CN104628734B

CN104628734B - 一种微藻叶绿素的脱除方法

Info

Publication number: CN104628734B
Application number: CN201410828946.7A
Authority: CN
Inventors: 李涛; 向文洲; 王广华; 吴华莲; 戴世鲲; 何慧
Original assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Current assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2017-06-30
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: CN104628734A

Abstract

本发明公开一种微藻叶绿素的脱除方法。将微藻藻粉或湿藻泥按照物料浓度(质量体积比)为0.5～5.0％与脱色液混合，在40～70℃下反应0.5小时～3.0小时，即可脱除叶绿素；所述的脱色液的制备方法为将低碳醇与浓度0.5～2.5％的碱溶液按照一定的体积比混合而成。本发明的方法可高效、简易、安全、低成本的脱除微藻中高含量的叶绿素，有效解决了微藻产品的叶绿素污染问题，而且脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备，脱叶绿素的微藻藻粉或湿藻泥可用于微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素的提取制备，相关产品可用于保健品、化妆品、生物能源、饲料、饵料等的开发。

Description

一种微藻叶绿素的脱除方法

技术领域：

本发明属于去除叶绿素技术领域，具体涉及一种微藻叶绿素的脱除方法。

背景技术：

叶绿素是微藻进行光合作用、维持细胞正常生命活动所必不可缺的重要组分，通常情况下微藻叶绿素含量可占细胞干重的0.2-2.0％。叶绿素是一种色价较高的镁卟啉化合物(大于500)，微量即可呈现明显的绿色，叶绿素的存在严重影响微藻终端产品的品质(如油脂、蛋白质、多糖与类胡萝卜素)。本专利提供一种高效、简易、低成本、安全的微藻叶绿素脱除工艺，有效解决了微藻产品的叶绿素污染问题。现有技术的缺点及本发明的目的详述如下：

1、“利用叶绿素水解酶分解叶绿素”，首先需要对微藻叶绿素进行提取，然后加入酶分解叶绿素。该方法成本相对较高且脱色效率较低；2、“利用有机溶剂脱除微藻中的叶绿素”，通常选用丙酮等有机溶剂反复抽提藻粉或湿藻泥，上述溶剂具有一定的毒性，如后续处理不彻底将对藻粉或湿藻泥的安全性产生一定影响，同时有机溶剂抽提叶绿素的过程中，会损失大部分高值化学成分，如类胡萝卜素、微藻油等，提取液中的叶绿素不稳定、易分解；3、未经精炼处理的微藻油中通常含有高浓度的叶绿素，这些叶绿素的存在对微藻油的综合利用存在非常不利的影响，如利用微藻油制备生物柴油、微藻油加工保健品和食品等。研究表明：利用传统的油脂脱色工艺(如双氧水、活性炭、硅藻土等氧化吸附)对含叶绿素的微藻油无明显脱色效果；4、目前制备叶绿素铜钠的主要原料是蚕沙，蚕沙不易获取；5、藻粉或藻泥含有一定的叶绿素，当制作咀嚼片时，往往会使食用者口腔染上色泽难看的绿色，在一定程度上影响产品的品质。

叶绿素(chlorophyll)是一类与光合作用有关的色素，广泛存在于所有营光合自养生长的生物中(如原核藻类、绿色植物、真核藻类等)，其与细胞捕光色素蛋白复合物结合存在于光合膜上，负责光能的吸收和传递。叶绿素为镁卟啉化合物，其分子中含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇的“尾巴”，镁原子居于卟啉环的中央(如图1所示)。叶绿素可吸收大部分的红光和紫光而反射绿光，故其呈现绿色。叶绿素不溶于水，溶于多种有机溶剂，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化反应。叶绿素有多种类型，包括叶绿素a、b、c、d、f和细菌叶绿素等，其中，叶绿素a(C₅₅H₇₂O₅N₄Mg)和叶绿素b(C₅₅H₇₀O₆N₄Mg)最为常见，叶绿素a呈绿色，叶绿素b呈黄绿色。叶绿素不稳定，光、酸、碱、氧、氧化剂都会使其分解，酸性条件下，叶绿素很容易失去镁原子成为去镁叶绿素，去镁叶绿素为深褐色。叶绿素a和b分子中的镁离子易被铜、铁、钴等离子取代而成为叶绿素衍生物，叶绿素衍生物可用来制造催化剂、光敏剂、食用色素、涂料等，其中最重要的是水溶性叶绿素铜钠盐(图2)，其可治疗传染性肝炎、胃、胰腺炎、十二指肠溃疡、慢性肾炎和白血病等疾病，叶绿素铜钠盐已被广泛应用，目前制备叶绿素铜钠盐的主要原料为蚕沙。

