玉米黃色素提取工藝及其穩(wěn)定性研究進(jìn)展

王明華，肖秀嬋，范建鳳，王桂林，趙二勞*

(1.忻州師范學(xué)院 生物系，山西 忻州 034000； 2.成都工業(yè)學(xué)院 建筑與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611730；3.忻州師范學(xué)院 化學(xué)系，山西 忻州 034000)

在食品中添加食用色素可改善食品的感官品質(zhì)，增加食品的商業(yè)價(jià)值[1]。但隨著人們保健意識(shí)不斷增強(qiáng)，人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到合成食用色素對(duì)人體健康的潛在危害，以天然食用色素取代合成食用色素成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2-3]。玉米黃色素是從玉米或玉米加工副產(chǎn)品玉米皮或玉米蛋白粉中提取的一種天然色素，它主要是由玉米黃素、β-胡蘿卜素、葉黃素及隱黃素等組成的類胡蘿卜素混合物[4]。因我國是玉米生產(chǎn)消費(fèi)大國，玉米產(chǎn)量與消費(fèi)量均居世界第二位[5]，因此，提取或生產(chǎn)玉米黃色素的資源極為豐富，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。玉米黃色素不僅色澤自然，安全性高，且兼具營養(yǎng)功能，在食品、調(diào)味品、醫(yī)藥及化妝品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[6]，研究玉米黃色素的提取工藝與穩(wěn)定性，對(duì)開發(fā)應(yīng)用玉米黃色素、有效拉長玉米產(chǎn)業(yè)鏈、提高玉米經(jīng)濟(jì)價(jià)值都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近10年來，我國有關(guān)玉米黃色素提取及其穩(wěn)定性的研究不少，玉米黃色素受到廣泛關(guān)注。本文以近10年來國內(nèi)發(fā)表文獻(xiàn)為依據(jù)，梳理綜述了玉米黃色素的提取工藝及其穩(wěn)定性研究進(jìn)展，為玉米黃色素的進(jìn)一步研究及開發(fā)應(yīng)用提供了參考。

1 玉米黃色素提取工藝

玉米黃色素為脂溶性色素，不溶于水，同時(shí)，考慮到溶劑殘留和食用安全性，多以不同濃度乙醇為提取劑。近10年來，國內(nèi)有關(guān)玉米黃色素提取方法的研究主要有溶劑提取法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法和協(xié)同輔助法。

1.1 溶劑提取工藝

溶劑提取是依據(jù)相似相溶原理，考慮到到玉米黃色素的溶解性和食用安全性，選擇適宜溶劑，盡量多地溶出目標(biāo)成分，而控制或減少其他成分溶出的一種提取方法。近10年來，國內(nèi)有關(guān)溶劑提取玉米黃色素的研究相對(duì)較多，見表1。

表1 溶劑提取玉米黃色素工藝Table 1 Solvent extraction process of corn yellow pigment

除表1中溶劑提取外，吳紅艷等[15]以葵花籽油微乳為提取劑，在最佳提取工藝下，玉米黃色素的提取得率為0.34 mg/g。溶劑法提取玉米黃色素所用設(shè)備簡單，成本低廉，操作簡便易行，但所需時(shí)間長，黃色素提取不徹底，所提色素純度不高，提取效率不高，經(jīng)濟(jì)效益較差，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用要求，現(xiàn)僅用于實(shí)驗(yàn)室研究[16]。

1.2 超聲波輔助提取工藝

因玉米黃色素一般存在于玉米組織細(xì)胞內(nèi)，超聲輔助提取是利用超聲波空化、加熱和機(jī)械等效應(yīng)，有效破壞玉米組織細(xì)胞的細(xì)胞壁，提高細(xì)胞通透性，加速溶劑和玉米黃色素雙向傳遞，促使玉米黃色素溶出，提高提取率。近10年來，國內(nèi)有關(guān)超聲輔助提取玉米黃色素的研究相對(duì)較多，見表2。

表2 超聲輔助提取玉米黃色素工藝Table 2 Ultrasonic-assisted extraction process of corn yellow pigment

