板栗殼棕色素的提取、純化及應(yīng)用研究進(jìn)展

金黎明,陳苛蒙,包艷春,王曉彤,權(quán)春善,胡文忠,*

(1.生物技術(shù)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116600; 2.大連民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,遼寧大連 116600)

板栗(Castaneamollissima),又名毛栗、栗子,是殼斗科栗屬植物的果實(shí)[1],目前我國板栗的栽培面積和產(chǎn)量均排在世界首位[2-3]。板栗果實(shí)味道甘美,具有養(yǎng)胃健脾、補(bǔ)腎強(qiáng)筋、活血止血等功效,深受人們的喜愛。但是,板栗殼大多作為加工廢棄物,未得到有效的開發(fā)和利用。

板栗殼又名板栗殼斗、栗毛殼、栗刺殼等,含有酚類、有機(jī)酸、黃酮(或其苷類)、香豆素(或其苷類)、多糖、植物甾醇、內(nèi)酯和鞣質(zhì)等化學(xué)成分[4-6],有治丹毒、百日咳的功效,具有一定的藥用價值。此外,近年來發(fā)現(xiàn),板栗殼中含有的天然棕色素,安全無毒、水溶性好、著色力強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定[7-9],還具有消除自由基、阻斷和清除氧化損傷、抑菌消炎、保護(hù)肝臟、調(diào)節(jié)腎功能、延緩衰老的功能[10-11],是少見的性質(zhì)穩(wěn)定的天然色素之一,可作為食品、織物、日用化學(xué)品和藥品的著色劑,具有良好的開發(fā)價值。

但是,關(guān)于板栗殼棕色素的研究仍不夠系統(tǒng),尚存在著需要加強(qiáng)和突破的環(huán)節(jié),本文對近十幾年來板栗殼棕色素的提取方法以及在食品、織物等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述,并分析了存在的問題,以期為板栗殼棕色素的綜合、系統(tǒng)利用提供參考。

1 板栗殼棕色素的提取方法

目前常見的板栗殼棕色素提取方法有溶劑浸提法、超聲波提取法、微波提取法、超臨界流體萃取法、酶法提取法等[12]。

1.1 溶劑浸提法

溶劑浸提法是從堅(jiān)果果殼中提取色素的最常見的方法,在提取過程中,溶劑性質(zhì)、浸提時間、溫度、料液比、溶劑pH等因素均會影響色素提取效果[13]?；诎謇鯕ぷ厣氐娜芙馓匦詾橐兹苡跇O性較大的溶劑及堿性溶劑,因此提取板栗殼棕色素常用的溶劑有水[14]、NaHCO3溶液[15]、NaOH溶液[3,16]、乙醇溶液[2,17-18]等。近年來,用乙醇做溶劑的報道較多。

李穎[2]用乙醇一次浸提法從板栗殼中提取天然棕色素,發(fā)現(xiàn)乙醇濃度40%,提取時間2.5 h,浸提溫度75 ℃,固液比1∶20 (g/mL)時,棕色素的提取率為5.52%。王慧[18]以板栗殼棕色素含量為評價指標(biāo),測定380 nm的吸光值,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn),得出板栗殼棕色素的最佳提取工藝為:乙醇濃度40%,提取時間2.5 h,提取溫度90 ℃,料液比1∶10,此條件下提取率約為5%。

溶劑提取法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單,操作方便,設(shè)備投資少,便于生產(chǎn),缺點(diǎn)是所需溶劑量較大,浸提時間較長,原料預(yù)處理能耗較大,色素溶解性較差,且回收困難,不利于環(huán)保[13]。

1.2 超聲波提取法

超聲波具有空化作用,能夠提高細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性[19]。此外,超聲波的次級效應(yīng),如機(jī)械振動乳化、擊碎、擴(kuò)散、化學(xué)效應(yīng)等也能加速細(xì)胞內(nèi)色素的擴(kuò)散和釋放[12],從而可以加速板栗殼棕色素的溶出,是目前比較流行的提取方法[20-22]。

