自然色の乾燥技術に関する研究

Pigment is a general term for dyes, pigments and all substances that can absorb light waves in the range of 400–700 nm [1]. Pigments can be divided into synthetic pigments and 自然な色合い. Since W illian invented the first synthetic pigment, aniline violet, in 1856 [2], synthetic pigments have been used in large quantities. They have the advantages of being bright in color, strong in coloring power, highly stable, odorless and tasteless, easily soluble, easy to mix, and low in cost, and are therefore also used as food coloring. Food coloring is an edible substance that colors food to improve its hue and color, and it is a major category of food additives [3].

しかし、合成顔料はほとんどがタール系で、栄養価がなく人体に有害な物質です。合成顔料の中には、過剰に摂取するとがんになる恐れがあるものもあり、その安全性には深刻な疑問があります。一方、自然の色は、主に植物、動物、微生物から抽出されます。合成顔料と比較して、天然色は安全であり、生理学的活性を持っています。彼らはまた、特定の栄養効果と薬理学的機能を持っているので、自然な色の開発は特に重要です[4]。

しかし、光、熱、phに強く、酸化、還元、微生物作用に弱いため、自然の色は加工や流通の際に外部条件の影響を受けやすく、酸化や分解を引き起こします。また、共存する成分の存在により、一部の天然色に特有の臭気や臭いが発生し[5]、単位製品あたりの色価や天然色の保存寿命に深刻な影響を与えます。

As an important part of the processing of natural colors, the development and application of drying technology is an important way to solve these problems. For example, Du Minhua et al. [6] used vacuum freezing technology to process strawberry puree, which greatly reduced the loss rate of strawberry pigments and VC and better preserving the nutrients and color of the food. Jin Feng et al. [7] used spray drying technology to microencapsulate corn pigments, and Valduga et al. [8] extracted anthocyanins from grape pomace and microencapsulated the extract to obtain a powdered Natural Color, effectively solving problems with the processing, preservation and reproduction of its nutrients and natural flavor. Although a variety of drying techniques have been used in the processing of Natural Color, there has been relatively little research on the application of low-temperature vacuum drying in this area. However, the drying characteristics of low temperature and vacuum are very conducive to ensuring the quality and yield of pigment processing, which makes the research on low-temperature vacuum drying of Natural Color of great practical significance.

1自然な色の抽出と処理

自然な色は、主に着色や刺激し、人々を増やすために食品の色を変更するために使用されます' s食欲。さらに、自然な色は、ウコンなどの特定の薬理学的および栄養機能を有します'の抗がん効果、ベニバナイエロー&#sの降圧効果、パプリカ赤'の抗酸化効果、赤酵母米'sの低脂血症効果、および茶クロロフィル' sの血液脂質調節効果[9]ので、広く食品、医薬品、化粧品産業で使用されています。さらに、クロロフィルは脂肪、石鹸、油、ワックスなどにも使用できます[10]。

自然な色の品質は、主に単位製品、製品の保存寿命と有効成分あたりの色値に反映されます。加工プロセスは、主に粉砕、抽出、分離精製、濃度と乾燥を含みます。自然な色の不安定性のため、処理の各プロセスは、製品の品質に影響を与えます。ハイテク技術をどのように活用して従来の技術を改善したり、新しい技術を開発したりするかが、研究の重要な方向となっている。cao yanping[11]は、天然色は現在、抽出技術、分離精製技術、顔料構造識別と性能研究の観点から研究することができると考えている。

抽出技術の研究では、従来の溶媒法に加えて、研究者は超音波抽出、マイクロ波抽出、超臨界抽出、多段または連続抽出、高圧抽出、酵素補助抽出などの一連のハイテク方法を研究開発した。例えばbeatrizら[12]は、トマトの皮や種子からリコピンを抽出するために超臨界co2を使用した。katherinら[13]は、抽出条件が超臨界流体を用いてスイカからのリコピン抽出に及ぼす影響を調べた。chunら[14]はまた、リコピンの収量と抗酸化特性に対する超臨界流体抽出パラメータの効果を研究した。maierら[15]は、ブドウのポマースなどからポリフェノールを抽出する酵素法を研究した。

分離精製の研究では、初期に使用されたシリカゲルとアルミナの他に、活性炭が最も一般的で安価な吸着剤であり、その分離効果も比較的良好である。また、最近では、クロマトグラフィー樹脂やゲル、高速対向流クロマトグラフィー、ウルトラフィルトレーション、ナノフィルトレーション膜などの新技術の研究も、顔料の分離・精製・濃縮に成功しています。

