（应用化学专业论文）紫甘薯花色苷色素提取纯化工艺研究及组分分析.pdf

摘要 y6 1 8 4 7 0 紫甘薯( p u r p l es w e e tp o t a t o ) 属旋花科一年生草本植物，是新近开发出的一 类优良特异的甘薯品种，其富含具有明显抗氧化作用的保健型天然花色苷色素， 是一种较好的提取花青素类色素资源，引起国内外的广泛关注。 本课题选用青岛农科所提供的紫甘薯新品种，考察其色素的提取和纯化工艺、 理化性质和稳定性，并对该品种中色素的不同组分进行初步分离分析。 实验结果表明，紫甘薯色素最佳提取条件为：温度6 0o c ，时间1 小时，料液 比l ：2 5 ，提取液为0 5 9 6 盐酸水溶液，提取两次。采用a b 一8 大孔树脂对该色素粗 提液进行纯化，测得树脂的饱和吸附容量为0 0 5 5 9 m l 树脂。将该树脂循环使用 5 次后，色素收率均在8 5 9 6 以上。通过树脂纯化，色素液中还原糖和淀粉的含量大 幅度下降。在此工艺下进行提取，紫甘薯色素的产率可达7 4 ( 以色价= 1 2 计) 。 紫甘薯色素为水溶性色素，在酸性溶液中呈现稳定的红色。该色素在低温下 避光存放具有较好的稳定性，可长期放置；但在长时间受热或曰光直射时，稳定 性显著下降。金属离子对该色素影响较小，其中，f e “使色素稳定性下降，a 1 3 + 对 其具有较强的增色作用。此外，该色素对抗坏血酸较敏感，使用时应注意。 采用柱层析从紫甘薯色素中分离出三个组分，利用薄层层析、液相色谱和紫 外- 可见光谱分析，结合一定的化学方法和有关文献，进行初步鉴定。其中，组分 i i 和组分i 为纯度较高的花色苷，分别为3 位成苷的芍药色素( 双酰化) 和3 ，5 位 成苷的芍药色素；组分i 推测为黄酮类物质，且其成分较为复杂。 采用薄层层析比较了在不同状态保存时组分i i 和组分的稳定性。结果表明， 以紫甘薯粉的状态保存时，组分i 的稳定性优于组分i i ，影响稳定性的因素可能 主要是氧化分解；而提纯后以酸性溶液状态存放时，乙酰化反应是影响稳定性的 主要因素。但是酰化反应并不破坏色素的发色结构，因此从保持色素色价稳定性 的角度，将色素存放在酸性溶液中比较合理。 关键词：紫甘薯；花色苷；提取纯化工艺；稳定性：组分分析 t h es t u d yo nt h et e c h n o l o g yc o n d l t l o n so fe x t r a c t i o na n d p u r i f i c a t i o n a n d c o m p o n e n ta n a l y s i s o f a n t h o c y a n i n s p i g m e n t f r o m p u r p l e s w e e t p o t a t o a b s t r a c t p u r p l es w e e tp o t a t o ( i p o m o e ab a t a t a s ) ，an e wv a r i e t yo fs w e e tp o t a t o 。i s c o m p o s e do fa b u n d a n ta n t h o c y a n i n st h a t m a k ei tap o t e n t i a lr e s o u r c ef o r a n t h o c y a n i n sp i g m e n t t h e p r e s e n tt h e s i sw a s f o c u s e do nt h ea n t h o c y a n i n sp i g m e n tf m m p u r p l e s w e e t p o t a t oc u l t i v a t e di nq i n g d a o ，i n c l u d i n gt e c h n o l o g y c o n d i t i o n so fe x t r a c t i o n a n d p u r i f i c a t i o n 。s t a b i l i t i e sa n dc o m p o n e n ta n a l y s i s t h eo p t i m u me x t r a c t i o nc o n d i t i o n sh a v eb e e no b t a i n e d w h i c hi n c l u d e d t e m p e r a t u r e6 0o c ，0 5 h y d r o c h l o r i ca c i d ，t h er a t i oo fs w e e tp o t a t op o w d e r t o t h ee x t r a c t i o nr e a g e n t1 ：2 5 ，a n de x t r a c t i n gt i m e1h o u rf o rt w ot i m e s t h ec r u d e p i g m e n t w a s p u