（化学工程专业论文）紫荆花天然红色素提取与精制工艺的研究.pdf

摘要 本论文较系统研究了微波表面活性剂协同提取紫荆花红色素，并联合大孔树脂精制 的工艺方法和相关的最佳工艺条件；采用高效液相色谱质谱联用仪对所分离的产物结 构进行初步判断：同时研究了光、热、氧、金属离子等外界因素对紫荆花红色素稳定性能 的影响，为紫荆花红色素的使用和今后的工业化生产提供了一定的理论研究基础和数据。 利用紫荆花组织内各成分吸收微波能力的差异，微波辐射选择性加热紫荆花红色素， 使色素组分与其它基体组织分离，并借助表面活性剂可降低界面张力，进一步提高色素渗 出的协同性提取原理，通过试验确定出微波表面活性剂协同提取紫荆花红色素的最佳 试验条件为：微波功率：6 4 8 w ，提取剂：0 0 3 ( ) 的表面活性剂k 。溶液，提取时间： 5 0 s ，干花与提取液固液比：1 ：8 0 9 m l ，提取级数：两次，得到的提取率为8 7 1 8 。 利用大孔树脂具有特定大小孔隙结构的特点，可对水溶性化合物选择性吸附的原理， 进一步精制微波表面活性剂提取的紫荆花红色素。通过试验确定出精制紫荆花红色素 的最佳试验条件为：x - 5 大孔树脂为吸附剂，较合理的被吸附提取液浓度和p h 值为：2 9 l 、 p h = 2 3 ，丙酮为最佳脱附剂；动态吸附流速：i m l m i n ，动态脱附流速：1 5 m l m i m 吸附 与脱附可在常温下进行。依上述提取与精制条件，所得色素的提取收率为3 8 左右，色价 为2 6 4 3 。 使用环境与色素的结构可能影响色素稳定性，限制它的使用和发展。紫荆花红色素的 稳定性试验表明：精制后色素的稳定性明显提高：该色素应避免与氧化剂、还原剂、抗坏 血酸等添加剂共用：放置过程中应避免阳光曝晒；使用温度应低于6 0 c ；该色素对f e ”的 稳定性差，应避免共用；对苯甲酸和n a + 、k 、m g ”、c u ”、c a ”、z n ”、a r 的稳定性好，f e ”、 p b ”对色素有一定增色作用，可作护色剂。 根据紫荆花红色素在不同p h 值下显色不同的特性及溶解能力，可初步判断它属于花色 苷类色素，解析紫荆花红色素的紫外可见光吸收光谱图和高效液相色谱一质谱联用 仪所得的扫描图，参照文献资料，可确定色素的一个有效成分为：三甲花翠素。其结构可 能为： v 一 广东工业大学工学硕士学位论文 关键词紫荆花红色素微波表面活性剂大孔树脂稳定性花色苷 a b s t r a c t t h en e wr e dp i g m e n tf r o mb a u h i n i aa u r e al e v lw a se x t r a c t e db yt h em e t h o do f s u r f a e t a n ta s s i s t e dm i c r o w a v ee x t r a c t i o na n dp u r i f i e db yt h et e c h n o l o g yo f m a c r o p o r o u sr e s i n t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sa n ds t a b i l i t yo fc o l o r a n tw e r ed e t e r m i n e d t h ep r i m a r ys t r u c t u r eo ft h ep i g m e n tw a sc o n f i r m e de l e m e n t a r i l y t h es t u d i e sl a i d t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rl a r g e s c a l ee x t r a c t i o na n dp u r i f i c a t i o no ft h er e d p i g m e n tf r o mb a u h i n i aa u r e al e v l t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ft h ee x t r a c t i o nw e r ed e t e r m i n e d a sf o l l o w s ：m i c r o w a v ep o w e rw a s6 4 8 w ，t h ee x t r a c t i o na g e n twas0 0 3 k 1 2s o l u t i o n ， e x t r a c t i o nt i m ewas5 0 s ，t h er a t i oo fr a wm a t e r i a lt oe x t r a c t i o nr e a g e n twas1 ：8 0 9 m l e x t r a c t i o nt i m e sw e r et w i c e ，t h ey i e l do fe x t r a c t e dp i g m e n ta c h