（皮革化学与工程专业论文）紫薯中花色甙色素提取及纯化方法的研究.pdf

摘善 叩 8 6 5 4 5 46 紫薯中花色甙色素提取及纯化方法的研究 皮革化学与工程专业 研究生顾红梅指导教师张新申 紫薯中花色甙色素具有颜色鲜艳、稳定性高、耐热性和耐光性好等特点， 而且具有抗突变、抗氧化、消除活性氧、缓解肝功能障碍、调节血压等多种生 理功能和药理活性。紫薯原料易得、价格低廉，能够适应工业化生产的需要， 紫薯中花色甙在食品、医药等领域具有很大的应用前景。 论文针对目前提取花色甙色素过程中温度较高、提取效率低等不足，将超 声波法和冻结融解法这两种生物技术中常用的细胞破壁方法应用于花色甙色 素的提取。通过正交实验和单因素实验，得到超声波法提取紫薯中花色甙色素 的最佳条件为：采用o 1 h c i 一9 5 乙醇( 4 0 ：6 0 v v ) 为提取剂、物料比为i ：4 0 、 在6 0 下超声( 4 0 h z ) 提取3 0 m i n ，一次提取率达到8 9 4 5 ；超声波辅助冻 结一融解法提取的最佳条件为：提取剂为1 5 的柠檬酸水溶液、物料比为l ：1 6 0 ， 放入冰箱中冻结完全后，在7 0 。c 下超声融解提取4 0 m i n ，最佳冻结一融解次数为 3 次，提取率为1 7 9 2 。为了准确定量分析紫薯中花色甙，论文研究了p h 示 差法来测定紫薯中花色甙的总量，结果为：紫薯中花色甙的总量为 8 7 2 9 m g 1 0 0 9 。 为了提高花色甙色素的纯度，论文研究了沉淀法和大孔吸附树脂法纯化花 色甙色素的方法。首先，依次用6 0 、7 0 、8 0 、9 5 乙醇沉淀除去色素中 的多糖、蛋白质等杂质，得到的色素的色价e 焉( 5 2 5 n m ) = l 。然后，利用大孔吸 附树脂进一步纯化色素。对实验室自制的三种大孔吸附树脂的吸附、解吸性能 和吸附动力学过程进行了研究，结果表明：大孔吸附树脂吸附解吸花色甙色 素效果最好。研究了p h 值、盐度、流速对8 4 树脂吸附花色甙色素的影响，以 及洗脱剂、流速、p h 值对解吸的影响，结果表明：吸附时，宜采用氯化钠含量 四1 1 大学硕士学位论文 为4 0 m g m l 、p h 值为4 0 的色素溶液作为上样溶液，上样流速为1 0 m l m i n ，在 此条件下8 “大孔吸附树脂的动态吸附量达到：9 3 2 6 m g g ( 树脂) ；解吸时，宜 采用p h 2 ，0 、8 0 的乙醇为洗脱剂，洗脱流速为o 5 m l m i n ，此条件下动态洗脱 率为9 1 2 5 。纯化后花色甙色素的色价e 黑( 5 2 5 n r n ) 提高到1 0 。经过紫外可见 光光谱谱图和红外谱图证明色素中的主要组分为酰基化的花色甙。 同时，对8 “树脂的动力学和热力学特征进行研究，其吸附动力学方程为： l n q e ( q e q t ) 】_ o 0 4 4 t ；在2 0 时热力学方程为：q 5 1 0 7 7 = 0 3 9 4 c ( 1 + 0 3 9 4 c ) ， 符合l a n g m u i r 吸附方程。 关键词：紫薯花色甙色素提取纯化 一里兰生一 e x t r a c t i o n ，p u r i f i c a t i o no fa n t h o c y a n i n sp i g m e n t f r o m p u r p l es w e e tp o t a t o e s ( i p o m o e a b a t a t a s ) m a j o r l e a t h e rc h e m i s t r ya n de n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e g u h o n g m e is u p e r v i s o rz h a n g x i n s h e n a n t h o c y a n i n sp i g m e n tf r o mp u r p l e s w e e tp o t a t o e sh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha sa t t r a c t i v eb r i g h tc o l o u r s ，g r e a ts t a b i l i t y , h e a t r e s i s t a n ta n dl i g h tf a s t n e s s ，a n d h a sm a n y p h y s i o l o g i c a la n dp h a r m a c o l o g i c a la c t i v i t i e s p u r p l es w e e tp o t a t o e s a r es o f a c i l ea n dc h e a pt h a tt h e yc a r lm e e tt h ee x p e c t a t i o no fi n d u s t r y t h e r ea r eg r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o