r i f i e db ya b 一8m a c r o - p o r o u sr e s i na n d t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y o ft h er e s i nw a sd e t e r m i n e dt ob e0 0 5 5 9 m lr e s i n a f t e rf i v et i m e su s e d ，t h e a d s o r b i n ga b i l i t ys t i l lk e p tu po v e r8 5 t h r o u g h t h er e s i np u r i f i c a t i o n t h em o s t r e d u c i n gs u g a r sa n d s t a r c hi nt h e p i g m e n tl i q u i d w e r er e m o v e d i nt h i s t e c h n o l o g y , t h ep r o d u c i n gr a t eo ft h ep u r p l es w e e tp o t a t op i g m e n tr e a c h e d 7 4 ( t h ec o l o rv a l u e w a s t 2 ) t h ep r o p e r t i e sa n ds t a b i l i t i e so ft h ep u r p l es w e e tp o t a t o p i g m e n tw e r e c o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep i g m e n tw a st h ew a t e r - s o l u b l ep i g m e n t a n dp r e s e n t e dt h es t e a d yr e di nt h ea c i ds o l u t i o n t h e p i g m e n th a db e t t e r s t a b i l i t yt ob ek e p tf o ral o n gt i m ea tl o wt e m p e r a t u r ea n da v o i d i n gl i g h t t h e s t a b i l i t yo ft h ep i g m e n td r o p p e dn o t a b l yi nh e a t i n go rs u n l i g h tl o n g - t i m e m e t a l i o n sh a dl i t t l ei n f l u e n c et ot h i sp i g m e n t ，a m o n gt h e m ，a 1 3 + d e e p e n e dt h ec o l or w h i l ef e 2 + f a d e di t b e s i d e s ，t h i sp i g m e n tw a ss e n s i t i v et ov i t a m i nc t h r e ec o m p o n e n t sw e r ei s o l a t e dt h o u g h tc o l u m nc h r o m a t o g r a p h yo ns i l i c a g e l t h e ya r ei d e n t i f i e dp r e l i m i n a r yo n t h eb a s i so fh p l c ，u v ic h e m i c a lm e t h o d s a n dc o m p a r i s o nw i t hd a t ai nt h el i t e r a t u r e s a m o n gt h e m ，c o m p o n e n ti ia n d c o m p o n e n t1 1 1 w e r e p u r e ra n t h o c y a n i n s ，t h e yw e r ep e o n i d i n 一3 - g l y c o s i d e ( d i a c y l a t e d ) a n dp e o n i d i n - 3 ，5 一g l y c o s i d er e s p e c t i v e l y c o m p o n e n t1w a s i n f e r r e d t ob ef l a v o n o i d sa n d c o m p r i s e dc o m p l e xc o m p o n e n t s t h ed i f f e r e n c eo fs t a b i l i t i e sw e r ec o n t r a s t e db e t w e