叶绿素虽然具有重要的生物学活性，可以单独作为食品添加剂、药品、保健品使用，但当其存在于其他微藻产品中时(微藻油、蛋白质、多糖与类胡萝卜素)，将严重降低微藻产品的品质(色泽、纯度等)。例如：1)、含长链多不饱和脂肪酸的微藻油是一种高级保健品和化妆品原料，将此类微藻油进行提取后发现，其颜色通常为深绿色、褐色或黑色，经研究证明上述颜色主要来源于叶绿素，且利用传统脱色工艺(如双氧水、活性炭、硅藻土等氧化吸附)根本无法将颜色有效脱除；2)、目前“藻片”作为保健品已经被人们广泛接受，但当人们食用藻片时(特别是咀嚼片)，叶绿素的存在会严重影响使用者的口感，叶绿素存在口腔中，产生难看的颜色，这也是微藻咀嚼片难以广泛推广的原因之一；3)、利用微藻油制备生物柴油，叶绿素作为脂溶性物质通常会同微藻油一并被提取，微藻油转酯化生成脂肪酸甲酯的过程中，叶绿素同样也会发生甲酯化反应，生成颜色更为难看的叶绿素酸甲酯，它混在生物柴油中影响生物柴油的性能(十六烷值、皂化值、碘值、凝点和长链饱和因子等)，导致微藻生物柴油无法达到标准。

如何有效脱除微藻细胞中的叶绿素，使微藻生物质或微藻精细加工产品更容易被大众接受，目前国内外已公布了若干相关技术发明，但这些技术并不能很好的进行推广和使用，现举例对已公开的代表性技术发明进行描述：

(1)、植物油中叶绿素的脱除方法及其专用装置(专利申请号：CN201410049242.X)，通过研究证明利用该发明技术处理含叶绿素的微藻油，无明显脱色效果；(2)、使用经酸处理的硅石吸附剂从甘油酯油中除去叶绿素、色体以及磷脂的方法(专利申请号：CN91109410.5)，通过研究证明该专利中用硅石吸附剂对微藻油进行处理，无明显脱色效果；(3)、对叶绿素进行酶促脱色的组合物和方法(专利申请号：CN201310031421.6)，该技术成本相对较高、且目前仍处于实验室探索阶段，同时处理的原料为叶绿素的提取物，并不能直接对藻粉或藻泥进行脱色处理；(4)、一种适度加工的ARA微藻油脂的制备方法(专利申请号：CN201310254172.7)，该技术处理叶绿素含量较高的藻粉或湿藻泥时，并不能有效使其脱色；(5)、一种脱色柱及利用其进行DHA油脂的常温脱色方法(专利申请号：CN201010227935.5)，但该技术放大成本较高，难以进行规模化应用，同时，该技术处理无法处理叶绿素含量较高的藻粉或湿藻泥；(6)、一种小球藻功能成分连续提取的方法(专利申请号：CN200910220586.1)，该发明利用有机溶剂对叶绿素进行提取，如后续处理不彻底将对藻粉的安全性产生一定影响，同时有机溶剂抽提叶绿素的过程中，会损失一部分有价值的化学成分；(7)、微藻一步法制备生物能源(专利申请号：CN200910148494.7)，该技术需要精确控制反应条件避免叶绿素发生转酯化反应，因此该发明难以实现大规模放大。

