开题报告紫甘薯

沈阳化工大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目：年产42吨紫甘薯色素工厂工艺设计

院系：环境与生物工程学院

专业：生物工程

班级：0701

学生姓名：杨海娟

指导教师：邵双

题目：年产42吨紫甘薯色素工厂工艺设计

标题：年产42吨紫甘薯色素工厂工艺设计

1.文献综述

食品色素是使食品着色或改善食品色调和色泽的食品添加剂。它在食品中的含量非常少，但对食品质量及品质的影响非常大。近年来因天然色素色调与食品天然色调接近、安全性比合成色素可靠以及具有一定的生理活性等优点而备受推崇。西方的一些发达国家在食品中使用天然色素的比例已达85 %，并有完全取代合成色素的趋势。我国目前允许使用的天然食用色素有40 余种，但是，生产和使用的主要品种是焦糖色素，其他的天然色素由于成本高，不稳定等原因很少在国内使用，主要用于出口。因而开发具有商业价值的色素资源以及稳定性好的天然食用色素迫在眉睫

随着人们生活水平的提高，对食品色、香、味的要求越来越高。从植物中提取天然色素重新引起人们的兴趣，其开发和利用成为一大研究热点，其主要原因是天然色素直接来源于动植物和微生物，不仅仅是食品、药品、化妆品等的着色剂，而且自身还含有多种营养成分，有的对某些疾病还有疗效作用，对人体有保健功能[1]。紫甘薯是甘薯的一个特殊品种类型,因其薯肉富含红色素，作为一种重要天然色素源而引起许多学者的关注。紫甘薯红色素( PSPC, purple sweet potato color)是从紫甘薯的块根和茎叶中浸提出来的一种天然红色素，色泽鲜亮自然，无毒，无特殊气味，具有多种营养、药理和保健功能，是一种理想的天然食用色素资源[3]。目前，天然着色剂存在的最大问题就是在产品中多数不稳定，因此在一定程度上影响了其在工业中的应用。但是另一方面，有资料报道，酰基化的色素分子可以使色素的稳定性提高[2]。由于紫甘薯色素分子是花色苷类，所以其稳定性较强，应用前景广泛。

目前花色苷的提取方法是利用甲醇，乙醇，丙酮，水或混合物作为溶剂。但是，这些花色苷由于受到羟基，甲氧基，糖基，特别是酰基团体结构上的改变以及环境因素如温度和光照等的影响，其稳定性很容易受到破坏。但是，在这些提取物中，有很多的杂质，如直链淀粉和蛋白质。这些提取方法需要使用各种不同的溶剂，需要净化的花色苷的成本也相对较高。因此需要更便宜的方式直接提取纯花色苷[5

1.2 紫甘薯色素的成分和结构特点

紫甘薯属旋花科一年生草本植物，是由日本培育出的一种优良甘薯品种，其肉质紫红，其中所含色素为花色素苷，称为紫甘薯色素。紫甘薯色素成分复杂，主要成分为氰定酰基葡糖和甲基花青素酰基葡糖苷，经分析现已发现的化学结构包括以下10种：3-O-{6-O-(E)-咖啡酰-2-O-［6-O-(E)-阿魏酰-β-D-吡喃葡糖基]-β-D-吡喃葡糖苷}-［5-O-(β-D-吡喃葡糖苷)]矢车菊素和芍药素，3-O-(6-O-反式-咖啡酰-2-O-

β-D-吡喃葡糖基-β-吡喃葡糖苷)-5-O-β-葡糖苷矢车菊素和芍药素，

3-O-{6-O-(E)-咖啡酰-2-O-［6-O-(E)-咖啡酰-β-D-吡喃葡糖基]-β-D-吡喃葡糖苷}-［5-O-(8-D-吡喃葡糖苷)]矢车菊素和芍药素，3-O-{6-O-(E)-咖啡酰-2-O-

［6-O-(E)-对羟基苯甲酰-β-D-吡喃葡糖基]-β-D-吡喃葡糖苷}-［5-O-(β-D-吡喃葡糖苷)]矢车菊素和芍药素，3-O-槐糖苷-5-O-葡糖苷矢车菊素和3-O-{2-O-