i e v e d8 7 1 8 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ft h ep u r i f i c a t i o nw e r es t u d i e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n s w e r ed e t e r m i n e da sf o l l o w s ：t h eb e s tm a c r o p o r o u sr e s i nw a sx - 5 ，t h ef l o wr a t eo n d y n a m i ca b s o r p t i o nw a s1m l m i na tn o r m a lt e m p e r a t u r e ，t h eo r i g i n a lc o n c e n t r a t i o n a n dp ho ft h ef l o w e rs o l u t i o nw a s2 9 la tp h = 2 3 t h eb e s td e s o r p t i o nr e a g e n tw a s a c e t o n e ，t h ef l o wr a t eo nd y n a m i cd e s o r p t i o nw a s1 5m l m i na tn o r m a lt e m p e r a t u r e t h ey i e l do fp i g m e n ta c h i e v e d3 8 w h e nt h ec o l o rv a l u ew a s2 6 4 3 t h es t a b i l i t yo fr e dp i g m e n tf r o mb a u h i n i aa u r e al e v lh a so b v i o u s l ye n h a n c e d a f t e rp a r i f i c a t i o n i tw a ss e n s i t i v et ol i g h t ，h e a t ，o x i d a n t s ，r e d u c i n ga g e n t s ， v i t a m i nca n df e 3 + t h er e dp i g m e n tw a ss t a b l et on a + 、k + 、m 9 2 + 、c u 2 + 、c a 2 + 、z n 2 + 、a 13 + a n d s o d i u mb e n z o i ca c i d 。f e ”、p b ”c a np r o t e c tt h ee x t r a c t e dc o l o r a n t a c c o r d i n gi t sc h a r a c t e ra n di t sd i f f e r e n tc o l o ri nd i f f e r e n tp h ，t h er e dp i g m e n t w a sc o n f i r m e de l e m e n t a r ya st h ea n t h o c y a n i n a n a i y s i s i n gt h eu vs p e c t r u ma n dt h e l c - m ss p e c t r u mo ft h ef i n ep i g m e n t ，o n em a i nc o m p o n e n to ft h ep i g m e n tw a sh i r s u t i d i n ， i t sp r o b a b l es t r u c t u r ew a sa sf o l l o w s ： 。查三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏兰 k e yw o r d s ：t h er e dp i g m e n to f b a u h i n i aa u r e al e v l ：m i c r o w a v ee x t r a c t i o n s u r f a c t a n t ：m a c o r o p o r o u sr e s i n s ：s t a b i l i t y ：a n t h o c y a n i n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 色素发展历史及现状 应用色素是人类追求美感、文明进步的主要标志之一。早在古埃及，人们就会利用珊 瑚虫、紫草等动植物浸出物装饰自身。随着提取技术的逐渐进步，天然色素在食品、修饰 等方面的应用越来越普及，逐渐成为美化社会生活不可缺少的一部分。由于天然色素存在 着上色能力低、对自然环境稳定性差、成本较高的缺点，1 8 5 6 年英国的w h p e r k 1 3 s 教授 发明了第一个人工合成色素“苯胺紫”，之后，合成色素因其着色力强、稳定性好、 色泽鲜艳、能规模化工业生产、成本低等优势而飞速发展，在这之后的一百多年里基本取 代了天然色素，普遍应用于食品、化妆品等行业“1 。