n so f a n t h o c y a n i n si nf o o d a n dm e d i c i n ef i e l d s a i m i n ga ti n c r e a s i n ge x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , u l t r a s o n i cm e t h o da n df r e e z e d - m e l t m e t h o dw e r eu s e d i n e x t r a c t i n ga n t h o c y a n i n sp i g m e n t f r o m p u r p l e s w e e t p o t a t o e s 。t h er e s u l to fe x p e r i m e n t ss h o w e d t h a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n so f e x t r a c t i n g a n t h o c y a n i n sp i g m e n tw i t hu l t r a s o n i cm e t h o d w e r e t h ee x t r a c t a n tw a sc o n s i s t e do f o i h c i ：9 5 e t h a n o l ( 4 0 ：6 0 ，v v ) ，t h ep o w d e ro fp u r p l e s w e e t p o t a t o e sw e r e s o a k e di ne x t r a c t a n tf o r3 0m i n u t e sa t6 0 u n d e ru l t r a s o m cc o n d i f i o n ，t h er a t i oo f r a wm a t e r i a la n de x t r a c t a n tw a s 1 ：4 0 ( g m 1 ) t h er a t eo f e x t r a c t i o n w a s8 9 ，4 5 t h e r e s u l to fe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n so f e x t r a c t i n ga n t h o c y a n i n s p i g m e n tw i t h f r e e z e d m e l tm e t h o dc o m b i n e dw i t hu l t r a s o n i cm e t h o dw e r e ：t h e p o w d e r o f p u r p l es w e e tp o t a t o e sw e r es o a k e di n 15 c i t r i ca c i d16 0t i m ea sm u c ha s t h ew e i g h to fr a wm a t e r i a l ，a f t e rf r e e z e di nr e f r i g e r a t o r , t h a w e df o r4 0m i n u t e sa t 7 0 u n d e ru l t r a s o n i cc o n d i t i o n s t h er a t eo fe x t r a c t i o nw a s1 7 9 2 i no r d e rt o d e t e r m i n a t et h ec o n t e n to fa n t h o c y a n i n si np i g m e n t ，t h ep hd i f f e r e n t i a lm e t h o dw a s 堕型查兰堡主兰堡笙墨 s t u d i e d t h ea n t h o c y a n i n sc o n t e n to fp u r p l es w e e tp o t a t o e sw a s8 7 2 9 m g 10 0 9 c a l c u l a t e db yt h ep hd i f f e r e n t i a lm e t h o d t w om e t h o d st o p u f f f ya n t h o c y a n i n sp i g m e n t w e r es t u d i e d t h ec o l o u r c h a r a c t e r i s t i co f a n t h o c y a n i n sp i g m e n tp u r i f i e db yp r e c i p i t a t i o nm e t h o d w a s1 ，t h e n t h e a n t h o c y a n i n sp i g