CN110240584B - 从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法 - Google Patents
从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法 Download PDFInfo
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Abstract
从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，包括以下步骤：（1）冷水提取；（2）纳滤；（3）原花青素的分离；（4）花青素的分离；（5）醇提；（6）水解；（7）阿魏酸的精制。利用本发明，可同时获得三种高含量的紫米米糠天然成分，实现紫米米糠资源的综合利用，填补行业的空白，意义深远；本发明具有工艺简单，可操作性强，设备要求低，生产成本低，适宜于工业化生产等特点。
Description
技术领域
本发明涉及紫米米糠有效成分的分离方法，具体涉及从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法。
背景技术
紫米，糯米中的一种，是我国特有的古老名贵水稻品种，品种资源丰富，分布范围较广，有较高的经济利用价值。紫米的主要成分是赖氨酸、色氨酸、维生素B1、维生素B2、叶酸、蛋白质、脂肪等多种营养物质，以及铁、锌、钙、磷等人体所需矿物元素。用紫米煮出的米饭，味极香，而且又糯，民间作为补品，有紫糯米或“药谷”之称。用紫米熬制的米粥，清香油亮、软糯适口，因其含有丰富的营养，具有很好的滋补作用，因此被人们称为“补血米”、“长寿米”。此外，紫米最大的营养保健价值在于，其含有类似黑莓和蓝莓中的原花青素和花青素，具有抗氧化剂的作用。
紫米用途广泛，糙米常作为药用或者调色食品。长期以来，我国不少地区将紫米作为补血、接骨等滋补食品。云南、贵州等地，将紫米作为妇女产后体虚滋补身体用的“月米”，或作为招待来客或馈赠亲友的礼品。在药用价值方面，《本草纲目》记载，紫米有滋阴补肾、健脾暖肝、明目活血等作用。民间有不少用紫米作为单方，治疗水肿、贫血、虚汗、神经衰弱、慢性胃炎、积食不化、多尿等体虚病症，有显著效果。
紫米资源固然宝贵，但是作为其副产品的紫米米糠，并未引起人们的注意。研究发现，紫米米糠中含有原花青素、花青素和谷维素，且这三种活性成分的含量都达到了可以分离、提纯的程度。
目前暂无文献公开从紫米米糠中分离原花青素、花青素及阿魏酸的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现紫米米糠资源综合利用，产品收率高、含量高，工艺简单，可操作性强，设备要求低，生产成本低，适宜于工业化生产的从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，包括以下步骤：
（1）冷水提取：往紫米米糠中加入冷水，室温搅拌提取，粗过滤，滤渣加入冷水再次室温搅拌提取，粗过滤，合并两次滤液，得冷水提取液，提取渣待用；
（2）纳滤：将步骤（1）所得的冷水提取液用纳滤膜过滤，分别收集纳滤膜截留液和透过液；
（3）原花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜截留液通过大孔吸附树脂柱，乙醇解吸，浓缩，干燥，得到原花青素；
（4）花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜透过液通过大孔吸附树脂柱，乙醇解吸，浓缩，干燥，得到花青素；
（5）醇提：往步骤（1）所得的提取渣中加入低碳醇，回流提取，过滤，浓缩至无醇，得到醇提浓缩液；
（6）水解：将步骤（5）所得的醇提浓缩液投入密闭式反应釜，加入碱液，加热、加压水解；
（7）阿魏酸的精制：水解毕，将反应釜内压力降为常压，趁热往反应液中加入硅藻土，保温搅拌，冷却至室温，粗过滤，再用超滤膜过滤，超滤膜滤液用酸调节pH值，析出大量固体，抽滤，将滤饼水洗至中性，干燥，得阿魏酸。