通过对现有发明的分析发现：已经公开的脱色技术多数存在不足，一方面缺乏专门针对微藻藻粉或湿藻泥中叶绿素的脱除工艺，另一方面多数专利并不能很好地进行推广和使用。

目前用于叶绿素脱除的方法主要包括：高温磷酸法(以油脂为原料)、有机溶剂提取法(以藻粉或藻泥为原料)、酶促脱色法(以叶绿素提取液为原料)、硅石吸附法(以油脂为原料)等，现有技术的缺点详述如下：

(1)、高温磷酸法和硅石吸附法：均是在油脂的基础对混杂其中的色素进行脱除，虽然上述两种方法对植物油脂、动物油脂、地沟油均具有较好的脱色效果，但微藻细胞中通常含有较多的叶绿素，利用上述两种方法很难达到有效的脱色效果；(2)、酶促脱色法：叶绿素水解酶可以高效、温和的分解叶绿素，以实现微藻脱绿，酶促脱绿法存在三个问题：一叶绿素水解酶不能进入细胞内部发挥作用，因此该技术不能用于处理藻粉或湿藻泥；二该技术首先需要将叶绿素抽提出来，随后加入叶绿素水解酶，但叶绿素水解酶置于有机溶剂中时，其将部分或完全失活，如把有机溶剂挥发后，再加水解酶处理，将耗费大量的成本，三该技术仍处于实验室阶段，放大后叶绿素的分解效率是否可以满足脱绿要求；(3)、有机溶剂提取法：丙酮等有机溶剂对叶绿素进行反复提取，该工艺耗能、耗时、低效，且有机溶剂后续处理不彻底将对藻粉的安全性产生一定影响；(4)、叶绿素是一种具有较高开发价值的生物活性物质，上述所有工艺中仅考虑将叶绿素脱除，并未考虑对叶绿素进行回收，因此，存在高值生物活性成分的浪费。

发明内容：

本发明的第一个目的是提供一种以皂化反应为基础的微藻叶绿素脱除方法。本发明的方法可高效、简易、安全、低成本的脱除微藻中高含量的叶绿素，有效解决了微藻产品的叶绿素污染问题，而且脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备，脱绿微藻藻粉或湿藻泥可用于微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素的提取制备，也可用于保健品、化妆品、生物能源、饲料、饵料等的开发。

本发明的第二个目的是提供权利要求1所述的微藻叶绿素脱除方法得到的脱色废液在制备叶绿素铜钠方面的应用。

本发明的第三个目的是提供权利要求1所述的微藻叶绿素脱除方法得到的脱绿微藻藻粉或湿藻泥在提取制备微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素方面的应用。

本发明的微藻叶绿素的脱除方法，其特征在于，包括以下步骤：

将微藻藻粉或湿藻泥按照物料浓度(质量体积比)为0.5～5.0％与脱色液混合，在40～70℃下反应0.5小时～3.0小时，即可脱除叶绿素；所述的脱色液的制备方法为将低碳醇与浓度0.5～2.5％的碱溶液按照一定的体积比混合而成。

所述的低碳醇，优选为浓度100％的甲醇或乙醇。通常情况下选用安全性的乙醇作为脱色液成分，乙醇已经被广泛应用在食品、药品等领域，具有比较高的安全性，而甲醇存在毒性，如果处理不彻底将影响脱绿藻粉的品质，本发明中的脱绿微藻藻粉或湿藻泥如用于非食用的领域(如生物柴油油脂制备)，则可以采用甲醇作为脱色液成分，否则采用乙醇做脱色液成分。

所述的碱溶液，优选为氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)溶液。两者可以取得同样的脱色效果，但结合后续“叶绿素铜钠”的制备工艺，氢氧化钠更为合适，因为钾离子的引入将增加后续钾离子脱除成本。过高的碱浓度会提高脱色效率，但会明显降低油脂、蛋白质、多糖的保留率，过高的醇浓度可将微藻中其他成分浸出(如微藻油、蛋白质或碳水化合物)，降低藻粉的价值。

优选，低碳醇和碱溶液的体积比为1:4～10。叶绿素在碱存在的条件下可以发生皂化反应(如图2所示)，生成水溶性的叶绿素盐和植醇，当反应体系中加入少量的低碳醇后，可提高氢氧根进入细胞的能力，增加皂化反应的效率。