ナチュラルカラー製品は、主に粉末と液体の形で利用できます。分離後の品質が高くても、循環中には酸化や分解などの問題があり、特に重要ですナチュラル成分より存在し、長期間安定して保存することが困難です。また、顔料製品の多くは液状またはペースト状であり、保管や輸送に適していません。実際の生産では、使用時の溶液状態の製品を定量化することは困難であり、単位色値が低く、貯蔵寿命が短く、一般的に12 ~ 18ヶ月です。通常、粉体の単位生成物の色値が高く、保存寿命が長いため、乾燥はこの問題を解決する重要な方法です。しかし、異なる乾燥方法は、製品の品質に直接影響を与えます。国内外の多くの研究者も、さまざまな乾燥技術を用いた顔料の後処理について、多くの実験を行っている。乾燥方法には、スプレー乾燥、真空乾燥、電子レンジ乾燥などがあります。

2自然な色のさらなる処理における乾燥方法の適用と比較

2.1顔料のさらなる処理における乾燥方法の適用

異なる乾燥方法は、自然な色の生産中の性能、形状、品質、エネルギー消費に直接影響します。顔料のさらなる加工にはさまざまな乾燥方法が適用されていますが、製品品質への影響の程度は異なります。

2.1.1スプレー乾燥とマイクロカプセル化

噴霧乾燥は、1つのプロセスで溶液、エマルジョン、懸濁液、スラリーを噴霧し、熱風に接触させて溶媒を蒸発させ、粉末、粒状、中空ボールまたは凝集乾燥製品を得る乾燥方法です[16]。しかし、スプレー乾燥に高温と空気を使用すると、加工中の自然色などの熱に敏感な材料の品質に大きく影響します。噴霧乾燥技術を使用して、固体および液体の物質を小さな半透過性または閉じたカプセルに封入するプロセスは、マイクロカプセル化と呼ばれています。この技術は、製剤中の有効成分の酸化、加水分解、揮発を防ぐことができる。

jin fengらは[7]、トウモロコシ色素マイクロカプセルの調製プロセスを研究し、マイクロカプセルの壁材料の最適な組成を得た。マルトデキストリン-マイクロ多孔質デンプンの質量比は1:1、顔料10%、全固体40%である。噴霧乾燥の最適なプロセスは、入口空気温度140°c、出口空気温度80°cです。zhong yaoguangら[17]は、nfh顔料のマイクロカプセル化を研究するためにスプレー乾燥を用いた。その結果、ディマンドは売り(55%)hβ-CD (25% w / w) Cとアラビア糊(20%)▲噴霧乾燥のためのフィード流量は50 ml /分であった;入口の空気温度は200°c、出口の空気温度は80°cであった。[18]ダイコンから抽出したアントシアニンをマイクロカプセル化したところ、最適な入口空気温度は160°cであった。製品の品質は、色素含有量と抗酸化特性の観点から評価されました。

物が出来ているようだ。まず解決しなければならない課題は噴霧乾燥microencapsulation、処理などの問題、保存・栄养分が自然な味の成分と再生のに用いる食品添加物産業など香料、自然色microencapsulated色素の調味料、などアプリ限定商品にはという効果のためコーティング膜の素材色をあわす際色。

2.1.2マイクロ波乾燥

電磁波としてのマイクロ波は、周波数が0.3 ~ 300 ghz、波長が1 ~ 1000 mmの超高周波電磁波を指す[19]。高周波電磁界を発生させることができる。誘電体中の極性分子は、電磁場中の電磁場の周波数に応じて極性配向を連続的に変化させ、分子を前後に振動させ摩擦熱を発生させて乾燥の目的を達成する。主に原料の抽出と濃縮後の抽出物を乾燥させるために使用されます。高速乾燥、高効率、低コストを特長とする省エネ・省消費技術です。この技術は、乾燥および殺菌、抽出および濃度、パフおよび低温脱水に使用することができます。

Liu Chunquan et al. [20] studied the dehydration test of microwave drying purple sweet potato chips, obtained the dehydration law of microwave drying purple sweet potato chips, established a microwave drying model for purple sweet potato chips, and also investigated the effect of microwave drying on purple sweet potato pigment. The results showed that the product pigment content was higher when the microwave power was 700W, the slice thickness was 6mm, and the pre-drying time was 20-50s. The three factors that affect the pigment content of the product: radiation power, slice thickness and pre-drying time were studied. Meng Xianghe et al. [21] studied the effect of microwave on the color of processed fruit products, discussed the changes in color and pigment composition after processing, and showed through liquid chromatography that microwave treatment does not change the structure or quality of carotene, but causes a loss of total carotene degradation. It was also found that microwave heating of kiwifruit causes a significant decrease in chlorophyll a and b.

