紫甘蓝色素提取工艺研究

毕业论文（设计）论文题目： 紫甘蓝色素提取工艺研究学生姓名： 黄小春学 号： 1007020214所在院系： 化学与化工系专业名称： 应用化学届 次： 2014 届指导教师： 佟玲目 录前言 .31 实验材料和方法 .51.1 仪器设备 .51.2 材料和试剂 .51.3 实验方法 .51.4 主要影响因素的确定 .62 实验结果与分析 .62.1 单因素实验 .62.1.1 浸提液的酸碱度对提取效果的影响 .62.1.2 浸提溶剂用量（液固比）对提取效果的影响 .72.1.3 浸提温度对提取效果的影响 .72.1.4 浸提时间对提取效果的影响 .82.2 正交实验 .82.2.1 正交实验设计 .82.2.2 正交实验 L9(34)结果与讨论 .93 结论与展望 .103.1 结论 .103.2 展望 .10参考文献： .12致谢 .1淮南师范学院 2014 届本科毕业论文1紫甘蓝色素提取工艺研究学生：黄小春（指导老师：佟玲）（淮南师范学院化学与化工系）摘 要: 用新鲜紫甘蓝作为色素提取原料，使用常规水浴方法，在酸性条件下进行天然紫甘蓝色素的提取。研究了在提取紫甘蓝色素的过程中，所用的盐酸浓度（pH 值） 、盐酸用量（液固比）以及提取的所需温度、所用时间对色素提取产量的影响。在单因素实验的条件下，又采用正交实验方法对色素提取过程的工艺条件进行了优化。从而确定了紫甘蓝色素提取的最佳工艺参数:盐酸浓度为 0.05mol/L，液固比 10：1，50C，浸提 1-3h。关键词: 紫甘蓝；色素；盐酸；水浴；单因素实验；正交实验Purple cabbage pigment extraction technology was studiedStudent: Huang Xiaochun(Faculty Adviser：Tong Ling)(Department of Chemistry and Chemical engineering, Huainan Normal University)Abstract: The use of fresh purple cabbage pigment extraction using conventional as raw material, water bath method ,extraction of natural pigment from purple cabbage under acidic conditions.In the process of extraction of purple cabbage pigment,hydrochloric acid concentration used(pH value),the amount of hydrochloric acid (the ratio of liquid to solid)as well as the extraction of the desired temperature,the time of pigment extraction yield.In the single factor experiment conditions,and by orthogonal experimental method for pigment extraction technological conditions were optimized.Thus the optimal technological parameters of the extraction of purple cabbage pigment determination:hydrochloric acid concentration is 0.05 mol/L, liquid to solid ratio 10:1 ,50 C, leaching 1 to 3h.