所述的微藻，优选为绿藻、硅藻、真眼点藻、和蓝藻。

反应温度是影响脱色效率的主要因素之一，提高温度可以缩短脱色时间、提高脱色效果，但提高温度同时会降低微藻油、蛋白质与碳水化合物的保留率，增加能耗，因此，本发明中的反应温度为40～70℃。

物料浓度的大小受物料中叶绿素含量的影响，当微藻藻粉或湿藻泥中的叶绿素浓度高时，通常选用较低物料浓度，而当叶绿素浓度低时可以适当提高物料浓度，过低的物料浓度会增加脱色成本，过高的物料浓度会降低脱色效率，本发明提供的物料浓度在0.5～5.0％范围内。

反应时间延长会提高脱色效率，但会降低微藻藻粉或湿藻泥中微藻油、蛋白质、多糖的保留率，同时增加反应能耗，基于物料中叶绿素浓度的不同，本发明提供的反应时间在0.5小时～3小时之间。

本发明提供的微藻叶绿素脱除工艺基于皂化原理，利用醇碱混合液直接对含叶绿素的藻粉或湿藻泥进行处理，实现叶绿素提取与皂化同步进行，提高脱色效率、简化工艺、降低成本，同时含叶绿素镁钠盐的脱色液可以用于叶绿素铜钠盐的制备，实现废液的回收利用。本发明利用安全性高的醇碱混合液对含叶绿素的藻粉或湿藻泥进行处理，藻渣中残留的醇碱混合液通过水洗即可轻易去除，醇碱混合液对微藻中其他生物活性成分的破坏作用较少且脱色液安全性高。此外，叶绿素通过皂化作用转变为叶绿素镁钠盐后，其稳定性增加，有利于后续商品化叶绿素铜钠盐的制备。本发明避开在油脂基础上脱除叶绿素，而通过对含油藻粉或湿藻泥进行叶绿素脱除处理，保留含油藻粉或湿藻泥中的油脂，脱叶绿素的含油藻粉再进行油脂的提取，从而间接解决了微藻油的脱色问题。本发明可以利用微藻含叶绿素镁钠的脱色液进行叶绿素铜钠的制备，做到废液回收利用。本发明可以有效去除藻粉或藻泥中的叶绿素，利用脱叶绿素的藻粉制作藻片或保健胶囊时，将大幅度提高产品的档次。

附图说明：

图1为叶绿素结构，其中，A：叶绿素a；B：叶绿素b；

图2为叶绿素的皂化反应；

图3为叶绿素脱除工艺的流程图。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

本发明实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

实施例1：

选择一种绿藻进行叶绿素脱除工艺的研究。通过测定发现藻粉的叶绿素含量为0.48g/100g～1.20g/100g，未脱色之前的藻粉为黄绿色或绿色，藻油为黑褐色或黑色。通过工艺参数优化获得了较优的脱色条件：将浓度100％的乙醇与浓度1％～2％的氢氧化钠溶液按照体积比为1:4混合而成得到脱色液，再将绿藻藻粉按照物料浓度为1％～2％与脱色液混合，在70℃下反应1.0小时～2.0小时，即可将藻粉脱除叶绿素。

通过本实施例的方法，叶绿素的脱除率均超过90％以上，脱色后的藻粉变为橙红色或灰黄色，提取的微藻油为透明橙红色或微黄色，微藻油的中性脂比例提高，膜脂(糖脂和磷脂)比例降低，脂肪酸组成未发生变化。

本实施例中的脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备，脱叶绿素的绿藻藻粉可用于微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素的提取制备，脱叶绿素的绿藻藻粉可用于保健品、化妆品、生物能源、饲料、饵料等的开发。

实施例2：

选择一种硅藻进行叶绿素脱除工艺的研究。通过测定发现该藻粉的叶绿素含量为0.32g/100g，未脱色之前的藻粉为黑褐色。将浓度100％的乙醇与浓度0.5％的氢氧化钠溶液按照体积比为1:10或1:5混合而成得到脱色液，再将硅藻藻粉按照物料浓度为0.5％与脱色液混合，在40℃下反应3.0小时，即可将藻粉脱除叶绿素。