［6-O-(E)-p-香豆酰-β-D-吡喃葡糖基]-β-D-吡喃葡糖苷}-5-O-β-吡喃葡糖苷矢

车菊素等。

1.3 紫甘薯色素的理化性质

紫甘薯色素呈红至紫红色粉末、糊状或液体，略有特殊气味，是一种水溶性色素，可溶于纯水、甲醇、乙醇、冰醋酸、丙酮、稀盐酸和稀氢氧化钠，不溶于石油醚等有机溶剂，因为其吡喃环上有四价氧原子，具有碱的性质，而同时又有酚羟基，具有酸的性质，所以该色素的色泽对pH值十分敏感，在酸性条件下，呈深红色，结构稳定；碱性条件能加速紫色甘薯色素的损失，通常当pH<5时，呈稳定的红色，pH>5时，则由红色变成紫色再变成蓝色，故其在酸性下呈鲜红色，中性时呈红至红紫色，碱性时呈紫蓝色。食品加工的pH值多在3～5范围内，所以食品工业中使用呈稳定的红色。

紫甘薯色素与其它花色素苷类色素相比，具有较好的耐热性和耐光性。实验表明，将紫甘薯色素配制成色素溶液，置于90℃的水浴中加热3h，取出后快速冷却至室温，其特征吸收峰处的ABS（吸光度）值变化不大，表明它对热具有较好稳定性。但该稳定性与溶液pH有关；pH为3时，该色素对热表现出相对稳定性；当pH>6时，色素的热稳定性明显下降，受热温度越高、时间越长，色素的稳定性则越低。将配制的紫甘薯色素溶液(pH=3)，置于不同光照条件和不同时间进行处理，表现出光稳定性好的特性，与紫葡萄、紫苏、黑米等植物所含的红色素比较，紫甘薯色素的光稳定性最好。实验结果还表明，常见金属离子、食品添加剂对紫甘薯色素稳定性的影响也很小，特别是在酸性条件下，效果更稳定。另外，紫甘薯色素粗提物的耐热性和耐光性比纯提取物好，推测是因为色素粗提物中的糖、酸、多酚类物质等可能与色素发生辅色效应而使其稳定性提高。

1.3紫甘薯色素的提取方法

1.3.1溶剂提取法

最常用的溶剂提取法是根据原料中被提取成分的极性和共存杂质的理化特性的不同，遵循相似相溶原则，使有效成分从原料固体表面或组织内部向溶剂中转移的传

质过程。溶剂提取法包括浸渍法、渗漉法、煎煮法和回流提取法。以水为溶剂提取天然色素可用浸渍法和煎煮法，前者适用于有效成分能溶于水，对湿、热稳定且不易挥发的原料。用有机溶剂提取可采用回流提取法。提取后，再经过滤、减压浓缩、真空干燥、精制等工艺过程得到最终产品。此法工艺简单，但产品质量不太理想, 往往存在色素溶解性差，色泽变化较大等缺点，且萃取过程要用大量的溶剂(常用的如乙醇)，回收困难，导致产品生产成本高，常用于试验研究。

1.3.2超临界流体萃取

超临界流体萃取法是食品工业新兴的一项萃取和分离技术，是使用高于临界温度、临界压力的流体作为溶剂的萃取过程。处于临界点附近的流体不仅对物质具有极高的溶解能力，而且物质的溶解度随体系的压力或温度的变化而变化，从而通过调节体系的压力或温度就可方便地进行选择性地萃取分离物质，常用CO2作为萃取剂。其主要优点是: ①CO2无毒、阻燃、不易爆、不腐蚀设备、不污染产品；②CO2的临界温度( Tc = 31℃) 接近常温，临界压力也低( Pc = 7.38 MPa)，可防止热敏性物质的分解和损失，可使芳香物质保持原有的香味；③超临界CO2与溶质分离后，只要重新压缩就可循环使用，不必象液—液萃取那样需要蒸馏处理回收溶剂，因而生产效率高，可节省大量能源，但超临界设备一次性投资较大，而且萃取天然色素的工艺尚不成熟，所以未得到广泛应用。

1.3.3微波提取

微波技术是利用电磁能等微弱能量对食品及农产品等进行加工、贮藏等处理的一种高新技术，具有升温快、易控制、加热均匀、节能等优点，可强化浸取过程，缩短周期、降低能耗、减少废物、提高产率和提取物纯度，操作费用低、利于环保，有良好发展前景。在微波场中，微波能的吸收差异使萃取体系中某些组分被选择性加热，萃取物从体系中被分离出，并进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中，由于微波热效率较高，升温快速而均匀，故显著缩短了萃取时间，提高了萃取效率。索氏萃取通常需12-14 h的处理时间，需要消耗上百毫升有机溶剂，而微波萃取可将萃取时间缩短到0.5 h内，有机溶剂的消耗量降至50 mL以下。目前,微波技术用于提取色素的报道不断出现，涉及生物碱、黄酮、单宁类等物质。