m e n tw a sf u r t h e rp u r i f i e db ym a c r o p o r o u sr e s i n s t h r o u g h c o m p a r i s o n sa m o n gt h r e e k i n d so fr e s i n s a d s o r p t i o n ，d e s o r p t i o n p r o p e r t y a n d a d s o r p t i o nd y n a m i c ，8 4r e s i nw a ss e l e c t e da st h ea d s o r b e n t e f f e c t so fp hv a l u e s a l t i n g - - o u t ，f l o wr a t eo na d s o r p t i o na n de f f e c t so fe l u e n t ，f l o wr a t e ，p hv a l u eo n d e s o r p t i o nw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l tw a sa sf o l l o w ：w h e nt h ep hv a l u ei n s o l u t i o no f p i g m e n tw a s4 0 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u mc h l o r i d ew a s 4 0 m g m l ，t h e f l o wr a t ew a s1 0 m l m i n ，t h ea d s o r p t i o nc o n t e n tw a s 9 3 2 6 m g g ( r e s i n ) ；w h i l e8 0 e t h a n o lw i t hp h 2 0a se l u e n t ，f l o wr a t ea t0 5 m g m i n ，t h e d e s o r p t i o nr a t ew a s9 1 2 5 t h ec o l o rc h a r a c t e r i s t i c s o f p u f f f i e da n t h o c y a n i n sp i g m e n tw a s1 0 a tt h es a n l et i m e ，t h ea d s o r p t i o nk i n e t i c sa n dt h e r m o d y n a m i c so f8 4r e s i nf o r a n t h o c 3 , a n i np i g m e n t sw e r es , u d i e d nw a sf o u n dt h a tt h ea d s o r p t i o ni s o t h e r m sa t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sc o u l db ed e s c r i b e dw i t he q u a t i o n s l a n g m u i r t h ep u r i f i e d p i g m e n tw a sj u d g e db yu va n di r ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h em a i nc o m p o n e n to f p i g m e n t w a s a c y l a t e da n t h o c y a n i n s k e yw o r d s ：p u r p l es w e e t p o t a t o e s ，a n t h o c y a n i np i g m e n t s ，e x t r a c t i o n , p u r i f i c a t i o n v 盟亘 一一 1 前言 食品悦目的色泽和可口的风味可以给人以美的享受并增加食欲。食物中的 色素不仅影响食品的品质，而且与人类的营养和健康密切相关。现代科学研究 表明，天然色素中的类胡萝b 素、核黄素、黄酮、花色甙和醌类化台物是一些 人类必需的维生素的来源并参与生理代i 9 f ，具有抗菌、防治疾病的作用l l 川。 食品科学将食用色素分为天然色素和合成色素以及微生物色素三大类。我 国利用天然色素已有悠久历史。北魏末年( 公元六世纪) 农学家贾思勰所著齐 民要术一书中就有从植物中提取色素的记载。早在公元前1 5 0 0 年，埃及墓碑 上就绘有着色的糖果1 2 j 。 随着科学技术的发展，特别是染料化工的发展，出现了合成色素。1 8 5 6 年， 英国人w h ，p e r k i n s 发明了第一种合成有机色素苯胺紫【2 】。合成色素具有色泽鲜 艳、着色力强、稳定性好、无臭无味、易于溶解和调色、品质均一、成本低廉 等优点。