紫甘蓝色素提取纯化工艺研究

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摘要：目的：建立紫甘蓝色素的提取纯化工业化工艺。方法：通过正交试验确定紫甘蓝色素的提取条件,再通过比较8种大孔树脂对提取液的静态吸附率及静态洗脱率,优选一种,进一步考察其分离紫甘蓝色素的吸附性能及洗脱参数。结果：按本实验确定的工艺,制得紫甘蓝色素色价(Ｅ1%1ｃｍｎｍ)为87.06,固形物收率为0.27%。结论：本实验确定的工艺可以很好地提取纯化紫甘蓝色素,适合于工业化生产。

关键词：紫甘蓝；色素；大孔树脂；工艺

紫甘蓝属十字花科芸薹属,又名紫卷心菜,为食用性蔬菜。其叶中含花色苷类而呈现出紫红色,是一类优良的天然色素。紫甘蓝提取工艺相关的文献报道很少,而对于紫甘蓝色素的纯化工艺尚未见报道,本实验旨在通过正交试验优化紫甘蓝色素提取工艺,并优选出适合分离紫甘蓝色素的大孔树脂,确定大孔树脂分离纯化的工艺条件及参数,最终确定一种适合工业化生产的工艺。

1　实验仪器及材料

ＵＶＣＲＴ型紫外可见分光光度计；ＰＨＳ-3Ｃ型精密ｐＨ计；ＳａｒｔｏｒｉｕｓＢＴ25Ｓ型电子分析天平；ＤＳ-1高速组织捣碎机；ＴＤＬ-5型台式离心机；磷酸二氢钾和盐酸为分析纯,水为纯化水；紫甘蓝购于厦门家乐福超市；大孔树脂：ＤＡ、ＤＡ及ＤＡ-Ｂ购于安徽三星树脂有限公司,ＨＺ-购于上海华震科技贸易公司,Ｓ-8、ＡＢ-8、ＮＫＡ-Ⅱ、ＨＰＤ-购于天津浩聚树脂科技有限公司。

树脂的物理结构参数见表1。

2　实验方法

2.1　分析方法

以磷酸盐缓冲液(称取磷酸二氢钾50.2ｇ,加水ｍＬ,搅拌使溶解,盐酸调ｐＨ至2.50,转移至容量瓶中,加水定容)溶解样品,ｎｍ～ｎｍ波长紫外扫描,在ｎｍ～ｎｍ之间吸收峰为ｎｍ,紫外-可见吸收光谱图见图1。

提取液吸光度的测定：精密移取滤液1ｍＬ置10ｍＬ容量瓶中,用磷酸盐缓冲液(ｐＨ2.5)定容,摇匀,得供试液,以缓冲液为空白对照,ｎｍ波长下测定吸光度。

粗提物色价测定：精密称取样品15ｍｇ,加入到10ｍＬ容量瓶中,用磷酸盐缓冲液溶解,定容,以缓冲液为空白对照,ｎｍ波长下测定吸光度,计算色价(Ｅ1%1ｃｍｎｍ)。

纯品色价测定：精密称取样品15ｍｇ,加入到10ｍＬ容量瓶中,用磷酸盐缓冲液溶解,定容,得样品溶液,再精密移取1ｍＬ样品溶液置25ｍＬ容量瓶中,用磷酸盐缓冲液定容,摇匀,得供试液,以缓冲液为空白对照,ｎｍ波长下测定吸光度,计算色价(Ｅ1%1ｃｍｎｍ)。

2.2　提取正交试验及验证

取新鲜的紫甘蓝,切碎,称取紫甘蓝碎末20克,加入组织捣碎机,再加入一定量的水,以ｒ/ｍｉｎ对紫甘蓝进行高速剪切,目滤布过滤,再离心机0ｒ/ｍｉｎ离心,将上清液减压蒸干,得提取物,置减压干燥箱中,45℃及五氧化二磷条件下减压干燥24小时,称重,按2.1项中粗提物色价测定方法计算色价。正交试验的因素水平表如表2。正交试验完成后,按优化工艺进行验证试验。

2.3　大孔树脂的选择

测定8种大孔树脂的静态吸附率和静态解吸率,以筛选树脂。

称取紫甘蓝碎末适量,加入组织捣碎机,再加入10倍量水,以ｒ/ｍｉｎ对紫甘蓝进行高速剪切,抽滤得提取液备用。同时按2.1项的方法测定吸光度。

静态吸附率的测定：取预处理好的8种大孔树脂用滤纸吸干表面的水分,各称取1.0ｇ,分

别装入50ｍＬ具塞三角瓶中,各精密加入紫甘蓝提取液20ｍＬ,在室温条件下置震荡器上震荡1.5小时,过滤,取续滤液按2.1项的方法测定吸光度,按下式计算各树脂的静态吸附率(%)。

静态解吸率的测定：取静态吸附率试验后的吸附饱和的树脂,滤除滤液,树脂装入50ｍＬ具塞三角瓶中,精密加入50%乙醇20ｍＬ,接下来的操作与静态吸附率试验相同,测得吸光度值,按下式计算各树脂的静态解吸率(%)。

2.4　纯化工艺试验

2.4.1　上样液ｐＨ值的确定精密量取2.3项中的提取液2份各20ｍＬ,分别用10%盐酸调ｐＨ值为3和5,分别编号为1号和2号供试液,按2.3的方法测定ＨＰＤ-大孔树脂对1号和2号供试液的静态吸附率和静态解吸率,比较ＨＰＤ-大孔树脂对不同ｐＨ值上样液的静态吸附率及静态解吸率。

