植物色素变色行为的研究.doc

植物色素变色行为的研究摘 要色素在植物体中大量分布，并参与植物体的生物活动。而不同植物具有合成适应自身特点的有机色素分子的能力各有差异，因此，不同的植物就表现出不同的体色及花色，从而使大自然呈现出姹紫嫣红的美丽景色。本文在对植物色素变色行为方面文献进行研究的基础上，对几种颜色鲜明的植物进行色素提取，通过测定不同植物色素在不同pH值溶液中的变色行为，并分析其在不同条件下的吸收光谱，探讨影响植物变色的各种因素以及相应的分子结构。本实验通溶液浸取法提取各种色素，研究色素变色的pH范围及其稳定性。选取以下几种植物进行研究：紫甘蓝、红提皮、香槐花、月季花。关键词：植物色素 变色行为 稳定性Study on Discoloration of Plant pigmentAbstractPigment in plants body mass in a distribution, and participate in the plant body biological activities. Different plants have the ability to adapt to the characteristics of the synthesis of organic pigment molecules vary, therefore, different plants exhibit different colors and designs, so that nature presents a beautiful view of the beautiful flowers. This article in terms of plant pigments to color documents on the basis of the study, on several bright color pigment in plants, through different solution in different pH values of plant pigments to color, and analysis of their absorption Spectra under different conditions, explore factors affecting plant color and the corresponding molecular structure. This experimental-pass solution leaching method extracting pigment, study on the pH range and stability of pigment to color. Selecting several plants to study: purple cabbage, grape red skin, Wilson Yellow-wood flowers, monthly rose flowers.Key words: Plant pigment discoloration stability目 录1 引言11.1 天然色素概述11.2 天然产物的提取方法21.2.1 天然产物的溶剂提取法31.2.2 水蒸气蒸馏法51.2.3 沉淀法51.2.4 盐析法61.2.5 透析法61.3 植物色素的提取方法71.3.1 有机溶剂萃取法71.3.2 超临界流体萃取法81.3.3 超声波浸提法81.4 本课题的提出及研究内容81.4.1 本课题的提出81.4.2 本课题的主要研究内容92 实验102.1 实验所用仪器及材料102.1.1 实验所用仪器102.1.2 实验所用药品及材料102.2 实验方法102.2.1 试剂的配制102.2.2 植物色素的提取112.2.3 植物色素变色行为及pH区间的测定122.2.4 植物色素溶液吸收光谱的测定122.2.5 植物色素稳定性的测定123 结果与讨论133.1 植物色素的提取溶剂的选择133.1.1 紫甘蓝色素提取溶剂的选择133.1.2 香槐花色素提取溶剂的选择133.1.3 月季花色素提取溶剂的选择143.1.4 红提皮色素提取溶剂的选择143.2 植物色素在不同pH溶液中变色行为的研究153.2.1 紫甘蓝变色行为的研究163.2.2 香槐花变色行为的研究173.3 植物色素光谱特征的研究183.3.1 紫甘蓝色素光谱特征的研究183.3.2 香槐花色素光谱特征的研究193.3.3 紫色月季花色素光谱特征的研究203.3.4 红提皮色素光谱特征的研究213.4 植物色素稳定性的研究213.4.1 紫甘蓝色素稳定性的研究213.4.2 香槐花色素稳定性的研究224 结论23谢辞24参考文献25外文资料27唐 山 学 院 毕 业 设 计1 引言1.1 天然色素概述“花儿为什么这样红？”