因此，到2 0 世纪初，合成色素几乎取代了天然色素在食品中的应用。 但是，由于陆续发现不少合成色素具有慢性毒性和严重的致癌性，因而各国相 继将其从许可的食用色素名单上删除。有的国家甚至完全禁止在食品中加入任 何合成色素。人们除了研究新型的合成色素，如色淀和聚合色素以外，普遍恢 复了对食用天然色素的兴趣，特别是以农作物和果菜类作为原料的天然色素 1 2 , 3 1 。 近年来，我国在天然食用色素的开发上有所发展，但是与经济发达国家相 比，无论是生产色素的品种，还是产量都落后于他们，远远不能满足日益发展 的食品工业的需要。我国天然食用色素资源丰富，尤其是农副产品中含有人们 食用数千年的天然色素，例如：红米色素1 4 捌、高粱皮1 9 1 、浆果类的果皮、汁色 素和桑葚 1 0 , l u 等，大都可废物利用，不仅有较高的经济效益，还有更大的社会 效益；不仅对人体安全无害，而且具有多种生理活性。随着科学技术的不断发 展，人民生活食品的不断提高，天然食用色素产业将会取得更大的进展，使得 我国沉睡了多少世纪的自然资源得到开发和利用，使更多品质优良、安全性高、 营养附加值高的天然色素走进人们的生活。 1 1 花色甙的概况 巴坐查堂堡主兰垒堕苎 1 11 花色甙来源 花色甙是一类天然红色素，目前已知的有2 7 个科，7 2 个属的植物含有花色 甙 1 2 l 。食用花色甙色素的主要来源是植物的果实，如落葵红( b a s e l l ar u b r a r e d ) 、黑豆红( b l a c kb e a nr e d ) 1 1 3 、黑加仑红( b l a c kc u r r a n te x t r a c t ) ”、 越橘红( c o w b e r r yr e d ) 1 5 i 、桑葚红( m u l b e r r yr e d ) 、葡萄红色素( g r a pr e d ) 以及各种浆果提取物( b e r r i e sc o l o r ) ；也有一部分来源于植物的根茎叶中，如 甜菜红( b e e tc o l o r ) 、天然苋菜红( n a r u r a a m a r a n t h u sr e d ) t 6 l 萝h 红( r a d i s h r e d ) 1 7 1 、玫瑰茄红( r o s e l l er e d ) 【1 8 】；一些乔木叶片中的花色甙有时也被用做 食用色素 ，如樟树、紫叶变叶木等 1 】a 目前国内研究者已申请专利的花色甙 类色素有：萝h 红【2 们、越橘红1 2 i 、黑豆红f 2 2 】、红米红【2 3 1 、高粱红( p g ) 1 2 4 等。 1 1 2 花色甙的结构 o r 5 o h r 5 图11 黄锌盐阳离子 f j g l 1t h es i r u c i u r eo fa n t h o c y a n i d i n 十 花色甙是以黄酮核为基础的能呈现颜色的一类糖甙，是花色素( 配体) 与 糖相结合形成的配糖体，花色素作为色素的发色团，具有类黄酮的典型结构， 其结构式如图1 1 所示，1 位氧原子与2 位的碳原子以共价键结合从而带上正 电荷以锌盐形式存在，具有黄锌盐离子( 3 ，5 ，7 一三羟基一2 苯基苯并毗喃) 的基本结构 2 5 7 1 。 1 1 2 1 花色素的结构 花色素包括花白素( 作为花色素的前体物质) 在内约有二十余种，其结构 式如表1 。1 所示【2 7 l ， 表1 1 花色素的结构 t a b l 1t h es t r u c t u r eo fa n t h o c y a n i d i a s 应用于食品的花色素主要有6 种，是由于苯环中r 3 和r 5 取代的羟基和甲 氧基的位置、数量的不同，衍生出的6 种配糖体化合物【i 0 , 2 8 ，它们的结构中 r 5 、r 6 、r 7 都是- h ，r 3 是一o h 。它们是天竺葵素( p e l a r g o n i d i n ) 、矢车菊色 素( c y a n i a d i n ) 、花翠素( d e l p h i n i d i l ) 及以其甲基诱导体形式存在的芍药素 ( p e o n i d i n ) 、3 一甲花翠素( p e t u n i d i n ) 、锦葵色素( m a l v i d i n ) ，如表1 2 所示 2 9 1 。 堕型查兰堡主兰垡笙壅一 表1 2 食品中常见的花色素的结构 t a b l 2t h es tr u c t u r e so fa n t h o c y a n i d j n sf o u n d i nf o o d 1 i 2 2 花色素结构的修饰 对花色素结构进行修饰可以起到稳定其结构的作用，如添加多糖类、配糖 体、酚类以及有机酸等。除了3 一脱氧形式的稳定花色素之外，在植物组织中则 很少存在游离形式的花色甙。花色甙的色调随着羟基( - o h ) 、甲氧基( 一o c h 。) 和糖的位置及数量的不同而不同【2 6 】。 ( 1 ) 花色素与糖基结合 当花色素与糖形成花色甙时，稳定性会提高，结合糖的种类不同，稳定性 也不同。根据取代位置和糖甙的数量，可将花色甙分成1 8 个组。