CN105624198B - 一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺。所述工艺以栀子甙为原料，通过β‑葡萄糖苷酶水解栀子甙得到京尼平，在氧化剂的作用下让京尼平和氨基酸（伯胺化合物）进行聚合反应生成具有颜色的产物，再通过分离纯化得到纯度高的栀子蓝色素。所述工艺包括以下步骤：水解反应、聚合反应、分离纯化、干燥成型、检测验证。所述工艺可以把栀子蓝的制备周期缩短到2.5～5小时，制作的栀子蓝色素最大吸收波长达到600nm，并可以按需调控栀子蓝色素的色调。

Description

一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺
技术领域
本发明属于植物色素提取技术领域，具体涉及一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺。
背景技术
栀子蓝色素是近年来广受关注的一种天然水溶性蓝色素。它是以茜草科植物—栀子中所含的化学成分京尼平甙为原料，利用β-1,4-葡萄糖甙酶水解京尼平甙，脱去其分子末端的葡萄糖基，得到京尼平，京尼平再与氨基酸发生一系列的聚合、重排反应，反应完成后，经干燥即可制得栀子蓝色素。
当前栀子蓝色素的制备主要采用高产β-1,4-葡萄糖甙酶的微生物进行发酵，而后一般采用大孔树脂对发酵液进行脱盐、精制和纯化。这种工艺存在着培养基与色素分离困难，树脂不易再生，纯化效率低，产品色价较低等诸多问题，影响色素制品的应用。因此有必要改进其生产工艺对其进行进一步的分离纯化研究。
超滤是一种新兴的生化分离技术，广泛应用于化工、食品、医药及废水处理等领域。超滤不但具有耗能低、单级分离效率高，工艺简单等优点，而且分离纯化所得制品的收率高。
福建农林大学的杨志、张芳等人采用纤维素酶水解京尼平甙，利用超滤技术对栀子蓝色素进行分离纯化，以HPLC为检测手段，通过设置单因素实验和正交实验确定制备及纯化栀子蓝色素的最佳工艺条件。旨在提供一种经济、简单和高效的栀子蓝色素生产工艺。他们提供的制备过程是：首先将纤维素酶调制成酶液，然后利用酶液对京尼平甙进行水解，得到京尼平；第三，利用氨基酸与京尼平发生聚合反应，得到栀子蓝色素溶液；第四，对栀子蓝色素溶液进行超滤（UF）；第五，对滤液进行冷冻干燥后得到栀子蓝色素粉末。结果表明，最佳工艺条件为以谷氨酸钠作为氨基酸来源，液固比（V/W）=8:1，酶解时间12h，纤维素酶与京尼平甙的质量比为1：8，氨基酸与京尼平甙的质量比为1:2，反应时间96h。最佳超滤纯化工艺为超滤膜截留分子量为5000Da，超滤压力0.5-0.8MPa，pH=7，超滤温度为室温。经HPLC测定，本工艺制备的栀子蓝色素色价E590nm 1cm（1％）≥192，纯度≥95％。这种工艺存在反应时间过长、生产效率低等问题，如：水解时间12h，聚合反应时间96h。
申请号为SQ201410354880的专利《一种桅子蓝色素的生产方法》公开的方法包括以下步骤：⑴京尼平甙浓缩液的制备和纯化；⑵水解；⑶与氨基酸反应；⑷灭菌、过滤；⑸浓缩、喷干。用色差计检测，其产品蓝值为25.20，绿值为17.50，平均色价为E1%=70-75。此工艺存在以下不足：直接用栀子粉生产栀子蓝色素，浪费了栀子粉中富含的栀子黄色素；制备周期长，其中水解反应36小时、聚合反应48小时；生产的栀子蓝色素品质不高。
发明内容
为了克服现有的提取栀子蓝色素工艺存在的反应时间长，产品品质不高等问题，本发明提供一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺。所述工艺可以大幅缩短栀子蓝的制备周期，提高所得栀子蓝色素的色价，并且能够制备不同色调的栀子蓝，以满足更广泛的需求。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
栀子蓝色素的色调表示方法：本发明用色素在600nm波长的吸光值与色素在440nm波长的吸光值的比值作为衡量色素中蓝色相对于黄色的比例，记为R1；用色素在600nm波长的吸光值与色素在530nm波长的吸光值的比值作为衡量色素中蓝色相对于红色的比例，记为R2。利用R1和R2确定栀子蓝色素的色调，一般认为R1越高，色素越蓝，R2值越高，色素越亮，偏青色。
