前景提取（精选4篇）
前景提取 篇1
摘要：在复杂场景下的运动前景提取是智能视频监控的基础部分。高斯混合模型是常用的背景建模方法,针对高斯混合模型中模型个数固化导致的无谓的系统开销,提出基于单高斯模型成长的动态个数调整形成的高斯混合模型。对模型的更新率根据场景变化的剧烈程度进行实时改变,能较好适应突发场景、光照的变化。对提取的运动前景进行形态学处理,得到最后的提取目标。实验结果表明,该方法背景建模适应性强,提取前景精度有所提升。
关键词：高斯混合模型,自适应背景更新,更新率
0 引言
视频监控已渗透到当今社会的方方面面,对个人与公众安全产生了深刻影响。随着计算机视觉及图像处理技术的进步,视频监控正逐步向智能化发展。运动目标检测是智能视频监控的基础部分,对提高监控系统的准确性有着重要影响。
主流的运动前景提取算法有:背景减除法、帧间差分法、光流法。背景减除法是通过视频帧与背景模型作差分提取出运动的前景目标。该方法原理简单,计算量小,适用范围广。但在现实环境中,监控场景虽然固定,但非绝对不变,比如光照的变化,背景的干扰(摇晃的树叶、粼粼的水波)。因此,如何建立一个动态更新的背景,以适应各种因素的干扰,是研究的重点。
高斯混合模型[1]的实质是对每一像素点设立多个高斯分布,联合多个分布进行背景建模。但基于高斯混合模型的目标检测算法复杂度较高,分布个数的选择对前景提取效果影响明显。此外,采集视频图像中存在的噪声也易对前景的提取造成干扰[2]。针对混合高斯模型存在的不足,许多研究者提出了改进算法。王永忠等[3]利用GMM学习每个像素的时间域与非参数密度估计构造的空间域融合,改进了检测效果。Zhao等[4]将高斯混合模型扩展到了邻域,并用马尔可夫随机场分割前景,同时算法的复杂度也急剧增加。文献[5,6]通过帧间差分与高斯背景相结合分割前景目标,同时也增加了时间开销;Fradi[7]将选择流融入混合高斯模型提高了前景分割的精确性;范文超等[8]对视频图像进行分块以实现滤波效果,采取自适应的高斯分布个数提高了检测速度。Zhang等[9]用统计学方法建立自适应的2-D学习率查找表,针对每个像素设定不同学习率,较好地进行了GMM的更新。刘万军等[10]在此基础上融合了图像熵与更新率查找表,对光照突变时的背景更新调节有较好效果。
本文利用单高斯模型进行初始化的背景建模,根据背景的复杂度动态增减高斯模型个数,同时对参数更新策略加以调整,在监控场景变化或受到扰动时的前景提取效果有所提升。最后,对提取出的前景目标进行形态学处理,以较小的开销优化检测结果。实验表明,本文的算法较传统的高斯建模方法检测算法效果更好,能实时提取运动目标。
1 混合高斯模型
1.1 混合高斯模型介绍
混合高斯模型由Stauffer等[1]等提出,核心思想是对背景图像中的每一像素点用K个高斯分布来表示。一般来说K取3~5之间。K太小不足以充分表示背景的变化;K增大时,背景模型的抗干扰能力会增强,同时运算开销也相应增加。对某一个像素点{x,y},其时间序列{X1,X2,…,Xt}可以用K个高斯分布叠加表示,Xt为t时刻点{x,y}的观察值。Xt的概率密度函数可表示为:
式中,K为高斯分布的个数;ωi,t为在t时刻第i个高斯分布的权值;μi,t为在t时刻第i个高斯分布的均值;∑i,t为在t时刻第i个高斯分布的协方差矩阵。Xt为n维的向量,n=1时Xt代表像素点的灰度值,n=3时Xt代表像素点的RGB数值。
1.2 运动目标提取
传统高斯混合模型设定固定的高斯模型个数,将像素点的观察值Xt与K个分布中的前M个一一对比,直至与某分布相匹配。匹配规则为:|Xt-μi,t-1|<2.5δi,t-1。若能匹配,则需对各高斯分布的权值、均值及方差进行更新;若不匹配,则该像素点此时被判定为前景点,提取出运动目标。
1.3 模型参数更新
在进行像素点的匹配后,需根据匹配情况调整各分布的权重,均值及方差,构建新的背景模型,以适应新一帧的前景目标提取。当像素点观察值与某一高斯分布相匹配时,对参数进行更新:
其中,α为权值更新率;ρ是参数更新率。匹配时Ti,t为1,否则为0。由式(3)可知,匹配的模型权重会增加,反之,则会下降。均值和方差也会随像素点的当前值而更新。在高斯模型的参数调整后需归一化各分布的权重。
在权值归一化后,对像素点的高斯模型按ωi,t/δi,t从小到大的顺序进行排序。若排序的前M个模型的权重之和满足式(7),则认为这前M个高斯模型描述背景,其余的高斯模型描述运动物体。
式中,T为权值阈值,T∈(0.5,1)。
2 改进的混合高斯模型
2.1 初始高斯模型设定
混合高斯模型设定一个固定的模型个数后便不再改变,本文起初用单高斯模型来进行背景建模,即取K为1,μ取像素点的初始值μ0,其权重为1。
2.2 高斯模型动态调整
单个高斯模型并不能满足场景的动态变化,容易引起误检。对高斯模型的个数进行动态的增减,以适应监控场景的变化。当然,为避免运算量过大,不能满足实时检测,对高斯模型个数设定最大值,本文取K最大为4。具体流程如下:
将像素点数值与当前分布匹配,若能匹配,则判定为背景点,同时更新权值、参数。若未能匹配,则增加一个新的高斯模型,μk,t=Xt(像素点的当前数值即为新增加的第K个高斯模型均值),δi,t=36,ωk取一个较小值。如此,直至模型个数达到上限。在背景趋于平静时,无需维持较高的模型数目,可对模型进行删除或合并,剔除无效分布、合并冗余分布[11]。以下是精简高斯模型个数的两种策略:
1)分布删除
对像素点的每个高斯分布的连续未匹配次数进行统计,记为Fk,并设定一个阈值Fmax,Fk=Fmax时,表示此模型长时间未被匹配,将其删除。另外,若某一高斯模型的分布权值不断降低,则说明其不适应背景的变化,不能很好的描述,同时,还会继续学习更新,影响模型的收敛速度,需将其删除。
2)分布合并
当某一像素点的两个高斯分布a、b均值比较接近时,合并这两个分布,合并后高斯分布为c,参数转换为:
2.3 高斯模型动态更新
在混合高斯模型进行建模时,不仅要考虑高斯模型的个数,适应背景复杂度的变化,而且要根据背景变化的快慢,调整背景模型的更新速率。若背景变换太快,或有突然的光照变化,更新率过小时检测效果不理想。在上文进行目标检测时进行了图像序列的灰度化,在监控场景发生转换或光照突变时,一般灰度值都会有明显的改变。利用此原理,将背景的更新率与灰度值的变化率相匹配,实现更新率的动态改变。
首先,对图像进行灰度化变换,即Xt→ht,(ht,代表当前帧所有像素点灰度值的平均值),再根据灰度值ht的变化调整式(3)-式(6)中的更新率α。定义场景变化率γ,反应场景变化的速率。设定一个固定阈值γ0,如果参数γ过大,即γ>γ0,则证明场景变化剧烈,没有在原有背景基础上进行更新的必要,选择新的帧作为背景进行建模。若γ≤γ0,对更新率进行调整:
实现更新率随灰度值变化的动态改变。
2.4 形态学处理
在改进高斯混合模型提取到运动前景后,不可避免会存在一些噪声点、检测目标内部有空洞等现象。为此,通过简单的形态学处理可有所改观。
改进后的高斯混合模型的流程如图1所示。
3 实验结果及分析
为验证本文算法对前景提取的有效性,对其进行实验验证,并与传统单高斯及高斯混合模型的检测效果进行对比。本次实验是基于个人计算机实现的,配置为:CPU为Intel(R)Core(TM)i5-3210M 2.5 GHz,内存4 GB,仿真软件为Matlab2014a。在具体实验时,本文先将输入的彩色图像进行灰度化的处理,减少了计算量。
本文采用Wallflower视频集中的五个视频作为测试集,分别为Waving Trees(WT),Light Switch(LS),Time Of Day(TD),Camouflage(CF),Foregrou-nd Aperture(FA)。为对本文提出算法的前景提取效果客观衡量,分别用单高斯模型(方法1)、高斯混合模型(方法2)、基于Parzen窗的非参数概率密度估计的混合高斯背景建模[11](方法3)、基于EM的自适应混合高斯模型[12](方法4)与本文提出的改进高斯混合模型进行对比。对五种方法的运行时间及检测效果进行比较。表1给出了这5种算法对以上5个视频段平均每秒钟处理的帧数。
