減壓法提取長棗棗皮中的天然色素*

游鳳，黃立新，2，張彩虹，謝普軍，張耀雷

1(中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室，

國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，江蘇南京，210042)

2(中國林業(yè)科學(xué)院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京，100091)

紅棗屬鼠李科(Rhamnaceae)棗樹(Ziziphus jujube Mill.)之果實，藥食兼用，其化學(xué)成分的研究早已引起醫(yī)學(xué)界和化學(xué)界的關(guān)注，由于其含有豐富的Vc，又素有“活性維生素丸”之稱，更是我國第一大干果資源近年來，食品行業(yè)的發(fā)展和消費市場的需求促使棗類產(chǎn)品越來越細(xì)化［1-2］，紅棗加工企業(yè)相繼崛起，由于紅棗獨特的口感及豐富的營養(yǎng)價值，各種紅棗功能食品及飲品(如紅棗酸奶，紅棗果汁等)一經(jīng)推出就受到了消費者歡迎，但加工過程中由于棗皮脆硬，混入棗漿中容易使加工機(jī)器損壞，一般做法是在加工前將浸泡后的皮質(zhì)和果漿分開，這就導(dǎo)致這些加工企業(yè)每年都會產(chǎn)生大量的廢棄紅棗皮渣，這一方面造成了環(huán)境污染和資源浪費，另一方面，也降低了相關(guān)企業(yè)的利潤空間和經(jīng)濟(jì)效益［3］。

實際上，棗皮色澤紅潤，富含大量天然紅色素，是一種值得開發(fā)的天然色素資源［4-5］。多項研究表明，紅棗色素是從紅棗果皮中提取出的一種天然多酚色素。棗紅色素色澤濃郁純正、對熱對光均較穩(wěn)定，水溶性好，同時，由于其具有消除自由基、抗氧化、抗衰老等多藥用功效，是一種極具開發(fā)前景的天然食用色素。

減壓提取法利用體系內(nèi)壓強(qiáng)和溶劑沸點的對應(yīng)關(guān)系，在提取時給體系減壓而使提取溶劑在低于其常壓沸點時就能達(dá)到沸騰，沸騰時造成的湍動強(qiáng)化固液萃取過程，同時產(chǎn)生的蒸汽上升后又被冷凝回體系內(nèi)，形成濃度差，推動傳質(zhì)。

另外，減壓提取時沸騰的蒸汽能改善體系中的過熱現(xiàn)象，降低糖類和果膠等雜質(zhì)的溶出率，可以說，減壓提取是一種提高目標(biāo)物產(chǎn)量又可降低雜質(zhì)含量的提取方法［6-7］。由于過去的紅棗色素的提取工藝所得的棗皮色素產(chǎn)品因雜質(zhì)含量高，給色素呈色暗給后續(xù)加工和應(yīng)用帶來了困難，故本研究考察了減壓提取對棗皮色素的效果并與其他提取工藝進(jìn)行了比較。

1 材料與試劑

1.1 提取原料

長棗棗皮，2011年9月采自陜西佳縣成熟長棗棗果，采后剝下外表皮后冷凍儲藏。

1.2 試劑

濃HCl、NaOH、石油醚、乙酸乙酯，南京化學(xué)試劑廠，均為分析純;II級超純?nèi)ルx子水(上海Mole超純水機(jī))。

1.3 實驗儀器

小型植物高速粉碎機(jī)(青州市富爾康制藥有限公司)，DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海索譜儀器有限公司)，SHZ-D(III)循環(huán)水式真空泵(上海東璽制冷儀器有限公司)，HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，UV-2102PC紫外可見分光光度儀(上海尤尼科光譜設(shè)備有限公司)，雙頻加熱型超聲波清洗儀(上海比朗儀器有限公司)，RE-5299型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海東璽制冷儀器有限公司)，TG16-WS臺式高速離心機(jī)、EL204電子天平(梅特勒-特麗多儀器有限公司)，真空冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司)。

2 方法

2.1 原料預(yù)處理

將棗皮用清水洗凈，置0.1 mol/L的HCl溶液中浸泡23 h，以溶解黏帶果肉和表皮鞣質(zhì);用曬網(wǎng)濾除溶液和溶解膠質(zhì)，將收集到的棗皮用弱酸性水洗和清水最后沖洗一次，40℃恒溫烘干至恒重，粉碎至40目，放陰暗干燥處儲存即可作為提取前的原料。