，因为花儿中含有一种叫色素的物质，它不仅使有机体具有各种颜色，而且使我们所生活的地球变得五彩缤纷。颜色几乎是各种商品的重要感官指标，色素被广泛地应用于化妆品、纺织、食品、医药等行业中，和我们的日常生活息息相关，被称为“工业味精”。现在人们使用的色素分为两种：人工合成色素和天然色素。人工合成色素是指用人工化学合成方法所制得的色素，主要是由从煤焦油中分离出来的苯胺为原料制成的，也可以由苯、甲苯、萘等芳香烃类化合物为原料而合成的。天然色素主要是从植物体内提取得到，当然从一些动物、微生物和矿物中也可以提取。对色素的利用并不是现代人的专利，早在公元10世纪前，古人们就已经利用植物性色素给食品着色了，最早使用色素的是一位大不列颠的阿利克撒人，他们当时用植物茜草的汁液将糖果染成紫玫瑰色。后来，美洲的阿芒特克族人与托尔铁克人从雌性胭脂虫中提取出胭脂红色素，给食品着色1。于公元六世纪，我国农学家贾思勰所著的齐民要术就记载了从植物中提取色素的方法及其应用，在一个相当长的历史时期中，植物色素的应用一直居于主导地位。我们的祖先也曾将天然色素用于他们的生活。例如：用红曲米酿制红酒、腌制酱肉、红肠，西南一带则食用黄饭花，江南一带用乌饭树叶捣碎，用汁液染糯米饭食用，还用发酵寥蓝的叶子制成靛蓝来漂染衣物。只是那些都是天然色素，直至1850年英国人帕金斯（W.H.Perkins）合成出第一种人工合成色素苯胺紫2。与天然色素相比较，人工合成色素具有色泽艳丽、着色力好、性质稳定和价格便宜等优点，而且在相当长的一段时间里人们并没有认识到它的危害性，从而被推广到各个领域。随着科技的进步、社会的发展和人们生活水平的提高，越来越多的人对身体健康意识加强，不再仅关注商品生产日期和成分，而对防腐剂和色素也开始有了警觉。在此同时，大量的研究报告指出，人工合成色素对人类的危害性。例如：2002年，研究人员发现苏丹红能使人类肝脏细胞的DNA发生突变。还有其他的人工合成色素也会对人体造成伤害，会引发结石、腹泻、过敏，更严重的会造成突变、致癌、致畸作用。与合成色素截然不同的是，天然色素非但没有毒副作用，有的还有一定的营养保健药理功能。醌类色素（如：姜黄素、紫草素）具有抗菌、抗病毒、抗癌的功效；叶绿素有抗菌消炎和抗诱变、抗癌的作用3；类胡萝卜素类的天然色素（如：类胡萝卜素、番茄红素、虾青素）可在人体内转化为维生素A，并具有保持上皮细胞健全、提高免疫力、维持正常视觉等多种生理功能；黄酮类天然色素(如：高梁红色素、红花黄色素)和花青甙类色素（如：葡萄皮红色素、紫甘薯花色素）具有抗衰老、增强血管弹性的功能、软化血管1。目前天然色素产物化学已经不可置疑的成为有机化学的一个重要分支，也是生物化学的重要组成部分，是在分子水平上对自然认识和探索自然奥秘的重要学科之一。其研究内容主要涉及生物样品中有机分子的分离纯化、结构表征、理化性质、生物活性、功能、生源途径、全合成、结构修饰改造和构效关系等。深入开展结构创新和具有重大意义的生物活性天然产物的系统综合性研究，对有机化学、药物化学、生物化学的发展和创新以及我国天然生物资源的合理开发利用和保护具有显著学术意义和直接或隐藏的社会经济价值。天然色素产物的综合利用是一个广义上的概念，目前大多是提取其有效成分并做活性实验，在此基础上选择合适产品去开发。天然产物的综合利用主要是其有效成分的利用，当然，提取完后的原材料还能进一步开发副产品。在开发天然色素上我国有很大的优势。处于北温带上，我国幅员辽阔地形气候具有多样性，农副产品品种繁多。一些农副产品如紫米、高粱、绿豆、胡萝卜、紫薯、辣椒等随处可见，而栀子、月季、葡萄、番茄、枸杞子的分布也很广，这些充足资源成为天然食用色素的开发的原材料，同时也为农副产品的深加工指明了方向。从经济效益上来看，下脚料的废物利用，如高粱壳、黑米皮、黑豆皮、葡萄皮等也可创造出额外的经济效益。同时，利用天然的野生植物、花卉等还可以创造出更深层次的价值4。1.2 天然产物的提取方法在所有的天然产物中，种类繁多，广泛存在于自然世界当中，大多数天然的产物提取物具有特殊生理功效，他们可以用作染料、香料和药物5。我国自古就有很多独特和丰富的天然中药资源，因此对中药有效成分的提纯和分离以及研究十分重要。波谱技术和色谱技术的迅猛发展，使得对天然产物的鉴定、分离等工序变得更为有效、方便。有机化学的一个重要分支是天然有机物化学，另外他也是药物化学的重要组成，不仅在分子水平上认识自然，而且也是揭示自然奥秘的重要学科之一。生物样品中有机分子的功能、理化性质、结构表征、生物活性、全合成、生源途径、分离纯化、构效关系和结构修饰改造等都是其研究的主要内容。要想有机化学、药物化学的发展和新药创制以及我国天然生物资源的保护和合理开发利用就必须深入开展结构新颖和具有显著意义的生物活性天然产物的系统综合性研究，而且这也具有直接或潜在的社会经济价值和重要学术意义。