优选地，步骤（1）中，第一次搅拌提取所用水的用量为紫米米糠原料重量的8～10倍，为v/m，单位：L/kg，第一次搅拌提取的时间为5～8小时；第二次搅拌提取所用水的用量为紫米米糠原料重量的4～6倍，为v/m，单位：L/kg，第二次搅拌提取的时间为3～6小时。用冷水搅拌提取的原因，第一是常温下原花青素和花青素易于浸出，第二是常温下原花青素和花青素与空气接触不易被氧化，第三是通过冷水提取可以减少后续醇提步骤浸出的杂质。若冷水的用量过少或室温搅拌提取的时间过短，都将导致原花青素和花青素浸出不彻底，造成原花青素和花青素的收率偏低；若冷水的用量过多或室温搅拌提取的时间过长，都将造成物料和能源的浪费。
优选地，步骤（2）中，所述纳滤膜的截留分子量为500～1000Da，过滤的压力为0.3～0.5MPa。使用纳滤膜过滤的目的，是利用花青素和原花青素分子量大小的差异，将提取液中的两者分离。若纳滤膜的截留分子量过小或过滤的压力过低，都将造成部分花青素分子无法透过纳滤膜，导致花青素的收率偏低以及原花青素产品的含量偏低；若纳滤膜的截留分子量过大或过滤的压力过高，都有可能造成部分原花青素分子跟花青素分子一起透过纳滤膜，导致原花青素的收率偏低以及花青素产品的含量偏低。
优选地，步骤（3）中，所述的大孔吸附树脂的型号为LSA-10、LSA-12、XDA-7、XDA-200B，大孔吸附树脂柱的高径比为1～5:1，树脂的用量为紫米米糠原料重量的0.1～0.2倍，为v/m，单位：L/kg，上柱的流速为0.5～1.0BV/h。使用大孔吸附树脂层析柱的目的是将纳滤膜截留液中的原花青素吸附、富集在大孔吸附树脂之上。若大孔吸附树脂用量过少、上柱的流速过快或高径比过小，原花青素将无法充分吸附；若大孔吸附树脂用量过多、上柱的流速过慢或高径比过大，都将延长生产的周期并增加生产的成本。
优选地，步骤（4）中，所述的大孔吸附树脂的型号为LSA-10、LSA-12、XDA-7、XDA-200B，大孔吸附树脂柱的高径比为1～5:1，树脂的用量为紫米米糠原料重量的0.1～0.2倍，为v/m，单位：L/kg，上柱的流速为0.5～1.0BV/h。使用大孔吸附树脂层析柱的目的是将纳滤膜透过液中的花青素吸附、富集在大孔吸附树脂之上。若大孔吸附树脂用量过少、上柱的流速过快或高径比过小，花青素将无法充分吸附；若大孔吸附树脂用量过多、上柱的流速过慢或高径比过大，都将延长生产的周期并增加生产的成本。
优选地，步骤（5）中，所述的低碳醇为甲醇、乙醇或异丙醇的水溶液，低碳醇的体积百分比浓度为50%～80%，低碳醇的用量为紫米米糠原料重量的1～2倍，为v/m，单位：L/kg，回流提取的时间为2～4小时。所述醇提浓缩液的固形物含量为30%～50%。使用低碳醇回流提取的目的是将紫米米糠冷水提取渣中的谷维素浸提出。若低碳醇的体积百分比浓度过小、用量过少或回流提取的时间过短，都将造成谷维素浸出不彻底，最终导致阿魏酸的收率偏低；若低碳醇的体积百分比浓度过大、用量过多或回流提取的时间过长，都将造成物料和能源的浪费。
优选地，步骤（6）中，所述的碱液为氢氧化钠或氢氧化钾水溶液，碱液的质量百分比浓度为2%～5%，碱液的用量为紫米米糠原料重量的0.2～0.4倍，为v/m，单位：L/kg。所述加热的温度为110～130℃，加压的压力为0.1～0.3MPa，加热、加压水解的时间为2～4小时。往醇提浓缩液中加入碱液，加热水解的目的是将谷维素水解为阿魏酸。加压的目的是减少碱的用量、并缩短水解的时间，以提高水解的效率和收率。若碱液的质量百分比浓度过低、碱液的用量过少、加热的温度过低、加压的压力过小或水解的时间过短，都将造成谷维素水解不彻底，导致阿魏酸的收率偏低；若碱液的质量百分比浓度过高、碱液的用量过多、加热的温度过高、加压的压力过大或水解的时间过长，都将造成物料和能源的浪费。
优选地，步骤（7）中，所述硅藻土的用量为紫米米糠原料重量的0.01%～0.05%，保温搅拌的时间为2～4小时。所述超滤膜的截留分子量为1000～2000Da，过滤的压力为0.1～0.3MPa。所述的酸为盐酸或硫酸，用酸调节的pH值为1～3。加入硅藻土保温搅拌的目的是脱色。若硅藻土的用量过少或保温搅拌的时间过短，都将造成脱色不彻底，导致阿魏酸产品的含量偏低；若硅藻土的用量过多或保温搅拌的时间过长，都将造成物料和能源的浪费。超滤的目的是除去水解过程中出产生的大分子杂质。若超滤膜的截留分子量过大或过滤的压力过高，都有可能造成部分大分子杂质和阿魏酸同时透过超滤膜，造成阿魏酸的含量偏低；若超滤膜的截留分子量过小或过滤的压力过低，都有可能造成部分阿魏酸无法透过超滤膜，造成阿魏酸的收率偏低。用酸调节pH值的目的是将溶解于碱水中的阿魏酸析出。若调节的pH值过高，阿魏酸无法充分析出，将导致阿魏酸的收率偏低；若调节的pH值过低，不但会增加酸的用量，阿魏酸在酸性过强的环境下还会有降解的风险。
