葡萄原花青素提取与纯化技术的研究及应用研究总结报告.doc

葡萄原花青素提取与纯化技术的研究及应用研究工作总结报告乌鲁木齐市疆域绿色营养源研究院（有限公司）二0一二年十二月三日目 录一、项目综述151、立项背景152、任务课题来源163、项目工作起止年限184、完成单位基本概况18二、项目任务要求191、总体目标192、研究方案193、研究内容204、技术经济指标20三、研究过程20四、取得的成果22五、关键技术与创新点221、关键技术222、创新点24六、研究工作难度和工作量24七、组织协调25八、达到的目的与效果，研究成果的应用、转化和已产生的效益情况26九、经济社会效益与应用前景分析261、经济效益262、社会效益273、应用前景27十、存在问题与今后努力方向281、存在的问题282、今后努力的方向28葡萄原花青素提取与纯化技术的研究及应用研究工作总结报告一、项目综述1、立项背景新疆与法国、意大利、西班牙、美国等同处葡萄成长的黄金地带北纬35-50度，是我国葡萄的主产区之一。葡萄产业是新疆重要的支柱型产业，主要分为葡萄原料和葡萄深加工产品。然而由于生产、加工技术水平的限制，我区主要葡萄酒加工厂对葡萄籽的利用率普遍很低，在葡萄酒生产过程中葡萄籽往往以副产品被作为饲料或废弃物直接丢弃，造成资源的极大浪费，这对葡萄籽资源丰富的新疆来说无疑是个缺憾，更是一个需要规划的研究课题。葡萄籽中提取的原花青素可以作为二类新药的可靠原料。现代医学对葡萄籽的药理分析表明：葡萄籽中含有的原花青素具有很强的抗氧化性，是目前发现的最强的抗氧化剂，对多种疾病具有很好的预防和治疗作用。如目前已将葡萄低聚原花青素相关的药品用于静脉曲张、心血管等疾病的预防及治疗中。同时，葡萄原花青素作为一种天然抗氧化剂被广泛的运用到保健食品和化妆品领域中，葡萄原花青素的医疗保健效果已得到国内外的普遍认可，目前世界原花青素的年需求量呈现持续高速增涨趋势。现代化的技术手段为葡萄原花青素的深加工提供了良好的技术支持，通过对葡萄原花青素功能全方位的研究、开发、生产、销售，有利于实现新疆葡萄优势产业，提高产品附加值，降低产业风险，更好地服务“三农”。2、任务课题来源葡萄是一种世界性水果，其栽培面积和产量曾长期居世界水果首位，近年来让位于柑橘位居第二位，其中80的葡萄用于酿酒，13用于食用，7用于加工果汁及其它葡萄制品。欧洲的葡萄酒业比较发达，工业化生产程度较高，其葡萄酒工业副产品葡萄废弃物基本上得到了有效的综合利用，相对于欧洲我国葡萄酒产业发展较晚，各地区发展水平也参差不齐。葡萄籽中含有丰富的水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、膳食纤维、矿物质等多种营养素，研究人员通过对葡萄籽的深入研究发现，葡萄籽中含有丰富的原花青素，且含量最高可达到130mg/g。OPC（Oligomeric Proantho Cyanidins）即原花青素低聚物，是一类在植物中广泛存在的天然多酚化合物，也是存在于植物体内的天然抗氧化物。研究人员经过反复研究后证实，葡萄籽中存在着“原花青素OPC”，因此，从葡萄籽中提取的富含原花青素的多酚物质就被称为葡萄多酚。法国著名医学博士、波尔多大学教授Jack Masquelier通过对葡萄籽的提取物中OPC的深入研究发现，OPC是当今医学界发现的最安全高效的纯天然抗氧化剂，其抗氧化能力是维生素E的50倍、维生素C的20倍，它能有效清除体内多余的自由基，保护人体细胞组织免受自由基的氧化损伤，同时，还具有改善人体微血管的通透性，使严重静脉曲张病人的静脉增加弹性，提高皮肤抗氧化技能，加强和保护人体活性组织、稳定细胞膜以及抗酶活性（组胺脱羧酶）等生物特性。