目前主要在提取有效成分并做活性实验，以及在此基础上选择开发合适产品都决定天然产物的综合利用是一个很宽泛的学术概念。天然产物的有效成分被其综合利用的很多，然而，还可以利用提取完后的原材料进行更进一步的开发，进而得到副产品6。因为天然产物分离提取的方法有许多，下面就主要介绍几种常用的提取方法。1.2.1 天然产物的溶剂提取法 溶剂提取法是根据中草药中各种成分在溶剂中的溶解性质，选用对活性成分溶解度大，对不需要溶出成分溶解度小的溶剂，而将有效成分从药材组织内溶解出来的方法3。当溶剂加到中草药原料（需适当粉碎）中时，溶剂由于扩散、渗透作用逐渐通过细胞壁透入到细胞内，溶解了可溶性物质，而造成细胞内外的浓度差，于是细胞内的浓溶液不断向外扩散，溶剂又不断进入药材组织细胞中，如此多次往返，直至细胞内外溶液浓度达到动态平衡时，将此饱和溶液滤出，继续多次加入新溶剂，就可以把所需要的成分近于完全溶出或大部分溶出。（1）溶剂萃取可分为以下几种类型a.采用几种不同极性的溶剂分步提取：一般是选用3种或4种不同极性的溶剂，从低极性的到高极性的分步进行分离、提取。难以均匀分散在低极性溶剂中的乙醇浸膏或水浸膏常常为胶状物，因此不能完全提取，但是可以加入适量惰性填充剂，例如纤维粉、硅藻土等，然后再低温外加自然干燥，当粉碎后，再用所选用的溶剂依次提取，提取物中的成分，依其利用不同极性溶剂中溶解度的差异而得到分离。b.单一溶剂提取法：虽然水是取之不尽，用之不竭的常用的溶剂，但用水提取也有其不好的地方，比如提取液中的杂质多，如蛋白质、无机盐、淀粉和糖等，给进一步分离带来诸多不便，浓缩时会产生泡沫，还常含有粘液，因此在实验室中往往加少量的辛醇、戊醇用来克服这些困难；但是如果提取物容易发霉发酵，则必须要加少量甲醛、甲苯、氯仿作防腐剂。c.两相溶剂萃取法萃取法：两相溶剂提取简称萃取法，是利用混合物中各成分在两种互不相溶的溶剂中分配系数的不同而达到分离的方法。分离效率越高就说明萃取时如果各成分在两相溶剂中分配系数相差越大，如果是水提取液，而且其中的有效成分是亲脂性的物质，就应该多用亲脂性（如苯、氯仿或乙醚进行两相萃取）有机溶剂，如果有效成分是在亲脂性溶剂中难溶解、偏于亲水性的物质，就应该用弱亲脂性（乙酸乙酯、丁醇等）的溶剂。还可以在乙醚、氯仿中加入适量甲醇或乙醇以增大其亲水性。多用乙酸乙酯和水的两相萃取来提取黄酮类成分。提取亲水性强的皂甙则用异戊醇、正丁醇、水作两相萃取。但是，如果一般有机溶剂亲水性很大，与水作两相萃取的效果就会不好，因为较多的亲水性杂质伴随而出会对有效成分进一步精制产生很大的影响。逆流连续萃取法：是连续两相溶剂萃取法。逆流连续萃取法的装置有一根甚至多根萃取管。管内填充小瓷圈或小的不锈钢丝圈来增加两相溶剂萃取时的接触面。如果一种中草药的水浸液需要用比水轻的提取液（苯、乙酸乙酯等）进行萃取，则需要把水提浓缩液装在萃取管内，而把提取液（苯、乙酸乙酯）贮于高位容器内。萃取完全与否，可用取样品纸层析、薄层层析及显色反应或沉淀反应进行检查。逆流分配法（Counter Current Distribution，CCD）：逆流分配法又叫做反流分布法、逆流分布法或逆流分溶法。两相溶剂逆流萃取法和逆流分配法的原理一致，但是在加样量一定、并不断在一定容量的两相溶剂中，经多次移位萃取分配而达到混合物的分离。逆流分配法所采用的是由若干只管子组成。若无逆流分布仪，可用分液漏斗代替来进行小量萃取。预先选择对混合物分离效果比较好以及分配系数差异大的两种不相混溶的溶剂，选用溶剂系统并参考分配层析的行为分析推断，通过实验测知要经多少次的萃取移位才做到真正的分离。此方法对于分离具有非常相似性质的混合物，通常都能取得良好的效果。但由于消耗溶剂亦多，萃取管易因机械振荡而损坏，操作时间长，所以在应用上常受到一定限制。液滴逆流分配法：此方法又叫做液滴逆流层析法。是近年来在逆流分配法基础上改进的两相溶剂萃取法。对溶剂系统的选择上，液滴逆流分配法在基本同逆流分配法，但必须要在短时间生成有效的液滴，而且要分离成两相。由于移动相形成液滴，在细的分配萃取管中与固定相有效地摩擦、接触不断形成新的表面，促进溶质在两相溶剂中分配，故液滴逆流分配法的分离效果比逆流分配法好很多，并且不会产生乳化现象，即使大气中有氧气，因为用氮气压驱动移动相，被分离物质也不会因而氧化。液滴逆流分配法必须用对高分子化合物的分离效果较差，且能生成液滴的溶剂系统，处理样品量小于1克，并要有一定的设备。近年来，此法的装置不断在改进，但操作和装置比较繁琐。目前，可采用两相溶剂逆流连续萃取装置或分配柱层析法进行对适用于逆流分配法进行成分的分离。（2）溶剂的选择运用溶剂提取法的关键步骤是选择适当的溶剂。溶剂选择必须适当，就能够比较顺利地将需要的成分提取出来6。