CN102618067A - 一种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法 - Google Patents

一种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，在紫甘薯颗粒中加入酸化水后，连续逆流超声提取后固液分离得到浸提液，浸提液经絮凝、固液分离得到紫甘薯花色苷澄清液，将澄清液吸附、解吸后得到紫甘薯花色苷解吸液，再经浓缩、喷雾干燥得到紫甘薯花色苷精粉。本发明使用最少的溶剂得到最大的溶解度，提高了提取效果，显著减少了溶剂用量、降低了浓缩过程溶剂回收的能耗，提高了生产效率。提取过程温度低，时间短，缩短了提取周期，防止了花色苷降解，有效去除了提取液中蛋白等杂质，反应条件温和、选择性好，降低了浸提液的粘度并提高了澄清度，树脂使用寿命达300次以上，全程总收率可达80％以上，提取成本低，适用于工业化生产。

Description

一种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法
技术领域
本发明属于植物化学技术领域，具体涉及利用连续逆流提取技术从紫甘薯中制备紫甘薯花色苷色素的方法。
背景技术
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，而且花色苷类色素具有多种生理功能，一些国家已将花色苷类色素开发成功能食品和药品。在欧洲，作为欧共体框架计划“生命的质量”中的一项主要内容“花色苷生物活性”方案正在实施。因此，花色苷类色素在食品、化妆、医药等方面有巨大的应用潜力。
紫甘薯块根中主要的花色苷为芳香族有机酸酰化的花色苷，主要化学组分为带有酰基的矢车菊苷和芍药苷两种。花色苷(anthocyanin)是一类羟基和甲基化的2-苯基苯并吡喃阳离子(花色素，anthocyanidin)与一个或多个糖分子通过糖苷键结合而成的化合物(Brouillard R.Chemical structure ofanthocyanins[M].Anthocyanins as Food Colors.Pericles Markakis(ed.)，Academic Press Inc.，New York，1982，1-38)。花色苷上的糖分子上的羟基与一个或几个有机酸分子通过酯键形成酰基化的花色苷。目前鉴定出的8中酰化的花色苷结构如下：
Figure BDA0000136861830000021
紫甘薯花色苷是一组水溶性的天然色素，易溶于极性溶剂中，目前报道的主要溶剂有水、甲醇、乙醇和丙酮等(Cacace，J E，Mazza，G.Extraction ofanthocyanins and other phenolics from black currants with sulfured water[J].J Agric and Food Chem，2002，50：5939-5946)。花色苷的2-苯基苯并吡喃阳离子结构由于缺少电子而使它具有强烈的反应性，加上母核上连接有多个轻基，使其不稳定(Francis F J.Food colorants：anthocyanins[J].CritRev，Food Sci Nutr，1989，28：273-314)。花色苷的稳定性受到花色苷本身的结构、浓度、光强度和质量、热、氧、pH值、金属离子、是否有辅色剂存在、酶、抗坏血酸、糖及其降解产物、二氧化硫等因素的影响(Jackman，R L，Yada，R Y，et al.Anthocyanins as food colorants-a review[J].J FoodBiochem，1987，1：201-247)。
紫甘薯花色苷具有多项生物学功能，主要集中在抗氧化及消除自由基功能(Clifford，M.N.，Anthocyanins-nature，occurrence and dietary burden[J].J Sci.of Food and Agric.，2000，80：1063-1072)、抗癌症(Tsuda T.，Ohshima K，Kawakishi S，Osawa T.Antioxidative pigments isolated fromthe seeds of Phaseolus vulgaris L，J.Agric.Food Chem，1994，42：248-251)、改善血清以及肝脏中脂肪含量作用(Tsuda T，Horio F，Kitoh J，Osawa T.Protective effects of dietary cyanidin 3-O-f3-D-Glucos ide onliver ischemia-reperfusion injury in rats[J].Arch Biochem Biophys，1999，368：361-366)、抗变异作用(Yoshimoto-Makoto.Ant imutagenicity ofSweet potato(Ipomoea Batatas)Roots(J).Biosci.BiotechnolAnd Biochem.1999，63(3)：537-541)、以及其它的生理功能，因而在食品添加剂、保健品和医药工业方面有广阔的应用前景。