e nc o m p o n e n ti ia n d c o m p o n e n t1 1 i i nd i f f e r e n t p r e s e r v a t i o ns t a t e s t h er e s u i t si n d i c a t e dt h a tt h e s t a b i l i t i e sh a dr e l a t i o nw i t ht h es t r u c t u r e so fa n t h o c y a n i n s c o m p o n e n t1 1 1w a s s u p e r i o rt oc o m p o n e n t i ia tt h es t a t eo fs w e e tp o t a t o p o w d e r s i t i st h e o x i d a t i o nm a i n l yt oi n f l u e n c et h es t a b i l i t y o nt h eo t h e r h a n d 。c o m p o n e n t 1 1w a s s u p e r i o r t o c o m p o n e n ti i i i nt h ea c i ds o l u t i o n a tt h i s m o m e n t ，i t i st h e a c e t y l a t i o nm a i n l y t oi n f l u e n c et h es t a b i l i t y h o w e v e r , t h ec h r o m o g e n i cs t r u c t u r e o fa g l y c o nw a sn o td e s t r o y e db ya c e t y l a t i o n t h e r e f o r e t h ep i g m e n ts h o u l db e k e p ti na c i ds o l u t i o n z h a o x i a y a n g ( a p p l i e dc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f w u nw a n g k e yw o r d ：p u r p l es w e e tp o t a t o ；a n t h o c y a n i n ；e x t r a c t i o n ；p u r i f i c a t i o n ；s t a b i l i t y ； c o m p o n e n ta n a l y s i s 第一章文献综述 第一章文献综述 食品的色泽是人们对于食品食用前的第一个感性接触，是人们辨别食品优 劣、产生喜厌的先导，也是食品质量的一个重要指标，食品的色感好，对增进 食欲也有很大作用。 以食品着色和改善食物色泽为主要目的食品添加剂称为着色剂，也称为色 素。按来源可分为天然色素和合成色素两大类。 天然色素作为食品添加剂已有悠久的历史。然而，长久以来，由于合成色 素比天然色素的提取成本低，且其性质较稳定，着色力较强，因此，天然色素 发展相对较慢。近年来，随着医学毒理学和生物学研究工作的深入开展，化学 合成色素由于其大多数种类对人体有毒害作用，从而逐渐被天然色素所替代。 天然色素不仅可以应用予饮料、糖果、糕点、酒类等食品工业，而且也可应用 于化妆品及医疗保健品的生产。 天然色素按色调不同，可分为红紫色系列、黄橙色系列和蓝绿色系列。其 中，红紫色系列因应用广泛、种类繁多而倍受关注。主要包括：红曲色素、辣 椒红素、醌类、焦糖色素、花青素类等【1 1 。 在上述几类色素中，花青素是一类人们最为熟悉的水溶性色素，在人们经 常食用的一些水果和蔬菜( 如葡萄、萝h 、草莓等) 中大量存在。同时，花青 素也是世界上使用最为广泛的天然食用色素之一，因其安全性高，大多数国家 ( 如中国、日本、美国、欧共体国家等) 允许其用于食品的着色，美国f d a 将 其列入无须许可证的着色剂。 花青素具有类黄酮的典型结构，2 苯基苯并吡喃阳离子的衍生物。以 c 6 c 3 - c 6 为基本骨架，结构如下： 图1 - 12 - 苯基苯并吡哺阳离子 1 第一章文献综述 由于苯环中取代基、羟基和甲氧基的数量和位置不同，衍生出已知有6 种 主要的配糖体化合物，它们的名称、结构及主要来源如表1 - 1 所示【2 1 。 表1 - 1 食品中常见的六种花青素 自然条件下游离状态的花青素极其少见，而常与一个或多个葡萄糖、鼠李 糖、半乳糖等通过糖苷键形成花色苷。花色苷中的糖苷基和羟基还可以与一个 或几个分子的对位香豆酸、阿魏酸、咖啡酸等通过酯键形成较稳定的酰基化花 色苷【3 】。 目前国内外开发出许多以植物资源为原料的花青素类色素，已投入商业生 产的有葡萄皮色素、浆果类( 红莓、草莓、桑椹红、美洲茄色素等) 、玫瑰茄红、 甘蓝色素、萝i - 红、越橘红、紫苏、黑米红等。 