戚建華等[20]以NH4OH水溶液為溶劑,采用響應(yīng)面法對超聲波輔助提取板栗殼色素的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。以色素粗提物得率為考察指標(biāo),得到的優(yōu)化提取條件為,NH4OH濃度為1.1 mol/L,液料比為16.5 mL/g,提取時間為120 min,此時得率為238.1 mg/g。金黎明等[22]應(yīng)用超聲波提取法提取板栗殼棕色素,結(jié)果表明,超聲波萃取板栗殼棕色素的最佳條件為乙醇濃度45%,溫度75 ℃,料液比1∶20 (g/mL),萃取時間15 min,得到的棕色素得率為7.05%。

超聲波提取法的優(yōu)點(diǎn)是操作時間短、萃取率高,缺點(diǎn)是存在著溶劑殘留問題[12]。

1.3 微波提取法

微波提取法是近年發(fā)展起來的提取天然植物中有效成分的一項(xiàng)技術(shù)。微波是指頻率在300 MHz～300 GHz的高頻電磁波,它能穿透提取介質(zhì),讓細(xì)胞內(nèi)部的極性分子隨外電磁場的變化而發(fā)生激烈的碰撞和摩擦,從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂,細(xì)胞內(nèi)的成分自由流出[10]。

吳春華等[23]采取了微波提取法提取板栗殼棕色素,確定了最佳工藝條件為:以5 g的板栗殼粉為原料,微波輻照時間為13 min、乙醇濃度為40%、料液比為1∶20 (g/mL)、浸提溫度為75 ℃,此條件下棕色素得率為7.02%。梁建蘭等[24]也研究發(fā)現(xiàn),微波法萃取時間短、萃取率較高,使用40%乙醇作為提取劑,提取時間90 s,微波功率640 W,料液比1∶8 (g/mL),提取6次,提取率可達(dá)到9.1%。

微波提取法的優(yōu)點(diǎn)是萃取時間短、所需溫度低、溶劑消耗量少、萃取率高、不產(chǎn)生噪音、減少原料預(yù)處理、對環(huán)境友好[24];缺點(diǎn)是也存在溶劑殘留的問題,且只停留在實(shí)驗(yàn)小試的水平,工業(yè)化應(yīng)用有一定的難度。

1.4 超臨界流體萃取法

超臨界流體提取是利用液體在超臨界區(qū)域兼有氣液兩性的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)溶解和分離,其具有傳統(tǒng)的溶劑提取法和蒸餾法的雙重功能,對不揮發(fā)性物質(zhì)和熱敏物質(zhì)的分離效果更好,最常用的超臨界流體為二氧化碳[13]。

鄭劍[25]應(yīng)用超臨界流體技術(shù)萃取板栗殼棕色素,通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)為壓力20 MPa,萃取時間3 h,萃取溫度25 ℃。超臨界流體萃取法的優(yōu)點(diǎn)是提取時間短、提取率較高、色素活性損失小、無污染、無殘留；缺點(diǎn)是設(shè)備成本高。

1.5 酶法提取法

近年來,酶法提取法因條件溫和、對活性成分破壞小、專一性強(qiáng)、效率高、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用,常見的酶有纖維素酶、復(fù)合酶(如纖維素酶、中性蛋白酶、果膠酶復(fù)合)等。

趙婉瑩等[26]采用纖維素酶水解法提取板栗殼棕色素,通過正交試驗(yàn)確定最佳提取工藝條件為:提取溫度60 ℃、提取時間150 min、料液比1∶20 (g/mL)、加酶量1.0%。按此方法制得的板栗殼棕色素對蛋白質(zhì)和淀粉有較高的染著率。李孚杰等[27]在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用響應(yīng)面分析法,確定提取板栗殼棕色素的最佳提取工藝條件為:纖維素酶添加量0.6%、pH6、提取溫度94 ℃、提取時間120 min。許偉等[28]應(yīng)用復(fù)合酶(纖維素酶∶中性蛋白酶∶果膠酶=2∶3∶5)水解提取板栗殼棕色素,確定最適工藝條件為:復(fù)合酶總酶量2.0%,pH5.0、反應(yīng)時間2.0 h,反應(yīng)溫度50 ℃、料液比1∶120 (g/mL)。