从实验效果来看,本文的改进算法相比高斯混合模型及基于Parzen窗的非参数概率密度估计的混合高斯背景建模处理速度有所提升,主要得益于实时调整模型的个数,在背景稳定的情况下,以较少的模型对背景建模,总体减少了程序的开销。但与单高斯模型相比,处理速度处于劣势,原因是单高斯模型以固定单一高斯模型背景建模,处理速度快,但其检测效果不及本文提出的改进算法。本文与基于EM的自适应混合高斯模型的处理速度相比略有下降,主要是因为引入了背景重建策略,监控场景突变时进行了背景重建,增加了运算开销。可以说,改进后的高斯模型用处理速度上的损耗获得了更好的前景提取效果。
图2从上至下分别为原图像、理想前景、单高斯模型、高斯混合模型、基于Parzen窗的非参数概率密度估计的混合高斯背景建模、基于EM的自适应混合高斯模型、本文改进高斯混合模型。
引入以下参数对本文算法性能定量评价:查全率(Recall)Recall=tp/(tp+fn);查准率(Precision)Precision=tp/(tp+fp)tp:判断正确的前景点,fp:判断错误的前景点,fn:判断错误的背景点。
从图2和表2可以看出,本文方法在查准率上有所提高,主要得益于自适应的动态背景建模,根据监控场景变化的快慢实时调整模型个数及更新率,此外加入形态学处理,滤除了部分噪声点。
本文方法相比传统单高斯和高斯混合模型在查准率和查全率上皆有较大提高,得益于改进的模型个数动态调整,与更新率的实时变化。与方法3(非参数密度估计法)相比在查全率上处于劣势,源于本文方法提取前景内部存在空洞。与方法4相比本文效果也更好,查全、查准率都有提升,在Light Switch场景中都能适应光照的突变,相较方法3,在查准率上更胜一筹。在Waving Trees场景中,方法1、方法3在人的周围由于树叶的晃动,有诸多干扰点,拉低了检测的查准率,而本文的背景建模策略有效地减少了此类干扰。
本文方法在查全率及查准率上总体效果有所提升,提取出良好的前景目标。同时也需认识到,提出的背景建模策略虽能更好地适应各种监控场景的变化,但也使处理速度有所降低。
4 结语
本文针对高斯混合模型耗时长,前景提取精确度不高等问题,提出了模型个数动态调整的高斯模型,开始用单个高斯模型背景建模,根据背景的复杂程度动态增减模型个数,并设定模型个数上限以控制目标检测的时间。其次,根据场景中背景变化引起的灰度变化来控制背景模型的更新速率,对光照的变化表现出良好的适应效果。实验证明,本文算法实时性适中,查全率和查准率都有所提升,总体检测效果良好。下一步需着重提高前景提取的实时性。
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前景提取 篇2
1 问题的提出
中药和植物提取传统工艺有水提、醇沉、大孔树脂吸附、蒸发等, 传统工艺周期长、建设成本高、能耗大、收率低、操作工序复杂、环境污染严重、“三废”治理成本高, 在除杂、除菌、除热原等方面具有极大的不稳定性, 严重影响了制剂的品质。并且耗费大量水、电能源及有机溶剂, 造成生产成本增加。而用过滤技术集成膜分离技术系统对中药和植物水提液直接进行澄清、分级纯化、浓缩, 可以取代二次醇沉以及树脂吸附工序, 直接去除靴质、胶体、植物纤维、大分子蛋白及细菌等杂质, 透过液澄清透、纯度高, 如采用膜分离浓缩澄清液可以脱除盐分和水, 得到高纯度的浓缩液。
当前, 膜分离技术在制药行业不能得到推广应用的原因, 除了企业内部膜技术人员的缺少和资金的不足, 还有一个更重要的原因:那就是我们的技术人员和企业领导不愿意也不想改变现有的生产工艺。因为制药是一个特殊行业, 改变一个工艺, 不但有一定的风险, 还有报批等方面的麻烦。要知道, 在市场激烈竞争的今天, 谁能拥有降低成本并能提高产品质量的技术, 谁就可以占领市场, 就可以在竞争中战胜对手, 使企业拥有更加广阔的发展空间。而膜技术恰好具有这样的特点。