此外，随着研究的深入，发现 OPC能有效的防止、延缓和抑制过量自由基引起的老化损害，在保护心脏 、提高血液载氧量、保护血管、保护眼睛、抗炎、抗癌、抗基因突变、抗辐射损伤、修复胶原蛋白、抗紫外线辐射、防止黑色素形成及增白等方面具有良好的功效。鉴于OPC的独特生物活性和特殊功能，其备受医药界的关注， 对OPC的研究已成为各国药物工作者的研究重点，OPC及其制剂成为国内外研究开发热点。葡萄OPC所具有的特殊生理活性作用使其成为保健功能性食品最理想的资源，同时也是开发研制新型药物的基础原料，被广泛的应用在医药和保健品、化妆品等领域。新疆的葡萄种植有着悠久的历史，作为我国葡萄的主产区之一，葡萄的种植面积达到170万亩，葡萄产量占全国的25%以上。新疆特殊的地理和气候条件使得新疆葡萄质量居全国之冠，与其他产地相比新疆葡萄具有糖分含量高、药用成分含量高等优势，受到国内外消费者的欢迎，在国内外市场上具有很强的竞争力。我公司自选项目，通过近两的实验研究，在小试基础上进行深入研究，进一步研究并解决了葡萄原花青素由实验室提取、纯化技术向工业生产转变过程中出现的问题，实现了将实验室技术转化为工业化生产。目前企业已建成了日处理100kg葡萄籽的生产装置，可实现小规模的工业化生产，实现了年产葡萄花青素2吨的生产能力，产品最高纯度达到95%，有效的将原本作为葡萄酒厂和葡萄汁厂副产物的葡萄籽得到充分的利用和开发，实现葡萄产业的延伸和向高附加值的方向发展，最终实现葡萄产业的可持续发展，为推动地区经济的发展及增加企业经济效益奠定良好的基础。3、项目工作起止年限2006年3月2008年12月4、完成单位基本概况乌鲁木齐市疆域绿色营养源研究院（有限公司）成立于2005年11月11日，注册资本800万元，是自治区科技风险基金首批以股本金注入的三家试点企业之一，于2010年被授予为自治区产学研联合开发示范基地，荣获“2010年度中国留学人员创业园百家最具成长性创业企业”称号，2011年被认定为乌鲁木齐市创新型试点企业。公司现有研究人员8人，具有丰富的专业知识及研发经验，其中研究生以上学历4人，本科2人，大专2人。研发团队中具有高级职称4人，中级职称1人。公司主要从事新疆特色植物活性成份的研究、开发、生产、销售。在以市场为导向，科技为先导，经济效益为目的的前提指导下，充分利用新疆丰富的天然产物资源，进行番茄红素、枸杞多糖、叶黄素和葡萄OPC等天然产物生态种植与加工的产业化。自2005年11月成立以来，建立了天然植物活性成分多功能提取纯化研究、加工生产基地，对枸杞多糖、葡萄原花青素、番茄红素产品进行了开发，其中番茄红素获国家发明专利，并获得自治区科技进步二等奖；枸杞多糖通过了自治区科技成果鉴定，番茄红素粉、葡萄原花青素产品通过了自治区新产品鉴定，技术达到国内先进水平。公司现有一套工业化生产设备，具有年产2吨植物活性产品的生产能力，产品有天然番茄红素、枸杞多糖、葡萄原花青素和叶黄素产品，产品已进入国际市场。2011年，实现销售收入810万元，公司资产由创业初期的30万元，增加到了2205万元，新增就业30人。因2009年新疆“七.五”事件的影响，企业的国外市场受到毁灭性打击，效益严重下滑，经过公司努力，现已逐步改变了市场形势。为了适应市场需求，公司已投资1500万元，在乌鲁木齐高新区北区工业园扩建占地22亩的规模化生产基地，目前正在进行设备制作，项目投产后将实现年产20吨的生产能力，预计实现销售收入3200万元，创利税1200万元，新增就业30人。二、项目任务要求1、总体目标项目是在小试的基础上，进一步研究葡萄原花青素由实验室提取技术转变为生产技术过程中出现的技术问题，解决葡萄原花青素提取、纯化中的技术难题，通过研究简化生产工艺、提高生产效率、降低生产成本以及节能环保，通过不断的科技进步和技术创新，研究实现高纯度（95%）葡萄原花青素的工业化生产的技术，以增加企业市场竞争力。