据统计，在这一百多年时间内，北美、 欧洲等国家合成色素年增长率约达到2 ，南美、亚洲等发展中国家合成色素年增长率则超 过7 i “。 2 0 世纪，随着医学、毒理学、分析科学的不断发展，人们逐渐意识到：虽然合成色素 有很多优点，但大部分合成色素有一定的毒性，若被长期摄入，有的会影响神经信息传递， 降低妇女生育能力使胎儿畸形，有的甚至形成b 一萘酚和a 一氨基一1 一萘酚等致癌物。“。因此， 各国丌始对合成色素重新进行毒理学和遗传学研究，严格限制非安全性合成色素的应用。 现在，美国允许使用的合成色素仅有7 种、中国8 种、英国2 2 种、r 本1 2 种、捷克l o 种， 瑞典、芬兰、挪威、印度、丹麦、法国等禁用重氮类色素，挪威等一些国家已完全禁用任 何化学合成色素”3 。 在这种崇尚安全、追求健康的趋势下，世界各国开始重新重视天然色素的丌发与应用。 天然色素来源丰富，并且产品具有多种功能性，如0 一胡萝h 素、番茄红素可预防人体维生 素的缺乏症，甘草色素可镇咳、镇痛，姜黄色素、紫草色素、栀子黄色素可保健、消炎排 毒等，因此为天然色素的开发和研究迎来了新的高潮。据资料统计，仅食用色素项：上 世纪八十年代世界公开发表的食用色素专利中8 7 5 是关于天然食用色素6 。怎样拓宽已有 天然色素的来源，解决天然色素的稳定性和上色性，提高天然色素的提取率和安全性，这 些都是目前急待解决的问题。 1 2 天然色素的提取技术及工艺综述 天然色素的生产方式主要有直接提取、人工合成和生物技术生产等途径”。其i i 已知化 学结构和组成的色素可用人工合成的方法生产，已研究的有b 一胡萝h 素、核黄素等天然色 素”。1 ：利用微生物发酵法、植物细胞和组织培养合成等生物技术生产的天然色素，d 口者已 广东t 业大学t 学顸j ：学位论文 生产的有红曲红色素，后者已开发的有栀子细胞培养的栀子黄色素等，玫瑰茄细胞培养玫 瑰茄红色素尚处在初步研究阶段“”。因此，目前天然色素的提取仍然以直接提取为主。 传统的提取技术有：浸提技术、压榨技术、粉碎技术、酶反应技术和蒸馏、过滤等精 制技术，传统生产技术一般生产周期长而提取率低，所得色素杂质含量高，色价低，稳定 性较差，存在较多弊端。 近几年随着科学技术的不断发展，天然色素的提取也同其它天然活性物质的提取一样， 出现了许多新技术和工艺：超i | 缶界流体萃取技术、微波协助萃取技术、超声波萃取技术、 膜分离技术、高速逆流液相色谱技术、大孔树脂分离技术等“4 。”3 。 超临界流体萃取技术是利用具有高扩散性和溶解能力的超临界流体为萃取剂，从液体 或固体中萃取出待测组分。高德永、刘兴华、张忠必等分别研究了用超l 临界流体c o 。从可可 豆壳、番茄和辣椒中提取可可色素、番茄红色素和辣椒红色素的过程，研究表明：超临界 流体萃取技术具有萃取速度快、效率高、操作简单等优点，但缺点是设备投资大“”1 。 超声提取技术是利用超声波的空化作用加速植物有效成分的溶出，此外超声波还具有 机械振动、乳化扩散、击碎等多级效应。王振宇、孙波等用超声提取技术对大花葵色素和 杜仲叶有效成分的提取研究表明：超声提取技术具有提取时间短、产率高、低温提取有利 于有效成分的保护等优点“”。 膜提取分离技术是根据被分离物分子量大小选择合适孔径的膜，以压力为推动力，实 现被分离物与溶剂分离。具有常温操作、无相变、能耗低、高效浓缩富集产物等特点“1 。 扈胜禄等采用膜提取分离技术提取糖蜜酒精废液中焦糖色素的研究表明，色素回收率高达 7 8 1 8 ，回收的色素质量好，满足g b 8 8 7 1 2 0 0 1 标准要求，具有极大的经济价值“。 高速逆流色谱提取技术是对结构相近的混合物进行多次吸附、解吸，达到极高分离程 度的液液分配色谱技术，具有分离效率高、产品纯度高、制备量大且溶剂消耗量少等特点， 适用于制备性提取“”。c h e nh u i 等应用高速逆流色谱提取技术从海生绿藻的类囊体膜直接 分离纯化，获得了主要捕光叶绿素a b 蛋白质复合体( l h c i i ) ，证明通过少数简单步骤从类 囊体膜直接分离、纯化l h c i i 是可实现的。”。 微波协助提取技术是以传统溶剂浸提法原理为基础发展的新型萃取技术3 。微波是一 种频率在3 0 0 m h z 至3 0 0 g h z 之间的电磁波，它的频率与分子转动频率相关联，当它作用于分 子上，促进分子转动运动，使得分子产生键振动或撕裂，生成热能，引起温度升高。微波 应用于分离过程，出于天然物质各组成结构不同，吸收微波能力有差异，选择性加热被萃 取组分后，被萃取组分与基体体系分离，进入萃取剂中，达到分离目的。虽然该技术的研 第一章绪论 究与应用在国内外都处于起步阶段，但它具有选择性高、耗时少、能耗低等特点，是目前 国内外研究的热点。y e u m ，k s 等研究发现；在输入相同能量的前提下，采用微波技术提 取咖啡、绿茶等食品中的可溶性物质，其提取率比传统提取技术高3 0 4 0 ”；b u r e a u ，s ， r a z u n g l e s ，a 等采用微波从葡萄和葡萄汁中提取含香物质，同样可提高提取率。