本发明中1BV=1个柱体积。
本发明方法的原理：利用原花青素和花青素易溶于冷水、谷维素不溶于冷水的原理，可以将紫米米糠中原花青素和花青素用冷水浸出。由于原花青素和花青素的分子量不同，在纳滤膜的作用下，原花青素由于分子量大，不能透过纳滤膜，因而存在于纳滤膜截留液中；花青素由于分子量小，可以透过纳滤膜，因而存在于纳滤膜透过液中，从而实现了冷水提取液中两者的分离。纳滤膜截留液和透过液分别用大孔吸附树脂吸附和解吸，可分别得到原花青素和花青素单体。冷水提取渣中的谷维素可用低碳醇回流提取浸出，含有谷维素的低碳醇提取液浓缩至无醇后，在碱的作用下可水解成为阿魏酸。由于本发明采用的加热、加压水解，水解反应的温度和压力都高于常压水解，反应体系内能量增加、分子运动加剧、相互碰撞的几率增大，水解反应的速率将加快。
本发明的有益效果如下：
（1）所得原花青素的含量高达98.1%，收率高达95.3%；所得花青素的含量高达98.3%，收率高达96.1%；所得阿魏酸的含量高达98.6%，收率高达30.9%（基于谷维素）；
（2）可同时获得三种高含量的紫米米糠天然成分，实现紫米米糠资源的综合利用，填补行业的空白，意义深远；工艺简单，可操作性强，设备要求低，生产成本低，适宜于工业化生产；
（3）由于使用加压水解的方式，阿魏酸的制备过程大幅度的减少碱的用量，缩短反应时间，可提高阿魏酸的收率，节约能源，还减少污染。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用的紫米米糠购于湖南省农科院，其中，原花青素、花青素和谷维素的质量百分比含量分别为2.33%、1.27%和0.63%；本发明实施例所使用的大孔吸附树脂购于西安蓝晓科技新材料股份有限公司；本发明实施例所使用的原料或化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。
本发明实施例中，采用紫外分光光度法测定原花青素和谷维素的含量，采用高效液相色谱（HPLC）外标法测定花青素和阿魏酸的含量。
实施例1
（1）冷水提取：取紫米米糠100kg，加入冷水1000L，室温搅拌提取6小时，粗过滤；滤渣加入冷水500L，再次室温搅拌提取4小时，粗过滤；合并两次滤液，得冷水提取液，提取渣待用；
（2）纳滤：将冷水提取液用截留分子量为500Da的纳滤膜过滤，过滤的压力为0.5MPa，分别收集纳滤膜截留液和透过液；
（3）原花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜截留液通过体积为20L、高径比为3:1的LSA-10型大孔吸附树脂柱，上柱的流速为0.5 BV/h，乙醇解吸，浓缩，干燥，得原花青素2.26kg；
（4）花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜透过液通过体积为20L、高径比为3:1的LSA-10型大孔吸附树脂柱，上柱的流速为0.5 BV/h，乙醇解吸，浓缩，干燥，得花青素1.27kg；
（5）醇提：往步骤（1）所得的提取渣中加入体积百分比浓度为70%的乙醇200L，回流提取2小时，过滤，浓缩至无醇，得到醇提浓缩液（固形物含量40%）；
（6）水解：将步骤（5）所得的醇提浓缩液投入密闭式反应釜，加入质量百分比浓度为4%的氢氧化钠水溶液30L，在温度为120℃、压力为0.2MPa条件下水解3小时；
（7）阿魏酸的精制：水解毕，将反应釜内压力降为常压，趁热往反应液中加入硅藻土0.03kg，保温搅拌3.5小时，冷却至室温，粗过滤，再用截留分子量为1200Da的超滤膜，在压力为0.3MPa条件下过滤，超滤膜滤液用盐酸调节pH值至1.5，析出大量固体，抽滤，将滤饼水洗至中性，干燥，得阿魏酸0.2kg。
经紫外分光光度法测定，本实施例所得原花青素的含量为98.1%，原花青素的收率为95.3%；经高效液相色谱（HPLC）外标法测定，本实施例所得花青素的含量为 95.5%，花青素的收率为 96.1%；经高效液相色谱（HPLC）外标法测定，本实施例所得阿魏酸的含量为97.2%，阿魏酸的收率为30.9%（基于谷维素）。
实施例2