2、研究方案公司通过对国内外OPC产品市场需求量的考察及OPC相关产品整体市场行情的理性分析下，结合我区葡萄产业的发展现状、公司自主研发能力和丰富的原料来源等优势条件下确定了本项目的研发方案。（1）确定工业化生产的高效工艺及技术参数；（2）原花青素的高效提取装置的研究；（3）原花青素的高效纯化装置研究；（4）整体工艺设计及系统配套；3、研究内容（1）确定提取工艺中超声波的功率、料液比、浸提时间、浸提次数、提取温度等工艺参数； （2）根据小试的实验结果确定中试设备的设备结构形式及设备参数；（3）进行中试生产设备的购买、加工、安装、调试及产品的试生产。（4）制定产品标准并检测。4、技术经济指标：项目在中试阶段完成后要达到下面的技术及经济指标：（1）技术指标：葡萄原花青素相对提取率：90%葡萄原花青素的相对得率：85%葡萄原花青素的纯度：40-95%。（2）经济指标：项目在中试完成后，要试制4095%含量的葡萄原花青素产品100kg，实现工业产值25万元以上。三、研究过程（1）提取方法的对比研究：通过对溶剂法、超临界二氧化碳萃取提取的研究，选择了溶剂提取法；（2）在相同的条件下，选择水、石油醚、乙醇三种不同溶剂对原花青素提取效果进行实验对比，取相同量的提取液定容，于500nm波长下测定吸光值，石油醚提取液的吸光值0.002，水提取液的吸光值0.413，乙醇提取液的吸光值0.523。通过3种不同溶剂对原花青素提取效果影响的研究，选择了乙醇作为提取原花青素的溶剂。本项目利用超声波的机械效应、空化效应和热效应，将其应用在葡萄原花青素的提取过程中，通过反复实验，确定了超声波的功率及提取时间，与原有的溶剂浸提提取工艺相比，利用超声波提取，可以减少提取时间从而提高生产效率，可以降低加热温度从而减少了有效成分的损失并节约了能源，可以降低溶剂用量从而节约了溶剂，还可以提高产物的得率。在确定了溶剂后，结合超声波技术，经反复试验，确定了合适的超声波。（3）不同温度对原花青素提取效果的研究：通过在30、40、50、55、60、70、80不同温度下对提取效果的影响，确定了最佳的提取温度工艺参数；（4）料液比的选择研究：通过对不同料液体积比对提取效果的研究，选择了1:6的技术参数；（5）大孔树脂和聚酰胺层析技术参数的研究：通过研究采用了大孔树脂和聚酰胺柱层析的双重纯化，无需加热，省去了许多复杂繁琐的工艺过程，提取的原花青素纯度可达95%以上，确定了以体积分数70%乙醇为洗脱剂，确定了洗脱速度的技术条件。取代了同类产品采用多种溶剂多级萃取并反复加热进行纯化的技术，减少了使用溶剂的种类和用量，提高了产品稳定性，使原花青素产品中的有效成分低聚原花青素含量大大提高。（6）在确定了上述的主要工艺条件后，将柱层析收集的有效组分采用真空干燥的方法，生产出了符合要求的葡萄原花青素产品。四、取得的成果葡萄原花青素的实验室提取技术已成熟，但提取纯化工艺复杂，步骤多，所用试剂种类多、用量大，直接应用于工业化生产，工艺复杂、设备投资大、生产成本高，环境污染严重。在提取过程中花青素的有效成分花色苷容易被破坏，而且OPC容易被氧化，难以获得具有生理活性的产品。本项目利用膜超滤技术部分代替了多级溶剂萃取，利用柱层析纯化产品，解决了葡萄原花青素由实验室提取技术转变为生产技术过程中出现的技术问题，简化了生产工艺，降低了成本，实现了葡萄原花青素的工业化生产，还解决了环境污染的难题。目前公司已建立了日处理100Kg葡萄籽的生产装置，实现了年生产葡萄原花青素2吨的生产能力，产品最高纯度可达到95%，为葡萄原花青素的产业化发展提供技术保障。研究过程完成时，试生产40-95%葡萄原花青素100Kg，实现产值28万元，实现工业增加值28万元，实现利润8.064万元，上缴税收3.136万元。至2011年底，累计实现葡萄原花青素提取物销售2061万元，实现工业增加值2061万元，实现利润800万元，上缴税收323万元。