黎或等人研究了微波提取野菊花黄色素。采用无水乙醇为提取剂[质量比m(野菊花)∶m(无水乙醇)为1∶70]，微波功率800 W，提取450 s，提取3次，与溶剂浸提法相比，提取时间由12 h减为450 s，提取率从88.6%提高到91.1%[8]。

此外，也有人联合其他提取方法对色素进行浸提。蔡金星、刘秀凤等以微波-超声波法提取草莓色素并研究其理化性质。从实验结果可知，微波和超声波联合处理可打断色素的键合，破碎组织细胞，提高了草莓色素的提取率[9]。

1.3.4超声波提取

超声波是一种弹性波，它能产生并传递强大的能量，大能量的超声波作用于液体后，在振动处于稀疏状态时，声波在植物组织细胞里比电磁波穿透更深，停留时间也更长，使液体被击成很多的小空穴后，发生瞬间闭合,产生高达3000 MPa的瞬间压力，即产生空化作用，导致植物细胞破裂。此外，超声波还具有机械振动、乳化扩散、击碎等多级效应，可使植物中有效成分转移、扩散及提取。因此，用超声波提取色素，操作简便、快速，无需加热、提取效率高、速度快、效果好，且结构不被破坏。

李云雁、宋光森运用超声波技术从板栗壳中提取棕色素，并与常规方法进行了比较，结果显示超声波提取省时、节能、提取率高[6]。哈尔滨工业大学王振宇、赵鑫利用超声波提取桑葚红色素也取得了较好的效果[7]。

1.4 紫甘薯色素的纯化

(1)树脂法：将色素粗提取液经阳离子交换树脂处理去杂，经盐酸化乙醇交换和浓缩制得色素纯品。

(2)超滤法：用柠檬酸的粗提液，经树脂纯化，乙醇洗脱后，将色素液用超滤膜处理除去蛋白质、淀粉等杂质胶体物质，最后再用反渗透膜浓缩得到色素纯品。

(3)醋酸铅沉淀法：粗提取液用少量水溶解后，加5％醋酸铅搅拌使色素物质沉淀，将沉淀物用盐酸化食用酒精溶解后，过滤除去白色氯化铅沉淀，将红色溶液蒸馏后干燥，得精制产品。

(4)分级醇沉法：在提取和纯化等加工过程中往往会发生天然色素的大量损失，发达国家多采用真空冷冻干燥法来减少色素损失。但对设备的要求高，同时费用

昂贵。

1.4紫甘薯色素及花色苷的生物活性研究

1.4.1抗氧化作用

紫甘薯红色素的主要化学组分为带有酰基的矢车菊苷和芍药苷两种，其结构中有多个酚羟基，是羟基供体，也是自由基清除剂。因而紫甘薯红色素不但能与蛋白质结合防止过氧化，而且能提供质子，有效清除脂类自由基，切断脂类氧化的链式反应，起到防止脂质过氧化的作用[1-3]。Choong C. Teow[4]等运用ORAC（氧化自由基吸收

能力）,ABTS[2, 2'-边氮基-双(3-乙基苯并噻吡咯啉-6 磺酸）]和DPPH（1,1-二苯基苦基苯肼）等方法测定紫甘薯的抗氧化性，研究表明甘薯的紫色越深，含有的色素越多，则抗氧化性越强。

1.4.2 抗突变作用

用紫甘薯色素对沙门氏菌 (Salmonella typhimuriumTA98)的突变性实验研究发现，紫甘薯色素具有较强的抗突变效果，可抑制杂环胺、3-氨基-1,4-二甲基-5氢-

吡哆-(4,3-b)吲哚、3-氨基-1-甲基-5氢-吡哆-(4,3-b)吲哚和2-氨基-3-甲基咪唑(4,5-f)喹啉等引起的突变作用。实验证明，特别是酰化的花色素苷抗突变作用较强，而脱酰基花色素苷的抗突变能力明显下降。

1.4.3抗肿瘤

花色苷类物质可促进胶原的合成，增加胶原的抵抗性，抑制胶原酶的活性，所以推测，紫甘薯红色素具有抗肿瘤的功能[1]。据聂凌鸿[5]报道美国科学家发现，甘薯中含有一种脱氢表雄酮的化学物质，它可以防止结肠癌和乳腺癌，其抗癌作用居药食两用食物之首。