（1）冷水提取：取紫米米糠300kg，加入冷水2700L，室温搅拌提取5小时，粗过滤；滤渣加入冷水1200L，再次室温搅拌提取5小时，粗过滤；合并两次滤液，得冷水提取液，提取渣待用；
（2）纳滤：将冷水提取液用截留分子量为800Da的纳滤膜过滤，过滤的压力为0.4MPa，分别收集纳滤膜截留液和透过液；
（3）原花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜截留液通过体积为45L、高径比为4:1的LSA-12型大孔吸附树脂柱，上柱的流速为0.8 BV/h；乙醇解吸，浓缩，干燥，得原花青素6.77kg；
（4）花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜透过液通过体积为45L、高径比为4:1的LSA-12型大孔吸附树脂柱，上柱的流速为0.8 BV/h；乙醇解吸，浓缩，干燥，得花青素3.61kg；
（5）醇提：往步骤（1）所得的提取渣中加入体积百分比浓度为60%的甲醇360L，回流提取3小时，过滤，浓缩至无醇，得到醇提浓缩液（固形物含量35%）；
（6）水解：将步骤（5）所得的醇提浓缩液投入密闭式反应釜，加入质量百分比浓度为3%的氢氧化钾水溶液120L，在温度为110℃、压力为0.1MPa条件下水解4小时；
（7）阿魏酸的精制：水解毕，将反应釜内压力降为常压，趁热往反应液中加入硅藻土0.15kg，保温搅拌3小时，冷却至室温，粗过滤，再用截留分子量为1800Da的超滤膜，在压力为0.1MPa条件下过滤，超滤膜滤液用硫酸调节pH值至2.0，析出大量固体，抽滤，将滤饼水洗至中性，干燥，得阿魏酸0.58kg。
经紫外分光光度法测定，本实施例所得原花青素的含量为97.7%，原花青素的收率为94.7%；经高效液相色谱（HPLC）外标法测定，本实施例所得花青素的含量为 98.3%，花青素的收率为 93.2%；经高效液相色谱（HPLC）外标法测定，本实施例所得阿魏酸的含量为98.6%，阿魏酸的收率为30.2%（基于谷维素）。
实施例3
（1）冷水提取：取紫米米糠200kg，加入冷水1600L，室温搅拌提取6小时，粗过滤；滤渣加入冷水800L，再次室温搅拌提取4小时，粗过滤；合并两次滤液，得冷水提取液，提取渣待用；
（2）纳滤：将冷水提取液用截留分子量为1000Da的纳滤膜过滤，过滤的压力为0.3MPa，分别收集纳滤膜截留液和透过液；
（3）原花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜截留液通过体积为20L、高径比为5:1的XDA-7型大孔吸附树脂柱，上柱的流速为1 BV/h；乙醇解吸，浓缩，干燥，得原花青素4.51kg；
（4）花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜透过液通过体积为20L、高径比为5:1的XDA-7型大孔吸附树脂柱，上柱的流速为1 BV/h；乙醇解吸，浓缩，干燥，得花青素2.49kg；
（5）醇提：往步骤（1）所得的提取渣中加入体积百分比浓度为80%的异丙醇200L，回流提取4小时，过滤，浓缩至无醇，得到醇提浓缩液（固形物含量30%）；
（6）水解：将步骤（5）所得的醇提浓缩液投入密闭式反应釜，加入质量百分比浓度为5%的氢氧化钾水溶液40L，在温度为130℃、压力为0.3MPa条件下水解2.5小时；
（7）阿魏酸的精制：水解毕，将反应釜内压力降为常压，趁热往反应液中加入硅藻土0.08kg，保温搅拌4小时，冷却至室温，粗过滤，再用截留分子量为1500Da的超滤膜，在压力为0.2MPa条件下过滤，超滤膜滤液用盐酸调节pH值至2.5，析出大量固体，抽滤，将滤饼水洗至中性，干燥，得阿魏酸0.39kg。
经紫外分光光度法测定，本实施例所得原花青素的含量为96.9%，原花青素的收率为93.9%；经高效液相色谱（HPLC）外标法测定，本实施例所得花青素的含量为 97.6%，花青素的收率为 95.6%；经高效液相色谱（HPLC）外标法测定，本实施例所得阿魏酸的含量为96.6%，阿魏酸的收率为29.9%（基于谷维素）。
Claims (6)
1.从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）冷水提取：往紫米米糠中加入冷水，室温搅拌提取，粗过滤；滤渣加入冷水再次室温搅拌提取，粗过滤；合并两次滤液，得冷水提取液，提取渣待用；