通过本实施例的方法，叶绿素的脱除率可达到90％以上。

本实施例中的脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备，脱叶绿素的硅藻藻粉可用于微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素的提取制备，脱脱叶绿素的硅藻藻粉可用于保健品、化妆品、生物能源、饲料、饵料等的开发。

实施例3：

选择一种真眼点藻进行叶绿素脱除工艺的研究。未脱色之前的藻粉为绿色或黄绿色，藻油为黑褐色。将浓度100％的乙醇与浓度2％的氢氧化钾溶液按照体积比为1:4混合而成得到脱色液，再将真眼点藻藻粉按照物料浓度为1％～5％与脱色液混合，在70℃下反应1小时～2小时，即可将藻粉脱除叶绿素。

通过本实施例的方法，叶绿素的脱除率均可超过95％，脱绿后的藻粉变为灰黄色或橙色，微藻油变为黄色或透明橙色，微藻油的中性脂比例提高，糖脂和磷脂比例降低。

本实施例中的脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备，脱叶绿素的真眼点藻藻粉可用于微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素的提取制备，脱叶绿素的真眼点藻藻粉可用于保健品、化妆品、生物能源、饲料、饵料等的开发。

实施例4：

选择一种蓝藻进行叶绿素脱除工艺的研究。通过测定发现该藻粉的叶绿素含量为0.54g/100g～0.80g/100g。将浓度100％的乙醇与浓度2％的氢氧化钠溶液按照体积比为1:4混合而成得到脱色液，再将蓝藻藻粉按照物料浓度为2％与脱色液混合，在70℃下反应1.5小时，即可将藻粉脱除叶绿素。

通过本实施例的方法，蓝藻的叶绿素的脱除率可达95％以上。

本实施例中的脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备，脱叶绿素的蓝藻藻粉可用于微藻油、蛋白质、多糖和类胡萝卜素的提取制备，脱叶绿素的蓝藻藻粉可用于保健品、化妆品、生物能源、饲料、饵料等的开发。

实施例5：

选择一种绿藻湿藻泥进行叶绿素脱除工艺的研究。未脱色之前的湿藻泥为绿色。将浓度100％的甲醇与浓度2.5％的氢氧化钠溶液按照体积比为1:4混合而成得到脱色液，再将绿藻湿藻泥按照物料浓度为2％与脱色液混合，在70℃下反应0.5～1.5小时，即可将湿藻泥脱除叶绿素。

通过本实施例的方法，绿藻湿藻泥的叶绿素的脱除率达到90％以上，脱绿藻粉变为灰黄色。提取的微藻油为微黄色，微藻油的中性脂比例提高，脂肪酸组成未发生变化。

由于使用了甲醇作为脱色液的成分，因此，本实施例中的绿藻湿藻泥用于生物柴油油脂的制备。本实施例中的脱色废液可用于叶绿素铜钠的制备。

综上，通过对叶绿素脱除率达到90％以上的脱绿藻粉及湿藻泥生化组成的分析发现，相对于未脱叶绿素的原初藻粉及湿藻泥，脱叶绿素的藻粉及湿藻泥的总脂含量降低8.2～12.2％、碳水化合物含量降低9.1～11.3％，蛋白质含量减低12.3～25.2％。

Claims

1.一种微藻叶绿素的脱除方法，其特征在于，包括以下步骤：

将微藻藻粉或湿藻泥按照物料浓度为0.5～5.0％与脱色液混合，在40～70℃下反应0.5小时～3.0小时，即可脱除叶绿素；所述的脱色液的制备方法为将浓度100％低碳醇与浓度0.5～2.5％的碱溶液按照体积比为1:4～10混合而成，所述的低碳醇为甲醇或乙醇。

2.根据权利要求1所述的微藻叶绿素的脱除方法，其特征在于，所述的碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

3.根据权利要求1所述的微藻叶绿素的脱除方法，其特征在于，所述的微藻为绿藻、硅藻、真眼点藻、和蓝藻。