2 薄膜分离原理
超滤膜过程的原理是一种薄膜分离技术, 按照分子量的大小 (直径的大小) 来分离颗粒, 以压力差为驱动力;筛分原理。原液=透过液+浓缩液, 因此超滤可以达到溶液净化、分离与浓缩的目的。超滤原理如图1所示。
3 膜分离技术在中药制剂中的应用
3.1 膜分离技术在中药制剂中的应用
3.1.1 滤膜法精制中药口服液、药酒
中药口服液是近年来我国医疗保健行业大力发展的新剂型, 由于其具有疗效好、见效快、服用方便等优点, 受到广泛好评。原生产工艺采用水提醇沉法, 不仅流程长, 产品黏度大, 提取液中还含有大量亚微粒、微粒和絮状物等杂质, 难以用一般的沉降、板框过滤、浸取等方法精制, 故成品静置后易产生沉淀, 影响口服液的外观及品质。如果采用相应的截留分子量的膜进行超滤后, 再进行罐装, 则可以保证产品外观透明鲜亮、口感改善、保质期延长, 同时还可简化生产工艺, 为企业节约成本开支。主要工艺流程:药材煎煮→水提液→微滤除杂→超滤提纯→成品罐装。
由此可见, 膜法处理中药口服液可以简化生产工艺, 缩短生产周期, 可取代传统的板框过滤、硅藻土过滤等, 有效去除鞣质、淀粉、树脂、蛋白、果胶等。得到的产品无论是澄清度、透光度和稳定性都明显提高, 长期存储澄清度不变, 口服液不再有沉淀和挂壁现象。
3.1.2 水提液无需冷却可直接过滤
由于胶脂类的物质被超滤膜分离除去, 料液浓缩时黏度大大降低, 使浓缩蒸发和后序过滤大大方便, 缩短了时间, 降低了成本。
3.1.3 可以取代一次醇沉
尤其是需要两次醇沉工艺的品种, 采用超滤膜技术可以取代一次醇沉。不仅可节约大量乙醇, 大大降低其生产成本, 还能降低乙醇回收所需能耗, 缩短生产周期。最近有一家药厂投资几百万元, 上了一套陶瓷膜面积200多m2的设备。用于中药水提液的过滤, 取代一次醇沉。仅此一个品种 (一种口服液) , 每年就可以为企业节约190万元 (这套陶瓷膜分离设备还可以进行多个品种的过滤生产) 。同时, 使工艺过程由原来的15天缩短为现在的10天。产品的质量也得到了明显的提高。该药厂总结说:“新工艺能显著提高产品的收率和品质, 缩短生产周期, 省去了大量的乙醇及蒸发浓缩过程, 减轻后工序的运行压力, 从而降低了生产成本, 更主要的是保证了药液的澄明度, 提高了产品的市场竞争力。仅此一项殊荣, 即可引起中药界的关注, 为国药走出国门起到了跳板的作用。”目前, 这家药厂正在计划用膜技术进行常温下药液浓缩, 从而取代双效或三效蒸发浓缩, 实现企业全方位现代化, 自动化。
3.1.4 能保持原配方的成分, 提高产品中有效成分的含量
无论是固体制剂还是口服液等, 中草药成分十分复杂, 通常含有生物碱、有机酸、酚类、皂甙等化合物以及蛋白质、黏液质、鞣质、多糖、淀粉、纤维素等。一般而言, 非药用性成分或药用性较差的成分, 分子量都很大 (从几十万～几百万u) , 而有用成分即中药的目标产物的分子量一般较小, 从几百到几千u。传统的水提醇沉工艺不能将高分子量的非药用成分去除。所以, 使药液中有效成分 (既目标产物) 的浓度降低, 患者服用剂量加大, 不仅给病人带来服用时的不便和痛苦, 同时也使中药容易吸潮变质, 难以保存。如采用膜分离技术, 就可以解决这些问题, 去除非药用性成分, 使患者用药少而精, 提高疗效。对企业而言, 包装、运输等方面的费用也会随之下降许多, 同样也能降低成本。
3.1.5 除菌、除热原
对中药针剂进行除菌、除热原, 无需高温或其他化学方法, 可在常温下进行, 效果好, 完全能达到药典要求。采用超滤膜去除中药注射剂中的热原, 可缩短生产周期, 且大大提高产品稳定性。超滤膜并不会截留药液中的有效成分, 在热原去除的同时, 还可以相应增加产品收率, 比用活性碳等吸附剂吸附除热原、高温消毒除热原的传统方法优越许多。将膜分离工艺应用于中药注射液除热原是中药产业开发的主要应用项目之一, 也是中药产业现代化中最具开发前景的项目。科研实验室引入小型膜实验设备, 还将大大促进中药注射液新品种的开发。