（2）纳滤：将步骤（1）所得的冷水提取液用纳滤膜过滤，分别收集纳滤膜截留液和透过液；
（3）原花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜截留液通过大孔吸附树脂柱，乙醇解吸，浓缩，干燥，得到原花青素；
（4）花青素的分离：将步骤（2）所得的纳滤膜透过液通过大孔吸附树脂柱，乙醇解吸，浓缩，干燥，得到花青素；
（5）醇提：往步骤（1）所得的提取渣中加入低碳醇，回流提取，过滤，浓缩至无醇，得到醇提浓缩液；
（6）水解：将步骤（5）所得的醇提浓缩液投入密闭式反应釜，加入碱液，加热、加压水解；
（7）阿魏酸的精制：水解毕，将反应釜内压力降为常压，趁热往反应液中加入硅藻土，保温搅拌，冷却至室温，粗过滤，再用超滤膜过滤，超滤膜滤液用酸调节pH值，析出大量固体，抽滤，将滤饼水洗至中性，干燥，得阿魏酸；
步骤（2）中，所述纳滤膜的截留分子量为500～1000Da，过滤的压力为0.3～0.5MPa；
步骤（3）中，所述的大孔吸附树脂的型号为LSA-10、LSA-12、XDA-7、XDA-200B；
步骤（4）中，所述的大孔吸附树脂的型号为LSA-10、LSA-12、XDA-7、XDA-200B；
步骤（5）中，所述的低碳醇为甲醇、乙醇或异丙醇的水溶液，低碳醇的体积百分比浓度为50%～80%；
步骤（6）中，所述的碱液为氢氧化钠或氢氧化钾水溶液，碱液的质量百分比浓度为2%～5%，碱液的用量为紫米米糠原料重量的0.2～0.4倍，为v/m，单位：L/kg；所述加热的温度为110～130℃，加压的压力为0.1～0.3MPa，加热、加压水解的时间为2～4小时。
2.根据权利要求1所述的从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，其特征在于：步骤（1）中，第一次搅拌提取所用水的用量为紫米米糠原料重量的8～10倍，为v/m，单位：L/kg，第一次搅拌提取的时间为5～8小时；第二次搅拌提取所用水的用量为紫米米糠原料重量的4～6倍，为v/m，单位：L/kg，第二次搅拌提取的时间为3～6小时。
3.根据权利要求1或2所述的从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，其特征在于：步骤（3）中，大孔吸附树脂柱的高径比为1～5:1，树脂的用量为紫米米糠原料重量的0.1～0.2倍，为v/m，单位：L/kg，上柱的流速为0.5～1.0BV/h。
4.根据权利要求1或2所述的从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，其特征在于：步骤（4）中，大孔吸附树脂柱的高径比为1～5:1，树脂的用量为紫米米糠原料重量的0.1～0.2倍，为v/m，单位：L/kg，上柱的流速为0.5～1.0BV/h。
5.根据权利要求1或2所述的从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，其特征在于：步骤（5）中，低碳醇的用量为紫米米糠原料重量的1～2倍，为v/m，单位：L/kg，回流提取的时间为2～4小时；所述醇提浓缩液的固形物含量为30%～50%。
6.根据权利要求1或2所述的从紫米米糠中同时分离原花青素、花青素和阿魏酸的方法，其特征在于：步骤（7）中，所述硅藻土的用量为紫米米糠原料重量的0.01%～0.05%，保温搅拌的时间为2～4小时，所述超滤膜的截留分子量为1000～2000Da，过滤的压力为0.1～0.3MPa，所述的酸为盐酸或硫酸，用酸调节的pH值为1～3。
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| 响应面优化超声-微波协同提取紫米原花青素工艺;程海涛等;《食品工业科技》;20181231;第39卷(第7期);第186-191页 * |
| 对米糠深加工提取阿魏酸的研究;章洛汗等;《食品研究与开发》;20140831;第35卷(第16期);第48-50页 * |
| 谷维素提取及纯化方法研究进展;张江帅等;《粮食与油脂》;20161231;第29卷(第8期);第9-13页 * |
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