论㊂采用榨汁过后的沙棘果提取黄酮不仅可以对沙棘果资源进行综合利用,降低生产成本,而且提取的沙棘黄酮纯度高,质量好,具有很强的市场竞争力㊂
沙棘黄酮的提取方法主要有超声波萃取法㊁常规搅拌浸提法㊁乙醇回流提取法㊁超临界流体萃取法和微波提取法等[7]㊂常规搅拌浸提法比较落后,得率低㊁能耗高,产品质量差㊂乙醇回流提取法比常规搅拌浸提法先进,能够有效降低溶剂的使用量和损耗,提高浸提效率,设备简单,投资少,容易维护㊂超临界流体萃取技术设备投资昂贵,单体设备处理量小,虽然产品质量好,但是经济效益比较差㊂超声波萃取法具有提取效率高,时间短,温度低,适应性强等优点,但是由于受超声波衰减因素的制约,超声波提取罐不宜直径太大,否则在罐的周壁就会形成超声空白区;难以保证超声波器件的安全性,也无法实现在线不停机维修;超声波功率难以和罐的容积相
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中国野生植物资源第34卷
匹配,大功率的超声波设备制造难度增大,成本也无法使用户接受㊂微波具有波动性㊁高频特性以及热特性或非热特性(生物效应),因而微波提取技术具有快速高效㊁加热均匀㊁选择性强㊁生物效应(非热效应)大等特点,与传统的提取技术相比,优点在于溶剂用量少㊁耗时短㊁选择性强,有利于提取植物中热不稳定的活性物质,提取效率高,能耗低㊁设备简单㊁操作容易㊁安全㊁低污染㊂微波提取潜在的问题是微波泄漏对人体的伤害,目前防止微波泄漏的技术研究逐渐成熟,已经不再成为微波应用的拦路虎㊂1㊀材料与方法
1.1㊀材料
来自甘肃省陇西县,槲皮素标准品,甲醇㊁95%乙醇㊁无水乙醇㊁NaNO2㊁Al(NO3)3等,均为市售分析纯㊂
1.2㊀仪器
UV-754紫外可见光分光光度计(上海第三分析仪器厂);ZFQ-85A旋转薄膜蒸发器(上海医械专机厂)㊂
2㊀试验方法
2.1㊀校准曲线回归方程的建立
准确吸取0.0142g/L的槲皮素标准液10mL,用95%乙醇稀释定容至100mL㊂从100mL溶液中准确吸取1.0㊁2.0㊁3.0㊁4.0㊁5.0㊁6.0㊁7.0㊁8.0mL 分别置于8个10mL的比色管中,分别加入50.0g/ L硝酸铝乙醇溶液各1.0mL,用95%乙醇稀释至刻度,摇匀,静置20min后,以试剂空白作参比,用360 ~500nm波长范围内的最大吸收波长λmax430nm 处测吸光度并绘制标准曲线(见图1),求得回归方程式A=0.0695C+0.0131,r=0.9990,式中C为槲皮素浓度,mg/
L㊂
图1㊀标准曲线图
2.2㊀微波提取方法的设计
针对影响微波萃取效果的微波功率㊁萃取时间和料液比通过单因素的预实验,确定了大致的最佳参数㊂正交试验以微波功率㊁料液比㊁微波照射时间为三个变量,萃取液确定为75%的乙醇溶液,实验材料为2g沙棘果渣,具体如表3所示㊂
表3㊀微波提取沙棘黄酮正交试验表
水平
时间/min
A料液比/gʒmL
B微波功率/W
C
161ʒ10300
271ʒ15600
381ʒ20900
3㊀结果与分析
按L9(33)正交表安排试验,结果及数据处理见表4㊂由极差分析可知,各因素对黄酮类化合物浸提影响的大小排序为:C(微波功率)>A(萃取时间)>B(料液比),最佳实验方案为C3B2A1,即微波萃取的最优化条件为:微波功率900W,萃取时间6 min,料液比(gʒmL)1ʒ15㊂
表4㊀沙棘黄酮正交试验数据处理表
A B C产率/(mg/g) 161ʒ103000.3984 261ʒ156000.4942 361ʒ209000.5896 471ʒ106000.4786 571ʒ159000.6032 671ʒ203000.4126 781ʒ109000.5934 881ʒ153000.4332 981ʒ206000.5288 K10.49410.49010.4147
K20.49810.51020.5005
K30.51850.51030.5954
R0.02440.02020.1807
48
第4期金敬红,等:沙棘高效高值综合利用技术的研究
㊀㊀与传统的溶剂法相比较,微波提取法具有时间短㊁效率高㊁能耗低等优势㊂通过正交试验可以得到微波提取沙棘果渣黄酮的优化工艺条件:微波功率900W,萃取时间6min 和料液比(g /mL)1ʒ15,75%的乙醇溶液为萃取液㊂测得样品沙棘叶中黄酮类化
合物的含量为0.6454mg /g㊂
三㊁沙棘油和花青素联合加工技术的研究
沙棘油包括沙棘果油和沙棘籽油,沙棘果油在果汁加工过程中利用高转速碟片式离心机提供的高离心因子得到分离,当碟片式离心机转速达到7000~10000r /min 时,果汁中伴随压榨出来的果油可