2.2 測定方法

2.2.1 色素測定波長

將色素溶液用去離子水稀釋一定倍數(shù)后，進(jìn)行紫外全波長掃描以選定色素含量測定波長。

2.2.2 色素含量和提取率

準(zhǔn)確吸取1 mL離心后的色素上清液于50 mL容量瓶中，用去離子水定容，搖勻，同時取1 mL提取劑用去離子水稀釋相同倍數(shù)作空白樣品，在選定波長處棗皮色素吸光度Aλ(單位:1)與質(zhì)量濃度c(單位:mg/mL)的對應(yīng)關(guān)系:m=f(Aλ)。則對于所測吸光度Aλ(單位:1)，原料質(zhì)量為m(單位:g)，提取得率可以表示為:

提取率/(mg·g-1)=［f(Aλ)×50×Vsolvent］/m

其中:Aλ，色素溶液吸光度;m，提取所用原料質(zhì)量，g;Vsolvent，提取所用溶劑體積，mL。

2.2.3 粗產(chǎn)品色價

稱取一定重量的色素粉末，用去離子水溶解并定容50 mL后，在Aλ處測吸光度，若吸光度大于0.7，需將溶液繼續(xù)稀釋，至吸光度在0.3～0.7之間，吸光度Aλ和色價E10%1cm的關(guān)系為:

2.3 提取裝置與工藝

2.3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，提取在磨砂三口燒瓶內(nèi)進(jìn)行，三口瓶側(cè)口1接真空表(監(jiān)測燒瓶內(nèi)真空度)，側(cè)口2接溫度計1(監(jiān)測燒瓶內(nèi)溫度，反映沸騰過程中溫度變化)與調(diào)控閥門(調(diào)節(jié)燒瓶內(nèi)壓力)，溫度計2測水浴溫度(校正數(shù)顯溫度)，上接冷凝管，球形冷凝管中通循環(huán)水(自來水，室溫，流量適中)冷卻，冷凝管頂端接以真空泵抽氣管路，冷凝管和燒瓶之間接15～20 cm的導(dǎo)流過渡管(避免過度沸騰時溶劑沖入冷凝管)。

圖1 實驗裝置簡圖

2.3.2 提取工藝及操作要點

(1)將NaOH溶液放入恒溫水浴中預(yù)熱至與水同溫;(2)稱取(1.000±0.002)g棗皮粉末，并將裝置搭好，檢測裝置密閉性，確認(rèn)密封良好后將事先稱好的棗皮和沸石(3顆)投入燒瓶;(3)從燒瓶上口加入一定量的事先預(yù)熱的NaOH溶液，在調(diào)控閥門開的狀態(tài)下，通入冷卻水并打開真空泵，一切正常后慢慢調(diào)控側(cè)口2閥門，使真空度保持恒定，記錄此時溫度、壓力和起始時間;(4)提取完畢時，記錄結(jié)束時間，首先打開側(cè)口閥門，緩緩將燒瓶連同冷凝管從水浴中升起，關(guān)閉加熱，讓冷凝水循環(huán)1 min后將燒瓶取下(使冷凝水汽完全凝結(jié)流回?zé)?，溶液冷卻后抽濾(3層濾紙)，收集濾液，量取濾液體積，保證溶劑損失在±5%內(nèi)。

2.3.3 粗產(chǎn)品粉末的制備

(1)向2.3.2所得濾液中緩慢加入的一定量0.5 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值至5，搖勻并靜置至絮狀物完全沉淀，離心10 min(8 000 r/min)后上層清液真空抽濾，得到的濾液用石油醚、乙酸乙酯萃取(10 mL)后真空冷凍干燥制得色素粗產(chǎn)品粉末。

