CN103450703A - 一种制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法，属于食品添加剂、农产品深加工领域。本发明过程为：（1）紫甘薯原料的预处理；（2）低频微波辅助酸化水溶液提取紫甘薯色素；（3）大孔吸附树脂初步纯化；（4）高速逆流色谱分离纯化；得到纯度95%以上的脱味紫甘薯色素。本发明采用微波辅助酸性水溶液提取，并添加絮凝剂以絮凝粘蛋白，再经大孔吸附树脂静态吸附和动态洗脱初步完成脱味和富集纯化过程，最后用高速逆流色谱法分离制备得到高纯度脱味紫甘薯色素。本发明采用的技术工艺先进、分离效率高、回收率高、产品纯度高达95%以上、制备量较大，所得产品无异味、杂质少、溶解性好，易于推广使用。

Description

一种制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法

技术领域

本发明涉及一种以酸性水溶液为提取剂，通过大孔吸附树脂初步纯化和高速逆流色谱分离纯化制备高纯度无异味紫甘薯色素的方法，属于食品添加剂、农产品深加工领域。

背景技术

化学合成色素色彩鲜艳、着色强，但主要属于苯胺类色素，添加到食品中，有些会在体内形成致癌物质。随着合成色素对人体健康危害性研究的深入，同时随着人们崇尚天然、回归自然、安全第一的心里需求的增强，天然色素得到重视和迅速发展。天然色素取代合成色素用于食品、药品、化妆品及办公用品等行业成为未来发展的大趋势。研究发现，紫甘薯花色苷具有抗氧化、抗肿瘤、降血糖、保肝、调节血压等保健功效。紫甘薯色素易溶于水和乙醇溶液，可以作为保健品使用。然而，目前国内外制得的紫甘薯色素纯度不够高，而且还有一定的异味，限制了其使用范围。

我国紫甘薯资源相对丰富，近年来已有大量的科研单位开始进行紫甘薯天然色素的研究和开发。“紫甘薯花色苷色素研究进展”（杨朝霞等，青岛大学学报）中概述到，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，国内则采用柠檬酸、盐酸水溶液和酸化乙醇作为提取液。“一种紫甘薯色素的纯化方法”（中国专利申请号201110253240.9）、“一种双酶法提取紫甘薯花色苷的工艺”（中国专利申请号201110277834.3）、“阳离子交换树脂二次纯化紫甘薯花色苷的制备方法”（中国专利申请号200810054180.6）、“一种高色价紫甘薯花色素的制备方法”（中国专利申请号201110285223.3）等均属于紫甘薯色素的制备方法。现有专利文献报道的提取天然色素的方法，如专利“一种连续逆流超声提取紫甘薯花色苷的方法”（中国专利申请号201210038583.8）、“甘薯色素的提取方法”（中国专利申请号02110033.0），“紫甘薯天然红色素的乙醇提取法”（中国专利申请号200610005525.X），这些方法都采用有机溶剂提取法，存在一定的缺点：（1）有机溶剂消耗量大；（2）有机溶剂提取液在上柱前最好除去溶液中的有机溶剂，否则会严重影响树脂的吸附效果；若进行浓缩，温度不可太高，因此必须减压浓缩，势必增加生产成本；（3）有机溶剂提取后的薯渣中残余大量有机溶剂，无法回收干净，使得薯渣不能再利用，导致资源浪费；（4）甘薯中有些醇溶性蛋白质提取时进入有机溶剂中，浓缩过程中会相应增加蛋白质等物质的浓度，树脂纯化后，蛋白质随洗脱液直接排放，对环境造成污染。

用酸性水溶液提取，虽然成本较低，但在提取液中含有大量粘蛋白，使溶液无法过滤，有必要加入一些絮凝剂将其絮凝去除。同时为了尽量去除上述粗提液中的杂质，需对其进行纯化，目前常用的纯化方法为：利用大孔吸附树脂法对除杂后的紫甘薯色素浓缩液进行吸附，得到初步纯化的紫甘薯色素。但是，由于大孔吸附树脂吸附能力的限制，大孔吸附树脂法不能将糖类物质、小分子降解物质以及甘薯粘性蛋白等杂质与紫甘薯色素完全分开，因此，利用上述方法纯化得到的紫甘薯色素含杂质量较高，且含有大量小分子降解物，具有明显的臭味、类似“烂红薯”的味道和苦味等异味，严重影响了紫甘薯色素在食品领域及其他领域的推广和使用。鉴于此原因，本发明引进高速逆流色谱分离纯化高纯度的脱味紫甘薯色素。