2.4.2　上样量的确定

将预处理好的ＨＰＤ-大孔树脂,装入玻璃层析柱(Φ=2.0ｃｍＶ=50ｍＬ)中,取提取液上样,控制流速,每50ｍＬ接收一份,按2.1项的方法测定吸光度。

2.4.3　水洗除杂时用量的确定

按2.4.2确定的量上样,用水洗脱杂质至流出液澄清为止,合并流出液,测量总体积。

2.4.4　紫甘蓝色素的洗脱剂选择及用量确定取3根相同型号的层析柱(Φ=2.0ｃｍＶ=

50ｍＬ),按2.4.1～2.4.3确定的方法上样并洗脱杂质,分别以30%乙醇、50%乙醇和70%乙醇洗脱吸附在层析柱上的紫甘蓝色素,每25ｍＬ接收1份,直至流出液几乎无色,观察洗脱液颜色的变化情况。

2.5　样品制备及检测

按上述试验确定的紫甘蓝制备工艺制备样品,其中,紫甘蓝称样量为2.0Ｋｇ,玻璃层析柱(Φ=4.5ｃｍＶ=ｍＬ),得紫甘蓝色素,称重,计算固形物收率,并按2.1项中纯品色价测定方法计算色价。

3　实验结果

3.1　提取正交试验及验证

共9次试验,计算各试验所得提取物的固形物收率及色价,以此两项的乘积为指标,进行方差分析。结果分别见表3及表4。

从表4可以看出,各因素的影响大小顺序为：

ＤＢＡＣ,直观确定最佳工艺条件为：Ａ3Ｂ2Ｃ3Ｄ1,其中因素Ｄ和Ｂ对实验结果具有显著性影响,而Ｃ对实验结果影响很小,Ｃ为提取时间,考虑到工业生产节能的需要,确定提取工艺为Ａ3Ｂ2Ｃ1Ｄ1；按Ａ3Ｂ2Ｃ1Ｄ1进行验证试验,固形物收率为7.18%,色价为3.87,两项乘积为27.79,与正交试验的所有结果比较,提取效果最好。

3.2　大孔树脂的选择

结合静态吸附率与静态解吸率综合考虑,ＨＰＤ-、ＤＡ、ＡＢ-8和ＤＡ-Ｂ效果较好,本实验选用ＨＰＤ-用于紫甘蓝色素的纯化。

3.3　纯化工艺试验

3.3.1　上样液ｐＨ值的确定

从表6可以看出,随着上样液酸性增强,静态吸附率提高,但静态解吸率却降低。实际生产中,上样液在大孔树脂柱中属于动态吸附与动态解析,吸附在大孔树脂上的色素,在被洗脱剂洗下来之前,先要用中性的纯水洗脱杂质,在这个过程中,酸性上样液带入的氢离子大部分被水冲走,对下一步用乙醇洗脱色素时的影响大大减弱；但如果酸性过强,对生产中使用的管路及设备会有较强的腐蚀,综合考虑,确定上样液ｐＨ值为5。

3.3.2　上样量的测定

吸光度值分别是：第1份样为0,第2份样为0.,从第3份到第40份样品吸光度变化不

大,均在0.13～0.14之间,第41份样之后,有逐渐增大的趋势,确定上样体积为ｍＬ,转换成树脂与紫甘蓝的比例为：1ｍＬ湿树脂/4ｇ新鲜紫甘蓝。

3.3.3　水洗量

水洗ｍＬ后,洗脱液无色澄清,确定水洗除杂的用量为10倍柱体积。

3.3.4　紫甘蓝色素的洗脱剂选择及用量确定

洗脱至流出液几乎无色时,30%乙醇消耗约ｍＬ,而50%乙醇和70%乙醇洗脱效果比较接近,均消耗约ｍＬ,确定选用50%乙醇ｍＬ洗脱,即用量为4倍柱体积。

3.4　样品的制备及检测

新鲜紫甘蓝2.0Ｋｇ,制备得到样品5.41ｇ,固形物收率为0.27%,色价(Ｅ

1%1ｃｍｎｍ)为87.06。

4　讨论

(1)新鲜的紫甘蓝有一定的耐性,必须切碎成大小在5ｍｍ×5ｍｍ以下,才能保证用组织捣碎机进行高速剪切的提取效果；在工业化生产中,可以采用破碎机对新鲜的紫甘蓝破碎,湿法粉碎机进一步粉碎,再将浆状物输送到超声波提取器或搅拌装置提取,获得的效果与实验室用组织捣碎机高速剪切的提取效果接近。

(2)紫甘蓝色素的紫外-可见吸收峰随溶液ｐＨ值的变化而移动[1,3],所以必须在某一确定的ｐＨ值下测定色价。而紫甘蓝水溶液在ｐＨ值1～3之间呈现红色,在ｎｍ～ｎｍ波长范围内有固定的吸收峰(ｎｍ),该实验采用ｐＨ值为2.5的磷酸盐缓冲液作为溶剂,在ｎｍ波长下测定紫甘蓝色素色价,效果理想。

(3)采用大孔树脂纯化紫甘蓝色素,安全无毒,处理量大,纯化效果显著,可将粗提物的色价提高20多倍,具备极高的工业化价值。