3.1.6 中药药液的除油
传统的中药制药多使用醇沉工艺, 溶于乙醇而难溶于水的植物油和胶质在酒精蒸发后会从药液中析出。目前, 常用的去除方法是用食用石蜡等进行萃取。这种方法不但需要消耗大量辅料, 费用大, 且劳动强度大, 环境条件差。采用膜技术除油, 效果好, 且大大降低生产成本, 实现自动化, 改善工作条件和环境。
3.2 膜分离技术在中药制剂中应用的特点
膜技术工艺简单, 设备占地少, 操作容易, 开停机方便, 运行费用低, 闭合回路运行, 使生产过程清洁、卫生、环保。传统生产工艺中, 中草药有效成分的分离提取存在生产周期长、损失量大、收率低等问题。膜技术以其高效、节能和绿色等特点, 在中药生产中的应用越来越多。
4 结语
膜分离技术在中药现代化生产中的应用主要有4个方面: (1) 除菌、除热原:应用微滤膜和超滤膜, 可有效去除中药煮提液中的细菌和热源, 无需高温或其他化学方法。 (2) 澄清纯化:超滤膜过滤可取代一次醇沉, 有效除去杂质, 分离提纯有效成分, 并且减少有效成份的损失。 (3) 浓缩:纳滤膜脱盐浓缩, 或者反渗透膜直接浓缩, 在常温下进行, 无热敏性破坏, 代替蒸发浓缩, 能耗低。 (4) 有机溶剂回收:采用特种膜, 将醇沉萃取或其他分离过程中所使用过的有机溶剂进行过滤, 去除杂质, 使其纯化还原, 再回收循环使用, 节约资源, 降低成本。
可以看出与传统的工艺设备相比, 膜技术设备可以减少工序, 操作简单, 生产过程清洁, 卫生, 环保。
可以应用的领域: (1) 茶叶、银杏、黄连、菊花、竹叶、银翘等植物枝叶类提取液的澄清、分级纯化和浓缩; (2) 绞股蓝、板兰根、青蒿、鱼腥草、黄蔑、党参、人参等植物根茎类提取液的纯化和浓缩; (3) 生姜、大蒜、罗汉果、大豆、枸杞等果实类提取物的分离纯化和浓缩。
所以可以得出:超滤膜技术在中药生产过程中工艺简单、能耗低、成本低。整个过滤、浓缩过程生产周期短, 与传统工艺设备相比, 省去了传统工艺繁杂的操作过程, 减轻后工序的运行压力, 设备运行费用可大大降低, 提高了产品的市场竞争力。环保、无污染。系统制造材质全部可以采用卫生级不锈钢, 膜材质、密封件材质均为无污染材料。采用全密闭管道式运行, 现场环境卫生, 操作维护简便, 可有效降低劳动强度和生产成本, 完全满足FDA生产规范要求。相信不久的将来, 超滤膜技术必将取代传统的蒸馏技术, 在中药提取浓缩中得到广泛的应用。
参考文献
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前景提取 篇3
1 叶蛋白
1.1 有关叶蛋白的概述
蛋白质是构成植物细胞的基本物质之一,在植物生长过程中,地上部分茎叶细胞中不断有蛋白质的合成,供构建新的细胞组织和器官的需要,这部分蛋白质被称之为叶蛋白(Leaves Protein Concentrates简称LPC)[2],它们属于功能性蛋白质类[3]。由于是存在植物茎、叶中,所以是一种最大的可再生的蛋白质资源。叶蛋白是一类多聚合物质,含有17～18种氨基酸,包含了人体所必需的8种氨基酸,还含有维生素,但不含胆固醇。有别于动物肌肉蛋白质附带的饱和脂肪酸和胆固醇,是人类膳食中蛋白质的重要补充,特别是在一些蛋白质资源严重不足的发展中国家,研究开发利用植物叶蛋白,作食用和饲用都是十分重要的[4]。
1.2 叶蛋白的利用前景
叶蛋白中含有18种氨基酸,其中8种人体必需氨基酸的含量比较高,是优质的蛋白质[5]。蛋白制品中还含有的糖、脂肪、多种维生素这些营养成分具有防病、治病、强身、健体、防衰老等多种生理功能,这些制品中还含有胡萝卜素和Fe、Mg、Ca、Zn、Cu等多种矿物元素。此外,叶蛋白对人体具有多种功能,它进入人们的膳食结构后,将会降低高胆固醇对健康的危害[6]。
提取叶蛋白过程中得到的上清液,其营养成分也很高。从上清液中还可以提取超氧物歧化酶,它可以催化超氧阴离子自由基,使其发展歧化反应。超氧阴离子自由基在生物体内过多积累可导致生命物质受到损坏,超氧物歧化酶的应用范围已拓展到食品添加剂等方面,产品供不应求。因此,叶蛋白在食品工业上具有广泛的发展前景。
