利用超临界co2萃取微藻内叶黄素的方法
阅读说明：本技术 利用超临界co2萃取微藻内叶黄素的方法 (By using supercritical CO2Method for extracting lutein in microalgae ) 是由 朱恂 朱翔宇 黄云 廖强 夏奡 朱贤青 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了利用超临界CO-(2)萃取微藻内叶黄素的方法,其特征在于：该方法包括如下步骤：第一步、将微藻藻液经过藻水分离、藻泥干燥和粉碎,获得干燥的微藻藻粉；第二步、将一定量的微藻藻粉加入到超临界萃取反应装置内,再加入一定量的溶有离子液体的有机溶剂,并充分搅拌混合；第三步、将超临界CO-(2)泵入到超临界萃取装置内,直至达到设定的萃取压力,并控制超临界萃取装置的温度,直至萃取完全；第四步、萃取完成后,将溶有叶黄素的超临界CO-(2)流体经泄压、气化和洗气步骤后,使叶黄素释放至收集器内,再对叶黄素进行清洗、浓缩,获得高纯度的叶黄素溶液；本发明可广泛应用于生物、医药等领域。(The invention discloses the utilization of supercritical CO 2 The method for extracting the lutein in the microalgae is characterized by comprising the following steps: the method comprises the following steps: firstly, separating microalgae liquid from algae water, drying algae mud and crushing to obtain dry microalgae powder; secondly, adding a certain amount of microalgae powder into a supercritical extraction reaction device, adding a certain amount of organic solvent dissolved with ionic liquid, and fully stirring and mixing; thirdly, supercritical CO is mixed 2 Pumping into a supercritical extraction device until reaching a set extraction pressure, and controlling the temperature of the supercritical extraction device until complete extraction; fourthly, after the extraction is finished, the supercritical CO dissolved with the lutein is treated 2 After the fluid is subjected to the steps of pressure relief, gasification and gas washing, the lutein is released into a collector, and then the lutein is cleaned and concentrated to obtain a high-purity lutein solution; the invention can be widely applied to the fields of biology, medicine and the like.)
技术领域
本发明涉及叶黄素的萃取方法，具体涉及一种利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法。
背景技术
微藻不仅有着高效的光合作用，还可以做到光合自养，也可以利用培养环境的有机碳源进行生长繁殖。另外，其培养成本和万寿菊相比要低得多，采收工作也基本实现机械自动化，是较理想的制取原料。以蛋白核小球藻为例，胡萝卜素含量为0.0441％-0.0448％，类叶黄素含量为0.267％-0.810％，是一种理想的提取叶黄素的原料。
叶黄素在微藻中是以游离态和叶黄素酯的形式存在，但微藻内除了色素还含有丰富的糖，蛋白质和脂肪酸等其他物质。因此，需要具有色素选择性的萃取纯化工艺来制备叶黄素。叶黄素具有很多特殊的医药价值，作为吸收光谱含有近蓝紫光的脂溶性维生素，人体补充一定的叶黄素，可以减少日常工作学习对眼睛的伤害，减少并减缓近视的发生,也有研究表明补充叶黄素可以减缓早期的动脉硬化，其抗氧化性对抑制肿瘤细胞增生也有作用。另外，叶黄素作为辅佐剂也可以加强胰岛素的功能，降低糖尿病的患病几率。叶黄素已广泛应用于食品、饲料、医药、化妆品、保健品等领域。