溶剂不能与所提取的成分起化学变化、溶剂对有效成分溶解度大，对杂质溶解度小、溶剂要使用安全、经济、易得等都是选择溶剂要注意的。常见的提取溶剂可分为以下三类：a.水：水是一种强的极性溶剂。水能溶出无机盐、蛋白质、分子不太大的多糖类、有机酸盐、氨基酸、糖类、甙类及生物碱盐等。也常采用酸水及碱水作为提取溶剂来增加某些成分的溶解度。碱水提取可使有机酸、黄酮、蒽醌、内酯、香豆素以及酚类成分溶出，酸水提取，可使生物碱与酸生成盐类而溶出。但水提取易酶解甙类成分，容易霉坏变质。另外某些含粘液质、果胶类成分的物质，用水提取液的时候常常很难过滤。淀粉量多的物质，不宜磨成细粉后加水煎煮，因为用沸水提取时，物质中的淀粉可被糊化，而增加过滤的困难。b.亲水性的有机溶剂：即与水能混溶的有机溶剂，如甲醇（木精）、乙醇（酒精）、丙酮等，以乙醇最常用。乙醇的溶解性能好，对中草药细胞的穿透力强。亲水性的成分除粘液质、蛋白质、果胶、部分多糖和淀粉等外，都可以在乙醇中溶解。难溶于水的亲脂性成分，在乙醇中的溶解度也较大。还可以采用不同浓度的乙醇进行提取来分析被提取物质的性质。用乙醇提取没有用水多，提取时间不长，溶解出的水溶性杂质也不多。乙醇为有机溶剂的特点是价格便宜、毒性小、易燃、来源方便，而且还可以回收反复使用，乙醇的提取液不易发霉变质。正是由于这些原因，因此用乙醇提取的方法是历来最常用的方法之一8。甲醇的性质和乙醇相似，沸点较低（64），但有毒性，使用时应特别注意。c.亲脂性的有机溶剂：即与水不能混溶的有机溶剂（苯、乙酸乙酯、石油醚、乙醚、氯仿、二氯乙烷等）。亲脂性的有机溶剂的选择性能强，不能或不容易提取出亲水性杂质。但这类溶剂挥发性大，一般有毒，且它们透入植物组织的能力较弱，多易燃（氯仿除外），设备要求较高，价格较贵，往往提取需要长时间的反复提取才能完全。用亲脂性的有机溶剂就很难浸出药材中含有较多的水分有效成分，因此，大量提取中草药原料时，不能直接应用这类溶剂，因为有一定的局限性。1.2.2 水蒸气蒸馏法水蒸气蒸馏法适用于能随水蒸气蒸馏而不被破坏的植物成分的提取，在约100时有一定的蒸汽压，且这些化合物与水不相混溶或仅微溶，当水蒸气加热沸腾时，能将该物质一并随水蒸气带出。譬如植物中的挥发油，某些小分子生物碱如烟碱、麻黄碱等，以及某些小分子的酸性物质均可应用水蒸气蒸馏法提取，对一些在水中溶解度较大的挥发性成分可采用蒸馏液重新蒸馏的方法，使挥发油分层，收集最先馏出部分，或用盐析法将蒸馏液中挥发性成分用低沸点非极性溶剂如乙醚，石油醚抽取出来。1.2.3 沉淀法此方法是在提取液中加入某些试剂使产生沉淀，从而得到分离或除去杂质的方法。最常用的是铅盐沉淀法就是利用次方法，而且这种沉淀反应是可逆的。铅盐沉淀法：次方法是分离某些中草药成分的经典方法之一。因为中性醋酸铅可与某些酚性物质或酸性物质结合成不溶性铅盐。因此，常用以沉淀酸性皂酐、氨基酸、有机酸、蛋白质、鞣质、部分黄酮、树脂、粘液质等。铅盐沉淀法与碱式醋酸铅产生不溶性铅盐或络合物的范围广。脱铅通常采用硫化氢气体，使之分解并转为不溶性硫化铅沉淀而除去，但存在，另外通入空气或二氧化碳让气泡带出溶液中可能多余的硫化氢。对热稳定的化合物，水浴加热，溶液置于蒸发皿中，浓缩除去，脱铅时生成的有机溶剂萃取回收被吸附的硫化铅，但是在通常情况下不进行回收处理。实验室中常采用的脱铅的方法是使用硫酸钠、磷酸、硫酸等物质，但因为生成的磷酸铅及硫酸铅在水中有一定的溶解度，而且脱铅不彻底。试剂沉淀法：例如在生物碱盐的溶液中，加入某些生物碱沉淀试剂，生物碱生成不溶性复盐进而得到析出。1.2.4 盐析法盐析法是在水提液中加入一定浓度的无机盐，达到饱和状态，可使某些成分在水中的溶解度降低，沉淀析出，进而与水溶性大的杂质分离。常用作盐析的无机盐有硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、硫酸铵等。有些成分如麻黄碱或者苦参碱等水溶性较大，在提取时，通常先在水提取液中加入一定量的食盐，再用有机溶剂萃取。1.2.5 透析法都知道大分子物质不能通过半透膜，而小分子物质在溶液中可通过半透膜，透析法就是利用这一特性而达到分离目的的方法。例如分离和纯化多糖、多肽、蛋白质等物质时，可用透析法除去双糖、单糖、无机盐等杂质。反之也可将小分子的物质通过半透膜进入膜外溶液中，而将大分子的杂质留在半透膜内，而加以分离精制。透析成功与否与透析膜的规格关系很大。要根据欲分离成分的具体情况而选择透析膜的膜孔的大小。透析膜有蛋白质胶膜、动物性膜、玻璃纸膜、羊皮纸膜（硫酸纸膜）、火棉胶膜等。在进行透析时为了增加透析膜内外溶液的浓度差，应经常更换膜外清水，必要时为了加快透析速度还可适当加温并加以搅拌。也可在电场中进行，方法如下：放置两个电极，接通电路，则透析膜中的带有正电荷的成分（生物碱和无机阳离子等）向阴极移动，而有机酸等则向阳极移动、带负电荷的成分如无机阴离子，高分子化合物和中性化合物则留在透析膜中。