葡萄皮红色素是最早应用的花青素色素，它是从红葡萄渣中提取的，并于 1 8 7 9 年在意大利上市1 4 1 。葡萄皮红耐光性较好，但耐热性较差，遇铁离子呈暗 紫色，多用于饮料、果酱等食品着色【5 】。 萝卜红色素是新近开发的一种以天竺葵色素为主要成分的天然红色素，但 是，由于现有工艺生产的萝h 红色素存在着不易分离的萝h 苷及其分解产物， 有明显的萝h 异味，因此该色素的应用受到一定程度的限制【6 】。 就目前的状况来看，对花青素类色素的研究重点，一方面应采取措施提高 已有产品的稳定性和着色性，另一方面应大力开发新的来源丰富且具保健作用 的植物资源，在降低成本的同时，提高色素品质。 第一章文献综述 紫甘薯( p u r p l es w e e tp o t a t o ) 属旋花科一年生草本植物，是新近开发出的 一类优良特异的甘薯品种，其肉质紫红，外观诱人，具有营养、着色和保健多 重作用，引起国内外的广泛关注。 1 1 紫甘薯花色苷的生理活性 紫甘薯的营养和保健价值是引起人们对其关注的一个重要因素。据本草纲 目记载，甘薯有“补虚乏、益气力、健脾胃、强肾阴”的功效【7 】。而紫甘薯块 根除含有普通甘薯的各种营养成分外，还富含具有显著天然抗氧化和清除自由 基等生理活性作用的天然红色素花青素类色素，从而显示出它独特的一些 生理活性。 1 1 1 抗氧化活性以及清除自由基功能 抗氧化活性是花青素类色素一项显著的生理功能。c h o is a n g w o n 8 荆用亚 麻酸自氧化和鼠肝微粒体系，考察了从葡萄、甘薯、茄子和红甘蓝中分离出的7 种不同的酰化的花色苷的抗氧化活性。研究发现，大多数酰化的花色苷都具有 同a - 生育酚一样强的抗氧化活性，特别是从紫甘薯中分离出的芍药素显示出与 丁基羟基茴香醚( h b a ) 相当的抗氧化活性。 f u r u t as h u 9 考察了2 1 种甘薯的乙醇提取物对叔丁基过氧自由基( t b u o o ) 的清除活性，发现其中含有花色苷的紫甘薯清除该自由基的活性最强。此外还 迸一步证实，对由亚麻酸自氧化而引起的脂过氧化，紫甘薯具有最强的抗氧化 作用。 目前，许多研究表明体内自由基可导致脂肪、蛋白质和核酸受到氧化损害， 而这种损害正是引起一些疾病如癌症、心血管疾病和神经性疾病的重要原因【9 】。 因而紫甘薯花色苷的抗氧化活性对于这些疾病的预防可能会起到非常重要的作 用。 1 1 2 抗突变活性 自然界中存在着大量致突变物，人类长期接触后可能引起基因突变，从而 引发肿瘤、畸形和遗传缺陷等。目前，人们日益重视从食物( 包括蔬菜、水果 等) 及无毒的药食同源的天然产物( 包括中草药) 中寻找抗突变剂，以防止细 胞突变。 3 第一章文献综述 y o m s h i m o t o 3 ，1 0 】利用鼠伤寒杆菌t a 9 8 ，评价了四种甘薯块根水提取物的抗 突变活性。研究发现特别是紫甘薯“a y a m u r a s a k i ”中的花色苷可有效地抑制杂 环胺、3 氨基1 ，4 - 二甲基5 氢吡哆( 4 ，3 _ b ) 吲哚、3 氨基- 1 甲基- 5 氢- 吡哆- ( 4 3 - b ) 吲哚和2 氨基3 甲基咪唑( 4 ，5 f ) 喹啉引起的突变作用。该实验强调 尤其是酰化的花色苷抗突变作用较强。 1 1 3 减轻肝功能障碍 s u d a 1 1 。1 2 l 进行了紫甘薯“a y a m u r a s a k i ”饮料的生理功效实验，给鼠喂食四 氯化碳，使体内产生游离自由基，引发急性肝炎，血清中的谷草转胺酶( g o t ) 和谷丙转胺酶( g p t ) 激增。实验表明紫甘薯饮料能明显抑制病鼠血清中g o t 和g p t 的上升，并对血清中的乳酸脱氢酶( l d h ) 、硫化巴比土酸反应物 ( t b a - r s ) ，肝脏中的t b a - r s 及氧化脂蛋白的增加都有一定的抑制能力，从 而减轻由c c h 引起的肝损伤。同时，将该饮料作用于肝损伤患者也有相似的功 效。 1 1 4 其它 此外，还有研究表明，紫甘薯中的花色苷具有血管紧张肽转化酶( a c e ) 抑制活性以及降低血压等功效【1 1 ，13 1 。 鉴于以上紫甘薯花色苷突出的生理功能，人们进行了大量研究来开发利用 该天然色素，评述如下。 1 2 紫甘薯花色苷色素研究进展 1 2 1 色素的提取、纯化和测定方法 紫甘薯原产于日本，因此对紫甘薯色素的研究，日本处于领先水平。对该 色素的提取方法、组分分析、色素性质、生理活性及应用等都有相关的报道， 其中对紫甘薯的改良品种“九州1 1 3 号”的原料预处理、色素提取方法以及该 色素在食品中的应用已申请专利【件1 5 1 。 2 0 世纪8 0 年代，我国引进了“紫玫瑰”、“紫山川”等一些品种，经过多年 改良，现已选育出产量较高的紫甘薯品种。自1 9 9 5 年，浙江农业大学的陆国权 等人对浙江省培育的紫甘薯进行了研究，初步探讨了该品种色素的提取、纯化 方法、稳定性以及加工方法对花色苷含量和组分的影响，并应用高效液相色谱 4 第一章文献综述 ( h p l c ) 鉴定出色素粗提物中含有1 2 个组分，但未进行进一步分离分析1 1 6 - 2 0 。 