五、关键技术与创新点1、解决的关键技术（1）超声波提取技术工艺和参数的研究和应用，取代了多种溶剂浸提法。超声波技术应用于天然产物有效成分提取是一种非常有效的方法和手段，超声波提取在中药制剂提取工艺中已得到越来越广泛的应用。利用超声波的机械效应、空化效应和热效应，将其应用在葡萄原花青素的提取过程中，通过反复实验，确定了超声波的功率及提取时间，与原有的溶剂浸提提取工艺相比，利用超声波提取，可以减少提取时间从而提高生产效率，可以降低加热温度从而减少了有效成分的损失并节约了能源，可以降低溶剂用量从而节约了溶剂，还可以提高产物的得率。（2）柱层析纯化技术工艺和参数的研究和应用，取代了多种溶剂多级萃取的方法。提取与分离纯化工艺是本项目的核心,一方面决定产品成本，另一方面决定产品品质。本项目在完成提取工艺基础上，采用大孔吸附树脂和聚酰氨柱层析对葡萄原花青素进行双重分离纯化，通过对洗脱剂、洗脱剂体积、洗脱速度等影响纯化效果的因素的研究，最终确定了洗脱剂、洗脱剂体积、洗脱速度等技术参数，代替了原有纯化技术中需要多次溶剂萃取的过程，取消了多次萃取所需要的溶剂，解决了葡萄原花青素由实验室提取技术转变为生产技术过程中出现的技术问题，设计并安装了相应的生产设备。与传统提取工艺相比，本项目简化了生产工艺、提高了生产效率、有效降低了生产成本，实现了葡萄原花青素工业化生产。因为葡萄原花青素产品的附加值较高，本项目研究成功后，根据公司的综合情况，公司决定走科研与生产并举的发展道路，自主转化。2、创新点葡萄原花青素实验室提取或树脂吸附纯化，其操作十分复杂，且有机溶剂用量和各类耗费较多，生产成本高（与销售价相近），环境污染严重，产品受热次数多，性质不稳定，并且花青素提取过程中花青素的有效成分花色苷容易被破坏。本项目的创新点就是，将超声波提取、大孔树脂和聚酰胺树脂柱层析双重纯化、真空干燥等技术综合应用于葡萄原花青素的生产中，大幅度减少了溶剂的种类及用量，简化了生产工艺，降低了生产成本，设计并制造了连续化管道式逆流超声波提取和柱层析纯化技术工业生产装置，实现了葡萄原花青素的工业化生产，最终达到葡萄原花青素相对提取率90%、相对提取收率85%、葡萄原花青素纯度4095%。六、研究的工作难度和工作量提取与分离纯化工艺是本项目的核心,一方面决定产品成本，另一方面决定产品品质。原花青素的提取技术中，一般采用多种溶剂反复多次的提取，提取过程中还要多次加热，导致提取成本很高，且产品性质不稳定。本项目在前科技工作者研究基础上对葡萄原花青素提取工艺进行了深入的研究，并提出了适合自己条件的工艺思路，引入了超声波提取等新技术，因此需要分别对提取工艺中超声波的功率、料液比、浸提时间、浸提次数、提取温度等参数通过单因素和多因素试验进行细致的研究，并尽快确定相应的工艺参数。研究工作最的大难度是如何将超声波提取技术、双重柱层析技术等先进技术有机的结合起来，并根据葡萄原花青素的生产特点能为之配套相适应的生产设备从而达到简化生产工艺、降低生产成本、可实现工业化连续生产的目的。经过大量实验，最终确定了提取工艺中超声波的功率、料液比、浸提时间、浸提次数、提取温度等工艺参数；在完成提取工艺基础上，采用大孔树脂和聚酰氨柱层析对葡萄原花青素进行双重分离纯化。通过对洗脱剂、洗脱剂体积、洗脱速度等影响纯化效果的因素的研究，最终确定了洗脱剂种类、洗脱剂体积、洗脱速度等技术参数，解决了葡萄原花青素由实验室提取技术转变为生产技术过程中出现的一系列技术问题，设计并安装了相应的生产设备。与传统提取工艺相比，本项目研制了连续化管道式逆流超声波提取和柱层析纯化技术工业生产装置，可有效减少溶剂的种类及用量，使能耗降低30%，形成了年产2吨的生产能力，大幅降低生产成本，提高了生产效率，实现葡萄原花青素产品的工业化生产。七、组织协调1、前期的工艺试验、生产模拟放大实验及成分分析检测主要由本公司的研究人员相互配合完成。