其中，3 一单糖 甙、5 双糖甙、3 ，5 一二糖甙和3 ，7 一二糖甙是最常见的。常见的糖基是葡萄糖， 同时还有几种单糖( 如鼠李糖、木糖、半乳糖或阿拉伯糖) 和二糖( 主要是芸 香糖和2 一葡糖一p 葡糖甙，龙胆二糖和昆布二糖则较少见) ，三糖有时也可与花 色素形成糖甙1 2 。”。在3 羟基位置上结合糖可为单糖、二糖或三糖，在5 位和7 位上结合的多为单糖【3 0 】。与花色素成甙的糖在植物体内的丰富程度，依次为葡 萄糖 鼠李糖 半乳糖 木糖 阿拉伯糖口9 1 。 从表1 1 可以看到，花色素结构中存在甲氧基化形式，甲氧基化的位置多 位于c - 3 和c 一5 2 7 o 多羟基存在时的稳定性不如多甲氧基存在时高，花色 甙稳定性随着糖配基羟基化程度增加而下降，甲氧基化程度增加而上升t 2 7 2 9 。 ( 2 ) 花色甙的酰基化 直至1 9 9 0 年，花色甙的稳定性仍被认为其分子中需要两个或更多的酸性基 团睇“。对花色甙结构的修饰研究最多的是添加有机酸进行酰化掩盖c 一2 位， 前言 通过掩盖c 一2 位，保护活化中，t h , 不受水分子的攻击，抑制水化反应，从而对花 色甙结构起到稳定作用【2 6 郊l 。例如：b a k e r 等人研究显示 2 6 1 ，当花色甙与两个 或更多的肉桂酸复合时，肉桂酸在两侧与花色素发色团形成夹心饼结构，肉桂 酸基团掩盖了花色甙发色基团的两侧，通过n m r 质谱分析，花色甙的发色基团 的h - 4 和h - 8 质子与肉桂酸质子h - 2 ，6 都向高频移0 5 - 0 6 p p m ，结果显示它 们之间距离非常近，从而保护发色基团，起到稳定结构的作用。此外，c a k h 等 吲研究了花色甙与苯甲酸的酰化作用，仅h 一4 向高频漂移。花色甙同3 一( 4 一 羟苯基) 丙酸酰化，其质子几乎没有发生漂移，显示苯甲酸与发色基团酰化中 双键起到关键作用。 所用的腊肪族和芳香族有机酸，包括香豆酸、阿魏酸、咖啡酸、芥子酸、 对羟基苯甲酸、苹果酸、琥珀酸、丙二酸和乙酸等都可能参与酰化，其中主要 是醋酸一p 香豆酸、咖啡酸、阿魏酸和芥子酸t 2 5 。最常见的酰化形式是酰化取 代基与c - 3 位的糖键合，或与c 一6 位的羟基酯化 2 7 】。 ( 3 ) 多酚一花色甙复合 天然色素花色甙通常只有在强酸介质中才能保持稳定，但是花瓣细胞在正 常情况下只能显示弱酸性，如果只是花色甙，花瓣不可能形成稳定的颜色，实 际上花色甙是与多酚共存的。花色甙通过与多酚形成分子复合物，使花色甙稳 定性提高，这种复合左右使花色甙对光的吸收在可见光区显示了明显的红移， 吸光系数也增大l j ”。 1 1 3 花色甙的性质 ( 1 ) 溶解性： 花色甙类色素易溶解于水、甲醇、乙醇等强极性溶剂，难溶于乙醚、丙酮、 石油醚、乙酸乙酯等非极性溶剂，属于非脂溶性色素2 5 2 8 矧。 ( 2 ) 光谱特性 在酸性溶液中，花色甙及其糖甙配基显示出两个最大的特征吸收；一个位 于可见光区的4 6 5 5 5 0 n m 之间，另一个较小的位于紫外2 7 5 r t m 处1 2 7 2 9 ；在 o 0 1 盐酸的甲醇中，在可见光区5 2 0 - 5 6 0 n r a 处存在特征吸收峰；在紫外区 2 7 0 2 8 0 r m a 处有特征吸收峰，如果花色甙存在酰基化，其结构在3 10 - 3 2 0 n m 处 存在特征吸收锋【27 1 。 婴型奎兰竺主兰垡堡苎 ( 3 ) 稳定性 大多数非酰化或单酰化的花色甙像p h 指示剂一样，p h 值由低到高时花色 甙溶液呈现由红色到无色直至蓝色的变 l 3 0 1 。因此，为保持花色甙原有的色泽， 花色甙色素溶液应保持酸性。 当花色甙溶液加热时，花色甙的结构由黄锌盐阳离子向查尔酮式转变：当 冷却或酸化时，醌式碱和假碱结构迅速变成黄锌盐阳离子形式，而查尔酮式结 构变化相当慢。因此，为了保持花色甙的黄锌盐阳离子结构，使其色调不发 生变化，在生产和应用过程中应保持低温。 ( 4 ) 耐金属离子性 科研工作者研究了f e 3 + 、f e ”、c u 2 + 、魁”、m 9 2 + 、z n 2 + 等金属离子对不同 花色甙色素稳定性的影响。其中，f e ”对色素有不良的影响，色素溶液会变黄 或变为褐色 1 7 , 3 2 , 3 3 ，z n 2 + 和a 1 3 + 有明显的增色作用 1 7 , 3 2 ，其他离子对花色甙色 素基本无影响 1 7 , 3 2 , 3 3 。遇到醋酸铅会发生沉淀f 2 5 。 1 1 4 花色甙的生理活性功能 1 1 4 1 抗氧化及消除自由基的功能 多酚中的类胡萝h 素具有抗氧化作用已是常识，而多酚类中的花色甙具有 抗氧化作用却是近l o 年才发现的。i g a r a s h i 等研究了由山葡萄、红芜菁及茄属 的抗氧化作用。其中，花翠苷的活性最高，红蔓菁苷与锦葵色素苷的抗氧化活 性差不多。此外，四季豆种皮中含有的花青苷( c y a n i d i n 3 o g l u c o s i d e ) 对兔红 血膜及肝脏微粒体也显示出一定的抗氧化能力1 3 4 。 1 1 4 2 降低血清及肝脏中脂肪含量的功能 添加锦葵色苷( m a l v i d i n ) ? # 有胆固醇的食品中，食用者除了可以保持血清中 低的总胆围醇浓度外，还可以使三酰基甘油( 中性脂肪1 含量下降。