1 2 1 1 色素提取 目前对紫甘薯色素常用的提取方法主要为溶剂浸取法，通常采用酸性溶液 进行分步提取。国外多采用盐酸化甲醇、硫酸、乙酸或盐酸水溶液提取【1 4 ，2 m 5 1 ， 国内则采用柠檬酸、盐酸水溶液和酸化乙醇【1 6 _ 2 0 l 作为提取液。 因为紫甘薯属于季节性作物，原料的处理方式是一个需要考虑的因素。现 在多采用鲜薯直接提取【1 4 2 0 l ，此法操作工序简单易行，但杂质相对较多，且鲜 薯贮藏和运输不便，成本高。也可将其脱水干燥变成干制品后再进行提取1 1 5 6 1 。 将色素粗提液经减压过滤、减压浓缩后干燥得花色苷粗色素。 1 2 1 2 色素纯化 为得到纯度较高的花青素色素，应将粗提液进一步处理去除杂质。一般采 用树脂纯化的方法，如阳离子交换树脂、大孔吸附树脂、f i b 2 0 吸附树脂、 x a d 2 0 0 0 树脂等 1 5 , 2 0 , 2 5 - 2 7 1 。此外，还可采用醋酸铅沉淀法去除杂质，但考虑到 试剂毒性和操作简便程度，以树脂处理法较好【2 0 1 。 1 2 1 3 花色苷含量测定【2 0 】 目前可采用两种方法测定紫甘薯花色苷色素的含量： 1 ) 色价法 该法快速准确，简便易行，且不需要标准样品。只用普通分光光度计，先 测定色素在所用提取液中的最大吸收峰波长，然后在此波长下测定定量样品的 吸光度，就可求得色价。具体算式如下：色价e 1 l e m = a w 。式中a 表示样品溶 于1 0 0 m l 提取剂中，在一定波长下，用1 e r a 比色皿，控制在0 2 - 0 7 范围内的 吸光度。如果吸光度超过此范围，则可通过相应地增减样品量来控制。w 表示 样品重量( g ) 。该法如应用到育种上，可作为紫甘薯育种中花色苷鉴定的快速 实用的有效方法，这对于提高甘薯育种效率有重要意义。 2 ) 产率法 为使测定结果更为合理精确，国内外常用做法是以合成苋菜红为基准物来 计算其绝对含量。方法是依据紫甘薯和苋菜红的最大吸收波长都是5 2 0 n m ，制 作标准曲线，通过回归方程：y = 4 0 9 8 3 6 x + 0 7 2 1 3 ( y ：1 0 6 9 m l 一；x ：吸光度) 第一章文献综述 计算出提取液浓度“y ”，再根据样品重量计算提取产率。测出各样品含水量， 可换算成绝干重量。 此法不仅可以较准确地反映色素总含量，而且还可以测定并计算出色素各 组分含量，但它需要标准样品。 1 2 2 紫甘薯色素组分分析 除对紫甘薯色素的提取、应用研究外，有关此类色素组分分析的研究也取 得一定进展。 1 9 6 6 年，i m b e n f 2 1 】首先报道了甘薯茎的提取物中主要的花色苷为矢车菊色 素和芍药色素。1 9 8 3 年，t s u k u i 2 2 l 等人采用薄层层析方法鉴定出紫甘薯 “y a m a g a w a m u r a s a k i ”块根的色素粗提物中含有6 种不同组分，并初步确定其 属花青素类色素，主要为酰化的矢车菊色素和芍药色素。 1 9 9 2 年o d a k e 等【2 3 j 采用制备h p l c 技术分离并鉴定了此类紫甘薯色素中两 种主要花色苷的化学结构，分别为： 3 o 6 o ( e ) 咖啡酰2 一o 【6 o ( e ) 阿魏酰一1 3 - d 一毗喃葡糖基】一b d 一吡喃葡糖苷 一【5 o - ( b - d 吡喃葡糖苷) 】矢车菊素 ( 1 ) 和芍药素( 2 ) ( 见图1 - 2 所示) 。 o h r c a t - 驴叫二卜洲 阿：驴飞y o c 。h 一 ， t p h 日= j ，t ：卜o h 图1 - 2 紫甘薯“y a m a g a w a m u r a s a k i ”中花色苷的化学结构 6 斯阿h h 叫谢帅帅 r 钳涮嘶叫谢叫叫晰 r hhhh 第一章文献综述 1 9 9 7 年，g o d a f 卅鉴定了此类紫甘薯色素中另两类花色苷的化学结构，分别 为：3 - 0 ( 6 o 反式咖啡酰2 o 1 3 d 吡喃葡糖基1 3 毗喃葡糖苷) 5 - o 一昼- 葡糖苷 矢车菊素( 3 ) 和芍药素( 4 ) ( 见图1 - 2 所示) 。 1 9 9 9 年，t e r a h a r a 2 5 】进一步证实了该品种中共含有八种酰化的花色苷，其 中的六种为双酰化结构。除上述结构外，还有3 - 0 6 o ( e ) 咖啡酰2 o 【6 o ( e ) 一咖啡酰1 3 d 一吡喃葡糖基】- b - d 一吡喃葡糖苷) - 【5 - o - ( b - d 一吡喃葡糖苷) 】矢 车菊素( 5 ) 和芍药素( 6 ) 以及3 o 6 o ( e ) 咖啡酰2o 【6 o ( e ) 对羟 基苯甲酰一b - d - 吡喃葡糖基】- b d 一吡哺葡糖苷) 一【5 一o ( b d - 吡哺葡糖苷) 】矢车菊 素( 7 ) 和芍药素( 8 ) ( 见图1 - 2 所示) 。 近年来，日本又选育出花色苷含量较高的新品种“a y a m u r a s a k i ”。该品种的 花色苷含量为“y a m a g a w a m u r a s a k i ”的四倍，但主要组分类似，都是由芳香酸 酰化的花色苷。