酶法提取法的優(yōu)點(diǎn)是條件溫和、對活性成分破壞小、專一性強(qiáng)、效率高、安全環(huán)保。而缺點(diǎn)是酶試劑成本高。

以上可以看出,為了提高棕色素的提取效率,應(yīng)該利用儀器加以輔助,如超聲波、微波輔助等,考慮到生產(chǎn)成本和實(shí)用性,更適合工業(yè)化生產(chǎn)的方法是超聲波提取法。

2 板栗殼棕色素的純化方法

板栗殼棕色素屬于黑色素的一類,為非均勻性無定形物質(zhì),水合后呈膠狀,且常與糖類、脂類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)結(jié)合在一起,很難使用純化色素常用的重結(jié)晶、色譜法、電泳等方法分離純化[20]。目前,其常用的純化方法有硅膠柱層析法[16]、大孔吸附樹脂法[29-32]等。其中,大孔吸附樹脂法以其吸附量大、吸附速度快、有機(jī)溶劑用量少、耗能少、可重復(fù)使用等特性,在色素純化中的應(yīng)用越來越廣泛。

展亞莉等[32]研究了大孔吸附樹脂對板栗殼棕色素的純化工藝,在xad-6、tx-503、tx-108、lx-28、lsa-10、ls-305、ls-300b等十種不同型號的大孔吸附樹脂中,確定xda-6為最佳選擇。純化工藝為:提取液為pH5.5左右的NaOH,流速0.5 BV進(jìn)行吸附,再用35%的乙醇解吸,減壓濃縮后噴霧干燥。用此法制得的板栗殼棕色素得率為95.3%,色價為52.3,從得率和色價角度來看,均高于傳統(tǒng)的醇沉法和酸沉法。

3 板栗殼棕色素的應(yīng)用

近年來,板栗殼棕色素作為一種天然色素,廣泛應(yīng)用于食品、織物、日用化學(xué)品、藥品等領(lǐng)域。但也存在著一些問題,如缺乏板栗殼棕色素的質(zhì)量評價指標(biāo),即棕色素的含量、純度達(dá)到什么水平才可以應(yīng)用。

3.1 板栗殼棕色素在食品方面的應(yīng)用

板栗殼棕色素對蛋白質(zhì)和淀粉的染色性好、著色率高、著色穩(wěn)定，與主要食品原料和添加劑有較好的混用性，對產(chǎn)品品質(zhì)無不良影響[33]。在制作蛋糕[34-35]、擬巧克力奶[36]、奶茶[37]、涼糕、白脫、模擬玫瑰酒、模擬楊梅酒等[38]都獲得了很好的視覺和味覺效果,有望成為一種具有保健功能的食品添加劑。

3.1.1 制作擬巧克力蛋糕 金黎明等[34-35]利用板栗殼棕色素制作擬巧克力蛋糕,結(jié)果表明,棕色素的添加對蛋糕的硬度、彈性、咀嚼性、黏聚性、比容、水分含量等沒有顯著影響,而且由于棕色素具有抗氧化性,能夠一定程度抑制蛋糕油脂的氧化酸敗，從而延緩蛋糕老化。

3.1.2 制作擬巧克力奶 金黎明等[36]以板栗殼棕色素、奶粉、白砂糖為主要原料,制作了一種外觀與巧克力奶極為相似的擬巧克力奶,確定在板栗殼棕色素、奶粉、白砂糖的添加量分別為4.8‰、10.0%、5.0%時,擬巧克力奶的風(fēng)味最佳。

3.1.3 制作巧克力奶茶 劉彬等[37]用板栗殼棕色素開發(fā)出一種成本低、熱量小、口感色澤俱佳的新型巧克力風(fēng)味奶茶。采用正交實(shí)驗(yàn)確定工藝配方為:純牛奶40%,茶汁35%,板栗殼棕色素1%,巧克力香精0.07%,羧甲基纖維素鈉0.05%,蔗糖酯0.07%,卡拉膠0.06%。