在自鼠的投 食实验中，添加胆固醇的同时，加入花翠苷( n a s u n i n ) 或花翠素( d e l p h i n i d i n ) ， 能使血清中的胆固醇浓度下降，h d l 胆固醇上升，可观察到动脉硬化指数明显 下降【3 4 1 。 1 1 4 3 抗突变及抗肿瘤的功能 野生浆果( c h o k e c h e r r y ) 含有大量花香苷( c y a r d d i n g - 3 - g a l a c t o s i d e 、 c v a n d i n 一3 一a r a b i n o s i d e 、等的花青配糖体，果实中抽提出的花青甙经a m e s 致癌实 验，表明具有抑制苯芘、氨基氟的变异活性，还具有修复人体血液中淋巴球的 作用。花色苷还具有抑制人体内形成并游离出的超氧化自由基的作用。经研究 考证，花色苷的抗异原活性是通过阻碍变异原前驱体( p r o m u r a g e n s ) 的活化酶 而起作用的。此外，还发现花色甙有利于人体对异物的解毒及排泄【3 “。 1 1 4 4 防止人体内过氧化的功能 花翠苷( n a s u n i n ) 之类的花色甙，能抑制动物肝脏硬化及脂质过氧化物 ( t b a r s ) 的上升i 州，使血液中甘油三酸酯的含量下降【l l o 萝 中的花色甙具 有抗脂质氧化作用i ”。 1 1 4 5 其他生理功能 从a r o n i am e l a n o c a r p a 果实中抽提出的花色甙能抑制白鼠由盐酸乙醇诱发 的胃溃疡，还能抑制肺、肝脏、小肠中的过氧化作用。此外，红葡萄中的花色 甙除了能抑制人体中l d l 的过氧化外，还有延迟血小板凝集的作用【3 4 1 。越橘 中含有的花色甙对视紫质的再合成体系有活化作用，具有明显提高视力的功能 “j ，经常感觉眼睛疲劳的患者每天摄入花色甙2 5 0 r a g ，能明显缓解眼睛的疲劳 症状【3 ”。 1 1 5 花色甙的生物合成途径 花色甙的合成受遗传和环境两种因素的控制。花色甙表达的位置( 即在植 物体上的位置) 受遗传控制，研究显示有个重要基因控制许多部位的表达， 一个特定位置的表达水平则由许多其它基因控制，每一个基因都有不同的效果。 花色甙的表达也受到生长环境的影响：光强是关键性因素，强光导致高水平表 达，花色甙的合成受光敏色素系统的控制，因此光谱中红光部分的作用是最有 效的；营养胁追也是一个环境因子，它能影响花色甙的表达水平，n 、p 、k 低 水平时，植物中花色甙含量较高。花色甙的合成途径以及相关的催化酶已经在 多种植物中进行了长时间的研究。具体过程如图1 - 2 所示【3 5 】。一般认为花色甙 四川大学硕士学位论文 合成的最初前体是苯丙氨酸，由苯丙氨酸形成花色甙的过程包括许多步骤，这 些步骤分别由不同的酶催化。 图1 2 花色甙的合成途径 1 2 紫薯中花色甙的概况 1 2 ，l 紫薯的来源 甘薯( z p o m o e ab a t a t a sl ) 属旋花科一年生或多年生草本植物。它起源于 l1 0 0 0 1 2 0 0 0 年前的南美洲，1 6 世纪后经菲律宾传入中国f 3 6 i 。1 9 8 5 年在日本鹿 儿岛山川i 町发现一种花色甙含量很高的野生甘薯品种训l 山紫”( 上b a t a a 5 p o i r ) ，而且该花色甙的耐热性、耐光性和呈色鲜亮度均相对优良，但其产量极 低，利用困难。为此，日本农林水产省九州农业实验场与日本三源f f i 公司以 经过i 0 余年选育杂交所得的含糖量低，亩产量高的“沙知”品种为父本，经层 层筛选而获得花色甙含量高、外观优良、亩产量也高的新品种“阿雅莫拉沙淇”， 简称阿雅种卯】。这种阿雅紫薯新品种的花色甙含量为原品种的8 倍，并因为栽 垫童 培特性被改良，使其亩产量大大增加，因而可作为天然食用色素的产业化生产 原料。 我国于8 0 年代初引进紫薯，经杂交改良已选育出一些适应我国土壤气候环 境的、产量和色素含量较理想的品种【3 8 1 。 1 2 1 2 紫薯中花色甙的生理作用 1 2 2 1 抗突变作用 正常紫薯块根的抗突变性( 突变抑制率) 约为3 7 ，而没有含花色甙的甘 薯几乎没有抗突变能力，而提纯后的紫薯花色甙色素均有较强的抗突变能力 【3 7 】。 1 2 2 2 抗氧化作用 腊类过氧化作用和活性氧的自由基反应可导致人体细胞氧化、损害、老化、 癌症和动脉硬化等许多疾病，这均与体内氧化反应有关。通过食用具有抗氧化 能力的食物，可以防止多种疾病的发生。姜平平等人 3 9 1 建立了四种体外实验模 型，检验了紫心甘薯花色甙的还原能力、对羟自由基的清除能力、抗由f e ”引 发的卵磷脂腊质体过氧化的能力，以及抗h 2 0 2 引发的红细胞的溶血作用的能 力，紫薯花色甙在四种模型下均表现出相当强的抗氧化能力。曾比较多种甘薯 品种，用8 0 乙醇提取物实验对脂类过氧化作用( 亚油酸在8 0 下加热过氧化 物值上升的抑制能力) ，以及对b u o o 基( 特丁基氢氧化物，氯高铁血红素，氨基 苯二酰一肼) 所导致的化学发光能力抑制作用。