常秀莲等人公开了一种无“返味”萝卜红色素脱臭技术（中国专利申请号201110024952.3），采用0.1mol/L的盐酸水溶液，对萝卜丝进行搅拌浸提，固液比1︰15，室温下浸提24h，浸提三次，得到萝卜红色素粗提液。该提取处理过程仅单纯采用了酸性水溶液于室温浸提，历时24h，而本发明采用低频微波辅助酸性水溶液浸提，历时仅为5-6.5min，极大地缩短了浸提时间，随着浸提次数的增多，提取时间差距越明显，同时色素的提取率也较常规酸水提取法高，对工业化批量化生产极有益处。

徐晖等人公开了“用食用紫甘薯提取食品用天然紫甘薯色素的工业生产方法”（中国专利申请号201010270173.7），采用2.0倍及以上紫甘薯重量的水和食品级酸，使酸性水溶液的pH在2.0-3.0之间，温度20-40℃，提取2-6h，重复提取3次，再经大孔树脂纯化，超滤除杂得到紫甘薯液体色素半成品，由于有些小分子糖类等物质与紫薯花色苷的分子量接近，用超滤膜难以将其与色素分离，而本发明采用了高速逆流色谱法技术，通过选择合适的溶剂系统，调节流速等条件，可以分离制备出纯度（95%-97%）远远大于该发明的紫甘薯色素（色价回收率在90%以上），另外，本发明采用低频微波辅助提取技术也有提取时间短的优势。

叶小利等人公开了“紫色甘薯花色素和粘蛋白的提取工艺”（中国专利申请号： 200310104159.X）。该发明的提取过程采用的酸性水溶液为0.3-0.5%硫酸或酸性甲醇（2%-5%盐酸和50%-85%甲醇混合液），浸提2h，重复3次，提取时间也存在相对较长的问题。硫酸和甲醇均对人体有害，若在生产中由于操作不严格或其它原因，会对生产者或消费者产生危害，甚至可能对企业造成不可估量的损失。该法采用的食用絮凝剂为5%羧甲基纤维素或甲壳素或粘多糖型的YX-1或YX-2，搅拌均匀后静止2h。而本发明采用混合絮凝剂即5%～8%羧甲基纤维素或甲壳素或羧甲基纤维素和甲壳素的混合物（比例为2︰1），且放于4℃冰箱静置，低温利于加速沉淀。

刘晶晶等人公开了“双水相萃取体系分离纯化甜菜红色素的方法”（中国专利申请号201010105069.2）。该发明采用0.05-0.1mol/L的盐酸水溶液作为浸提剂，固液比1︰1～1︰5，室温浸提12h，浸提三次，得到甜菜红色素粗提液，历时较长。

苏记等公开了“一种萝卜红色素的制备方法”（中国专利申请号201210105366.6），将粉碎的萝卜与去离子酸性水溶液以1︰（2～5）的比例投入到连续逆流超声提取设备中，时间控制在3h以内，超声功率30-57KW，提取温度30-50℃。该发明采用逆流超声提取，而本发明则采取的是低频微波辅助提取，历时较短，且操作简便。

 “紫甘薯花色苷色素提取纯化工艺研究及组分分析”（杨朝霞，硕士学位论文，2011）中采用盐酸水溶液进行提取，最佳的优化条件为：温度60℃，时间1h，料液比1︰25，盐酸浓度为0.5%，提取2次，通过AB-8大孔树脂纯化，色素液中还原糖和淀粉的含量大幅度下降，紫甘薯色素的产率可达7.4%（以色价=12计）。但色素纯化物中仍有部分杂质存在，而本发明则采用了高速逆流色谱法进一步对其进行分离纯化，制备量大且色素纯度达95%-97%，另外本发明还采用微波辅助法提取，较传统溶剂浸提法大大缩短了提取时间，且提取率提高。

微波作为一种新型的应用技术，近年来在植物化学领域得到广泛应用。它具有穿透力和选择性强、加热效率高等特点，尤其是915MHz的低频微波。由于它是一种瞬时穿透式加热方式，在微波场的作用下植物细胞被破壁，从而加快了萃取的速率和有效地提高了产品得率。微波萃取的本质是微波对萃取溶剂和物料的加热作用。微波加热的机理有别于常规加热，它能够穿透萃取溶剂和物料使整个系统均匀加热，这样省去常规加热由表及里热传导所需的时间，使萃取体系快速升温，萃取速率明显高于常规的加热方法。