“：s p ir o ，m 等研究从薄荷叶中提取薄荷精油结果表明，采用微波协助提取可提高提取率：s j j u n 等用u 一形柱微波协助提取设备，从海角茉莉花中提取食用黄色素，同样能量下，提取率比 传统方法所得高5 0 ，且提取时间为1 0 0 秒1 ；在国内，蔡金星等采用微波超声波技术 提取草莓色素，研究表明：该技术很大程度地提高了草莓色素的提取率。：赵桂红对比微 波提取和溶剂提取蓝靓果红色素，研究充分显示出微波协提技术提取时间短的特点；李 巧玲等采用微波强化浸取天然色素的研究表明：微波辐射柚皮色素浸取率大约是传统加热 方法的3 0 倍，且色素纯度较高，能耗少，有利于工业化生产。5 1 ：张小曼等采用微波提取密 蒙花黄色素的研究表明：以水为介质，微波提取率可达1 1 1 5 ，且操作方法简单。 表面活性剂是可显著降低界面张力的物质，其辅助提取作用在近年的生物技术领域中 有少量尝试性应用。表面活性剂可降低植物细胞膜与溶液间界面张力，促使溶液快速渗 入细胞壁内的同时，提高大分子有机物的渗出能力，即增溶大分子有机物。在提取过程中， 具有提高浸提率，缩短浸提时间等特点；邓宇在芡实栲胶( 丹宁) 提取的研究中发现：表 面活性剂可增加乙醇的渗透性并提高丹宁的分散度，使丹宁从细胞内向外扩散，提高浸提 量”。蒋永红等研究银杏叶制剂时发现，非离子表面活性剂t w e e n 一8 0 的增溶性，可使银_ 台= 叶提取物溶解度提高1 0 倍左右。c r i s t i n am a h u g os a n t a n a 等采用非离子表面活性剂 t 二烷基聚氧乙烯( 6 ) 醚增效微波提取海洋沉积物中氯苯酚的研究表明：非离子表面活性 剂增效微波提取方法( m a m e ) 可作为简单、快速可行的液相色谱分析中样品预处理方法“”。 大孔树脂技术是利用具有孔隙结构的有机高聚物吸附剂的选择性吸附，将复杂天然产 物分离富集的新技术”“。大孑l 吸附树脂基本的网状孔穴结构使其颗粒总表面积很大，一些 树脂在合成时引入了极性基团，更增强了它的选择吸附能力；另外，孔穴大小一定的大孔 吸附树脂可选择吸附分子量不同的化合物，因此，复杂的混合物可根据吸附力及分子量大 小的不同，被大孔吸附树脂吸附，在经一定的溶剂解吸达到分离的目的。大孔树脂技术具 有选择性高、生产工艺简化、吸附剂可循环再生等特点，近年来在化工环保、生物制药等 行业中有效成分提取和分离受到普遍重视。z h i g a n gt a n g 等分别研究酒精发酵液中g a 3 酸的 分离及t a u r i n e 的分离研究中表明：采用大孔树脂s 一8 吸附，用p h = 2 的8 0 ( v ) 丙酮沈脱， 可使被提取的g a 3 浓度提高7 倍，产量达9 0 以上，同时循环利用9 次以上的s 一8 树脂的吸附容 广东丁业大学工学硕j 二学位论文 量不变“2 1 ”；j o r g ea g a r c i aa g u d o 等采用交换树脂脱除生产糖液中的有色物质精制食糖， 脱除率达n 8 5 以上“；吕晓玲等用大孔吸附树脂法精制栀子黄色素，精制后色素在面粉中 应用不发生绿变“”：马银海等用树脂吸附分离甘蓝红色素、玫瑰红色素得到较好的结果”例； 彭永芳等研究用x 一5 大孔树脂精制密蒙花黄色素和水溶性姜黄色素，提取率可达8 0 左右， 即使树脂循环使用十几次以上，吸附率仅降低3 4 ，再生后吸附可恢复“”删：徐忠等在大孔 树脂吸附红豆皮色素的研究中表明：该吸附为多分子层吸附，吸附平衡时间为1 2 0 m i n ”3 ；张 裕卿研究番茄红色素和b 一胡萝b 素的吸附分离表明：x 一5 大孔树脂是该类非极性色素的良 好吸附剂”。 天然色素的需求量逐年递增，欧美、日本等天然产物提取技术走在世界前列的发达国家， 已将超临界流体技术，微波技术和树脂吸附精制技术应用于天然产物的开发生产上“。，市 场占有率不断扩大。我国自然资源丰富，但天然色素生产厂家仅百余家，无论从产品种类 还是质量上都难以与上述先进国家匹敌，天然色素进口额逐年上升。因此，如能将上述几 种技术有机结合运用于天然色素的开发，可从不同方面提高色素产品质量与产量，简化生 产工艺、降低能耗和成本，具有较广阔的市场前景。 1 3 天然色素的稳定性因素 目前，国内外色素市场已逐步形成以天然色素为主的发展方向，但天然色素在环境中 应用的不稳定性，会在使用过程中发生褪色、褐变等现象，对天然色素的正常应用及推广 带来极大的影响，防碍了它的持续发展，因此在天然色素的生产和应用中需注意以下几个 因素： 、h 值：部分天然色素颜色随介质r h 值不同而变化，特别是花色苷类、黄酮类色素的 分子中含有多个酚羟基，当外界介质1h 值变化时，色素结构发生变化，颜色变化“1 。李庆水 等对玫瑰茄红色素性质的研究表明玫瑰茄红色素仅在p h = 3 5 范围内保持颜色为紫红色，p h 值也会影响花色苷类天然色素的降解速率“1 ，因此，应通过试验确定天然色素适用的p h 值范围； 光和热：紫外、红外和自然光会使大多数天然色素产生褪色现象，热可以使多数天 然色素分解褪色。张秀成等对越橘色素稳定性的研究表明：该色素的主要结构：苯并毗哺 盐在长时间受热后，结构转变为无色查尔酮式结构而产生褪色”。