以得到有效的分离㊂
沙棘籽中富含沙棘籽油和花青素
[8]
,在以往的
研究过程中,沙棘籽油和花青素的分离都是分开进行的㊂本文利用二氧化碳超临界萃取设备通过添加夹带剂,改变液态二氧化碳的极性,实现沙棘籽油和花青素的同步提取,最后通过萃取工艺实现沙棘籽油和花青素的分离,由于二氧化碳超临界分离技术条件温和,花青素得到有效的保护,损失少,得率反而高于溶剂萃取法㊂
1㊀材料与方法
1.1㊀材料
来自甘肃省陇西县,95%乙醇等化学试剂均为
市售分析纯㊂
1.2㊀仪器
HA22-40-4824L ˑ2超临界CO 2萃取设备
(江苏华安科研仪器有限公司),ZFQ -85A 旋转薄膜蒸发器(上海医械专机厂)
2㊀方法
2.1㊀试验方法
将沙棘籽装入超临界CO 2萃取设备中,加入适
量75%乙醇作为夹带剂,调节二氧化碳流量㊁萃取压力和温度,进行超临界萃取试验,试验结束后收集分离出来的混合物料,加入水作为萃取剂将花青素从混合物料中萃取分离出来,萃取三次,合并萃取液,真空薄膜浓缩,得到纯净的沙棘籽油和花青素㊂
2.2㊀超临界萃取方法的设计
针对影响超临界萃取效果的夹带剂用量㊁CO 2
流量㊁萃取压力㊁萃取温度㊁萃取时间五个因素进行正交试验,夹带剂为75%乙醇㊂实验材料为沙棘籽,具体如表4所示㊂由于沙棘籽油的含量比较高,综合开发的价值也比较高,花青素的含量低,基本上得到比较彻底的提取,变化不大,所以正交试验以沙棘籽油的产率作为判定指标㊂
表5㊀超临界萃取沙棘籽油正交试验表
水平CO 2流量/(kg /h)
A
萃取温度/ħ
B
萃取时间/min
C
夹带剂量/%
D
萃取压力/MPa
E
1163090
21522035120320324401504254
28
45
1805
30
3㊀结果与分析
按L 16(44)正交表安排试验,结果及数据处理见
表6㊂由极差分析可知,各因素对沙棘籽油和花青素联合萃取影响的大小排序为:B(萃取温度)>A
(CO 2流量)/C(萃取时间)>D(夹带剂量)>E(萃取压力),最佳实验方案为B 3A 3C 3D 1E 3,即超临界萃取的最优化条件为:萃取温度40ħ㊁CO 2流量24kg /h㊁萃取时间150min㊁夹带剂用量2%㊁萃取压力
25MPa㊂
表6㊀超临界萃取沙棘籽油正交试验数据处理表
A
B
C
D E
产油率/%1163090
215 6.8216351203207.8316401504259.6416451805309.25
20
30
120
4
307.4
58
中国野生植物资源第34卷续表6
A B C D E产油率/%
62035905258.0
7204018022010.6
820451503159.1
924301505208.8
10243518041510.1
112440903309.4
1224451202259.8
1328301803259.5
14283515023010.5
15284012051510.4
162845904209.1
K18.358.1258.3259.4259.1
K28.7759.18.858.959.075
K39.525109.59.059.225
K49.8759.39.859.19.125
R 1.525 1.875 1.5250.4750.15
㊀㊀与传统的溶剂法相比较,超临界萃取法具有时间短㊁效率高㊁选择性高㊁提取温度低能耗低等优势㊂通过正交试验可以得到超临界萃取沙棘籽油的优化工艺条件:萃取温度40ħ㊁CO2流量24kg/h㊁萃取时间150min㊁夹带剂用量2%㊁萃取压力25MPa㊂萃取时间延迟到180min萃取收率略高,说明沙棘籽油基本上萃取干净,延长时间从经济上不合算,同样的道理适用于CO2流量,继续提高CO2流量也有利于萃取收率的提高,但是提高幅度很小,没有实际的意义㊂在优化的工艺条件下超临界萃取沙棘籽油的收率达到11.42%,花青素收率为0.63%㊂
四㊁结语
伴随着本项研究的沙棘浊汁加工技术㊁沙棘黄酮加工技术和沙棘籽油加工技术的成功,意味着沙棘高效高值综合利用技术的研究已经取得成功,已经建立了可以用于工业化应用的沙棘高效高值综合利用技术体系,可以为沙棘加工工业提供成熟㊁高效高值㊁低成本加工技术体系,可以全面提高企业的经济效益,有利于提高沙棘产品的市场竞争力㊂沙棘的高效高值综合利用技术大大提高了沙棘果实的综合利用度,减少了对沙棘资源的过渡开发,有利于延缓和改善我国的荒漠化趋势,对我国环境保护具有重要的意义㊂
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