紫甘蓝色素提取工艺研究2前言食用色素是食品添加剂 1的一种，广泛应用在食品、化妆品、医药等行业。食用色素又分为天然食用色素与人工合成食用色素，天然食用色素一般来源于微生物和植物组织中的色素，有红曲米、胡萝卜素、姜黄、叶绿素、甜菜红、辣椒红素和糖色等，都是天然对人体无害的色素。在合成色素发明之前，人们一直使用天然色素进行着色，是改善食品色泽良好的食品添加剂。而人工合成食用色素是从近代才开始使用，它是煤焦油系列的苯胺染料化合物，又被称作煤焦油色素或者苯胺色素，主要有胭脂红、苏丹红、合成苋菜红、日落黄、柠檬黄等等。其色泽鲜艳，着色力强于天然色素，而且不容易褪色，性能比较稳定，用量也相对较少，价格低廉，曾一度被大量使用。随着科技的发展，各种相关的研究报告指出，人工合成食用色素对人体危害极大，几乎所有的合成色素都不能够向人体提供任何营养物质，而且还会造成慢性中毒、致癌、致畸等一系列影响人们健康的问题。因此许多国家相继制定了许多法律法规来限制人工合成食用色素的使用，在许多发达国家，人工合成色素已禁止作为食品添加剂在食品中添加使用。天然色素对人体有益无害，又保持了天然物质的本色，更为消费者所青睐 2-5。利用天然食用色素作为食品添加剂，安全性高，对人体的多种疾病还具有一定的药理作用，其色泽自然鲜艳，有一定的营养价值和保健功能。因此，天然食用色素资源的开发研究和应用，更具有重要的社会意义。紫甘蓝，又称红甘蓝、赤甘蓝、紫包菜等，十字花科，芸苔属甘蓝种中的一个变种。紫甘蓝抗寒力强，生长期短，对环境适应性较强。色素含量高，产量大，耐储藏，富含多种维生素，膳食纤维等营养物质 6-8。紫甘蓝色素由多种花色苷组成，另外，色素中还含有黄酮和单宁等。花色苷是由花青素在自然状态下与糖以糖苷键结合而成的一类化合物，是良好的天然色素资源。花色苷在植物的果实、花、茎、叶和根器官的细胞液中广泛存在，呈现由红到紫红到蓝等多种颜色。花色苷是类黄酮物质，一般情况下为水溶性 9-10，但受 pH 值的影响会变色，酸性条件下呈红色，中性条件下为紫色，碱性条件下呈蓝色，对温度、光、氧等均敏感。能够吸收紫外光，使生命过程正常进行，同时对冠心病、心肌缺血、循淮南师范学院 2014 届本科毕业论文3环紊乱、心绞痛等等，具有预防和治疗的作用，并能在一定程度上延缓癌细胞的生长。花色苷作为一种天然色素，被广泛应用于食品、保健品、化妆品等行业。紫甘蓝色素中的花色苷对心脑血管疾病具有预防作用，对人体内自由基的清除、肿瘤细胞的抑制等有一定的效果 11。紫甘蓝色素具有提取方便、显色范围广、色调柔和等特点，是一种良好的水溶性天然色素。还可以抑制巴拉刈伤害，清除人体活性氧自由基，延缓人体衰老，是一种新型的天然色素。国外已经有报道将紫甘蓝色素用作食品的着色剂的研究，且多见于日本、美国等地而国内的研究较为少见。从紫甘蓝中提取色素并进行稳定性研究，对扩大天然食用色素品种和综合利用农资具有实际意义和经济效益 12-13。本实验围绕紫甘蓝色素的提取展开，介绍了如何使用常规水浴粗提和精提紫甘蓝色素，并介绍了其它色素提取方法，为紫甘蓝色素资源的充分合理开发利用提供一定指导意义。紫甘蓝色素提取工艺研究41 实验材料和方法1.1 仪器设备TU-1901 紫外 -可见分光光度计、HH-S 恒温水浴锅 (江苏省金坛市正基仪器有限公司)、亚太牌 BP-II 托盘天平、SHZ-DM 循环水真空泵（郑州英峪予华仪器有限公司）1.2 材料和试剂盐酸（分析纯） 、新鲜紫甘蓝（购自当地农贸市场） 、容量瓶、烧杯、玻璃棒、胶头滴管、抽滤装置等1.3 实验方法色素的主要提取方法有水提法、有机溶剂提取法、碱提法、酸提法、超临界二氧化碳萃取法、微波提取法等。水提法 所需的设备比较简单，易于操作，是最早使用的方法。水提法提取效率低，时间较长，常常与其他方法结合使用。有机溶剂提取法 目前提取色素最常用的方法，常用来作有机溶剂的有石油醚、甲醇、乙醇等。使用有机溶剂提取，操作简便，使用的设备也比较简单，而且提取率较高。但是提取纯度低，提取质量也比较差，而且有异味和溶剂残留，影响正常使用。