取透析膜内溶液进行定性反应检查才能确定透析是否完全。此外，天然产物的提取还常采用分馏法、吸附法、升华法7。分馏法是利用沸点的不同进行精制纯化。吸附的目的，一种是吸附所需物质，一是吸附除去杂质。升华法就是固体物质加热时，直接变为气态，遇冷凝结成原来的固体的现象。植物中凡具有升华性质的化合物，均可用升华法进行纯化。1.3 植物色素的提取方法植物色素包括脂溶性的叶绿体色素和水溶性的细胞液色素28。（1）叶绿体（叶绿素和类红萝卜素）：在叶肉细胞、绿色幼茎的皮层细胞中、未成熟的果皮内、衣藻和水绵等植物细胞内均可见叶绿体，其细胞的宏观颜色是绿色的。（2）有色体（黄色或橘红色）：在番茄果肉细胞、红辣椒果皮等果实、花卉组织中可见到成红色的质体有色体。有色体使植物组织呈现黄橙红系列的美丽色彩。（3）白色体（无色）：主要分布于植物体的不见光部位如根、茎的皮层细胞中，其细胞的宏观颜色是无色或白色。（4）花青素（酸红碱蓝）：由液泡中花青素或称花色甙引起的，花色甙的颜色与细胞液的pH值有关，其性质是碱蓝酸红。关于花瓣、果实的颜色，有些植物是由有色体决定的，如蕃茄、辣椒等；有些是由液泡中花青素或称花色甙引起的，花色甙的颜色与细胞液的pH值有关，其性质是碱蓝酸红。以上研究的几种色素都属于花色甙，而花色甙是构成植物叶子、果实和花儿等颜色一大类水溶性色素8。对于花色甙的提取方法目前主要有酶提取法、压榨法、溶剂提取法、微波辅助提取法、CO2超临界萃取法和超声辅助提取法。压榨法是用机械力破坏植物细胞壁，提取花色甙色素；酶提取主要使用的是果胶酶和纤维素酶，利用酶解作用使得植物细胞壁变软膨胀、破裂9；最常用的提取方法是溶剂提取法，由于知道花色甙的极性和酸性条件下很稳定，一般提取色素采用蒸馏水、乙醇等极性溶剂的酸性溶液；微波的快速穿透加热作用和超声波的空化作用，都大大地缩短了提取时间，通常作为溶剂提取的辅助方法；由于CO2超临界萃取法无溶剂残留问题，萃取温度仅稍高于常温，这样色素就不会被破坏热敏性。此类色素的提取方法主要有机溶剂萃取法、超临界流体萃取法、超声波浸提法等。1.3.1 有机溶剂萃取法花色甙易溶于水、醇类（CH3OH、C2H5OH）、醚类（C2H5OC2H5）、酮类（CH3COCH3）、酯类（CH3COOC2H5）等，可利用水或有机溶剂将花色甙从植物中提取出来，或用乙酸乙酯等有机溶剂将其从水提物中分离出来。归纳总结看，这些工艺都有相同的主线，以紫甘蓝为例，即：洗净紫甘蓝粉碎研磨溶剂浸取抽滤提取液。1.3.2 超临界流体萃取法超临界流体技术是一种新型高效的绿色分离技术，是利用超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取某种高沸点和热敏性成分，以达到分离和纯化的目的。其工艺流程为：植物碎片经超临界萃取色素粗品纯化高纯度的花色甙。目前，人们较多选用无毒的CO2流体作超临界流体。1.3.3 超声波浸提法超声波浸提法是对提取过程进行超声波强化处理，是利用超声波的机械破碎和空化作用，加速植物碎片浸提物从植物中向溶剂扩散的速度，缩短浸提时间，增加有效成分的提取率。再用传统工艺相同的过程从提取液得到色素，然后纯化。超声波提取色素具有工艺简单，提取温度低，回收率高，氧化损耗小，节时，节能，提取率高等优点，同时避免了有毒溶剂的使用，具有良好的工业推广价值。1.4 本课题的提出及研究内容1.4.1 本课题的提出由于消费者自我保健意识的逐渐增强，天然纯真型食品销量日益上升。随之而起的植物色素近年来亦发展十分迅速，并越来越受到食品生产厂家的重视与肯定。植物色素具有较高的实用价值与经济价值，使用过程中性能稳定，安全可靠。适用于饮料、糕点、糖果、果冻、冰淇淋等多种食品以及服装、药物的染色加工方面。此外，植物色素还有一定的营养和药用功能，对于人们来说是很好的保健品29。植物色素的加工并不是太复杂，大都是将所用植物经洗净、晾干、粉碎、过筛、浸提、浓缩等工序制取，设备投资小，工艺较简单，产率能达到40%60%。因此，根据各地区的原料资源优势，可选择性开发系列色素产品，来满足日趋增长的市场需求30。随着人们对色素越来越深入的认识，天然色素愈来愈受到重视，而在市场上掀起了一阵“绿色风暴”。另外，随着人们生活水平的提高，天然色素的应用将会越来越广泛，如食品、香料、化妆品及油漆、印染、调色等诸多方面。有些色素还可作为酸、碱指示剂，用于溶液酸碱性的鉴定等。所以植物色素变色行为的研究有着不可忽视的应用前景11。1.4.2 本课题的主要研究内容本课题主要研究植物色素溶液在不同pH下的变色范围及其稳定性，在各种方法当中，寻找提取植物色素的一种比较有效的方法。对几种不同植物的色素进行提取，并在其溶液中加入相同量的不同pH的试剂，测定其变色范围。据此对不同植物色素作哪种pH范围的酸碱指示剂给出建议。