2 0 0 0 年，t c r a i l a m 【2 6 】成功的由“a y a m u r a s a k i ”块根培育出色素 含量较高的植物组织，并鉴定出其中两种花色苷的化学结构，分别为：3 0 槐 糖苷一5 - o 葡糖苷矢车菊素( 1 ) 和3 - 0 ( 2 o “6 o ( e ) p - 香豆酰b d 吡喃 葡糖基 。b d 吡喃葡糖苷) 5 o b d 吡喃葡糖苷矢车菊素( 2 ) ( 见图1 3 所 示) ，前者为原始品种和培育组织中共同所有，而后者仅出现在培育组织中。 2 图1 - 3 紫甘薯“a y a m u r a s a k i ”培育组织中两种花色苷的结构 1 3 发展前景 紫甘薯花色苷作为一种天然食用色素，安全、无毒、无异味、色彩鲜艳、 资源丰富，与其它同类色素相比性质较稳定【1 8 l ，而且具有一定的营养和药理作 7 第一章文献综述 用，在食品、饮料、化妆品、医药方面有着较大的应用潜力。 此外，紫甘薯提取了色素后的残渣还可以用于生产淀粉、酿造酒精、用做 动物饲料等，具有较高的综合利用价值。据估算，农民种植一亩紫甘薯可收入 2 0 0 0 元左右，而每亩普通甘薯的收入不过7 0 0 元左右，如果加工成色素，每亩 紫甘薯的产值则会突破1 万元【矧。合理开发紫甘薯色素，加强原料的综合利用， 具有重要的现实意义。 目前国内对紫甘薯色素的研究还处于起步阶段，不同品种之间花色苷的含 最差异较大。因此，进一步选育出花色苷含量较高的紫甘薯新品种以及更好的 去除杂质以提高色素品质将成为今后研究的重点。 1 4 课题设想 本课题选用青岛农科所提供的紫甘薯新品种，详细考察该品种中色素的提 取和纯化工艺、理化性质和稳定性，并对该品种中色素的不同组分进行初步分 离分析，为该色素的生产和应用提供理论依据。 8 第二章紫甘薯色素提取工艺研究 第二章紫甘薯色素提取工艺研究 目前对紫甘薯色素常用的提取方法主要为溶剂浸取法，通常采用酸性溶液 进行分步提取。国外多采用盐酸化甲醇、硫酸、乙酸或盐酸水溶液提取【1 4 ，2 卜矧， 国内则采用柠檬酸、盐酸水溶液和酸化乙醇【1 6 _ 2 0 l 提取。将色素粗提液经减压过 滤、减压浓缩后干燥得花色苷粗色素。 本实验采用盐酸水溶液作提取剂，紫甘薯干粉为原料，考察提取液盐酸浓 度、料液比、温度、时间和提取次数等因素对抽提效率的影响，进而确定最佳 的提取条件。 2 1 实验部分 2 1 1 原料预处理 将新鲜的紫甘薯洗净，切片后于6 0 ( 2 烘干，粉碎后置于棕色瓶中密闭保存。 2 1 2 仪器与试剂 盐酸，分析纯，莱阳市康德化工有限公司： 电热恒温水浴锅，龙口市先科仪器公司； 7 2 1 型分光光度计，上海第三分析仪器厂。 2 1 3 实验内容 2 1 3 1 色素提取条件的确定 2 1 3 1 1 正交实验 本实验采用溶剂抽提法，以紫甘薯粉为原料，采用功( 3 4 ) 正交实验表安 排实验，考察提取液盐酸浓度、料液比、温度、时间等因素对色素抽提效率的 影响，确定各因素的影响重要性次序。具体考察的因素和水平见表2 - 1 。 2 1 3 1 2 单因素实验 在正交实验的基础上，分别考察对色素提取效率影响比较大的因素。 9 第二章紫甘薯色素提取工艺研究 表2 - 1 正交实验所选取的因素和水平 因素a bcd 温度( )时间( h )提取液盐酸浓度料液比 承乎 ( ) 12 01o 11 ：2 5 24 02o 51 ：5 0 36 031 01 ：1 0 0 固定因素：1 原料：2 0g 2 水浴先达到预定温度后再把锥形瓶放入进行提取。 2 1 3 2 最佳提取次数的确定 为确定最优提取工艺流程，称取一定量的紫甘薯粉，在最佳提取条件下进 行多次提取，直至a 5 ”接近零，测出最大提取量，并以此为总色素含量来计算 各次浸提得率，从而确定最佳提取次数。 薯粉焉笋r抽滤i l 一次提取液 滤渣二次提取液 滤渣三这堡塑? + 至吸光值a 接近零 抽滤 2 1 3 3 分析方法 根据朗伯一比耳定律a = eb c ，即a = k c ，故以实验测定的最大吸收波长5 2 5 n m ( p h 3 ) 下的吸光度a 5 2 5 来代表色素提取液的浓度。a 越大，表明色素提取 效率越高。本实验中各测值均为两次平行实验测定结果的平均值。 2 2 结果与讨论 2 2 1 正交实验l 9 ( 3 4 ) 1 0 根据表2 - 1 所列条件进行提取，将色素提取液抽滤后定容至1 0 0 0 m l ，测其 a 5 2 5 ，并以a s 2 5 为评价指标，结果见表2 - 2 。 表2 - 2 正交实验结果分析 、因素 abcd吸光度 温度时间提取液盐酸浓度料液比 a 5 2 5 承尹 ( )( h )( ) 12 01o 1 1 ：2 50 3 1 1 22 020 51 ：5 00 3 1 2 32 031 o1 ：1 0 00 3 0 4 44 01o 51 ：1 0 00 3 3 2 54 021 o1 ：2 50 3 3 5 64 030 11 ：5 00 3 4 3 76 011 01 ：5 00 4 2 4 86 020 11 ：1 0 00 4 2 8 96 030 51 ：2 50 4 4 6 k 1 0 3 0 90 3 5 30 3 6 10 3 6 4 k 2 0 3 3 70 3 5 90 3 6 30 3 5 8 k 3 0 4 3 10 3 6 40 3 5 40 3 5 5 极差 0 1 2 20 0 1 1o 0 0 90 0 0 9 优方案a 3b 3c 2d 1 根据极差分析可知，以上四因素影响顺序为：a b c = d ，即温度 时间 提取液盐酸浓度和料液比。 