现有的技术当中，Ganapathi等(Ganapathi Patil，Raghavarao M S.Integrated membrane process for the concentration of anthocyanin[J].J FoodEngineering，2006)利用超滤、反渗透和渗透膜蒸馏联合浓缩花色苷色素液，使色素浓度从40mg/100ml提高到980mg/100ml。但超滤法产品质量虽好，但是设备要求高，处理量小，生产成本偏高。
中国专利CN200910263045将紫甘薯打浆后用酸性乙醇超声波辅助提取，浸提液浓缩后用大孔吸附树脂吸附解吸，得到紫甘薯花色苷。但是超声提取过程中超声衰减严重，造成超声不均匀以及浓度梯度低，导致提取率低，不能连续作业，处理量小。
Goda等用SephaexQ25(交联葡聚糖)，Amberlite-XAD-7，离子交换树脂法，酸化甲醇激活的C18柱和正丁醇液一液是取纯化法(Goda Yu，Shimizu T，Kato Y，et al.′Iwo acylated anthocyanins from purple sweet potato.Phytochem，1997，44(1)：186-186)。这些提取过程所用的分离介质Sephdexg G25(交联葡聚糖)和C18反相硅胶价格昂贵，载样量少，每升售价达到1万元左右，制备成本很高，不适合规模化生产。
Revilla等(Comparison of several procedures used for the extraction ofanthocyanins from red grapes[J].J Agric and Food Chem，46：4592-4597)，用1％HCl的甲醇溶液作为植物材料的提取溶剂。中国专利CN201010270173将紫甘薯制粒后用酸水提取4次以上，每次时间都在2～6小时，提取液合并后树脂吸附解吸，得到紫甘薯花色苷。中国专利CN20101022664公布了一种紫甘薯花色苷的提取方法将紫甘薯制粒后加入50～120倍的溶剂提取24小时，浸提液用大孔树脂吸附解吸，得到紫甘薯花色苷。中国专利CN201010179142将紫甘薯酶解后，加入200倍的柠檬酸水提取2次，提取液用大孔树脂吸附，树脂可重复使用5次。这些方法具有以下缺点：(1)均为传统的提取罐间歇式提取方式，需要的温度高，提取时间长，使用的提取剂用量大，批处理量小，且一次提取率不高，这些提取过程一般要求多次重复操作，工艺复杂且耗时耗力；(2)浸提液未经过澄清絮凝这一除杂步骤，含杂质较多，粘性大，直接使用树脂吸附，对下游树脂造成的损伤大，缩短了树脂的使用寿命，由此造成紫甘薯色素的生产成本较高。
花色苷作为一种天然食用色素已使用多年，至今未发现有副作用，而且具有很多生理活性。花色苷具有明亮的颜色，易溶于水，这些性质都使人们对它产生了越来越浓厚的兴趣，逐渐成为人工色素的替代品。因此，研究紫薯中花色苷色素提取及纯化的新方法，提高花色苷色素的提取效率以及色素的品质，可以为花色苷色素使用提供安全保障。通过对提取和纯化方法的探索，为从紫薯中提取花色苷的产业化奠定基础，对于食品、保健品的开发具有积极作用。
发明内容
本发明目的在于克服上述不足之处，提供一种操作简便，所用溶剂毒性低、用量少且易于回收，适于工业化生产的高纯度紫甘薯花色苷的方法。
为实现本发明目的，这种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，包括下述步骤：
a.在紫甘薯颗粒中加入紫甘薯颗粒重量2～10倍的pH值为2.0～5.0的有机酸酸化水后，在20℃～55℃下、20～80KHz下连续逆流超声提取1～4小时后固液分离，得到紫甘薯花色苷浸提液，其中超声频率优选40～50KHz；
b.在得到的上述紫甘薯花色苷浸提液中加入澄清剂，然后在40～60℃下絮凝2～4小时后经固液分离得到紫甘薯花色苷澄清液；
c.将上述紫甘薯花色苷澄清液导入吸附树脂进行吸附，再经解吸剂解吸后得到紫甘薯花色苷解吸液，其中吸附流速为树脂体积的1～3倍(BV/h)，解吸流速为树脂体积的0.5～2.0倍(BV/h)，优选为1.0～1.5倍(BV/h)；