高速逆流色谱是一种新型的液一液分配色谱，其原理是基于样品在旋转螺旋管内的互不混溶的两相溶剂间分配不同而得到分离，因而无须任何固体载体，能在短时间内实现高效分离和制备，并且可以达到几千个理论塔板数。与柱色谱相比较，它克服了固定相载体带来的样品吸附、损失、污染和峰形拖尾等缺点。目前此项技术已被应用于生化、生物工程、医药、天然产物纯化、环境分析、食品、地质、材料等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过微波辅助酸性水溶液提取、大孔树脂初步脱味和富集纯化及高速逆流色谱高效分离制备脱味紫甘薯色素的方法，以便充分利用紫甘薯特有资源，丰富食品添加剂种类。该法采用的技术工艺先进、分离效率高、回收率和产品纯度高、制备量较大，所得产品无异味、杂质少，易于推广使用。

本发明的技术方案：一种制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法，其主要过程为：

（1）紫甘薯原料的预处理：挑选新鲜的紫甘薯块根，洗净、切成0.3-0.8cm厚的薄片，47℃真空干燥，粉碎、过80目筛，紫甘薯粉装入保鲜袋于4℃冰箱避光保存备用。

（2）低频微波辅助酸化水溶液提取紫甘薯色素：紫甘薯粉与酸化水溶液（质量浓度4%-6%柠檬酸或0.8%-1.2%盐酸）以料液比为1︰45-55比例搅拌均匀、于915MHz低频微波条件下微波功率462W-595W、处理时间5-6.5min，提取2次，滤液合并；冷却、用80%的乙醇溶液进行醇沉反应2-3h，以沉淀醇不溶性杂质、过滤去渣；向上清液添加食用絮凝剂沉淀其中的蛋白质和多糖，食用絮凝剂有：羧甲基纤维素钠、甲壳素、或羧甲基纤维素钠和甲壳素质量比例为2︰1的混合物，添加量为使絮凝剂在上清液中的质量浓度为5%-8%，于4℃冰箱静置2-4h，以转速4000-5000rpm冷冻离心9-11min、旋转蒸发浓缩制得色素粗提液；

过滤去渣的具体操作是：将两层滤纸放置在布氏漏斗上面，用真空泵抽真空过滤，相对真空度小于或等于-0.03个大气压。

微波辅助不仅能提高提取效率，还能起到灭酶作用，防止发生褐变。

（3）大孔吸附树脂初步纯化：将步骤（2）中的色素粗提液经乙酸乙酯萃取除脂、AB-8或D101大孔吸附树脂进行脱味和富集纯化，用pH为3.0的

60%-80%的酸化乙醇溶液进行洗脱、收集洗脱液并旋蒸浓缩、冷冻干燥制得不完全脱味的紫甘薯色素产品；

大孔吸附树脂的预处理为：上柱前，树脂先用8%NaCl溶液浸泡4h，水洗，再用无水乙醇充分浸泡24h，赶出空气泡，用蒸馏水洗至无醇味；再用5%HCl溶液浸泡5h，用蒸馏水洗至中性；再用3%NaOH溶液浸泡5h，用蒸馏水洗至中性，酸碱交替浸泡循环2次；

大孔吸附树脂纯化的步骤为：大孔吸附树脂对色素粗提液进行静态吸附直到饱和，250-400mL色素粗提液/50mL湿大孔吸附树脂，吸附饱和的树脂装入柱中，改用去离子水洗树脂中的杂质，直至流出液不浑浊为止；再用3-4倍柱体积的pH为3.0含质量浓度4%-6%柠檬酸或0.8%-1.2%盐酸的60%-80%的酸化乙醇，洗脱大孔吸附树脂，收集洗脱液。 

（4）高速逆流色谱分离纯化：将步骤（3）中的含紫甘薯色素的洗脱液进行高速逆流色谱的进一步分离纯化，选择分离溶剂体系，调节转速，用紫外检测器监测；高速逆流色谱分离的溶剂体系由正丁醇、甲基叔丁基醚、三氟乙酸和乙腈组成，其体积比为（4-5）:（2-3）:（6-7）:1，取上相为固定相，下相做流动相，流速2mL/min，进样量为1g，色谱仪转速为800-900rpm，紫外检测波长280nm；根据图谱收集目标成分，流分减压回收试剂，将收集到的目标紫薯花色苷进行混合，最终得到纯度95%-97%的脱味紫甘薯色素。