因此在天然色素的生产、 储存和使用中应注意采取避光措施，并缩短受热时间和降低受热温度； 氧：含有大量双键或易氧化官能团的天然色素，在空气中遇氧极易发生氧化分解， 产生褐变、褪色等不稳定现象啡1 ，因此，天然色素的储存和使用中应注意隔氧的密封储存； 金属离子：各种金属子对天然色素的影响不同。如花色苷色素因含有多个亲核性酚 羟基，极易与有些金属离子配位，形成更稳定的螯合物而“变色”。赵树凯等对红龙果 红色素稳定性的研究，吴定等对紫苋红色素性质的研究都表明：a r 对花色苷色素具有增色 作用，f e ”则易与色苷色素形成络合物，使色素结构变化，颜色消失。1 。因此，应根据试 验确定在生产和使用过程可能遇到的影响天然色素的金属离子类型和用量。 天然色素的不稳定性，主要是外界因素使色素结构发生变化造成的。为了解决这个问 题，人们进行了不断研究，取得一定的进展。一方面可经试验确定出天然色素加工使用的 最佳工艺条件，在其加工、储存和使用过程中通过控制外因( 热、光、氧等) ，如采用低 温加热、在色素稳定的p h 值范围内、避光加工、专门的隔氧包装材料等方法使用天然色素。 另一方面，可通过确定天然色素的结构对其改性和加入稳定天然色素性能的稳定剂、抗氧 化剂、金属离子掩蔽剂等进行改良，如利用e 一环糊化精的微胶囊化、添加e d t a 、黄酮类抗 氧化剂等。滕沽、刘大川等对番茄红素和胡萝h 素微胶囊化的研究表明：微胶囊化可大大 提高色素对光和氧的稳定性”“。聂芊等在黑米色素中加入黄酮及改性黄酮辅色剂，可提高 色素对光的稳定性；刘淑玲等在红花黄色素加入e d t a 发现e d t a 与f e ”形成络合物，消除f e ” 对色素的影响，并有增色作用“2 “1 。 1 4 天然色素的性质及结构的研究 已提取的天然色素按化学结构通常可分为：花色苷类、类胡萝h 素类、黄酮类、醌类、 四吡啶衍生物类和焦糖类等。各类天然色素性质各异，结构也比较复杂，往往直接影响到 它的丌发与研究，目前随着分析手段的不断进步，开展的这方面研究也较多。 花色苷类天然色素属于水溶性色素，在2 0 0 - 6 0 0 1 a m 有特征吸收峰，特别在5 0 0 n m 附近有最 大吸收峰。此类物质主要为2 苯基苯丙吡喃佯离子( 图卜1 ) 衍生物，并随p h 值不同结构发 生变化，显示不同颜色。花色苷类色素结构鉴定的方法也很多，如层析法、紫外吸收光谱 法、红外吸收光谱法、高效液色谱法、高效液相色谱一质谱联用法”“。 0 h r 1 r 1 、r 2 = - h 、o h 、o r ， r 3 = _ h 、o h 幽卜1 花色苷类色素结构图 f i g 1 一lt h es t r u c t u r eo fa n t h o c y a n i n 广东工业大学工学硕士学位论文 1 5 紫荆花色素的提取意义及研究内容 人们回归自然、重视健康的要求促使社会对天然色素的需求量不断增加。传统提取方 法生产的天然色素普遍存在着上色能力低、产品稳定性能较差、生产成本高等缺陷。我国 自然资源丰富，一些天然色素如焦糖、栀子黄、红曲红等远销国外，享有盛名，但大多数 天然色素生产厂家生产技术落后，设备陈1 日，开发的产品无论在种类还是质量上与先进国 家有较大差距，天然产物的进口额逐年上升。因此，_ 丌发研究高效率、低成本、产品质量 好而安全天然色素的技术方法和工艺可满足社会需求，综合利用我国自然植物资源，有效 保护生态环境，变废为宝，提高社会经济效益，对轻工、农业的发展以及农副产品综合利 用都具有一定的意义。 紫荆花( b a u h i n i aa u r e al e v l ) ，又名红花羊蹄甲，是生长在我国华南地区的苏木科 常绿乔木，高约5 - 8 米，其花期长达半年，花量茂盛，花色艳丽，花质幽香，树皮含单宁， 花芽可食，种子含油量1 6 ，并可入药”。 目前，紫荆花仅作为观赏植物，残花处于自然浪费的状况，关于它的提取与精制方法 少见报道，若能在观赏后将其充分提取利用，替代对人体有害的合成色素，符合资源再生、 绿色环保等要求。 本课题通过研究表面活性剂协同微波协助提取技术提取紫荆花红色素，联用大孔树 脂技术精制已提取的紫荆花红色素，开发研究了紫荆花红色素的最佳提取精制工艺和条件： 并研究了光、热、氧、金属离子等外界因素对紫荆花红色素稳定性能的影响和较合理的色 素使用条件：并采用高效液相色谱质谱联用仪对分离产物的主要结构进行了初步的判 断，可为紫荆花红色素的使用和今后的工业化生产提供一定的理论研究基础和数据。 6 第二章微波一表面活性剂协同提取紫荆花红色素 工艺的研究 紫荆花红色素属于水溶性色素，此类色素的主要提取方法多以溶剂提取法为主，所用 溶剂有：乙醇、水等。传统溶剂提取法提取时间长，耗用溶剂量大，能量损耗大。微波辅 助提取法具有选择性高、耗时少、能耗低等特点。前期研究表明：微波辅助提取法用于提 取紫荆花红色素比传统溶剂法有一定的优势。 综合考虑被提取色素中溶剂蒸除、残存及安全等问题，选择提取溶剂以水为主，但由 于紫荆花花壁厚实，单一使用水作为提取剂会影响溶剂的扩散速度、色素的提取率等。表 面活性剂可降低植物细胞膜与溶液间的界面张力，提高色素的渗出能力。 