2.3.4 單因素實驗

以棗皮色素提取率為指標(biāo)，分別對減壓提取工藝的堿液濃度、料液比、體系壓力、提取溫度、減壓時間各因素進(jìn)行考察。

2.3.5 正交實驗

以堿液濃度、料液比、體系壓力、減壓溫度、減壓時間為實驗5因素，采用L16(45)正交，進(jìn)行正交實驗，實驗設(shè)計見表1。

表1 正交試驗因素L16(45)水平

2.4 工藝比較

(1)色素提取得率:分別采取常壓熱浸提、超聲輔助浸提、減壓提取法對棗皮提取(其中，減壓真空度為0.08 MPa，超聲功率為100 W，其余因素保持相同)，以提取得率為指標(biāo)對3種工藝進(jìn)行考察。

(2)粗產(chǎn)品色價:將(1)中3種工藝所得色素溶液按2.3.3操作得到色素粗產(chǎn)品粉末，并按2.2.2所述測其色價。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 色素含量和提取率

圖2為色素堿提液稀釋適當(dāng)倍數(shù)后所測300～600 nm的吸收光譜。由圖2可以看出，在320、370 nm和430 nm附近色素溶液有吸收峰，這和樊君［8］，夏郭玲［9］等得到的棗皮色素溶液吸收特征相似，由于430 nm處于可見光區(qū)，屬于呈色物質(zhì)的特征吸收，故綜合考慮，選擇430 nm作為色素測定波長。

圖2 色素溶液的紫外可見光譜

不同質(zhì)量濃度的色素溶液在430 nm處吸光度與濃度的線性關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，兩者線性度良好(R2=0.999 62)，所測吸光度值能較準(zhǔn)確反應(yīng)色素含量，色素含量x的關(guān)系為:y=0.325 5X-0.004 2(0＜x≤1)。

3.2 單因素實驗結(jié)果與分析

3.2.1 液料比

選擇堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，真空度為0.05 MPa，溫度為60℃時，減壓時間為30 min，不同料液比對提起率的影響。由圖4可以看出，在40 mL∶g之前，隨著料液比的增加，色素提取率也顯著增加，40 mL∶1g之后，隨著料液比中溶劑的增加，色素提取率反而開始下降。

圖3 色素濃度-吸光度的關(guān)系

圖4 液料比對色素得率的影響

3.2.2 堿液濃度對色素提取率的影響

選擇真空度為0.05 MPa，溫度60℃下，40 mL∶1g液料比，提取時間為30 min進(jìn)行減壓浸提，考察不同濃度的NaOH溶液對色素提取率的影響。

由圖5可知，堿液濃度在1.6%色素得率基本隨著堿液濃度升高而增加，繼續(xù)增大到2.0%，開始有了下降的趨勢，該提取條件下的最佳濃度值應(yīng)在0.8%和2.0%之間產(chǎn)生。

圖5 堿液濃度對提取的影響

3.2.3 真空度對色素提取率的影響

在提取溫度為60℃，提取時間為30 min，40 mL/g液料比，堿液濃度1.0%，考察提取壓力(真空度)對棗皮色素提取得率的影響。從圖6可看出，隨著提取壓力降低(對應(yīng)真空度升高)，色素的提取得呈上升趨勢，說明有利于色素提取的，真空度到達(dá)0.08 MPa時，由于60℃的溶劑此時處于沸騰狀態(tài)，此時色素提取率到達(dá)頂峰，真空度繼續(xù)加大到達(dá)0.09 MPa后，色素含量又降低，這是由于當(dāng)真空度已經(jīng)使溶劑到達(dá)沸點后，繼續(xù)加大真空度就打破了壓力和溫度間的平衡關(guān)系，此時真空度的加大必然帶來溫度的降低，兩者的綜合作用可能對最終結(jié)果造成不利影響。

圖6 真空度對提取得率的影響

3.2.4 加熱溫度對色素提取率的影響

在真空度為0.05 MPa，提取時間為30 min，40 mL∶1g液料比，堿液濃度1.0%，考察不同提取溫度對棗皮色素提取率的影響。由圖7可以看出，溫度升高在一定程度上是有利于色素提取的，但超過90℃后，在0.05 MPa真空度下體系過度沸騰，提取率有所下降。