一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺，所述工艺以栀子甙（从栀子果中提取，经分离、纯化得到）为原料，通过β-葡萄糖苷酶水解栀子甙得到京尼平，在氧化剂的作用下让京尼平和氨基酸（伯胺化合物）进行聚合反应生成具有颜色的产物，再通过分离纯化得到纯度高的栀子蓝色素。
所述氨基酸（伯胺化合物）包括：谷氨酸钠、谷氨酸、色氨酸、天冬氨酸、组氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸，优选地选用谷氨酸钠作为参与水解反应的氨基酸。
所述氧化剂包括压缩空气、纯氧、H2O2及其它可以用于食品的氧化剂，优选地选用压缩空气作为氧化剂。
一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺，包括以下步骤：
1）水解反应。首先，取X克栀子甙投入反应釜，按照栀子甙:水=1:2～1:11的质量比加入水，搅拌使栀子甙完全溶解于水，用稀盐酸调pH=4.5，在搅拌的条件下，用50℃水浴加热溶液至50℃；然后按照β-葡萄糖苷酶: 栀子甙=1:35～1:40的质量比加入β-葡萄糖苷酶，反应4～6小时，通过加入NaOH调整pH至8～8.3；
2）聚合反应。向反应釜中通入氧化剂，流量为50～200L/min；提高水浴温度至70℃，同时按照氨基酸: 栀子甙=1:8～1:11的质量比加入氨基酸，进行呈色反应，反应过程中进行适度补水，反应2～5小时后，停止通气；
3）分离纯化（精制）：采用大孔吸附树脂对反应液进行分离纯化；
4）干燥成型。
一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺，其中酶解液（京尼平）在氧化剂作用下和氨基酸发生的聚合反应，即呈色反应，是整个工艺的关键，决定了栀子蓝的产量和品质（色调）。本发明的发明者通过试验验证，在聚合反应过程中，氧化剂是决定反应时间和产品质量的关键点。这是本发明的创新性贡献之一，因为目前国内专利、文献中尚未公开此类信息，美国专利中也未见说明。
本发明主要使用压缩空气作为氧化剂，实质是利用其中的氧气作氧化剂，也可以采用纯氧或者其它可以用于食品的氧化剂。氧化剂的供应量按以下原则把握：以通气流量计，在呈色反应前期，通气量越大越好，利于蓝色素的生成，此阶段R1会缓慢升高，同时R2值也较高；在呈色反应后期，通气量需要减小，目的是减少蓝色素被氧化成红色素或其它物质的可能性，此阶段R2会出现明显下降。
所述聚合反应的反应温度为65～75℃，以利于反应的快速进行，缩短反应时间。
一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺，其特征在于：所述工艺的另一个关键点是关于栀子蓝的精制过程。因为在呈色反应过程中，存在多种影响栀子蓝色素质量的因素，主要包括：由于京尼平同氨基酸的聚合程度不同，能同时生成红、黄、蓝颜色的物质；因为京尼平的聚合过程很快，氧化剂不一定能够充分地参与成键，导致反应不够彻底；原料中存在黄色素杂质，还有未参与反应的栀子甙。所以，为了得到较好色调、较高色价的栀子蓝色素，精制工艺就成了本工艺的关键点。
本发明的优点和有益效果为：通过本发明所述的一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺，可以把制备栀子蓝的反应时间缩短到2.5～5小时（大多数专利和文献显示的反应时间在20小时以上）；得到的蓝色素的最大吸收波长在600nm左右，而通过国内外目前公开的工艺制备的蓝色素的最大吸收波长普遍在590nm左右，即通过本发明所述工艺制备的蓝色素更蓝；通过让京尼平和不同的伯胺化合物或者伯胺类混合物聚合，可以做出R1在2.0～4.8、R2在1.5～3.2范围内的不同色调的栀子蓝，以满足更广泛的需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，工艺过程如下：
1）水解反应。取200g栀子甙（含量80%）投入反应釜，加入414g水，搅拌使栀子甙完全溶解于水，用稀盐酸调pH=4.5，在搅拌的条件下，用50℃水浴加热溶液至50℃；然后加入6.87g β-葡萄糖苷酶，反应4.5小时，通过加入NaOH调整pH至8.0；
2）聚合反应。 向反应釜中通入压缩空气，流量为50L/min ；提高水浴温度至70℃，同时加入谷氨酸钠24.7g，进行呈色反应，反应过程中进行适度补水，反应2小时后，停止通气；实验数据如表1所示。