本章主要研究了采用表面活性剂协同微波辅助提取紫荆花红色素的工艺过程，与传统 溶剂法相对比，确定了微波功率、提取时间、固液比、提取溶剂浓度等因素对提取过程的 影响，为该色素的提取提供确切实用的数据。 2 1 试验仪器： 7 2 3 0 分光光度仪 6 0 1 0 紫外光光谱仪 微波炉 电子天平 u x i 一1 型电子数显电热恒温水浴箱 精密p h 计 玻璃提取器 2 2 化学试剂及原料： 紫荆花 乙醇( 9 5 乙醇) 盐酸 分析纯 氢氧化钠分析纯 表面活性剂( k i ：、t w e e n 一8 0 、t w e e n 一6 0 、t w e e n 一2 0 、 1 6 3 1 、a e o 一9 、l a s ) 蒸馏水 上海精密仪器有限公司 上海惠浦仪器有限公司 顺德格兰仕有限公司 北京赛多利斯天平有限公司 广州市越秀区医疗器械厂 上海精密仪器有限公司 广州玻璃仪器厂 广州美术学院 广州东红化工厂 广州化学试剂厂 广州番禺力强化工厂 m 5 5 0 、m a p k 一3 5 0 、o p 1 0 、c a b 一3 5 、 广州新化工原料公司提供 自制 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 试验方法及内容 2 3 1 总提取m 艺 干紫荆花查里塑堡型笙；2 困：， i i i i i 习 渣 兰三堡堡坚 - 滤液i l 、 滤液i - 提取液 调p h溶剂 卜暗红色粉末产品 2 3 1 1 提取方法准确称取0 1 9 ( 精确到0 0 0 0 1 9 ) 干紫荆花于提取器中，加入一定体积的 表面活性剂溶液浸泡数秒，置微波炉中于一定功率和时间下提取，抽滤提取液并收集提取 液，用稀盐酸定容为p h = i 的5 0 o o m l 溶液。 2 3 1 2 分析测试方法 第二章微波一表面活性剂协刷提取紫荆花红色素工艺的研究 1 m a x 确定准确移取等量紫荆花红色素溶液，用0 1 m o l 1 h c l 溶液稀释定容。以相 应空白溶液为参比溶液，测紫荆花红色素一k 。，溶液紫外可见光吸收光谱图2 - 1 。同样 准确移取一定量精制紫荆花红色素，用0 1 m o l 1 h c l - - z 醇溶液稀释定容，以相应空白溶液 为参比溶液，测紫荆花红色素一乙醇溶液紫外可见光吸收光谱图2 2 ( 见附录) 。 通过图2 - 1 、2 - 2 可知：紫荆花红色素k 。：色素溶液在5 3 4 n m 处有最大吸收峰，紫荆花 红色素一乙醇溶液在5 3 9 n m 处有最大吸收峰，两者在一定范围内吸光度a 都与溶液浓度符 合朗伯比尔定律，因此，可用溶液在最大吸收波长处的吸光度替代色素浓度进行定量 分析。 2 紫荆花红色素分析测定色素的提取液用稀盐酸定容至p h = i 的溶液5 0 o o m l ，配制相 应空白溶液为参比溶液，用1 c m 比色皿，在 m a x 处测定吸光度。 2 3 2 微波一表面活性剂协同提取紫荆花红色素工艺条件 2 3 2 1 表面活性剂的确定等量干紫荆花，分别用0 1 ( w ) 的表面活性剂( k 。、t w e e n - 8 0 、 t w e e n 一6 0 、t w e e n 一2 0 、o p 一1 0 、1 6 3 1 、m 5 5 0 、m r p k 一3 5 0 、o p 一1 0 、c a b - 3 5 、a e o 一9 ) 溶液浸 泡花，协助微波提取，测定a 。研究各表面活性剂对色素提取率( 吸光度) 的影响，确定 最佳的表面活性剂。 幽2 一l 色素一k - z ( 紫外) 可见光吸收光谱 f i g 2 - 1t h ea b s o r bs p e c t r u mo ft h ep i g m e n t _ k s o l u t io n 图2 2 色素一乙醇( 紫外) 可见光吸收光谱 f i g 2 - 2t h ea b s o r bs p e c t r u mo ft h ep i g m e n t - - e t h a n o ls o l u t i o n 2 3 2 2 单因素平行试验选择与微波辅助提取相关的因素：微波功率、k 。：浓度、提取时间、 固液比做单因素试验，分别改变提取各因素做平行实验，确定各提取因素对提取的影响。 2 3 2 3 正交试验根据单因素平行实验的结果，选择微波功率、k ：浓度、提取时| 、日j 、固液 一 、 j 、 一 一 一r 1 一 | l i l n 一 一 一、八j_广止 广东工业人学工学硕士学位论文 比四因素的三个水平，如表2 - 2 ，以测定的提取液吸光度为指标，做l 。( 3 4 ) 正交试验，优 选微波提取紫荆花红色素的条件，确定各因素对提取率的影响顺序。 表2 - 2 正交试验因素水平表 t a b l e 2 2t h et a b l eo ff a c t o r sa n dl e v e lo fo r t h o g o n a ld e s g n 2 3 2 4 提取级数的确定等量干紫荆花，以优化条件为准，改变提取次数，提取液抽滤后， 滤渣用k ：溶液微波多次提取至花发白，收集每次提取的滤液，同 2 3 1 2 测a 。