3.2 板栗殼棕色素在紡織品染色方面的應(yīng)用

將天然染料用于紡織品染色,是目前生態(tài)紡織品的發(fā)展趨勢[39-40]。近年來,許多學(xué)者將板栗殼棕色素應(yīng)用于多種紡織品的染色研究,發(fā)現(xiàn)染色效果均較為理想,板栗殼色素是一種可以大規(guī)模應(yīng)用的天然染料。

3.2.1 對棉織物的染色 王亞麗等[41]將5%的板栗殼色素應(yīng)用于經(jīng)殼聚糖改性后的棉織物染色,確定染色最佳工藝為染色溫度80 ℃,pH5,染色時間60 min。棉織物染色后呈現(xiàn)黃棕色,耐皂洗、耐汗?jié)n、耐光、干濕摩擦色牢度較好,且具有良好的抗氧化和抗紫外性能。

3.2.2 對亞麻織物的染色 Zhao等[42]將板栗殼棕色素應(yīng)用于經(jīng)纖維素酶預(yù)處理后的亞麻織物的染色,染色的最佳工藝為板栗殼棕色素用量16 g/L,染色溫度95 ℃,pH4,染色時間50 min。經(jīng)過染色后的亞麻織物的水洗、摩擦、日曬色牢均較好。

3.2.3 對毛織物的染色 董超萍等[43]確定了板栗殼棕色素對毛織物的染色最佳工藝為:染料用量 60 mL/L,pH3,染色溫度 80 ℃,染色時間100 min。在此工藝條件下,經(jīng)過染色的毛織物可以獲得較好的染色效果,水洗、摩擦、汗?jié)n、日曬等色牢度能夠達(dá)到要求。

季彥斐等[44]采用10 g/L的板栗殼棕色素染料,應(yīng)用軋蒸工藝對羊毛織物進(jìn)行染色。確定最佳軋蒸工藝為:濕度100%、溫度110 ℃、時間30 min。得到的板栗殼色素軋染羊毛織物耐曬牢度4級、水洗牢度達(dá)到4級以上、干摩4～5級,濕摩3～4級。

3.2.4 對羊絨的染色 羊絨具有自然卷曲度高、細(xì)度細(xì)、抱合力好、保暖性高的特點(diǎn),被稱為“纖維鉆石”和“軟黃金”[45]。李志剛等[46]應(yīng)用同浴媒染法對羊絨纖維染色,確定最佳染色工藝為染料用量8 g/L,媒染劑KAl(SO4)2·12H2O用量為 4%,染色溫度90 ℃,時間60 min,此時上染率為 84.83%。經(jīng)過測試,染色后的羊絨單纖維的斷裂強(qiáng)力為2.52 cN,斷裂伸長率為17.3%,耐皂洗與耐干摩擦色牢度均達(dá)到4級。

3.2.5 對錦綸的染色 曾科等[47]研究了板栗殼棕色素在錦綸織物上的染色性能,結(jié)果表明,最佳工藝為固定浴比為1∶50,染色溫度95 ℃,pH3.0～3.6,染色織物的色牢度均在4級以上,且具有較好的防紫外線性能。

3.2.6 對真絲的染色 真絲是高檔的紡織面料,纖維細(xì)而柔軟、平滑有光澤、有彈性、吸濕性和強(qiáng)伸度。曾科等[48]探索了板栗殼棕色素直接上染真絲針織物的最佳工藝:固定浴比為1∶50,染色溫度95 ℃,pH3.0～3.6,染色時間60 min。板栗殼色素對真絲針織物的性能提升較好,表現(xiàn)在日曬、皂洗色牢度的提高和防紫外線性能。

4 結(jié)語與展望

目前，板栗殼棕色素的提取僅僅停留在提取粗色素和一般的純化處理,沒有更進(jìn)一步的精制、純化,并得到準(zhǔn)確的分子結(jié)構(gòu)[49],其分子結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步的確定。板栗殼棕色素具有抗氧化性、抗菌性,其活性成分的功能機(jī)理等基礎(chǔ)研究有待于進(jìn)一步的加強(qiáng)。對板栗殼棕色素的毒理學(xué)研究、安全性評價需要進(jìn)一步補(bǔ)充,以保證人們對板栗殼棕色素應(yīng)用于食品和服裝的安全性要求[50]。