d.将紫甘薯花色苷解吸液在30～50℃，-0.08～-0.1Mpa下浓缩，得到含固量在15％～30％的紫甘薯花色苷浓缩液；
e.将紫甘薯花色苷浓缩液在120～150℃下喷雾干燥后得到紫甘薯花色苷精粉。
所述有机酸采用甲酸、乙酸或柠檬酸，优选甲酸或乙酸，有机酸酸化水用量为紫甘薯颗粒重量的2～10倍(升/千克)，优选为4～6倍(升/千克)。
所述澄清剂选用ZTC II型天然澄清剂，其中ZTC II型天然澄清剂A组分用量为紫甘薯花色苷浓缩液体积的0.01～0.02倍(升/升)，操作温度为40～60℃，时间为2～4小时，B组分用量为紫甘薯花色苷浓缩液体积的0.02～0.04倍(升/升)。
所述吸附树脂选用HZ801、LX-700、XF-800、HZ816、X-5或D312树脂，其中优选XF-800、HZ801或LX-700树脂；所述吸附树脂柱高径比为5∶1～10∶1，优选为6∶1～8∶1。
所述解吸剂采用30～60％、pH值为2.0～5.0的甲醇、丙酮或乙醇的乙酸水溶液，其中优选40～50％、pH值为3～4的甲醇、丙酮或乙醇的乙酸水溶液。
本发明具有如下优点：
1、本发明利用连续逆流提取工艺从紫甘薯中浸提紫甘薯花色苷色素，使用最少的溶剂得到最大的溶解度，提高了提取效果，显著减少了溶剂用量，溶剂用量为专利申请CN201010179142中用量的0.005～0.12倍，降低了浓缩过程溶剂回收的能耗，同时可实现连续化作业，提高了生产效率，提取效率为专利申请CN20101022664的12倍。
2、由于本发明提取过程温度不高于55℃，时间不超过4小时，因而缩短了提取周期，防止了花色苷降解，因而也有利于环保节能。
3、本发明采用天然澄清剂对浸提液进行净化，可有效去除提取液中的蛋白等杂质，反应条件温和、选择性好，降低了浸提液的粘度并提高了澄清度，有效保护了下游树脂，使树脂的使用寿命达300次以上，本发明可制备色价大于200、含量大于50％的紫甘薯花色苷产品，为花色苷的直接应用奠定了基础。本发明所得产品可供食品或保健食品使用，总花色苷UV含量可达95％以上，全程总收率可达80％以上，提取成本低，适用于工业化生产。
具体实施方式
下述实施例仅用于阐述实现本发明的方法，不应理解为对本发明的限制。
其中紫甘薯颗粒：将紫甘薯洗净，粉碎成20～60目的颗粒。
其中ZTC II型天然澄清剂为北京正天成澄清技术有限公司生产。其使用方法：A组份：为淡黄色或白色粉末，用水配成1％溶液后使用；B组份：为淡黄色或白色粉末，用1％醋酸配成1％溶液后使用。
吸附树脂HZ816、HZ801、D312树脂为上海华震公司生产；吸附树脂D315、D301为安徽三星公司生产；吸附树脂SD-2为上海安澜德公司生产；LX-700吸附树脂为西安蓝晓公司生产；吸附树脂XF-800、X-5为罗门哈斯公司生产；乙醇、甲醇等试剂均为市售。
紫外-可见光分光光度计：ULTRASPEC 2000，安玛西亚公司。
喷雾干燥采用上海大川原喷雾干燥设备公司产品。
本发明所涉及的百分比浓度，如非特别言明，均指质量百分比浓度。
实施例1：取50kg紫甘薯颗粒(含花色苷0.8％)，从连续逆流超声提取管头部进料口进料，从连续逆流超声提取管尾部溶剂加入口加入100L pH值为2.0的甲酸水溶液，然后在20℃、20KHz超声波频率下连续逆流超声提取4小时后压滤，得到96L紫甘薯花色苷色素浸提液，然后在该浸提液中先加入ZTC II型天然澄清剂1％的B组份2L，每30分钟左右间隔搅拌一次，2小时后，再加入ZTC II型天然澄清剂1％的A组份1L，搅拌，在40℃下静置絮凝2小时后离心分离，得到紫甘薯花色苷色素澄清液；再将该澄清液以10L/h的流速导入高径比为5∶1，装量为10L的HZ801树脂柱进行吸附，吸附后的饱和树脂用30％的pH值为2.0的甲醇-乙酸水溶液解吸，解吸流速为5L/h，然后再将得到的紫甘薯花色苷解吸液在30℃，真空度为-0.1Mpa条件下真空浓缩，得到含固量为15％的紫甘薯花色苷色素浓缩液2.2L；然后再将紫甘薯花色苷色素浓缩液在进风口温度为120℃，出风口温度为80℃下进行喷雾干燥，最后得到651.8g紫甘薯花色苷色素粉末，经测定其色价为231(用紫外-可见光分光光度计按照国标GB4571-1996测定)，总花色苷含量为50.2％(采用pH示差法测定)，总花色苷收率为81.8％。