これは、マイクロ波乾燥では通常80 ~ 100°cの乾燥温度を使用するため、乾燥製品の色が原料の色よりも著しく低い現象もあることを示しています。

2.1.3しんくう乾燥 

真空乾燥とは、真空凍結乾燥や低温真空乾燥を含む、低温および真空下で水分の多い材料を脱水して乾燥させることです。(1)低温で行われ、熱に敏感な物質に適しています。例えば、タンパク質や微生物などは、変性したり、生物学的活性を失うことはありません;同時に、低温は材料中の一部の揮発性成分の損失を低減し、一部の化学製品、医薬品、食品の乾燥に適しています。2)乾燥は酸素が少ない真空下で行うため、酸化しやすく高温になる恐れのある熱に敏感な物質を保護します。

Du Minhua et al. [6] used a linear weighted combination method to optimize the vacuum freeze-drying process of kudzu fruit pulp, and obtained the optimal process parameters: Material: The maximum surface temperature during analysis is 48℃, the initial drying chamber pressure during sublimation is 26Pa, the thickness of the charge is 7mm, the loss rate of VC and strawberry pigment is 6% and 38%, and the freeze-drying time is 18h. Ma Wenping et al. [22] initially studied the vacuum freeze-drying technology of wolfberry pigment. Because wolfberry pigment is a heat-sensitive material, it was found in the drying test of fresh wolfberry that the quality of the product will be affected when the temperature exceeds 50℃. Therefore, the separated fresh fruit pigment of medlar was used to make crude powder of medlar pigment by freeze drying. The sensory indicators such as product color, tissue morphology, odor and impurities, as well as the physical and chemical indicators such as β-carotene content, were all very satisfactory.

低温真空乾燥は凍結乾燥と同様の乾燥条件を持ち、多くの分野で広く使用されています。例えば、乾燥ライチ、乾燥竜眼[23]、高麗人参[24]、高vc赤ナツメ[25]などの生産のために食品産業で使用されます;農業生産では、米[26]、トウモロコシ[27]などの穀物の生産に使用されますが、顔料乾燥に直接使用する研究結果はほとんどありません。

2.2自然な色処理におけるいくつかの乾燥方法の比較

自然な色を処理するための乾燥技術の使用に関する多くの研究がありますが、顔料のさらなる処理に適した乾燥方法はまだ研究する価値があります。陸英華ら[28]は、凍結乾燥、噴霧乾燥、熱風乾燥の3つの異なる方法を用いて、さらに桑の色素を加工し、乾燥粉末の品質を比較した。感覚的、物理的、化学的、衛生的指標の比較から、真空凍結乾燥は桑の色素の色と生理活性成分をよりよく維持することができます。

Table 1 compares the different drying methods for Natural Color. It can be seen that: (1) the inlet air temperature for spray drying is between 120 and 200°C, and the processing is exposed to air, so it is easily oxidized. Although the drying time is very short, it will still affect the yield and quality of the pigment. Seda et al. [19] believe that high inlet and outlet air temperatures will affect the yield of anthocyanins. In addition, after the pigment product is spray-dried and microencapsulated, when it is mixed with other food additives at a later stage, it will affect the color value to a certain extent. (2) The temperature of microwave drying is not as high as that of spray drying (generally 60-100°C), but there are still problems with the thermal stability and oxidation of pigments [21]. This method is suitable for some pigments that are resistant to heat and oxidation, but it is not universal. (3) Vacuum freeze drying has a very low temperature and is carried out under a vacuum, so it is suitable for further processing of the pigment. However, its biggest problem is that it consumes a lot of energy and takes a long time to work. 4) The conditions for low-temperature vacuum drying are low temperature (20-60°C), vacuum, and less freezing than freeze-drying, so the energy consumption is lower and the drying time is shorter.

以上の比較と分析により、低温真空乾燥法の方が自然乾燥に適した効果的な方法であり、今後の研究の価値があることが示された。

3顔料の低温真空乾燥

3.1顔料の低温真空乾燥の仕組み

低温真空乾燥では、低圧下での水の相変化温度は、通常の圧力下に比べて低く[29]、そのため、通常の圧力下に比べて水分比が蒸発しやすくなります。図1に示すように、材料を加熱すると内部の水分が急速に蒸発し、材料内部と表面との間に大きな圧力差が生じます。圧力勾配は水分移動と同じ方向にあり、圧力勾配の作用の下で、水分は急速に表面に移動し、水蒸気が周囲の気相に入り、真空ポンプによって汲み上げられます。低温真空乾燥のメカニズムから、真空乾燥では、圧力勾配が水分移動と同じ方向になることがわかります。材料表面の硬化や割れが容易ではなく、真空凍結乾燥と比較して乾燥速度が速く、乾燥時間が短く、設備運転コストが低いという特徴がある[30]。