（1）采集本地常见的有色植物并对色素进行提取，选择合适的提取方法和条件。（2）对植物色素的分子结构进行了解，确定其可能的性质和变色行为。（3）测定色素在不同酸碱性溶液中的变色行为，找出其颜色的特征和对应溶液的pH值。（4）通过对植物色素变色行为的研究和分析，以及其颜色的性能，提出植物色素的应用范围。比如作为酸碱指示剂的变色范围以及对应颜色。（5）在对不同植物色素变色行为研究的基础上，测定不同pH下色素溶液的吸收特征，即不同颜色溶液的吸收曲线。采用可见分光光度法，选择合适的波长和色素溶液的浓度。一定的植物色素溶液在不同pH下显示不同的颜色，有各自的吸收峰，在一定的波长范围内显示一定特征的吸收光谱，其吸收曲线代表了这个颜色物质对可见光的吸收特征。402 实验2.1 实验所用仪器及材料2.1.1 实验所用仪器表2-1 实验所用主要仪器仪器型号生产厂家pH计pHS-25型上海精科雷磁仪器厂可见光分光光度计VIS-7220北京第二光学仪器厂分析天平PG328B湘仪天平仪器厂循环水式真空泵SHZ-D（）巩义市予华仪器有限责任公司2.1.2 实验所用药品及材料表2-2 实验所用主要药品及材料药品规格生产厂家无水乙醇分析纯唐山市路北区化工厂丙酮分析纯天津市富宇精细化工有限公司苯分析纯北京化工厂石油醚天津市富宇精细化工有限公司浓盐酸分析纯唐山市路北区化工厂氨水分析纯唐山市路北区化工厂氢氧化钠分析纯天津市富宇精细化工有限公司冰乙酸分析纯天津市永大化学试剂有限公司紫甘蓝购于红星里市场香槐花校园内采集紫色月季花校园内采集红提购于红星里市场2.2 实验方法2.2.1 试剂的配制（1）1mol/L NaOH标准溶液的配制及标定用天平称取NaOH 10g，加蒸馏水稀释溶解至250mL，摇匀后转入胶塞试剂瓶中保存。以酚酞为指示剂，用基准邻苯二甲酸氢钾滴定欲标定的NaOH溶液，直至溶液呈粉红色且半分钟不褪色。NaOH标准溶液浓度计算公式：c(NaOH) = 式中：m-邻苯二甲酸氢钾的质量，gM-邻苯二甲酸氢钾(C6H4COOHCOOK)的相对分子质量，g/molV-氢氧化钠标准滴定溶液用量，mL（2）1mol/L HCl标准溶液的配制及标定用量筒量取浓盐酸20.9mL，加蒸馏水稀释至250mL，摇匀后转入玻璃塞试剂瓶中保存。以甲基橙为指示剂，用无水碳酸钠滴定欲标定的HCl溶液，直至溶液由橙色变成红色。HCl标准溶液浓度计算公式：c(HCl) =式中：m-无水碳酸钠的质量，gM-无水碳酸钠(Na2CO3)的相对分子质量，g/molV-盐酸标准滴定溶液用量，mL（3）1mol/L HAc标准溶液的配制及标定用量筒量取冰乙酸14.4mL，加蒸馏水稀释至250mL，摇匀后转入玻璃塞试剂瓶中保存。以酚酞为指示剂，用NaOH标准溶液滴定欲标定的HAc标准溶液，直至溶液变成红色。（4）1mol/L氨水标准溶液的配制及标定用量筒量取浓氨水18.9mL，加蒸馏水稀释至250mL，摇匀后转入胶塞试剂瓶中保存。以甲基橙为指示剂，用HCl标准溶液滴定欲标定的氨水标准溶液，直至溶液由橙色变成红色。（5）pH114系列溶液的配制10用配制的好的NaOH、HCl、NH3H2O、CH3COOH标准溶液配制pH114系列溶液。2.2.2 植物色素的提取溶剂提取法：原料洗净晾干表面水分切碎称样加入溶剂（不同溶剂）抽滤色素提取液（1）紫甘蓝色素的提取取一定量市场中买来的紫甘蓝，洗净后，晾干表面水分，切碎，称取一些同一部分切碎的紫甘蓝叶子，研磨后加入不同提取溶剂搅拌，在室温下浸泡2h，抽滤后观察其实验现象和色泽，考察溶剂对其色素浸取效果的影响。（2）香槐花色素的提取就地取材，从学校中摘一些香槐花，洗净后，晾干表面水分，称取一定量，研磨后加入不同提取溶剂，搅拌并在室温下浸泡2h，抽滤后观察其颜色和现象，考察溶剂对其色素浸取效果的影响。（3）紫色月季花色素的提取取学校中盛开的紫色月季花，将花瓣撕下来，洗净，晾干表面水分，称取些许，研磨后分别加入不同提取溶剂搅拌，并在室温下浸泡2h，抽滤后观察其颜色和现象，考察溶剂对其色素浸取效果的影响。（4）红提皮色素的提取取适量红提，剥皮，将红提皮，称量，研磨，加入不同提取试剂，并在室温下浸泡2h，抽滤后观察其色泽和现象，考察溶剂对其色素浸取效果的影响。2.2.3 植物色素变色行为及pH区间的测定取一定量紫甘蓝色素和香槐花色素原溶液置于烧杯中，将pHS-25型酸度计的复合电极插入其中，先向溶液中缓慢加入HAc，观察酸度计，在pH不再变化时缓慢加入HCl，记录颜色及当时的pH值。再取相同量色素原溶液置于烧杯中，将pHS-25型酸度计的复合电极插入其中，先向溶液中缓慢加入NH3H2O，观察酸度计，在pH不再变化时缓慢加入NaOH，记录颜色及当时的pH值。最后根据现象和pH值确定各个颜色的pH区间。2.2.4 植物色素溶液吸收光谱的测定取等量色素溶液放入几个比色管内，分别加入不同pH的试剂，观察颜色变化，取其中色泽鲜明的几种溶液。