2、中试设备的研发主要由公司研究人员和生产技术人员配合完成。3、中试生产主要在公司的生产车间进行，由公司研究人员和生产技术人员配合完成中试和实现项目的批量生产。3、工业化生产设备设计由公司研究人员和生产技术人员在中试基础上配合完成。4.产品的检测主要在公司自己的实验室进行，主要由公司研究人员完成。八、达到的目的与效果，研究成果应用、转化和已产生经济效益情况经过近两年的研究，本项目完成了中试，解决了葡萄原花青素由实验室提取技术转变为生产技术过程中出现的技术问题，同时还简化了生产工艺，降低了成本，还解决了环境污染的难题，实现了葡萄原花青素的工业化生产。目前公司已建立了日处理100Kg葡萄籽的生产装置，实现了年生产葡萄原花青素2吨的生产能力，产品最高纯度可达到95%，为葡萄原花青素的产业化发展提供技术保障。研究过程完成时，试生产40-95%葡萄原花青素100Kg，实现产值28万元，实现工业增加值28万元，实现利润8.064万元，上缴税收3.136万元。至2011年底，累计实现葡萄原花青素提取物销售2061万元，实现工业增加值2061万元，实现利润800万元，上缴税收323万元。项目完成后，乌鲁木齐市疆域绿色营养源研究院（有限公司）公司具备小批量的工业生产能力，生产的葡萄原原花青素产品全部出口到美、日等国，后因2009年新疆的“七.五”事件影响，与国外客户失去了联系，公司因此停产，开始逐步开发国内市场。九、经济社会效益与应用前景分析1、经济效益乌鲁木齐市疆域绿色营养源研究院（有限公司）现有年产2吨葡萄原花青素产品的生产能力，年产值可达480万元，可上交税金约90.7万元，纯利润约148万元。公司正在新建年产20吨葡萄原花青素的生产线，项目完成后将实现产值3200万元，可新增就业岗位30人，创利税1200万元。2、社会效益新疆作为我国葡萄的主产区之一，规模化的葡萄种植业为葡萄酒产业提供了充足的资源。然而由于生产、加工技术水平的限制，我区主要葡萄酒加工厂对葡萄籽的利用率普遍很低，在葡萄酒生产过程中葡萄籽往往以副产品被作为饲料或废弃物直接丢弃，造成资源的极大浪费。葡萄原花青素项目的开发，不但解决了资源浪费的问题，还变废为宝，生产出高附加值的产品，延伸了葡萄产业链，为地区经济的发展、企业经济效益的增加奠定良好的基础，为新疆葡萄产业的可持续发展提供新的途径，并有利于凸显我区的葡萄资源的优势，带动相关生物医药、生物制剂产业的发展。3、应用前景葡萄籽中原花青素含量可达5%-8%，目前葡萄籽提取物已被国家卫生部批准为保健品原料，每吨葡萄中约有100公斤葡萄籽，新疆有2万公顷的酿酒葡萄种植面积，年产葡萄24万吨，按平均价2元/公斤，产值为4.8亿元，但每年废弃的葡萄籽达2.4万吨，而2.4万吨的葡萄籽可产OPC1200-1920吨，按1500吨算。以目前市场价，纯度85%的葡萄OPC价格为1850元/千克，年可创新增产值27.75亿元，应用前景相当广阔。十、存在的问题与今后努力的方向1、存在的问题受葡萄种植品种、季节和种植条件的限制，原料葡萄籽的生产、供应在一定程度上受到自然灾害、病虫害、葡萄上市季节的影响。因技术限制，目前我区的葡萄籽深加工的技术及产品开发不足，多数葡萄汁、葡萄酒厂将葡萄籽作为废物卖给农民作饲料处理，而且因为葡萄集中上市时间较短，上市时气温较高，葡萄籽易霉变、腐烂，保存受到很大影响。葡萄籽为原料提取的葡萄原花青素，具有特殊的生物活性，是作为保健品、化妆品及新药的理想原料，产品附加值很高，市场前景广阔，虽然上述的情况可能导致本项目原料紧缺，但可以通过提高原料收购价，适当降低产品利润来化解这一矛盾。2、今后努力的方向立足于国内外及本项目已取得的葡萄原花青素基础和应用研究成果，运用高新技术开发科技含量高、市场前景好、附加值高的功能性保健品及化妆品，研制拥有自主知识产权、有地方特色的新药产品，应作为今后葡萄原花青素研究开发的主攻方向。