结果表明，高含花色甙的紫薯 有很强的抗氧化能力【3 7 1 。 1 2 2 3 活性氧消除能力 比较橙色甘薯( 富含b 胡萝h 素) 和紫薯两者榨汁成分，发现后者具有很 强的超氧化歧化酶( s o d ) 活性，比较二者清除游离氧0 2 的能力，即经与“次 黄嘌呤，黄嘌呤氧化酶( h y p o x a n t h i n e x a n t h i n eo x i d a s e ) ”作用产生的0 2 与n 氧 化- 5 ，5 一二甲基- l 一吡咯啉( 5 ，5 - d i m e t h y l 。l p y r r o l i n e n o x i d e ；d m p o ) 作用， 经电子自旋共振装置( e s r ) 测定它们对0 2 的清除能力。结果证明紫薯具有比 富含b 一胡萝h 素的橙汁具有更强的0 2 清除能力1 3 7 】。 9 婴型查兰堡主兰堡堡苎一 1 2 2 4 缓解肝功能障碍的作用 紫薯汁能明显缓解各种肝功能障碍。曾对4 5 名志愿者进行紫薯压榨汁试食 实验，结果发现，凡肝功能偏高，病程在5 年之内者。各项肝功能指标均有下 降，平均下降2 0 1 3 7 】。 1 2 2 5 调节血压的作用 抑制血管紧张素转换酶( a c e ) 活性，可防止血管末梢收缩，从而降低血 压。比较紫、橙、白三种甘薯的水提取物和紫薯花色甙y g m 一3 、y g m 一6 对a c e 的5 0 抑制率，结果表明，紫薯花色甙y g m 一3 、y g m 6 有很强的抑制能力， 而白色和橙色甘薯的抑制力很差。此外，煮过块根的提取物比新鲜块根的提取 物的抑制力更强1 3 ”。 1 2 3 紫薯中花色甙的特性 1 2 3 1 色调 日本研究工作者对日本市场上的天然食用花色甙类色素进行比较。将紫甘 蓝色素、葡萄皮色素、葡萄汁色素、浆果类色素、红萝h 色素、紫玉米色素和 紫薯色素的色调进行比较，其中紫薯色素和紫甘蓝的明亮度样，属于最高的， 在红色中带紫色调【3 7 】。 1 2 3 2 热稳定性 将紫薯色素与其它花色甙色素的耐热性和耐光性进行比较，紫甘蓝色素、 葡萄皮色素、葡萄汁色素、接骨木浆果色素、红萝b 色素、紫玉米色素和紫薯 色素等六种色素在加热到9 0 c f 舌，紫薯色素的残存率最高( 3 7 】，表现出很好的热 稳定性。 1 2 3 3 光稳定性 陆国权等人对紫薯色素、葡萄色素、紫苏色素、紫米色素、李子色素、黑 豆色素等进行光照实验，发现紫薯色素的光稳定性最好，葡萄色素和李子色素 次之【4 0 】。 1 - 3 花色甙色素提取、纯化工艺的研究现状 杨伦i l o l 、陈建国【1 1 】等研究了以o 0 1 0 o h c l 一乙醇溶液为提取溶剂提取桑葚红 色素的工艺，前者在7 5 0 下提取时间为2 h ，后者在4 0 下提取，但提取时间较 长。王辉研究了木棉花红色素的提取方法，以1 ：1 的o 1 m o l 1 h c l 一5 0 乙醇为提 取溶剂，在6 0 c 下恒温提取2 h ，物料比为1 ：1 0 1 3 3 1 。刘德文等选择7 0 的乙醇 作为越橘果皮中红色素的提取【1 5 】。石冬梅等以1 5 m o l lh c l 和9 5 乙醇的体积 比为1 5 ：8 5 的混合溶液为提取溶解提取地慈果实中红色素【4 l 】。紫薯中花色甙色 素的提取工艺的研究也有报道，尹晴红、茹克也木沙吾提等研究了以酸性乙醇 溶液为提取剂加热提取紫薯色素的工艺条件 4 2 , 4 3 l 。陆国权等研究了以柠檬酸水 溶液为提取溶剂在加热条件下提取紫薯色素的最佳条件【* 】。 从上述研究中可以看出，目前，从紫薯中提取花色甙色素主要是以酸化乙 醇或酸性水溶液为提取剂，如柠檬酸水溶液，在静置条件下加热浸提。花色甙 对温度很敏感，长时间的加热会生成无色的查尔酮式结构而使花色甙褪色 1 2 】。 传统的浸提所需温度较高、提取时问较长，不利于花色甙的稳定，而且耗费溶 剂多，一次提取率不高，需进行多次提取使工艺复杂化。 花色甙色素易溶解于水、甲醇、乙醇等强极性溶剂，属于非脂溶性色素。 在提取过程中会有大量多糖、蛋白质等杂质随之溶出，色素粗提物纯度不高。 胡迎芬研究了a d 5 0 大孔吸附树脂对紫叶小檗叶红色素提取性能的研究1 4 5 1 ，刘 学铭研究了d l o l 一大孔吸附树脂吸附和分离了桑葚红色素嗍，陈效兰研究了大 孔吸附树脂浓缩分离紫菜苔色素【4 ”，茹克也木沙吾提将a b - 8 大孔吸附树脂用 于紫薯花色甙【4 引。花色甙色素在大孔吸附树脂上的吸附动力学和吸附热力学研 究均未见报道。 1 4 论文研究的意义 食品色素是食品添加剂的重要组成部分，合成色素以其色彩鲜艳、稳定性 好、易于着色等特点一度得到广泛的使用。但是，随着现代科学的发展，人们 发现人工合成色素对人体有不同程度的毒性甚至致癌性，各国对允许使用的人 工合成色素的种类及用量的要求越来越严格。天然色素安全无毒、营养附加值 高的特点，正日益受到人们的青睐。从天然产物中提取和分离各种可食用的天 然色素替代人工合成色素己成为食品科学领域研究的热点之一。 四 大学硕士掌位论文 花色甙作为一种天然食用色素已经被使用多年，至今没有发现有副作用， 而且具有很多生理活性。