1.4.4抗高血糖

用从紫甘薯提取出的3-O-{6-O-(E)-咖啡酰-2-O-［6-O-(E)-阿魏酰-β-D-吡喃葡糖基]-β-D-吡喃葡糖苷}-［5-O-(β-D-吡喃葡糖苷)]-芍药素及麦芽糖对雄性小鼠进行的试验，30min后小鼠体内的血糖浓度下降16.5％，即便是l0mg／kg最小剂量的二酰基花色素苷都可降低体内的血糖水平。紫甘薯色素具有降低血糖的作用，分析原因可能是紫甘薯色素通过对α- 葡糖苷酶产生抑制作用，导致血糖浓度的降低。

1.5紫薯色素的应用前景展望

紫甘薯色素作为一种天然食用色素，色彩鲜艳、安全无毒、资源丰富，与其它同类色素相比性质更稳定，具有营养和药理兼备特性，在食品、化妆品、医药方面有着较大的应用潜力。在食品工业中，由于紫甘薯色素耐热性好，能够经受食品工业上的巴氏消毒温度，同时其受金属离子、食品添加剂影响很小，并溶于醇和水溶液。在日本主要用作食品的红色至紫红色着色剂使用，添加到冰淇淋、奶制品饮料、奶酪、水产品、果汁饮料、果冻、腌渍品、饴糖制品、谷物等食品中，因属天然无毒制品，用量无限制性规定，以满足所需着色度为限。同时，由于紫甘薯色素有抗氧化、抗突变等生理作用，因此可以作为保健食品的功能配料使用，并已开始在护肝营养保健品中试用。在化妆品行业中，将紫甘薯色素抗氧化、清除自由基能力应用于生产抑制紫外

线照射产生的氧自由基引起过氧化物的护肤品，对改善皮肤炎症、增强皮肤抗氧化能力等有一定的作用；紫甘薯色素还可代替工业中现在使用的合成色素，广泛应用于口红、胭脂、洗发水等化妆品。紫甘薯提取了色素后的残渣还可以用于生产淀粉、酿造酒精、用做动物饲料等，有较高的综合利用价值，合理开发紫甘薯色素，加强原料的综合利用，具有重要的现实意义。

目前国内对紫甘薯色素的研究还处于起步阶段，紫甘薯产量高、成本低、营养丰富的特性还有待于进一步开发。今后主要的研究方向是培育含色素高的紫甘薯新

品种，通过紫甘薯色素提取工艺的改进，提高色素产率，同时加大色素的应用研究，以期得到在获取紫甘薯色素基础上，更大程度利用紫甘薯资源。总之，紫甘薯色素具有非常广阔的市场应用前景。◇

2.研究内容和目标

本设计应体现一定的进取性、合理性、并结合我国生产实际，尽量采用工业生产中的先进经验和技术。创造性的适用所学理论知识，在达到投资少，见效快的情况下，使产品应符合国家标准，在整个设计中既能体现生产并减轻劳动强度，又能节约能源，降低成本。同时，在“三废”治理和环境保护方面，都必须符合国家有关规范。还要符合国民经济的发展

3.研究方案

紫甘薯色素加工工艺流程一般为：

紫甘薯全粉→10%柠檬酸浸提→粗提液→沉淀罐→离心机粗滤→板框过滤→陶瓷膜过滤→大孔树脂吸附→反渗透水洗脱→薄膜蒸发器浓缩→喷雾干燥器→包装→成品

4.计划进度

1-2周查阅相关资料，撰写开题报告

3-4周开题报告答辩

5-7周生产线路的整体工艺设局

8-9周工艺计算

10-11周设备选型

12-14周工艺流程及绘图

15周撰写设计说明书

16周毕业设计（论文）答辩

5.参考文献

[1]杜连启．李润丰．程浩．王燕芳．紫甘薯色素的提取工艺及其稳定性研究．中国调味品，2006，6：46 － 50.

[2]李浩明，高蓝．紫甘薯色素的提取工艺与性质研．中国食品添加剂，2003,4：23 －26.

[3]赵宇瑛,张汉锋.花青素的研究现状及发展趋[J].2005,33(5):904-905,907

[4]杜连起．甘薯食品加工技术．北京：化学工业出版社，2004.