續(xù) 表

超聲輔助提取是一種綠色的現(xiàn)代提取技術(shù)，與溶劑提取法相比，可有效縮短提取時(shí)間，提高黃色素提取率，效率較高。但因工業(yè)放大的超聲設(shè)備研發(fā)難度較大，還未能生產(chǎn)，以及存在超聲波對(duì)環(huán)境污染的問題，影響操作人員的健康，現(xiàn)僅用于實(shí)驗(yàn)室研究。

1.3 微波輔助提取工藝

微波輔助提取是利用微波的選擇性加熱，在玉米組織細(xì)胞內(nèi)，瞬間產(chǎn)生高溫高壓，導(dǎo)致玉米組織細(xì)胞壁破裂，強(qiáng)化傳質(zhì)，促使胞內(nèi)黃色素類成分快速溶出，提高黃色素提取率。近10年來，國內(nèi)有關(guān)微波輔助提取玉米黃色素的研究相對(duì)較多，見表3。

表3 微波輔助提取玉米黃色素工藝Table 3 Microwave-assisted extraction process of corn yellow pigment

微波輔助提取玉米黃色素可顯著縮短提取時(shí)間，操作簡便易行，提取選擇性好，提取率較高，效率較高，較溶劑提取法有一定優(yōu)勢(shì)，是一種現(xiàn)代綠色提取技術(shù)。但目前研究還不足以為該工藝工業(yè)化應(yīng)用提供充分的技術(shù)支持，加之微波提取放大的問題還未解決，現(xiàn)該法也僅用于實(shí)驗(yàn)室研究。

1.4 協(xié)同輔助提取工藝

協(xié)同輔助提取是采用兩種或兩種以上方法共同輔助提取，該法實(shí)現(xiàn)了方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于提高目標(biāo)物提取率[29]。近10年來，國內(nèi)有關(guān)玉米黃色素協(xié)同輔助提取的研究不多。黃浩等[30]以玉米為原料，研究了玉米黃色素超聲波協(xié)同纖維素酶輔助乙醇提取，采用單因素試驗(yàn)結(jié)合正交試驗(yàn)的方法，得到影響玉米黃色素提取效果各因素大小順序?yàn)槊附鉁囟?酶解時(shí)間>乙醇濃度>纖維素酶濃度，優(yōu)化的最佳提取條件：乙醇濃度85%、料液比1∶6 (g/mL)、超聲溫度60 ℃、超聲時(shí)間15 min、纖維素酶濃度1.4%、酶解溫度 60 ℃、酶解時(shí)間2.5 h。此工藝條件下，玉米黃色素提取液吸光度值可達(dá)0.552，玉米黃色素提取效果好。陳紅等[31]以玉米皮為原料，研究了玉米黃色素微波協(xié)同纖維素酶輔助乙醇提取，正交試驗(yàn)優(yōu)化的最佳工藝條件為95%乙醇為提取劑、料液比1∶8 (g/mL)、微波功率400 W、微波時(shí)間50 s、纖維素酶用量1.2%、酶解體系pH 5.5、酶解溫度50 ℃、酶解時(shí)間90 min。此工藝條件下，玉米黃色素提取液吸光度值為0.841，較溶劑浸提法(吸光度值為0.432)提高了近1倍。張守文等[32]以玉米蛋白粉為原料，研究了玉米黃色素超聲協(xié)同微波輔助乙醇提取，而李曉玲等[33-34]研究了超微粉碎結(jié)合超聲-微波輔助乙醇或超微粉碎結(jié)合微波協(xié)同中性蛋白酶輔助乙醇提取玉米黃色素，三者玉米黃色素的提取效果均較好。