同时，正交实验给出优化方案为：a 3 3 3 c 2 d 1 ，即6 0 c ，3 小时，o 5 盐酸， 1 ：2 5 料液比。 1 1 第二章紫甘薯色素提取工艺研究 2 2 2 单因素实验 通过正交实验可以看出温度对提取效率的影响显著，其次是时间，分别对 这两个因素进行单独考查。 2 2 2 1 温度的影响 除温度外，其它条件采用正交实验的优化方案进行色素提取，考察温度对 提取效率的影响。将色素提取液抽滤后定容至1 0 0 0 m l ，测其吸光度，结果见图 2 - 1 所示。 0 5 蘧o 4 来 督o3 0 2 o2 04 06 08 0 l o o 温度( ) 图2 1 温度对提取效率的影响 从图1 中可看出，吸光度a 随着温度的升高而显著上升，6 0 c 后上升趋势 逐渐减弱，到7 0 达到最高点。考虑到淀粉糊化等因素扭8 1 ，温度不宜太高，所 以取6 0 ( 2 为提取温度。 2 2 2 2 时间的影响 除时间外，其它条件采用正交实验的优化方案进行色素提取，考察时间对 提取效率的影响。将色素提取液抽滤后定容至1 0 0 0 m l ，测其吸光度，结果见图 2 2 所示。可以看出，该色素提取速度较快，1 小时即可提取出绝大多数的色素， 所以提取时间取为1 小时。 0123 45 时间( h ) 图2 2 时间对提取效率的影响 1 2 避采蓉 第二章紫甘薯色素提取工艺研究 由正交实验和单因素实验可以确定，紫甘薯色素单次提取的优化条件为： 6 00 c ，1 小时，料液比1 ：2 5 ，盐酸浓度为0 5 。 2 2 3 最佳提取次数的确定 按2 1 3 2 所述，考察提取次数的影响，结果见表2 - 3 所示。 表2 3 提取次数对色素提取效率的影响 提取次数 12345 a 5 2 5 稀释倍数 0 4 4 0 2 00 4 8 6 x 20 4 1 2 10 1 1 7 10 0 6 1 1 各次得率 8 4 99 4 39 8 1 39 9 41 0 0 由表2 3 中数据可知，两次提取的色素得率即可达到9 4 3 ，而继续增加提 取次数对色素得率的影响已不明显。因此，从提取效率来看，采用两次提取即 可。 2 3 本章小结 综上所述，紫甘薯色素的最佳提取工艺为 温度为砷0 c ， 时间为1 小时， 料液比为1 ：2 5 ， 盐酸浓度为0 5 ， 提取两次。 第三章紫甘薯色素纯化工艺研究 第三章紫甘薯色素纯化工艺研究 紫甘薯色素粗提液含有大量还原糖、淀粉等杂质，这些杂质的存在极大的 影响了该色素的品质。为得到纯度较高的花青素色素，需将色素粗提液进一步 处理，去除杂质。目前多采用树脂纯化的方法，如阳离子交换树脂、大孔吸附 树脂、h p 2 0 吸附树脂、x a d 2 0 0 0 树脂等1 1 5 , 2 0 , 2 5 捌。此外，还有采用醋酸铅沉 淀法去除杂质，但此法所用试剂毒副作用较大，故应用较少【捌。 大孔树脂吸附技术是目前纯化天然色素的主要方法。经大孔树脂吸附技术 处理后，可有效地去除色素提取液中大量的糖类、无机盐、黏液质等吸潮成分， 有利于增强产品的稳定性和溶解度，同时使色素成分高度富集而提高色素品质。 此外，该技术免去了静置沉淀、浓缩等耗时多的工序，从而缩短生产周期，降 低成本。 本实验从静态和动态两方面详细研究了a b - 8 大孔树脂对紫甘薯色索的吸 附特性，为紫甘薯色素的工业化生产提供一定的理论依据。 3 1 实验部分 3 1 1 实验试剂与仪器 3 1 1 1 实验主要试剂 a b 8 大孔树脂，n k a 大孔树脂，d b 5 2 0 大孔树脂，d 4 0 2 0 大孔树脂 均由南开大学化工厂生产。 无水乙醇：分析纯，淄博市临淄云天化工厂。 盐酸：分析纯，莱阳市康德化工有限公司。 3 1 1 2 实验仪器 7 2 1 型分光光度计，上海第三分析仪器厂。 p h s 一3 c 型精密酸度计，上海康仪仪器有限公司。 7 8 1 型磁力加热搅拌器，中外合资深圳天南海北有限公司。 1 4 第三章紫甘薯色素纯化工艺研究 r e 一5 2 旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂。 3 1 2 实验方法 3 1 2 1 紫甘薯色素粗提液的制备 将紫甘薯粉在最佳提取工艺下进行色素提取，抽滤，色素液备用。 3 1 2 2 紫甘薯色素的吸收光谱图 分别用p h = 1 0 、2 0 的盐酸溶液及p h = 3 0 的柠檬酸磷酸氢二钠缓冲溶液 配置少量色素溶液，用7 2 1 型分光光度计在4 0 0 至7 0 0n m 范围内对分别对色素 溶液进行扫描，得紫甘薯色素分别在p h = l 、2 、3 的吸收光谱图。 