本发明的显著效果及优点：

1、色素在酸性条件下稳定性增强，微波辅助有利于提高提取效率，同时灭酶防止褐变。

2、提取后的薯渣不存在有机溶剂的污染；絮凝剂处理，解决了水溶液过滤困难的问题。

3、经测定，利用本方法得到的色素干粉的色价在90以上，产品纯度高达95%-97%。

4、采用高速逆流色谱法，不产生死吸附，分离过程产品不损失，配合紫外检测器在线监测，操作简单，制备周期短，制备量较大，可连续化生产。

5、本发明不仅适合于实验室小规模提取分离，也适合工业化生产。

具体实施方式

实施例1：一种915MHz低频微波低功率长时制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法

挑选新鲜紫甘薯，洗净、切成0.3-0.8cm厚的薄片，47℃真空干燥，粉碎、过80目筛，得紫甘薯粉；紫甘薯粉与4%柠檬酸水溶液以1︰45的比例搅拌均匀、微波辐射功率为462W下、处理6.5min，重复提取2次，滤液合并，冷却、用80%的乙醇溶液进行醇沉反应3h，过滤去渣、向上清液加5%的羧甲基纤维素钠，搅拌均匀后于4℃冰箱静置2h，过滤即可除去紫甘薯粘蛋白；以转速4000rpm，冷冻离心9min、旋转蒸发浓缩制得浓缩粗提液；粗提液经乙酸乙酯萃取除脂、用预处理过的AB-8大孔吸附树脂进行静态吸附直到饱和（250mL色素粗提液/50mL湿大孔吸附树脂），吸附饱和的树脂装入柱中，改用去离子水洗树脂中的杂质，直至流出液不浑浊为止；再用3倍柱体积的pH为3.0的80%的酸化乙醇（柠檬酸或盐酸）洗脱大孔吸附树脂，收集洗脱液，减压浓缩并冷冻干燥得初步脱味的紫薯色素产品；将色素产品进行高速逆流色谱分离，其溶剂体系由正丁醇、甲基叔丁基醚、三氟乙酸和乙腈组成，其体积比为4:3:6:1，取上相为固定相，下相做流动相，流速2mL/min，进样量为1g，色谱仪转速为800rpm，紫外检测波长280nm，收集的目标组分，旋转蒸发后冷冻干燥，得到的脱味紫甘薯色素纯度达95%左右。

实施例2：一种915MHz低频微波中功率中时制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法

挑选新鲜紫甘薯，洗净、切成0.3-0.8cm厚的薄片，47℃真空干燥，粉碎、过80目筛，得紫甘薯粉；紫甘薯粉与6%柠檬酸水溶液以1︰50的比例搅拌均匀、微波辐射功率为500W下处理6min，重复提取2次，滤液合并，冷却、用80%的乙醇溶液进行醇沉反应2h，过滤去渣、将上清液加8%的羧甲基纤维素钠，搅拌均匀后于4℃冰箱静置3h，过滤即可除去紫甘薯粘蛋白；以转速4500rpm，冷冻离心10min、旋转蒸发浓缩制得浓缩粗提液；粗提液经乙酸乙酯萃取除脂、用预处理过的AB-8大孔吸附树脂进行静态吸附直到饱和（300mL色素粗提液/50mL湿大孔吸附树脂），吸附饱和的树脂装入柱中，改用去离子水洗树脂中的杂质，直至流出液不浑浊为止；再用4倍柱体积的pH为3.0的70%的酸化乙醇（柠檬酸或盐酸）洗脱大孔吸附树脂，收集洗脱液，减压浓缩并冷冻干燥得初步脱味的紫甘薯色素产品；将色素产品进行高速逆流色谱分离，其溶剂体系由正丁醇、甲基叔丁基醚、三氟乙酸和乙腈组成，其体积比为4:2:7:1，取上相为固定相，下相做流动相，流速2mL/min，进样量为1g，色谱仪转速为800rpm，紫外检测波长280nm，收集的目标组分，旋转蒸发后冷冻干燥，得到的脱味紫甘薯色素纯度达96%左右。