2 生产叶蛋白的方法
提取叶蛋白所采用的方法主要有水溶液提取法[7]、加热法[8](60℃加热、90℃加热)、酸碱法[9]、纯蛋白质沉淀法、盐析法、凝聚剂沉淀法、超滤法、电浓缩法、反胶团相转移法、有机溶剂沉淀法、发酵酸法[10]等。
2.1 叶蛋白的生产方法
2.1.1 水溶液提取法
稀盐和缓冲系统的水溶液对蛋白质稳定性好、溶解度大,是提取蛋白质最常用的溶剂,通常用量是原材料体积的1～5倍,提取时需要均匀搅拌,以利于蛋白质溶解。提取温度要视有效成份性质而定。一方面,多数蛋白质的溶解度随着温度升高而增大,因此,温度高利于溶解,缩短提取时间。但另一方面,温度升高会使蛋白质变性失活,因此,基于这一点考虑提取蛋白质和酶时一般采用低温(5℃以下)操作。另外,蛋白质,酶是具有等电点的两性电解质,提取液的pH值应选择在偏离等电点两侧的pH范围内。一般来说,碱性蛋白质用偏酸性的提取液提取,而酸性蛋白质用偏碱性的提取液。再则,稀浓度可促进蛋白质的溶解,称为盐溶作用。同时稀盐溶液因盐离子与蛋白质部分结合,有保护蛋白质不易变性的优点,因此在提取液中加入少量NaCl等中性盐,一般以0.15mol/L浓度为宜。缓冲液常采用0.02～0.05mol/L磷酸盐和碳酸盐等渗盐溶液。
2.1.2 加热法
当绿色汁液温度达70℃左右时,其中叶蛋白开始凝固和沉淀。为了使叶蛋白从汁液中充分分离出来,可分次给汁液加热:第一次将汁液加热到60～70℃,后速冷至40℃,此次滤出的沉淀中主要是绿色蛋白;第二次将汁液加热到80～90℃,并保持2～4min,此次的凝固物主要是白色的细胞质蛋白[11]。这种方法是应用最早,最普遍的一种絮凝方法,其主要优点是操作方便,沉淀快、絮凝物结构紧密,易过滤收集,加热能破坏叶绿素酶,使叶绿素得到保护。但是,由于加热法能耗高,故生产成本较大。
2.1.3 酸碱法
此法是利用蛋白质在等电点条件下或强碱作用下的变性沉淀。其中酸法是用盐酸将汁液的 pH 调节至4.0 左右直至产生叶蛋白沉淀。它操作方便, 节省能耗,成本低,沉淀快,可减少生物碱含量[12]。碱法可以将 pH 调节至强碱条件(大于10), 以产生较好的絮凝效果,并且能够尽快地降低植物酶的活性, 从而提高胡萝卜素、叶黄素等的稳定性。但是由于米糠[13]中的蛋白质与纤维素、糖类、植酸盐等其他成分键合牢固,使得米糠蛋白较其他植物蛋白的提取困难。米糠蛋白的传统提取方法是采用强碱溶液提取,但提取效果较差。而且,在强碱作用下,蛋白质中的赖氨酸与丙氨酸或胱氨酸会发生缩合反应,生成有毒物质(对肾脏有害),丧失食用价值。
2.1.4 纯蛋白质沉淀法
榨汁液加热至沸5min,冷却,加入质量分数为6% CuSO4 与1.25% NaOH溶液,待沉淀完全后过滤,用沸水洗涤, 沉淀物烘干。
2.1.5 电浓缩法
在叶蛋白汁液中加直流电而使其凝絮, 此法在美国投入了生产,电浓缩法[14]在华中农大实验室已试验成功,要形成工业化生产还需进一步研究。
2.1.6 有机溶剂沉淀法
一些和脂质结合比较牢固或分子中非极性侧链较多的蛋白质和酶,不溶于水、稀盐溶液、稀酸或碱中,可用乙醇、丙酮和丁醇等有机溶剂,它们具有一定的亲水性和较强的亲脂性,是理想的提脂蛋白的提取液。在汁液中加入有机溶剂,降低介电常数,使蛋白质沉淀析出,它可除去类脂化合物、叶绿素及类胡萝卜素等植物色素和导致叶蛋白有不良风味和颜色的多酚类物质,使其易干燥,消化率升高。缺点是操作复杂,投资大,成本高, 难以规模化生产[15]。
2.1.7 发酵酸法
将新鲜营养酸模切成约1.0cm长的碎片,按1∶0.9的质量比加入自来水用食品加工机打浆1.5min后过滤,挤压出汁。采用德氏乳杆菌或泡菜水制成的发酵酸沉淀剂将汁液中的蛋白质沉淀出来,用离心机以3 000r/min的转速离心5min,将蛋白质沉淀物烘下,测其蛋白质含量。