圖7 溫度對色素得率的影響

3.2.5 提取時間對色素提取率的影響

真空度為0.05 MPa，提取溫度為60℃，40 mL∶1g液料比，堿液濃度1.0%，考察不同提取時間對棗皮色素在提取率的影響。由圖8可以看出，總體上在前20 min提取時間對色素的得率影響較為顯著，但20 min后，色素得率隨時間延長，盡管保持穩(wěn)步上升但升幅較小，繼續(xù)延長時間，到50 min后色素得率又開始漸漸減小，這可能是長時間熱溶劑的作用使得部分色素分解，綜合上述，提取時間2 0～50 min為宜。

圖8 時間對色素含量的影響

3.3 正交實驗結(jié)果與分析

根據(jù)2.3.5所述方法，正交結(jié)果如表2所示，表3為正交實驗的方差分析。

根據(jù)表2的R值可以得出:溫度(D)對減壓提取工藝的提取得率影響最大，料液比(B)和真空度(C)的影響次之，提取時間(E)相對影響最小。分析k值可知，最大提取得率組合為A4B3C2D4E4，即在堿液濃度為1.6%，料液比為 40 mL∶1g，真空度為 0.05 MPa，提取溫度為90℃下提取50 min，經(jīng)重復(fù)性實驗驗證，所得提取得率為8.226mg/g(高于正交組合A4B3C2D4E4所得的7.965 mg/g)。由表3可以看出，在正交實驗條件下，提取溫度(D)對提取得率的影響最為顯著，而提取時間對棗皮色素提取得率的影響最小。

由于體系真空度和體系溶劑的沸點滿足Raoult定理，在一定程度上，規(guī)定了溶劑溫度就限定了體系真空度，當(dāng)兩者剛好符合這個關(guān)系，體系內(nèi)溶劑會保持持續(xù)的輕微沸騰狀態(tài)，稱為“輕微沸騰”，如果僅略大于該臨界真空度，那體系溶劑就是“沸騰”，如果遠(yuǎn)高于該真空度，體系難以維持穩(wěn)定，呈現(xiàn)“過度沸騰”狀態(tài)。根據(jù)正交實驗的現(xiàn)象可以歸納出各溫度下提取溶劑的沸點大致對應(yīng)關(guān)系:60℃-0.08 MPa;70℃-0.07 MPa;80℃-0.06 MPa;90℃-0.04 MPa。

3.4 不同提取工藝間的比較

表4為在相同加熱溫度(70℃)和相同液料比(40 mL∶1g)下和相同提取時間(50 min)下，3種提取方法色素提取得率的比較和所得的色素粗產(chǎn)品色價(E10%1cm)。

從表4可以看出，減壓和超聲在短時間內(nèi)顯著增加色素的提取得率和粗產(chǎn)品的色價，其中又以減壓所得產(chǎn)品的色價最高。當(dāng)色素種類一定時，色價值能夠反映色素產(chǎn)品中有效成分的含量，從色價結(jié)果可以看出，采用減壓提取棗皮色素的色價約為常壓浸提的3(=21/7)倍，超聲提取的1.9(21/11)倍。

表2 L16(45)正交實驗優(yōu)化結(jié)果

表3 正交試驗方差分析表

表4 不同工藝所得粗產(chǎn)品比較

4 結(jié)論

(1)本實驗證實減壓提取可以改善棗皮色素粗產(chǎn)品雜質(zhì)含量過多的問題，通過單因素實驗考察了減壓法提取紅棗色素過程中各因素對提取得率的影響，并通過正交試驗進(jìn)一步得出了各因素對結(jié)果影響的順序:提取溫度＞液料比＞堿液濃度＞真空度＞提取時間。

(2)本實驗得到的最佳減壓提取法工藝參數(shù)為:真空度0.05 MPa下、溫度90℃，用1.6%NaOH溶液以40 mL∶1g的液料比減壓提取棗皮提取50 min，得到色素提取得率為8.226 mg/g。

(3)對比減壓提取法和常規(guī)熱浸提與超聲法3種工藝條件下的紅棗色素產(chǎn)品，色素得率:超聲法＞減壓法＞常規(guī)熱浸提;色素色價:減壓法＞超聲法＞常規(guī)熱浸提。實驗結(jié)果說明減壓法和超聲法都能顯著提高紅棗色素的得率，減壓法更能顯著提高色素的純度，使得色素色價顯著上升，今后或可考慮將減壓法與超聲法結(jié)合以得到高得率高色價的紅棗色素產(chǎn)品。

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