实施例3：一种915MHz低频微波高功率短时制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法

    挑选新鲜紫甘薯，洗净、切成0.3-0.8cm厚的薄片，47℃真空干燥，粉碎、过80目筛，得紫甘薯粉；紫甘薯粉与1.0%盐酸水溶液以1︰55的比例搅拌均匀、微波辐射功率为595W下，处理5min，重复提取2次，滤液合并，冷却、用80%的乙醇溶液进行醇沉反应2.5h，过滤去渣、将上清液加5%的羧甲基纤维素钠和甲壳素混合物（比例为2︰1），搅拌均匀后于4℃冰箱静置4h，过滤即可除去紫甘薯粘蛋白；以转速5000rpm，冷冻离心11min、旋转蒸发浓缩制得浓缩粗提液；粗提液经乙酸乙酯萃取除脂、用预处理过的D101大孔吸附树脂进行静态吸附直到饱和（400mL色素粗提液/50mL湿大孔吸附树脂），吸附饱和的树脂装入柱中，改用去离子水洗树脂中的杂质，直至流出液不浑浊为止；再用4倍柱体积的pH为3.0的80%的酸化乙醇（柠檬酸或盐酸）洗脱大孔吸附树脂，收集洗脱液，减压浓缩并冷冻干燥得初步脱味的紫甘薯色素产品；将色素产品进行高速逆流色谱分离，其溶剂体系由正丁醇、甲基叔丁基醚、三氟乙酸和乙腈组成，其体积比为5:3:7:1，取上相为固定相，下相做流动相，流速2mL/min，进样量为1g，色谱仪转速为800rpm，紫外检测波长280nm，收集的目标组分，旋转蒸发后冷冻干燥，得到的脱味紫甘薯色素纯度达97%左右。

Claims (2)

1.一种制备高纯度脱味紫甘薯色素的方法，其特征在于其步骤为：

（1）紫甘薯原料的预处理：挑选新鲜的紫甘薯块根，洗净，切成0.3-0.8cm厚的薄片，47℃真空干燥，粉碎、过80目筛，紫甘薯粉装入保鲜袋于4℃冰箱避光保存备用；

（2）低频微波辅助酸化水溶液提取紫甘薯色素：紫甘薯粉与质量浓度4%-6%柠檬酸或0.8%-1.2%盐酸的酸化水溶液，以料液比为1︰45-55比例搅拌均匀，于915MHz低频微波处理，微波功率462W-595W、处理时间5-6.5min，提取2次，滤液合并；冷却，用80%的乙醇溶液进行醇沉反应2-3h，以沉淀醇不溶性杂质，过滤去渣；向上清液添加食用絮凝剂沉淀其中的蛋白质和多糖，食用絮凝剂有：羧甲基纤维素钠、甲壳素、或羧甲基纤维素钠和甲壳素质量比例为2︰1的混合物，添加量为使絮凝剂在上清液中的质量浓度为5%-8%，于4℃冰箱放置2-4h，以转速4000-5000rpm冷冻离心9-11min、旋转蒸发浓缩制得色素粗提液；

（3）大孔吸附树脂初步纯化：将步骤（2）中的色素粗提液经乙酸乙酯萃取除脂、AB-8或D101大孔吸附树脂进行脱味和富集纯化，用pH为3.0的60%-80%的酸化乙醇溶液进行洗脱、收集洗脱液并旋蒸浓缩、冷冻干燥制得不完全脱味的紫甘薯色素产品；

大孔吸附树脂的预处理为：上柱前，树脂先用8%NaCl溶液浸泡4h，水洗，再用无水乙醇充分浸泡24h，赶出空气泡，用蒸馏水洗至无醇味；再用5%HCl溶液浸泡5h，用蒸馏水洗至中性；再用3%NaOH溶液浸泡5h，用蒸馏水洗至中性，酸碱交替浸泡循环2次；

大孔吸附树脂纯化的步骤为：大孔吸附树脂对色素粗提液进行静态吸附直到饱和，250-400mL色素粗提液/50mL湿大孔吸附树脂，吸附饱和的树脂装入柱中，改用去离子水洗树脂中的杂质，直至流出液不浑浊为止；再用3-4倍柱体积的pH为3.0含质量浓度4%-6%柠檬酸或0.8%-1.2%盐酸的60%-80%的酸化乙醇，洗脱大孔吸附树脂，收集洗脱液； 

（4）高速逆流色谱分离纯化：将步骤（3）中的含紫甘薯色素的洗脱液进行高速逆流色谱的进一步分离纯化，选择分离溶剂体系，调节转速，用紫外检测器监测：高速逆流色谱分离的溶剂体系由正丁醇、甲基叔丁基醚、三氟乙酸和乙腈组成，其体积比为（4-5）:（2-3）:（6-7）:1，取上相为固定相，下相做流动相，流速2mL/min，进样量为1g，色谱仪转速为800-900rpm，紫外检测波长280nm；根据图谱收集目标成分，流分减压回收试剂，将收集到的目标紫薯花色苷进行混合，最终得到纯度95%-97%的脱味紫甘薯色素。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：过滤除渣的具体操作是：将两层滤纸放置在布氏漏斗上面，用真空泵抽真空过滤，相对真空度小于或等于-0.03个大气压。