将所得的色素溶液以提取溶剂为参比，用VIS-7220型分光光度计在波长400700nm内测出不同色素溶液在不同pH下的吸光度值及并绘制吸收曲线。2.2.5 植物色素稳定性的测定将各种pH下的紫甘蓝色素和香槐花色素溶液置于比色管内，记录时间，通过分光光度计测定随时间变化的吸光度并记录颜色。波长设定取各种颜色光谱曲线中波峰所对应的波长。3 结果与讨论3.1 植物色素的提取溶剂的选择按照2.2.2中植物色素的提取方法步骤，每种色素分别加入蒸馏水、无水乙醇、冰乙酸、苯、丙酮、石油醚6种提取溶剂。3.1.1 紫甘蓝色素提取溶剂的选择取一定量紫甘蓝，洗净后，晾干表面水分，准确称取6份10g同一部分切碎的紫甘蓝叶子，研磨后分别加入100mL蒸馏水、无水乙醇、冰乙酸、苯、丙酮、石油醚6种溶剂，在室温下浸泡20min，抽滤后观察其实验现象和色泽，考察溶剂对其色素浸取效果的影响。结果见表3-1。表3-1不同溶剂提取效果的比较（紫甘蓝）提取溶剂试验现象结论蒸馏水提取液颜色较深且澄清为深紫红色，残留物淡粉色提取较彻底，非色素成分较少无水乙醇提取液颜色深且澄清，为深紫红色，残留物浅粉色提取彻底，非色素成分较少冰乙酸提取液颜色为深紫色，残留物粉色提取较彻底苯提取液颜色较浅，残留物紫色不能提取丙酮提取液颜色浅紫色，有些分层，残留物粉色提取不彻底石油醚提取液为无色，有明显分层不能提取由表3-1可知，石油醚、苯无法作为提取紫甘蓝色素的溶剂，丙酮提取液颜色较浅且出现浑浊，可能是在提取色素成分的同时，溶出了很多其他成分，导致提取效果受到影响。蒸馏水和乙醇作为溶剂提取效果较好。考虑蒸馏水价格低廉，所以作为本实验紫甘蓝色素最佳的提取溶剂。3.1.2 香槐花色素提取溶剂的选择称取6份15g香槐花研磨后分别加入100mL蒸馏水、无水乙醇、冰乙酸、苯、丙酮、石油醚6种溶剂，在室温下浸泡10min后抽滤并观察其实验现象和色泽，考察溶剂对其色素浸取效果的影响，结果见表3-2。表3-2不同溶剂提取效果的比较（香槐花）提取溶剂试验现象结论蒸馏水提取液颜色较深且澄清，为粉红色，花泥淡粉色提取彻底，非色素成分较少无水乙醇提取液颜色浅红色，花泥淡粉色提取很彻底，非色素成分较少冰乙酸提取液颜色为粉色，花泥淡粉色提取较彻底，非色素成分少苯花泥不散开，提取液为无色，花泥粉色不能提取丙酮花泥不散开，提取液颜色较浅，花泥粉色提取不彻底石油醚花泥不散开，提取液为无色，有明显分层不能提取由表3-2可知，苯、石油醚无法作为提取香槐花色素的溶剂，蒸馏水、冰乙酸、丙酮提取不彻底，色素溶液颜色较浅，无水乙醇提取的色素颜色较深，所以本实验香槐花色素溶液的最佳提取溶剂为无水乙醇。3.1.3 月季花色素提取溶剂的选择称取6份15g月季花瓣，研磨后分别加入100mL蒸馏水、无水乙醇、冰乙酸、苯、丙酮、石油醚6种溶剂，在室温下浸泡10min后抽滤并观察其实验现象和色素颜色，考察溶剂对其色素浸取效果的影响，结果见表3-3。表3-3 不同溶剂提取效果的比较（月季花）提取溶剂试验现象结论蒸馏水提取液颜色较深且澄清，为紫色，花泥浅紫色提取很彻底，非色素成分较少无水乙醇提取液颜色浅紫色，花泥淡紫色提取较彻底，非色素成分较少冰乙酸提取液颜色为浅紫色，花泥紫色提取较彻底,非色素成分少苯花泥不散开，提取液为无色，花泥紫色不能提取丙酮花泥不散开，提取液颜色较浅，花泥紫色提取不彻底石油醚花泥不散开，提取液为无色不能提取由表3-3可知，石油醚、苯无法作为提取月季花色素的溶剂，无水乙醇、冰乙酸、丙酮提取不太彻底，色素溶液颜色较浅，蒸馏水提取的色素颜色较深，所以本实验月季花色素溶液的最佳提取溶剂为蒸馏水。3.1.4 红提皮色素提取溶剂的选择称取6份15g刚剥下来的红提皮，研磨后分别加入100mL蒸馏水、无水乙醇、冰乙酸、苯、丙酮、石油醚6种溶剂，在室温下浸泡10min后抽滤并观察其实验现象和色素颜色，考察溶剂对其色素浸取效果的影响，结果见下表3-4。表3-4 不同溶剂提取效果的比较（红提皮）提取溶剂试验现象结论蒸馏水提取液颜色较深且澄清，为粉红色，花泥淡红色提取很彻底，非色素成分较少无水乙醇提取液颜色浅红色，花泥淡红色提取较彻底，非色素成分较少冰乙酸提取液颜色为浅红色，花泥粉红色提取较彻底,非色素成分少苯花泥不散开，提取液为无色，花泥粉红色不能提取丙酮花泥不散开，提取液颜色较浅，花泥粉色提取不彻底石油醚花泥不散开，提取液为无色不能提取由表3-4可知，石油醚、苯不能作为提取红提皮色素的溶剂，无水乙醇、冰乙酸、丙酮提取不是很彻底，色素溶液颜色较浅，蒸馏水提取的色素颜色较深，所以本实验红提皮色素溶液的最佳提取溶剂为蒸馏水。