超临界萃取作为一种新兴的萃取方法，其具有一系列传统方法没有的优点，如溶剂用量少、溶解能力强、无毒、无害等。此方法弥补了有机溶剂萃取法的缺陷，萃取和分离合二为一，不仅萃取效率高而且能耗较少，操作简单。但使用超临界萃取微藻内色素时，微藻坚硬的细胞壁将成为色素析出的主要阻力，往往需要辅助以萃取前的研磨破壁处理。另外，叶黄素作为极性类脂质物质，其与超临界CO2的溶解性并不好，实际萃取过程中，常使用一定比例的极性有机溶剂作为萃取助溶剂，掺混超临界CO2流体，实现对萃取溶剂的改性。这一措施虽然提高了超临界CO2对叶黄素的萃取能力，缩短了萃取时间，但强极性的有机溶剂也使得萃取产物中的各类杂质含量大幅提高，目标产物的纯度反而有所下降，另外萃取产物中残留的有毒有机试剂也难以分离。因此，一种既能保证叶黄素萃取效果又不降低目标产物且低毒性的助溶剂成为解决这系列问题的关键方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法。
本发明的技术方案是，利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步、利用自培养或是从自然水域环境中获得的微藻藻液经过藻水分离、藻泥干燥和粉碎，获得干燥的微藻藻粉；
第二步、将一定量的微藻藻粉加入到超临界萃取反应装置内，再加入一定量的溶有离子液体的有机溶剂，并充分搅拌混合；
第三步、将超临界CO2泵入到超临界萃取装置内，直至达到设定的萃取压力，并控制超临界萃取装置的温度，直至萃取完全；
第四步、萃取完成后，将溶有叶黄素的超临界CO2流体经减压阀泄压、气化和洗气步骤后，使叶黄素释放至收集器内，再对叶黄素进行清洗、浓缩，获得高纯度的叶黄素溶液。
本发明将配置的离子液体有机溶剂溶液作为超临界萃取助溶剂与经过真空干燥的小球藻藻粉充分混合，通过离子液体对纤维素的溶解力实现微藻细胞壁的透化和破裂。在设定压力和温度下利用超临界CO2对微藻内叶黄素进行萃取。本发明解决了现有藻类色素提取过程中藻细胞壁预处理高耗能，产品纯度低等问题，且工艺简单安全，可广泛应用在生物、医药等领域。
根据本发明所述的利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法的优选方案，其特征在于：藻水分离、干燥、粉碎的方法包括但不限于采用离心、沉降、烘干、冷冻干燥和研磨。
根据本发明所述的利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法的优选方案，溶有离子液体的有机溶剂所采用的离子液体包括但不限于含卤素阴离子Cl-、Br-或I-的离子液体，所述的有机溶剂包括但不限于在正己烷、石油醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙醇中的一种或几种混合。
本发明将含卤素阴离子的离子液体应用到了超临界萃取的助溶剂中，由卤素阴离子组成的离子液体能够溶解和透化微藻富含纤维素和果胶的细胞壁，加速细胞内叶黄素的析出，且对叶黄素的理化性质无明显影响。
根据本发明所述的利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法的优选方案，所述的超临界萃取装置包括但不限于萃取反应釜、萃取反应器和高压压力釜。
本发明所述的一种厌氧发酵耦合微藻生物处理畜禽养殖废水系统及方法的有益效果是：利用离子液体改性的有机溶剂作为超临界CO2萃取助溶剂以萃取微藻内叶黄素的方法，减少了超临界的萃取时间，提高了微藻内叶黄素的析出速率和最终得率，另外从萃取原理本身提高了叶黄素的纯度，减少了后期通过有机溶剂二次萃取来提高叶黄素纯度的需求；本发明解决了现有藻类色素提取过程中藻细胞壁预处理高耗能，产品纯度低等问题；本发明得到的产品中叶黄素的纯度最高达到60％，萃取产物中叶绿素，总糖和蛋白质的总占比降低51.9-93.3％；这种离子液体改性的助溶剂不仅工艺简单，可操作性强，另外也相对安全，适合工业化规模生产；可广泛应用在生物、医药等领域。
附图说明
图1是本发明所述的利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法流程示意图。
图2为离子液体的作用原理图。
具体实施方式
参见图1，利用超临界CO2萃取微藻内叶黄素的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步、利用自培养或是从自然水域环境中获得的微藻藻液经过藻水分离、藻泥干燥和粉碎，获得干燥的微藻藻粉；