碱提法 效率不如有机溶剂高，但经济，安全，具有一定的应用价值。其主要原理是应用碱对多种物质的影响作用，来提取色素。酸提法 常用的色素提取方法之一，效果比较好。但消耗酸量大，废液处理对环境影响也较大，酸的 pH 设置对色素的结构和性质也会产生影响。超临界二氧化碳萃取法 萃取剂便宜，而且提取工艺简单，提取出来的色素纯度比较高，安全性能好，目前逐渐受到重视。微波提取法 溶剂用量较小，能短时间内完成多样品组分的提取，弥补了超临界萃取和溶剂萃取的缺陷，且操作费用低，对环境影响小，具有良好的发展前景。本实验使用的方法是常规水浴法，在酸性条件下提取色素。称取 5.0g 切碎的紫甘蓝置于烧杯中,根据实验要求加入盐酸溶液作为提取剂，在相应的温度下提取一定时间，然后趁热减压抽滤，吸取一定体积的滤液，用 0.05mol/L 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文5盐酸溶液定容于容量瓶中，作为待测液，用紫外-可见分光光度计测定其紫外可见区域内的吸收曲线，确定紫甘蓝色素的最大吸收波长为 531nm，然后在最大吸收波长下分别测定待测溶液的吸光度 14-15。实验仅是对紫甘蓝色素的粗提，色素的纯化需浓缩后，用 AB 一 8 大孔吸附树脂中进行交换处理，用去离子水洗涤，除去色素中的糖类等一系列水溶性杂质，再用一定浓度的酸性乙醇溶液进行洗脱色素，旋转蒸发后得到浓缩的膏状色素。 1.4 主要影响因素的确定称取一定量切碎的紫甘蓝，由文献可知，紫甘蓝色素是一种水溶性良好的色素，因此，选用盐酸溶液作为提取溶剂 16。因为浸提液的酸碱度（pH 值） 、浸提液与浸提物的比例（液固比） 、浸提时间、浸提温度、浸提次数等因素，都对色素的提取效果有影响，所以实验选用盐酸浓度（pH 值） 、盐酸用量、温度、时间这些因素先进行单因素实验 17，用 TU-1901 紫外-可见分光光度计分别测定提取液的吸光度，根据实验结果，在单因素实验的基础上再进行 L9（3 4）正交实验 18，选出紫甘蓝色素提取的最优条件组合，本实验详细地讨论了以上这些因素对色素提取效果的影响。2 实验结果与分析2.1 单因素实验2.1.1 浸提液的酸碱度对提取效果的影响称取 10 份紫甘蓝样品，每份 5.0g 置于烧杯中，然后分别加入不同浓度的盐酸，在60下水浴浸提 1h，减压抽滤。从每份滤液中吸取 10mL 滤液于容量瓶中，分别用0.05mol/L 盐酸稀释至 100mL，用紫外分光光度计测定待测溶液的最大吸收波长，然后在其最大吸收波长下分别测定不同浓度下的浸提液吸光度 A 值，结果如表 1 所示。表 1 盐酸浓度对紫甘蓝色素提取的影响Table 1 Effect of hydrochloric acid concentration on the extraction of purple cabbage pigment盐酸浓度（mol/L） 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50吸光度（A） 0.095 0.382 0.586 0.526 0.586 0.766 0.924 0.673 0.628 0.575 用不同浓度的盐酸溶液作浸提液对紫甘蓝色素进行浸提，由表 1 可知，随着盐酸紫甘蓝色素提取工艺研究6浓度的升高，紫甘蓝色素的吸光度值先升高后又逐渐降低，考虑到酸性越强，色素的性能越稳定，因此盐酸浓度为 0.35mol/L 时提取效果最好。 2.1.2 浸提溶剂用量（液固比）对提取效果的影响称取 7 份紫甘蓝样品，每份 5.0g 置于烧杯中，分别加入25mL、 50mL、75mL 、100mL、125mL、150mL 、 175mL 0.35mol/L 盐酸溶液，在 60下浸提 1h，减压抽滤，从每份滤液中吸取 10mL 滤液于容量瓶中，分别用 0.05mol/L盐酸稀释至 100mL，分别测定不同盐酸用量下浸提液的吸光度 A 值，结果如表 2 所示。