由公 式( 2 1 ) 计算每次提取率卵，确定提取级数。 t ， 叩2 _ 纸a 。 ( 2 - 1 ) 一第i 次提取液体积，m la 一第i 次提取液吸光度， 一提至花白提取液总体积，m l4 。一提至花白提取液总吸光度 2 3 3 溶剂提取对照试验 按文献啡1 溶剂提取法，准确称取等量干紫荆花1 _ o g ( 精确到o 0 0 0 1 9 ) ，9 5 乙醇浸提 4 0 h ，抽滤后滤渣用9 5 乙醇多次提取至花发自，收集每次提取的滤液，用稀 ； 5 = 酸定容至p f f = l 溶液，配制相应空白溶液，测定九m a x ( 5 3 9 n m ) 处吸光度。按公式( 2 1 ) 计算提取率，并 比较对照。 2 4 结果与讨论 2 4 1 表面活性剂的确定 紫荆花红色素属水溶性色素，同等条件下，以水为提取剂协助微波提取，测得吸光度为 a o ，以水表面活性剂协助微波提取，测得吸光度为a ，计算a a o ，结果见表2 3 。 一定频率微波辐射紫荆花，由于花内部组成结构不同，吸收微波能力不同，极性色素 可选择性吸收微波，产生转动，与结合组织的键撕裂，分离后进入提取溶剂中。由于紫荆 花花膜密实，直接用水为溶剂，微波辅助提取，溶剂扩散易受阻，提取率低，加入表面活 性剂可降低植物细胞膜与溶液间界面张力，提高溶剂渗入和色素的渗出能力，并增溶色素 大分子有机物，所以，表面活性剂对微波辅助提取确有协同作用。 表2 - 3 表面活性剂( s 从) 对紫荆花红色素的影响 t a b l e 2 3c o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts u r f a c t a n t so np i g m e n t 表2 - 3 所示，采用水溶性表面活性剂协助微波提取，色素提取率提高。其中以k 。为协 同提取剂时，提取率最高，为单一水提取的2 8 5 倍，故选择k 、：为后续试验的最佳表面活 性剂。 2 4 2 单因素平行试验 分别改变k ：浓度、微波功率、提取时间、固液比等因素，做单因素平行试验，试验结 果如图2 3 2 6 。 固定微波功率、提取时间、固液比三因素，选择k ，：浓度范围为：0 0 0 0 0 6 ，作 k ：浓度a 图，结果如图2 - 3 。当k 。浓度增加时，色素提取率逐渐升高，当k i 。浓度为0 0 3 时a a m a x ，k ：浓度继续增大，提取率未见升高。这与表面活性剂在溶液中形成胶束团时， 当用量达到c m c 值时，其降低表面张力及增溶等能力趋于一定有关。进一步增加k ：用量， 不会明显提高色素溶解量，故后续试验可选择k ，：浓度为0 0 3 范围左右。 固定k ，：浓度、提取时间、固液比三因素，根据微波设备性能，选择微波功率范围为： 1 4 4 w 8 0 0 w ，作微波功率a 图，结果如图2 - 4 。微波功率增加，色素提取率上升，在最大 功率处，色素提取率最大。这与微波功率高，相同提取时间内分子运动、转动能增加，植 物细胞内分子间摩擦、碰撞加速，同时生成大量热能，两部分能量都有助于色素分子吸收 后快速逸出，提取率上升，因此，后续试验选择微波功率为8 0 0 w 范围左右。 固定k ：浓度、微波功率、固液比三因素，选择提取时间范围为：4 0 s 6 0 s ，作提取时 间a 图，结果如图2 - 5 。提取时间越长，辐射能量大，温度上升也快，提取率升高，5 0 s 时提取率最高，提取时间超过5 0 s ，温度继续上升，色素受热影响，稳定性下降，色素分解， 提取率下降，故后续试验选择提取时间为5 0 s 范围左右。 固定k ，：浓度、微波功率、提取时间三因素，选择固液比范围为：1 ：3 0 1 ：2 0 0 ，作 固液比a 图，结果如图2 - 6 。吸光度随固液比改变呈j 下念分布，以l ：8 0 的固液比吸光度 最高。这与固液比比值较低时，紫荆花未被完全浸润，色素不能被充分提取；固液比比值 广东工业大学工学硕上学位论文 过高时，提取液体积增大，单位体积分子间摩擦降低，提取率下降，且提取溶液体积增大， 后期精制工艺溶液的浓缩量提高，生产效率降低，不利于实际生产。故后续试验选择固液 比为1 ：8 0 范围左右。 2 4 3 正交试验 i 一 口* 00 1 0 a0 3 0 d * 讯h 图2 - 3k 1 2 浓度对紫荆抛素撕c 影响 f i g 2 - 3t h ee f f e c to fk 1 2c o n c e n t r a t i o no np i g m e n t 兰 图2 4 微观察对紫荆妣素提取的影响 f i g 2 - 4t h ee f f e c to fm i c r o w a v ep o w e ro np i g m e n t 眦， 表2 4k ( 3 4 ) 正交试验结果表 t a b l e 2 4t h eo r t h o g o n a ld e s i g na n dr e s u l t so fe x t r a c t i o n 2 4 4 提取级数的确定 按 2 3 2 4 方法，测定提取级数对提取率的影响，结果见表2 - 5 。 