花色甙具有明亮的颜色，易溶于水，这些性质都使得 人们对它产生了越来越浓厚的兴趣，逐颧成为人工色素的替代品。然而，天然 花色甙色素也存在着弊端，它的化学结构不够稳定，在加工、储藏过程中容易 发生降解，生产成本高、着色能力低，这些都限制了天然花色甙色素的商业化。 因此，人们一直在努力寻找新的植物资源，希望可以得到着色力强、色调好、 结构稳定的天然花色甙色素1 4 ”。 中国花色甙类植物资源非常丰富，其中许多是食用和药用的浆果、小核果 或植物的茎、叶、花和块根，不乏有开发利用价值的食用天然花色甙色素源， 关键是筛选原料蕴藏丰富和加工工艺简易的、色素产品颜色鲜艳、稳定性好， 着色力强的资源。近年来，我国食用天然色素资源开发取得较大的进展，在花 色甙色素方面也开展了许多研究。目前，国内花色甙色素的生产主要是以葡莓、 草莓等为原料，生产季节性强、成本高、价格昂贵。 我国于8 0 年代初引进了紫薯，并杂交培育出色素含量和产量都比较理想的 品种。紫薯花色甙色索的原料易得、价格低廉、提取成本低，可以满足工业化 提取色素的要求；而且紫薯含有的花色甙主要为氰定酰基葡糖甙和甲基花青素 酰基葡糖甙j ，具有酰基化基团，酰基化的花色甙色素在加工和储藏过程中表 现出更好的稳定性、耐热性和耐光性【5 ”6 】，可以广泛用作食品着色剂来源，其 副产品可以进行综合利用，作为食品、化工、饲料等加工原料。这对提高紫薯 的综合利用价值，带动紫薯升值，具有很大的开发利用潜力。 因此，研究紫薯中花色甙色素提取及纯化的新方法，提高花色甙色素的提 取效率，以及色素的品质，可以为花色甙色素生产提供一种新的资源。通过对 提取和纯化方法的探索，为从紫薯中提取花色甙的产业化奠定基础，对于食品、 保健品的开发具有积极作用。 1 5 主要研究内容 ( 1 ) 紫薯中花色甙色素提取方法及定量分析方法的研究 ( 2 ) 紫薯中花色甙色素纯化方法以及花色甙色素在大孔吸附树脂上吸附解吸 性能的研究 茎蔓! 垄鱼堡鱼童堡坚查堕塑竺塞一 2 紫薯中花色甙色素提取方法的研究 2 1 引言 紫薯中花色甙色素的提取是纯化的基础，提取效果直接影响到花色甙色素 的进一步分离纯化。花色甙色素属于非脂溶性色素，易溶解于水、甲醇、乙醇 等强极性溶剂，因此可以用醇类、水和有机酸等进行提取。 天然产物有效成分的提取方法包括：超临界萃取、物理场强化、双水相萃 取技术、液膜分离和反胶团萃取等方法p “。 超声波萃取法是一种物理场强化提取技术。超声波是弹性介质中的一种机 械波，利用超声振动能量改变物质的组织结构、状态、功能或加速其改变过程。 超声波与介质的相互作用可分为热作用与非热作用。热作用就是超声波在介质 中传播时，其机械能在振动中转化为介质的热能。同时，介质质点周期性的紧 缩形成温度增高中心，从而使介质温度升高。但在一定的声强下，其产生的热 量和升温作用是很有限的，对萃取的意义不大。超声波强化萃取主要是一种非 热作用。非热作用主要有两种形式，即机械作用和空化作用。机械作用就是超 声波在介质传播过程中，引起介质质点的交替压缩和伸张。虽然质点的振动位 移和速度变化不大，但其加速度却相当大，能显著增大溶剂进入提取物细胞的 渗透性，加速传质过程，从而强化萃取过程。然而，超声波强化萃取的最主要 原因是由于超声波产生的空化效应。超声空化效应是指液体中的微小泡核在声 波作用下被激活，表现为泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过 程。根据不用的表现，空化有稳定空化和瞬态空化两种形式。稳态空化产生在 较低的声强作用下，空化泡以非线性形式在介质中振荡若干个周期，在振荡过 程中，空化泡周围的微流对溶液中其它粒子产生了较大的切向力，有利于溶剂 渗透到细胞。瞬态空化发生在较强的声强作用下，气( 汽) 泡在一个声波周围 内迅速的生成、长大、压缩、崩溃。研究表明，瞬态空化崩溃时可以形成高达 5 0 0 0 k 以上的局部热点，压力可达数百乃至上千个大气压。随着高压的释放， 将在液体中形成强大的冲击波( 均相) 或高速射流( 非均相) 。在萃取中，这种 强大的冲击流能够有效地减小、消除溶剂与水相之间的阻滞层，从而提高传质 速率。同时，冲击流对细胞组织产生一个物理剪切力，使之变形、破裂，并释 放出内含物，大大加速萃取过程1 5 8 】。 1 3 四川大学硕士学位论文 冻结一融解法是将冻结后再融化，此操作反复进行多次，使细胞受到破坏， 胞内物质溶出。冻结的作用是破坏细胞膜的疏水键，增加其亲水性和通透性； 另一方面，由于胞内水结晶，使胞内外产生浓度差，在渗透压的作用下引起细 胞膨胀而破裂蝤。 冻结一融解法和超声波法都是生物技术中常用的破壁技术。花色甙是植物的 次生代谢产物，存在于植物细胞的液泡之中1 5 9 , 6 0 。因此，在提取过程中辅以细 胞破裂技术来加速植物细胞壁破裂，使内含物迅速渗透扩散，从而提高色素提 取的效率，弥补静置提取方法中加热时间长的不足，减少在提取过程中光照和 加热带来的损失。 一种植物中花色甙含量的多少是其利用价值大小的一个重要的指标，目前 对单一色索定量分析的方法主要有以下三种l ： a 固定p h 值法即吸光度值均在同一个p h 值下测定，这个p h 值应尽可 能低，以保证花色甙呈色最好，而且受p h 值变化的影响最小。但