实施例2：本实施例与实施例1不同之处是，取500kg紫甘薯颗粒(含花色苷0.8％)，从连续逆流超声提取管头部进料口进料，从连续逆流超声提取管尾部溶剂加入口加入3吨pH值为3.5的乙酸水溶液，然后在50℃、50KHz超声波频率下连续逆流超声提取2小时后压滤，得到2.9吨紫甘薯花色苷色素浸提液；然后在该浸提液中先加入ZTC II型天然澄清剂1％的B组份90L，每30分钟左右间隔搅拌一次，2小时后，再加入ZTC II型天然澄清剂1％的A组份45L，搅拌，在50℃下静置絮凝2小时后离心分离，得到紫甘薯花色苷色素澄清液；再将该澄清液以300L/h的流速导入高径比为8∶1，装量为150L的XF-800树脂柱进行吸附，吸附后的饱和树脂用pH值为3.0的50％的乙醇-乙酸水溶液解吸，解吸流速为150L/h；再将得到的紫甘薯花色苷色素解吸液在40℃，真空度为-0.09Mpa条件下真空浓缩，得到含固量为25％的紫甘薯花色苷色素浓缩液13.2L，然后再将紫甘薯花色苷色素浓缩液在进风口温度为130℃，出风口温度为90℃下进行喷雾干燥，最后得到6.4kg紫甘薯花色苷色素粉末，经测定其色价为236(用紫外-可见光分光光度计按照国标GB4571-1996测定)，总花色苷含量为51.3％(采用pH示差法测定)，总花色苷收率为82.4％。
实施例3：本实施例与实施例1不同之处是，在55℃下，取1.0吨紫甘薯颗粒(含花色苷0.8％)，从连续逆流超声提取管头部进料口进料，从连续逆流超声提取管尾部溶剂加入口加入10吨pH值为5.0的柠檬酸水溶液，然后在55℃、80KHz超声波频率下连续逆流超声提取1小时后压滤，得到9.8吨紫甘薯花色苷色素浸提液；然后在该浸提液中先加入ZTC II型天然澄清剂1％的B组份400L，每30分钟左右间隔搅拌一次，2小时后，再加入ZTC II型天然澄清剂1％的A组份200L，搅拌，在60℃下静置絮凝2小时后离心分离，得到紫甘薯花色苷色素澄清液；再将该澄清液以450L/h的流速导入高径比为10∶1，装量为150L的LX-700树脂柱进行吸附，吸附后的饱和树脂用pH值为5.0的60％的丙酮-乙酸水溶液解吸，解吸流速为300L/h；再将得到的紫甘薯花色苷色素解吸液在50℃，真空度为-0.08Mpa条件下真空浓缩，得到含固量为30％的紫甘薯花色苷色素浓缩液22.3L，然后再将紫甘薯花色苷色素浓缩液在进风口温度为150℃，出风口温度为95℃下进行喷雾干燥，最后得到12.7kg紫甘薯花色苷色素粉末，经测定其色价为242(用紫外-可见光分光光度计按照国标GB4571-1996测定)，总花色苷含量为52.6％(采用pH示差法测定)，总花色苷收率为83.5％。

Claims (5)

1.一种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，其特征在于包括下述步骤：
a.在紫甘薯颗粒中加入紫甘薯颗粒重量2～10倍的pH值为2.0～5.0的有机酸酸化水后，在20℃～55℃下、20～80KHz下连续逆流超声提取1～4小时后固液分离，得到紫甘薯花色苷浸提液；
b.在得到的上述紫甘薯花色苷浸提液中加入澄清剂，然后在40～60℃下絮凝2～4小时后经固液分离得到紫甘薯花色苷澄清液；
c.将上述紫甘薯花色苷澄清液导入吸附树脂进行吸附，再经解吸剂解吸后得到紫甘薯花色苷解吸液，其中吸附流速为树脂体积的1～3倍，解吸流速为树脂体积的0.5～2.0倍；
d.将紫甘薯花色苷解吸液在30～50℃，-0.08～-0.1Mpa下浓缩，得到含固量在15％～30％的紫甘薯花色苷浓缩液；
e.将紫甘薯花色苷浓缩液在120～150℃下喷雾干燥后得到紫甘薯花色苷精粉。
2.根据权利要求1所述的连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，其特征在于所述有机酸采用甲酸、乙酸或柠檬酸，优选甲酸或乙酸，有机酸酸化水用量为紫甘薯颗粒重量的2～10倍。
3.根据权利要求1所述的连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，其特征在于所述澄清剂选用ZTC II型天然澄清剂，其中ZTC II型天然澄清剂A组分用量为紫甘薯花色苷浓缩液体积的0.01～0.02倍，操作温度为40～60℃，时间为2～4小时，B组分用量为紫甘薯花色苷浓缩液体积的0.02～0.04倍。
4.根据权利要求1所述的连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，其特征在于所述吸附树脂选用HZ801、LX-700、XF-800、HZ816、X-5或D312树脂；所述吸附树脂柱高径比为5∶1～10∶1。
5.根据权利要求1所述的连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法，其特征在于所述解吸剂采用30～60％、pH值为2.0～5.0的甲醇、丙酮或乙醇的乙酸水溶液。
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