泡菜水的制备[16]:将大白菜洗净,放入已清洗消毒的泡菜坛内,添加凉开水浸没,自然发酵5d(室温27℃左右),得到pH 4.0～3.6的泡菜酸,备用。
德氏乳杆菌发酵淀粉糖化液的制备:称取可溶性淀粉150g,加蒸馏水600g,将其加热至50～75℃:加入淀粉酶2g,CaCl2 2.5g。在此温度范围内保温3.5h,然后加水稀释至18～20倍;加入适量德氏乳杆菌(1.2027)菌液,在30℃条件下保温26～40h,得到pH 4.0～3.6的发酵酸,备用。
2.1 几种生产方法的比较
这几种方法中,纯蛋白沉淀法被认定为所有样品中蛋白质已完全沉淀,其测定结果是衡量其他方法叶蛋白沉淀效果的参比标准,其他5种方法的叶蛋白沉淀量只有纯蛋白法的57.4%～92.4%,其沉淀率平均值高低顺序是:发酵酸法(92.4%)>90℃加热法(70.5%)>60℃加热法(67.2%)>酸碱法(62.1%)>有机溶剂法(57.4%)。经方差分析,发酵酸法与加热90℃法的沉淀量之间差异不显著,而发酵酸法与加热60℃法、酸碱法、直接离心法的沉淀量之间差异显著。由此说明,发酵酸法沉淀榨汁液中蛋白质的效量与90℃加热法相当,而远高于60℃加热法、酸碱法和有机溶剂法。通过以上介绍的几种方法进行比较,以纯蛋白质沉淀法最为有效,发酵酸法次之,即提取的叶蛋白质含量最高,但是由于纯蛋白质沉淀法成本较发酵酸法成本较其他几种也是最高,加热法、酸碱法和有机溶剂法较容易使蛋白质变性失活进而失去食用价值,而电浓缩法不仅提取效率比较低而且成本较高。相比之下,发酵酸法不仅提取效率高而且成本比其他方法低(尤其是相对于纯蛋白质沉淀法和电浓缩法),最适用于大规模的工业化生产。
发酵酸法的优势:1.利用乳酸发酵酸液作叶蛋白沉淀剂,对叶蛋白的聚沉反应发生快,聚凝度高,聚凝物呈大团块,下沉快,反应历程可分成聚凝与沉降两个阶段,与其他叶蛋白沉淀方法的聚沉反应有明显区别;2.发酵酸的酸效应使叶蛋白呈等电点沉淀,发酵酸有较大的缓冲容量和较高的电导率,这些性质都可影响叶蛋白的电学性质,因而能增加其聚凝效果;3.发酵酸液中含有的活性菌和生物活性大分子都有聚凝叶蛋白的作用,其凝聚强度与菌数量和活性呈正相关,故制备的发酵酸越新鲜,活性菌数量越多,生物活性越高,对叶蛋白聚凝的质量和数量越高。
3 发酵法提取叶蛋白的应用前景
前景提取 篇4
六烯酸) 就是一种极其重要的ω-3系多不饱和脂肪酸, 它是组成大脑和视网膜的重要结构物质[1], 是维持大脑和视力正常功能所必需的脂肪酸, 对胎儿和婴幼儿大脑及视觉的生长发育有促进作用, 对老年人的大脑和视觉功能衰退也有延缓作用[2, 3]。另外, DHA还具有降血脂、降血压、抗血栓、抗炎症以及抗过敏等作用, 并且在防治心血管疾病、预防各种癌症、治疗气喘和关节炎、调节免疫功能、抑制肿瘤、促进智力发育等方面都有着积极的作用[4~6]。最近, 国外的一些研究表明DHA在缓解心理和行为异常疾病方面有良好的效果[7], 所以DHA是很好的医药和营养食品成分, 目前广泛受到医疗界和食品界的关注[8, 9]。但是人体从必需脂肪酸合成的DHA的能力十分有限, 因此从饮食中摄取足够的DHA就显得十分重要的, 所以DHA可作为食品添加剂或营养强化剂已被开发成各种保健品、食品及饲料等, 从而改善人类的膳食结构, 增强机体的免疫力, 市场潜力巨大, 被誉为“21世纪功能性食品的主角”。我国在2000年已批准DHA作为营养强化剂。
目前, 生产DHA的商业资源主要是从深海鱼油 (如沙丁鱼、金枪鱼等鱼油) 中进行分离而得到的。但是随着渔业资源的日渐紧缺, 从鱼油中提取DHA时也面临着一些问题: (1) 从鱼油中提取的DHA因胆固醇含量高, 并且带有鱼腥味, 极大地影响了产品的品质; (2) 鱼油中DHA的含量又是随着鱼的种类、季节、地理位置以及人类的捕捞时间等条件的变化而变化; (3) 在对鱼油进行加工过程中的氢化处理工艺降低了鱼油中的DHA产量, 造成了DHA不必要的浪费; (4) 由于一般鱼油中的DHA含量不是很高, 同时还含有大量其他饱和及低不饱和的脂肪酸, 因而浓缩较为困难, 加工处理过程复杂, 从而提高了DHA生产的成本, 使得DHA的价格极为昂贵。故从鱼油中分离得到的DHA无论是数量还是质量都难以满足社会的需求, 另外从鱼油中纯化得到的DHA还具有一定的难度, 因此寻找廉价的DHA生物资源提取的可替代的新途径受到国内外学者的广泛关注。