表 2 盐酸用量对紫甘蓝色素提取的影响Table 2 Effect of hydrochloric acid concentration on the extraction of purple cabbage pigment液固比(mL/g) 5:1 10:1 15:1 20:1 25:1 30:1 35:1吸光度（A） 0.943 0.783 0.970 1.012 0.983 0.945 0.765由表 2 可知，随着盐酸用量的增加，紫甘蓝色素提取液吸光度增大，当液固比达到 20:1 时达到最大，而后提取效果有所下降，一般来说溶剂用量越大浸提率就会越高，但由于过大的体积比会造成溶剂和能源的浪费，为了减免不必要的损失，液固比取20：1 较为合适。2.1.3 浸提温度对提取效果的影响称取 7 份紫甘蓝样品，每份 5.0g 置于烧杯中，液固比为 20:1，分别在 30、40、50、60、70、80、90下浸提 1h，减压抽滤，各取滤液 10mL，用 0.05mol/L盐酸稀释至 100mL 于容量瓶中，分别测定不同温度下浸提液的吸光度 A 值，所得结果如表 3 所示。表 3 浸提温度对紫甘蓝色素提取的影响Table 3 Effect of extraction temperature on the extraction of purple cabbage pigment温度（） 30 40 50 60 70 80 90 吸光度（A） 0.521 0.677 0.987 0.984 0.763 0.706 0.482由表 3 可知，随着提取温度的升高，吸光度 A 值增加，而后又有所下降，考虑是因为过高的温度会对紫甘蓝色素的结构和性质产生破坏，因此色素浸提时，浸提温度淮南师范学院 2014 届本科毕业论文7不宜太高，所以以 50左右为最佳浸提温度，进行下面的实验。2.1.4 浸提时间对提取效果的影响称取 7 份紫甘蓝样品，每份 5.0g 置于烧杯中，液固比为 20:1，温度为 50，分别浸提 0.5h、1h、2h、3h、4h 后，减压抽滤，各取滤液 10mlL，用 0.05mol/L 盐酸稀释定容于 100mL 容量瓶中，分别测定不同时间下浸提液的吸光度 A 值，所得结果如表 4所示。表 4 浸提时间对紫甘蓝色素提取的影响Table 4 Effect of extracting time on the extraction of purple cabbage pigment时间（h） 0.5h 1h 2h 3h 4h 吸光度（A） 0.199 0.286 0.317 0.346 0.355由表 4 可知，随着浸提时间的增加，色素吸光度值逐渐增大，但超过 3h 后，数值变化改变不大，由此可知，浸提时间的延长对浸提效果影响不大。其原因可能是因为随着时间的增加，色素开始降解。 由表 4 分析及考虑到时间效益，将浸提时间确定为1h-3h。 2.2 正交实验2.2.1 正交实验设计以单因素实验所得的结果，选择浸提温度、浸提时间、提取液盐酸浓度、浸提液与浸提物比例（液固比）作为考察因素，分别称取 5.0g 紫甘蓝样品，进行 L9（3 4）正交实验，选出提取紫甘蓝色素的最佳条件组合，并确定各因素影响的重要性次序。具体考察的因素和水平设计如表 5 所示。表 5 正交实验选取的水平和因素Table 5 Levels and factors of orthogonal experiment selectedA B C D水平 温度（） 时间（h） 盐酸浓度（mol/L ） 液固比(mL/g ) Level Temperature（ ） Time(h) Concentration Solid-liquid ratio（mol/L） (mL/g) 1 30 1 0.05 10:12 50 2 0.20 20:1紫甘蓝色素提取工艺研究83 70 3 0.35 30:1注: 固定