第二步、将一定量的微藻藻粉加入到超临界萃取反应装置内，再加入一定量的溶有离子液体的有机溶剂，并充分搅拌混合；
第三步、将超临界CO2泵入到超临界萃取装置内，直至达到设定的萃取压力，并控制超临界萃取装置的温度，直至萃取完全；
第四步、萃取完成后，将溶有叶黄素的超临界CO2流体经减压阀泄压、气化和洗气步骤后，使叶黄素释放至收集器内，再对叶黄素进行清洗、浓缩，获得高纯度的叶黄素溶液。
在具体实施例中，藻水分离、干燥、粉碎的方法包括但不限于采用离心、沉降、烘干、冷冻干燥和研磨。
溶有离子液体的有机溶剂所采用的离子液体包括但不限于含卤素阴离子Cl-、Br-或I-的离子液体，所述的有机溶剂包括但不限于在正己烷、石油醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙醇中的一种或几种混合。
参见图2，本发明实现的原理是：以1-丁基-3-甲基咪哚氯盐为例进行说明，在超临界萃取微藻的过程中，离子液体主要起到了细胞壁透化的左右，将其制成有机溶剂溶液作为超临界CO2萃取的助溶剂，能够起到加速微藻内叶黄素析出溶解的效果。离子液体的作用原理如图附图2所示，其所含的卤素阴离子Cl-能够与微藻细胞壁的纤维素分子上的—OH形成氢键,使纤维素分子间的氢键作用显著减弱,并最终导致了纤维素的溶解，达到透化微藻细胞壁的效果。另外，这一过程形成的细胞壁微孔具有一定的选择透过性，色素和脂质小分子能比较容易的透过，而蛋白质和碳水等大分子物质较难溢出，能够提高叶黄素的收率和纯度。低毒性的有机溶剂和离子液体混合作为超临界萃取的助溶剂，具有较稳定的化学性质和安全性，将二者结合以避免现有技术采用的混合有机溶剂毒性较大的弊端。
实施例1
称取0.5g小球藻藻粉加入萃取釜内，向超临界萃取釜内加入占釜体体积5％的5％的[BMIM]Cl乙醇溶液。充分搅拌混合。设定超临界萃取压力20MPa，萃取温度60℃，设定超临界CO2的泵入流量为10ml/s，萃取时间为2h，叶黄素萃取纯度61.02％，平均萃取速率3.27ug/min，杂质中叶绿素平均萃取速率0.139ug/min，蛋白质平均萃取速率1.76ug/min，总糖的平均萃取速率0.18ug/min。
实施例2
称取0.5g小球藻藻粉加入萃取釜内，向超临界萃取釜内加入占釜体体积10％的10％的[BMIM]Cl乙醇溶液。充分搅拌混合。设定超临界萃取压力25MPa，萃取温度70℃，设定超临界CO2的泵入流量为10ml/s，萃取时间为2h，叶黄素萃取纯度49.35％，平均萃取速率5.804ug/min，杂质中叶绿素平均萃取速率3.79ug/min，蛋白质平均萃取速率0.21ug/min，总糖的平均萃取速率2.17ug/min。
实施例3
称取0.5g小球藻藻粉加入萃取釜内，向超临界萃取釜内加入占釜体体积10％的10％的[BMIM]Cl乙醇溶液。充分搅拌混合。设定超临界萃取压力30MPa，萃取温度60℃，设定超临界CO2的泵入流量为10ml/s，萃取时间为1h，叶黄素萃取纯度30.02％，平均萃取速率29.86ug/min，杂质中叶绿素平均萃取速率7.76ug/min，蛋白质平均萃取速率48.42ug/min，总糖的平均萃取速率13.448ug/min。
比较例1
称取0.5g小球藻藻粉加入萃取釜内，向超临界萃取釜内加入占釜体体积10％的乙醇溶液。充分搅拌混合。设定超临界萃取压力20MPa，萃取温度60℃，设定超临界CO2的泵入流量为10ml/s，萃取时间为2h，叶黄素萃取纯度31.54％，平均萃取速率14.38ug/min，杂质中叶绿素平均萃取速率6.64ug/min，蛋白质平均萃取速率17.71ug/min，总糖的平均萃取速率6.87ug/min。
比较例2
称取0.5g小球藻藻粉加入萃取釜内，向超临界萃取釜内加入占釜体体积10％的乙醇溶液。充分搅拌混合。设定超临界萃取压力30MPa，萃取温度60℃，设定超临界CO2的泵入流量为10ml/s，萃取时间为1h，萃取时间为1h，叶黄素萃取纯度23.80％，平均萃取速率45.16ug/min，杂质中叶绿素平均萃取速率7.76ug/min，蛋白质平均萃取速率85.73ug/min，总糖的平均萃取速率21.42ug/min。
从实施例1至实施例3和比较例1、2可以看出，在萃取压力20MPa，萃取温度60℃下，使用离子液体助溶剂超临界萃取，获得的叶黄素纯度提升48.31％；在萃取压力30MPa，萃取温度60℃下，使用离子液体助溶剂超临界萃取，获得的叶黄素纯度提升26.13％。并且，萃取产物杂质中的叶绿素的含量最高减少了97.9％，蛋白质最高减少了90.1％，总糖最高减少了97.4％。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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