随着研究的继续深入, DHA新的生理功效及作用机理不断被发现和揭示, 并且不少学者发现许多种类的微藻以及海洋真菌都能自身合成DHA, 并且其相对含量远远高于鱼油中的DHA含量, 而DHA含量丰富多集中于海水金藻、甲藻、隐藻、硅藻等海生异养微藻以及海洋真菌中的破囊壶菌和裂殖壶菌中, 而且主要以储存油和膜脂形式存在。因此, 近年来以生物工程手段培养的海洋微生物以及藻类生产的单细胞DHA油引人注目, 从海洋藻类中开发具有生物活性物质的巨大潜力, 因为它具有以下的优点: (1) 这些从海洋微生物以及藻类中提取得到的DHA油没有鱼腥味、不含胆固醇以及DHA含量高, 从而保证了DHA的质量; (2) 这些海洋微生物以及藻类的细胞中脂肪酸组成简单, 这样就减少了DHA提取过程中其它成份的干扰, 简化了纯化的过程, 从而减少DHA在生产过程中一些费用, 降低了DHA生产的成本; (3) 有些藻类可以直接被人类食用, 这样就避免了提纯过程中的氧化分解; (4) 许多藻类可进行大规模的人工培养, 产量高, 生长周期短。 (5) 由于这些海洋微生物以及藻类生产能全年进行, 不受季节和天气限制, 而且现阶段细菌和真菌发酵技术很成熟, 藻类培养已发展到高密度培养。这些优点使得对海洋微生物生产DHA的研究也变的异常活跃, 但是还存在一些缺点:如菌体生长速率菌体脂质含量低, 生物菌体老龄化等等。
微生物发酵生产多不饱和脂肪酸是一项新兴且颇具发展前景的生物产业。由于裂殖壶菌发酵生产DHA可以克服从鱼油获取DHA的数量不足, 特别是利用了生物技术, 从而使得微生物种子和生长条件都可以受到严格控制, 保持DHA产量和含量的稳定;并且裂殖壶菌在发酵生产DHA时, 一般合成EPA及其他多不饱和脂肪酸较少, 这样就有利于DHA的分离浓缩, 制备得到高纯度DHA;而且我们还可以利用基因修饰、菌种筛选和突变等手段, 从而提高微生物生产DHA的产量和纯度, 所以破囊壶菌发酵生产DHA极具有工业规模化生产的潜力。
随着人们对ω-3多不饱和脂肪酸研究的深入, ω-3多不饱和脂肪酸的需求量也与日俱增, 是一种很有市场前景的产品。近年来采用海洋微生物生产DHA的研究虽已取得一定的进展, 但是目前对DHA的真菌发酵研究大多只停留在实验室的摇瓶培养的研究阶段, 而且多数生产DHA的真菌的产量并不高, 使得现阶段对微生物发酵生产多不饱和脂肪酸的重点仍然是寻求高产菌株和研究发酵工艺, 以及由于菌体生长速率、菌体脂质含量较低而尚未能实现工业化生产, 因此, 要实现DHA的产业化, 亟待解决的问题是, 继续筛选高产DHA菌株和改良现有菌种以提高从的产量, 并进一步优化DHA的发酵条件, 加强代谢调空的研究, 建立高效的目标产物分离提取手段, 以实现工业化大规模生产。
摘要：DHA是大脑及视力正常发育所必需的脂肪酸, 目前利用海洋微生物生产DHA是近年来海洋活性质开发的一个热点物。本文主要探讨在一定温度一定转速下裂殖壶菌在发酵过程中PH、溶氧、生物量以及残糖量的变化情况。
关键词：裂殖壶菌WZ101,培养,溶氧,消泡
参考文献
[1]ConnerWE, NeuringerM, ReisbickS.NutrRev, 1992, 50:21￣29.[1]ConnerWE, NeuringerM, ReisbickS.NutrRev, 1992, 50:21￣29.
[2]MitchellDC, GawrischK, Litman-BJetal1Biochem.Soc.Trans1, 1998, 26:365￣370[2]MitchellDC, GawrischK, Litman-BJetal1Biochem.Soc.Trans1, 1998, 26:365￣370