表1 实施例1中的实验数据
反应时间/小时 R1 R2 压缩空气流量/L/min
1 2.61 2.77 50
2 3.73 3.11 50
3 4.15 3.00 0
4 4.16 2.92 0
5 4.18 2.85 0
3）分离纯化（精制）：采用大孔吸附树脂对反应液进行分离纯化；
4）干燥成型。
实施例2
参见图1，工艺过程如下：
1）水解反应。取200g栀子甙（含量80%）投入反应釜，加入410g水，搅拌使栀子甙完全溶解于水，用稀盐酸调pH=4.3，在搅拌的条件下，以50℃水浴加热溶液至50℃；然后加入6.87g β-葡萄糖苷酶，反应4.5小时，通过加入NaOH调整pH至8.1；
2）聚合反应。向反应釜中通入压缩空气，流量为50L/min ，提高水浴温度至70℃，同时加入谷氨酸钠24.7g，进行呈色反应，反应持续5小时，实验数据如表2所示。
表2 实施例2中的实验数据
反应时间/小时 R1 R2 压缩空气流量
1 2.67 2.81 50
2 3.80 3.08 50
3 4.21 2.92 50
4 3.85 2.56 50
5 3.76 2.44 50
3）分离纯化（精制）：采用大孔吸附树脂对反应液进行分离纯化；
4）干燥成型。
实施例3
参见图1，工艺过程如下：
1）水解反应。取900g栀子甙（含量80%）投入反应釜，加入9540g水，搅拌使栀子甙完全溶解于水，用稀盐酸调整pH=4.4，水浴加热至50℃，恒温保持；然后加入114gβ-纤维素酶，搅拌进行水解反应5小时，反应结束后用NaOH溶液调整pH为8.2；
2）聚合反应。加入谷氨酸钠315g和苯丙氨酸100g，同时以200L/min的流量通入压缩空气；反应1小时后，通气量减为100L/min；反应2个小时后，停止通气；反应2.5小时后，用冷凝循环水降温，停止反应；得到R1=3.95、R2=2.79、E600=8.98的栀子蓝反应液11.42kg；
3）通过精制可以得到：R1=3.0、R2=2.12的栀子蓝精制液1，制得干粉色价为97；R1=3.8，R2=2.65的栀子蓝精制液2，制得干粉色价为146；R1=4.65，R2=3.16的栀子蓝精制液3，制得干粉色价为187。
实施例4
参见图1，工艺过程如下：
1）水解反应。取200g栀子甙（含量80%）投入反应釜，加入410g水，搅拌使栀子甙完全溶解于水，用稀盐酸调pH=4.3，在搅拌的条件下，用50℃水浴加热溶液至50℃；然后加入6.87g β-葡萄糖苷酶，反应4.5小时，通过加入NaOH调整pH至8.1；
2）聚合反应。向反应釜中通入压缩空气，流量为60L/min，提高水浴温度至70℃，同时加入甘氨酸11.0g，进行呈色反应，反应4.5小时，得到E600=10.62、R1=3.56、R2=1.59 的反应液600g；
3）最终通过精制，得到R1=4.02、R2=1.75的偏紫色的栀子蓝。
实施例5
参见图1，工艺过程如下：
关于用纯氧气的实验，反应得到蓝色总色价更高，色调可调控区间更大；
实施例6
参见图1，工艺过程如下：
关于使用H2O2作为氧化剂，得到的最大吸收波长在608nm；
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）、水解反应：取X克栀子甙投入反应釜，按照栀子甙:水=1:2～1:11的质量比加入水，搅拌使栀子甙完全溶解于水，用稀盐酸调pH值=4.5，在搅拌的条件下，水浴加热溶液至50℃；按照β-葡萄糖苷酶: 栀子甙=1:35～1:40的质量比加入β-葡萄糖苷酶，反应4～6小时，通过加入NaOH调整pH值至8～8.3；
2）、聚合反应：向反应釜中通入氧化剂，流量为50～200L/min；提高水浴温度至70℃，同时按照氨基酸: 栀子甙=1:8～1:11的质量比加入氨基酸，进行呈色反应，反应过程中进行适度补水，反应2～5小时后，停止通气；所述氧化剂为压缩空气、纯氧或H2O2；
3）、分离纯化：采用大孔吸附树脂对反应液进行分离纯化；
4）、干燥成型。
2.如权利要求1所述的一种制备不同色调高纯度栀子蓝色素的方法，其特征在于：所述氨基酸为谷氨酸钠、谷氨酸、色氨酸、天冬氨酸、组氨酸、甘氨酸或苯丙氨酸。
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