3.2色素低温真空乾燥のモデル研究

3.2.1乾燥技術における数学的モデルシミュレーション

乾燥技術研究の焦点の一つとして、数学的モデルのシミュレーションと解析は、実験的研究に比べて次のような利点があります。

1) 低コストで2)の速攻である。3)詳細で総合的な結果と情報;4)理想的な条件をシミュレートすることができます;5)実際の条件をシミュレートすることもできます。そのため、乾燥に数学的方法を適用することは、多くの学者の注目を集めている。[31] xu yingらは、ハマグリの凍結乾燥を研究し、ハマグリの熱と物質移動モデルを確立した。johnらは[32]、ブドウの種などの乾燥モデルを研究した。しかし、実験データの不足や乾燥プロセスパラメータの測定の難しさは、数学モデルの精度に直接影響します。huang lixinら[33]は、乾燥の分野で使用される主な数学的モデルと分析方法をまとめ、コンピュータ技術の発展と大規模な商用ソフトウェアの開発と適用に伴い、乾燥プロセスのシミュレーション結果の精度が大幅に向上したと指摘している。したがって、乾燥技術における数理モデルシミュレーションの研究は、本来の基盤の上でさらに発展することになります。

3.2.2薄層乾燥モデルシミュレーション

通常、低温真空乾燥では、乾燥させる顔料溶液を加熱したプレートの上に薄層に置き、プレート全体を高真空下に置き、溶液全体を乾燥させます。そのため、低温真空ディスク乾燥も薄層乾燥の一種である[34]。現在、薄層乾燥の数学的シミュレーションプロセスは、一般的に次のステップを含む:1)いくつかの一般的に使用される数学的モデルを選択する;2)実験からデータを得る;3)実験で得られたデータを用いて、工学的数学的手法により、実験結果に最も適合するモデルを決定する。4)モデル方程式を検証する。

薄層乾燥モデルに関しては、sharmaら[35]はより包括的な半理論的実証モデルを与え、表2にリストしている。n ew tonモデルはl ewisモデルとも呼ばれ、n ew ton&に基づく水分移動モデルである#39; s冷却法;p年齢モデルは、純粋に経験的なモデルであるn ew tonモデルに基づいて時間に指数を追加します。例えば、li dongらによる低温米モデル[36]やou chunyanらによる赤外線乾燥キチンモデル[37];ヘンダーソンとパビスは、fick&に基づいた単一拡散モデルとしても知られている#39; s第二法則。

zeng libinら[38]など、国内外の多くの研究者がこれらの薄層乾燥モデルを用いて多くの研究を行っている#39の熱風乾燥銀鯉モデル、goyalら。[39]&#梅の薄層乾燥のための39;の数学モデル、およびdebabandyaら。[40]' s小麦モデルですしかし、これらのモデルは、一般的に現実と大きく異なる仮定に基づいており、モデルの欠陥が生じています。一部の機種は、初期水分量が乾燥速度に与える影響を無視しており、長い予熱時間を必要とする高水分材料の乾燥特性には適していません[41]。

王らチムン。[42]1次元の理論モデルのしんくう乾燥を学んだ、説を紹介ししんくう乾燥素材をシート上左右対称sphericallyましたの微分方程式を奪われて熱質量移送が一切问题,時変含水率を得る理論を使う分析法と特性の素材や推定端の乾燥させたもの。しかし、理論モデルでは、熱拡散率を一定に設定するなどの仮定により、いくつかの誤差が生じます。

これらのモデルの多くは半理論的な経験的モデルであり、材料の内部水分移動プロセスを正確に反映することはできず、乾燥時間による材料の内部水分拡散係数の変化を具体的に記述することもできません。したがって、薄層理論モデルのさらなる研究が必要である。

4展望

Today, with the rapid development of the food industry, the prospects for the development of natural colors are very broad. However, how to overcome problems such as the oxidation and decomposition of pigments is still an important research and application topic in the processing and refining of natural colors. The role of drying technology in the deep processing of natural colors is beyond doubt, but how to further change its limitations is also the direction of future research.

分析の結果、顔料加工に使用されているスプレー乾燥、マイクロ波乾燥、真空凍結乾燥などの一部の方法にはまだ欠点があることが明らかになった。また,低温真空乾燥が自然乾燥に適していることを示した。国内外のこの分野の研究はまだ少ないので、もっと深く研究して探査する価値がある。

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