3 1 2 3 大孔吸附树脂的预处理 将a b 8 、n k a 、d b 5 2 0 、d 4 0 2 0 四种类型的大孔树脂分别用无水乙醇充 分浸泡2 4 小时，赶出空气泡。浸泡之后，用水冲洗取代乙醇，再用稀n a c l 和 稀n a 2 c 0 3 溶液冲洗，除去树脂中痕量的防腐剂和残留的单体化合物，最后再用 蒸馏水冲洗至无醇味，滤去水分备用洲。 3 1 2 4 紫甘薯色素在树脂上的静态吸附与解吸 3 1 2 4 1 紫甘薯色素在不同大孔吸附树脂上的吸附情况 称取按3 1 2 3 所述方法预处理的四种型号大孔吸附树脂，每份2 o g ，置于 2 5 0 m l 锥形瓶中，加入2 0 0 m l 已稀释的色素提取液( v 始吸光度a 。= o 7 0 0 ) ，搅 拌至吸附饱和，期间每间隔2 0 分钟取样，测定色素液的吸光度a ，绘制不同型 号大孔树脂对紫甘色素的吸附曲线并计算吸附率。 吸附率的计算：色素溶液在吸附前的吸光度a o 。吸附完全后的吸光度a # ， 贝0 吸附率= ( a 。一a # ) a 。 3 1 2 4 2 色素液p h 值对a b 一8 大孔树脂吸附率的影响 称取处理后的a b 一8 树脂若干份，每份1 0 9 ，按照树脂：色素= 1 ：1 0 0 的比 例，依次加入p h 值分别为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 的色素液1 0 0 m l ( 因色 素在酸性下条件下稳定，故p h 值设计至3 0 ) ，搅拌至吸附饱和，测定色素溶液 的a o 和a # ，计算吸附率。 3 1 2 4 3 乙醇体积分数对色素解吸的影响 称取已经吸附色素饱和了的a b 一8 湿树脂若干份，每份1 0 9 ，依次加入1 0 0 第三章紫甘薯色素纯化工艺研究 毫升体积分数分别为2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 的乙醇 水溶液( 均含1 盐酸) ，搅拌3 0 分钟，使色素从树脂上解吸。将解吸液用1 盐酸水溶液稀释至乙醇体积分数为2 0 ，测得吸光度，并折合成相同体积的吸 光度。 3 1 2 5 紫甘薯色素在树脂上的动态吸附及解吸 3 1 2 5 1 色素在树脂上的流出曲线及饱和吸附容量。” 采用湿法装柱，将处理好的a b 8 大孔树脂缓慢装入2 0 4 0 0 m 吸附柱中， 树脂高1 6 c m ，即约5 0 m l 树脂。 将a 0 = 6 9 ( 粗提液稀释2 0 倍后测得吸光度为0 3 4 5 ) 的色素粗提液加入树 脂柱，控制流速为1 0 m l m i n 测定色素流出液在不同体积( v ) 时的吸光度( a ) ，以 a 为纵坐标，v 为横坐标，绘制色素液经过树脂吸附后的流出曲线。当流出液的 吸光度与上柱前色素液的吸光度基本相同时，视为吸附饱和。 饱和吸附容量测定：达到饱和吸附后，用酸性水溶液清洗柱子，然后用7 0 乙醇水溶液( 含1 盐酸) 解吸色素。收集色素解吸液旋转蒸发至粘稠状，再置于 烘箱内4 0 c 干燥得到色素固体并称重，计算饱和吸附容量： 饱和吸附容量= 固体色素克数所用树脂的毫升数。 3 1 2 5 2 色素的解吸曲线 树脂吸附饱和后，用酸性水溶液清洗柱子，然后用7 0 乙醇水溶液( 含1 盐 酸) 进行解吸，测定解吸液在不同体积( v ) 时的吸光度( a ) ，以a 为纵坐标，v 为 横坐标绘制解吸曲线，同时计算色素的收率。 3 1 2 5 3a b 一8 树脂的循环使用性能 将树脂进行循环使用，加入1 5 0 0 m l 色素粗提液进行吸附，控制流速 1 0 m l m i n 。待吸附结束后，用酸性水溶液清洗柱子，然后用7 0 l 醇水溶液( 含 1 盐酸) 解吸色素。直至解吸液接近无色时，再用酸性水溶液将柱子洗至无醇味， 使吸附柱再生，供重复使用。熏复操作5 次，计算每次的色素收率，考察树脂 的循环使用性能。 3 1 2 5 4 色素液吸附前后成分变化 取1 5 0 0 m l 色素粗提液进行树脂纯化，得到解吸液1 7 5 m l ，测定两者中还原 第三章紫甘薯色素纯化工艺研究 糖和淀粉含量。 3 1 2 5 4 1 还原糖含量测定( 改进的碘量法) 。” 3 1 2 5 4 2 淀粉含量测定 参照g b t 5 0 0 9 9 - 1 9 8 5 食品中淀粉含量的测定方法( 其中还原糖含量测定 同3 1 2 5 4 1 ) 3 2 结果与讨论 3 2 i 紫甘薯色素的吸收光谱 由图3 - 1 可知，色素在p h = l 、2 、3 时最大吸收波长均在5 2 5 n m 左右，故本 实验均以此波长作为色素吸光度的测定波长。 图3 i 紫甘薯色素在不同p h 值的吸收光谱 3 2 2 紫甘薯色素的静态吸附及解吸 3 2 _ 2 1 不同型号大孔吸附树脂对紫甘薯色素的吸附性能 按3 1 2 4 1 所述考察a b 一8 ，d b 5 2 0 ，n k a ，d 4 0 2 0 四种不同型号的大孔树脂 对紫甘薯色素的动态吸附情况以及吸附率，结果见图3 2 和表3 - 1