由表2 5 数据可知，提取次数越多，提取率越高，三次提取可使提取率达到9 5 3 8 ， 但是花瓣经多次微波辐射后细胞膜组织糜烂，后续分离工艺难进行，故后续试验提取次数 以两次为宜。 2 4 5 溶剂提取对照试验 按 2 3 3 方法，测定以9 5 乙醇为溶剂提取紫荆花红色素的提取率，结果见表2 6 。 对比传统的溶剂提取法与微波表面活性剂协同提取法提取紫荆花红色素，结果见 玺三些奎兰：；兰堡圭兰堡鎏吝 表2 7 。 表2 - 5 提取级数对紫荆花红色素提取率的影响 i h b l e 2 5t h ee f f e c to fe x t r a c tt i m e so n m a m eo fp i g m e n t 表2 - 69 5 7 醇提取紫荆花红色素提取率 ! ! ! ! 璧：! ! ! ! ! ! ! 堡! ! ! 娶! ：! ! ! ! i ! ! ! ! ! ! 盟坠! ! ! ! ! 坠! ：! 生! ! ! ! 婴! ! ! 次数 123456789总 体积( m 1 ) a 1 0 02 52 52 52 52 52 52 52 5 5 0 0 0 3 6 00 3 2 00 2 6 50 ，0 8 501 5 80 0 6 600 8 600 2 80 0 6 2 0 1 4 9 提取时间( h ) 4 061 861 86 1 8 6 1 81 9 2 提取率( ) 4 8 3 21 0 7 48 8 92 8 55 3 02 2 12 8 90 9 32 0 8 1 0 0 表2 7 两种方法对比提取紫荆花红色素 t a b l e 2 7c o m p a r i s o no ft h et w om e t h o d so ne x t r a c tc o n t e n to fp i g m e n t 提取方法提取条件 提取率 传统溶剂提取法提取溶剖：9 5 7 , 醇，提取时间：4 0 h 固液比：1 ：l o o g m l t 4 8 3 2 提取温度：常温，提取级数：1 次 微波表面活性剂协同提取功率：6 4 8 w ，提取溶剂k ：浓度：0 0 3 ，提取时间： 6 4 6 2 法5 0 s ，提取固液料比：1 ：8 0 9 m ，提取级数：1 次 出表2 5 可知，9 5 l 醇溶剂提取累计1 9 2 h 可提取较完全，要达到较高提取率，至 少提取三次以上。 由表2 - 6 对比结果可知，传统溶剂法提取紫荆花红色素提取时间长，提取率低，完全 提取所需提取级数多，微波表面活性剂协同法一次提取时间是传统溶剂法的1 2 8 8 0 ， 且一次提取率比传统法高1 6 3 ，因此微波表面活性荆协同法在提取中应该具有相当的 优势。 2 5 小结 确 1 、确定出紫荆花红色素提取的表面活性剂类型为：十二烷基磺酸钠( k 。z ) ，当k m 协同微 波辅助提取时，提取率最高，是不用表面活性剂微波提取的2 8 5 倍。 1 4 釜三耋丝垫= 童塞塑丝型坠型堡坚篓型丝垒垒童三堇塑! 坚1 2 、正交试验确定出微波一 ( 。协同提取紫荆花红色素的最佳工艺条件为：以0 1 0 0 0 9 干紫荆 花为基准，提取功率为6 4 8 w ，提取时间为5 0 s ，提取溶剂k 。：浓度为0 0 3 ，提取固液料比 为1 ：8 0 9 m l 。综合考虑后续分离过程，确定以两次提取级数较合理。在以上优化条件下， 紫荆花红色素的提取率达到8 7 1 8 。 3 、与传统溶剂提取法相比，微波一表面活性剂协同提取时间短，所用的一次提取时间仅为 传统溶剂法的1 2 8 8 0 ，同级数提取比传统溶剂法高1 6 3 。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章大孔树脂精制紫荆花红色素工艺条件的研究 经微波表面活性剂协同提取后的紫荆花红色素溶液的组成比较复杂，可能含有 胶质、蛋白质等成分，直接作为色素产品，色价较低，稳定性较差，为了得到纯度更高 的产品，需要进一步精制。 常用的精制方法很多，其中大孔树脂法具有选择性高、生产工艺简单、吸附剂可循 环再生等特点，常用于富集分离有一定水溶性，但溶解度不大的物质，特别适合于精制 紫荆花红色素。 本章主要研究以大孔树脂为吸附剂精制紫荆花红色素的工艺过程，确定其精制过程 需采用的吸附、脱附剂以及酸度、温度、时间、速度等条件对吸附工艺的影响，可为色 素的工业化生产应用提供理论依据和科学数据。 3 1 试验仪器： 7 2 3 0 分光光度计上海精密仪器有限公司 6 0 1 0 紫外光光谱上海惠浦仪器有限公司 恒温振荡仪国华企业 电子天平北京赛多利斯天平有限公司 u x i l 型电子数显电热恒温水浴箱广州市越秀区医疗器械厂 3 2 化学试剂及原料： 紫荆花提取液按第二章优化条件自制 丙酮分析纯广州化学试剂厂 甲醇分析纯广州化学试剂厂 无水乙醇分析纯广州东红化工厂 盐酸分析纯广州化学试剂厂 大孔树脂( 牌号及指标见表3 1 ) 南开大学化工厂 盐酸分析纯广州化学试剂厂 氢氧化钠分析纯广州番禺力强化工厂 3 3 试验方法及内容 3 3 1 大孑l 树脂的预处理 将已浸润的大孔树脂，缓慢加入含有少量蒸馏水的树脂柱中，蒸馏水反洗去除碎树 脂和杂质后，加入5 b v 的乙醇洗树脂树脂，至