1.5 其他提取工藝

除以上提取工藝外，近年來，科技工作者們也研究了玉米黃色素的一些其他提取工藝。鐘振聲等[35]研究了中性蛋白酶輔助乙醇從玉米蛋白粉中提取玉米黃色素的工藝，響應(yīng)面優(yōu)化的最佳工藝為提取溫度38 ℃、提取液pH 7.0、底物濃度4.48%、中性蛋白酶濃度2.52%、水解時(shí)間8 h。該工藝條件下，玉米黃色素提取率可達(dá)81.053%(提取的玉米黃色素與原料中玉米黃色素的百分比)，較傳統(tǒng)乙醇浸提法提取率(16.125%)提高了約4倍。逯家富等[36]研究了超臨界 CO2流體萃取，確定的最佳提取工藝參數(shù)為萃取溫度42 ℃、萃取壓力30 MPa、萃取時(shí)間180 min、CO2流量27 L/h。此工藝條件下，玉米黃色素收率為184 μg/g。焦巖等[37]研究了玉米黃色素微生物(米曲霉)發(fā)酵提取，響應(yīng)面優(yōu)化的最佳工藝為接種量0.04%、培養(yǎng)溫度35.9 ℃、培養(yǎng)時(shí)間6 h、微生物培養(yǎng)pH 7.26。在此條件下，玉米黃色素得率為10.362%。焦巖等[38]研究了玉米蛋白粉中玉米黃色素?cái)D壓膨化輔助提取，正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝為玉米蛋白粉水分含量18%、螺桿轉(zhuǎn)速160 r/min、擠壓筒溫度150 ℃。經(jīng)該工藝處理，玉米黃色素提取量達(dá)(59.03±1.86) mg/g，較未處理的玉米黃色素提取量(23.64±1.28) mg/g提高了149.70%。這些研究為玉米黃色素提取提供了新思路、新方法，但還不足以為玉米黃色素工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

2 玉米黃色素穩(wěn)定性

穩(wěn)定性影響玉米黃色素的實(shí)際應(yīng)用。近10年來，有關(guān)玉米黃色素穩(wěn)定性的研究不少，較一致的結(jié)論[39-40]是光照會(huì)使色素降解，不宜長時(shí)間暴露在光照中；酸堿穩(wěn)定性較好，但不宜應(yīng)用于強(qiáng)堿環(huán)境；熱穩(wěn)定性較好，但不宜應(yīng)用于高溫(80 ℃以上)；在使用濃度范圍內(nèi)，一些金屬離子Mg2+、Zn2+和Na+等對(duì)色素?zé)o影響，但Fe3+、Al3+色素的影響較大，常用食品添加劑蔗糖、葡萄糖、氯化鈉、苯甲酸鈉和檸檬酸等對(duì)色素基本無影響。普遍認(rèn)為玉米黃色素是一種穩(wěn)定性較好，具有良好使用性能的天然色素。為了克服玉米黃色素不耐高溫、不耐強(qiáng)堿和光穩(wěn)定性較差等問題，孫巧等[41]采用微膠囊對(duì)玉米黃色素進(jìn)行包埋，以提高其穩(wěn)定性。結(jié)果表明，玉米黃色素微膠囊化后，在光照、pH值、溫度和微波加熱條件下，損失率分別減小了15.42%、12.0%、5.6%和10.92%，穩(wěn)定性有所提高。焦巖等[42-43]通過殼聚糖或聚乙二醇修飾玉米黃色素，發(fā)現(xiàn)經(jīng)修飾后改變了玉米黃色素結(jié)構(gòu)，在光、熱和不同pH條件下保存性能有效提高，明顯增強(qiáng)了玉米黃色素的穩(wěn)定性。提示我們選擇適當(dāng)方法，修飾改性可提高玉米黃色素的穩(wěn)定性，增大其應(yīng)用范圍。

3 結(jié)語與展望

我國玉米資源的豐富性、玉米黃色素的天然性以及天然色素替代合成色素的必然性，使研究開發(fā)應(yīng)用玉米黃色素具有資源優(yōu)勢(shì)，為玉米黃色素的開發(fā)應(yīng)用提供了機(jī)遇和空間。近10年來，我國相關(guān)人員對(duì)玉米黃色素的提取及其穩(wěn)定性進(jìn)行了不少研究，取得了一定成果，但還存在很多問題，玉米黃色素的提取研究僅限于實(shí)驗(yàn)室，穩(wěn)定性及其提高研究還不充分，不夠系統(tǒng)，不足以為玉米黃色素產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。今后，應(yīng)系統(tǒng)研究玉米黃色素提取，創(chuàng)新玉米黃色素提取工藝，實(shí)現(xiàn)玉米黃色素高效提取。應(yīng)加強(qiáng)玉米黃色素修飾研究，尋求簡便易行的玉米黃色素改性方法，努力提高玉米黃色素的穩(wěn)定性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，為玉米黃色素的開發(fā)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，提供技術(shù)支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)玉米黃色素的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。