3.2 植物色素在不同pH溶液中变色行为的研究配制pH114系列试剂所用HCl，NaOH，NH3H2O，CH3COOH用量结果见下表3-5：表3-5 pH系列溶液的配制序号量取所需溶液的体积（mL）pH理论值NaOH（1mol/L）NH3H2O（1mol/L）CH3COOH（1mol/L）HCl（1mol/L）H2O12.018.0120.219.8231.218.8342.617.4457.812.2569.610.26710.010.07810.29.88912.27.891017.42.610111.218.811120.219.812132.018.0131420.0143.2.1 紫甘蓝变色行为的研究（1）紫甘蓝花色甙23的变色机理由于花色甙的C-2位邻近存在水合氢离子，它对其所表现出来的两性属性起着巨大的作用，因此其化学结构会随pH的变化而相应变化。任意给定的pH条件下，4种主要花色甙/配基结构之间存在着平衡：红色的黄珜盐阳离子，无色的甲醇(假)碱或半缩醛，蓝色的醌型(无色)碱以及查尔酮类。其结构式见下图3-1。图3-1 紫甘蓝色素结构式18（2）紫甘蓝色素变色行为的pH区间的研究按照2.2.3的方法步骤，将紫甘蓝色素原溶液稀释24,25，使其吸光度在400nm时是0.5左右。将pHS-25型酸度计的复合电极（提前在蒸馏水中泡了24h）插在pH=4.00标准缓冲溶液中，旋转“定位”使指针显示pH=4.00。再将复合电极用滤纸擦干净插入到色素原溶液中。a.取色素原溶液50mL溶液置于250mL烧杯中，将复合电极插入其中。先向紫甘蓝色素原溶液中慢慢滴加1mol/L HAc，记录颜色变化及当时的pH值，当pH值不再变化时，再向其中缓慢滴加1mol/L HCl溶液，继续记录颜色变化和pH值，见表3-6。表3-6 紫甘蓝色素缓慢滴加酸性试剂后颜色的变化1mol/L HAc1mol/L HCl滴加量（mL）00.22.36.00.52.75.9pH7.54.743.22.521.6颜色紫紫红西瓜红鲜红酒红深红红色加深b.取50mL色素原溶液置于250mL烧杯中，将复合电极插入其中。先向紫甘蓝色素原溶液中慢慢滴加1mol/L NH3H2O，记录颜色变化及当时的pH值，当pH值不再变化时，再向其中缓慢滴加1mol/L NaOH溶液，继续记录颜色变化和pH值。见表3-7。表3-7 紫甘蓝色素缓慢滴加碱性试剂后颜色的变化1mol/L NH3H2O1mol/L NaOH滴加量（mL）00.10.20.4136.60.60.81.13.1pH7.591010.911.311.912.212.913.213.414.0颜色紫蓝蓝绿绿深绿变浅绿亮绿变浅黄绿黄对于紫甘蓝色素，其变色行为综合如下表3-8：表3-8 紫甘蓝色素变色行为的pH区间pH123.04.7567.58910.9111213.414颜色红红粉紫红紫红紫蓝蓝绿绿绿绿黄绿黄由上表可知：紫甘蓝色素溶液在pH=12显红色，pH=3.0突变成粉红色，pH=3.04.7显粉红色，pH=4.76.0紫红，pH=6.08.0紫色，pH=8.09.0蓝色，pH=9.010.9蓝绿色，pH=10.913.4绿色，pH=14黄色。建议若被测物的pH在7.514之间的，可用紫甘蓝色素作酸碱指示剂。3.2.2 香槐花变色行为的研究按照2.2.3的方法步骤，将香槐花色素原溶液稀释，使其吸光度在400nm时为0.5左右。a.取50mL香槐花色素原溶液至于250mL烧杯中，插入复合电极。先向溶液中缓慢滴加1mol/L HAc，记录颜色变化及当时的pH值，至pH值不再变化时，再向其中缓慢滴加1mol/L HCl溶液，继续记录颜色变化和pH值。见表3-9：表3-9 香槐花色素缓慢滴加酸性试剂后颜色的变化1mol/L HAc1mol/L HCl滴加量（mL）00.11.12.10.33.26pH864.94.843.21.6颜色淡红变深变深粉红粉红红深红b.取50mL香槐花色素原溶液至于250mL烧杯中，插入复合电极。向香槐花色素原溶液中先缓慢滴加1mol/L NH3H2O，记录当时颜色变化及pH值，至pH值不再变化，再向其中缓慢滴加1mol/L NaOH溶液，继续记录颜色变化和pH值。见下表3-10：表3-10 香槐花色素缓慢滴加碱性试剂后颜色的变化1mol/L NH3H2O1mol/L NaOH滴加量（mL）00.10.20.411.70.71.2pH89.210.211.111.41213.514.0颜色淡红蓝蓝绿绿深绿变浅绿亮绿黄对于香槐花色素，其变色行为综合如下表3-11：表3-11 香槐花色素变色行为的pH区间pH1234.96.06.08.08.09.210.211.11213.514颜色深红深红粉红淡红蓝蓝绿绿浅绿亮绿黄由上表可知：香槐花色素溶液在pH=13显红色，pH=4.9突变成粉红色，pH=4.96.0显粉红色，pH=7.08.0淡红，pH=8.010.2蓝色，pH=10.211.1蓝绿，pH=11.1绿色，pH=11.112浅绿色，pH=13.5亮绿色，pH=14黄色。被测物的pH在114之间的，都可用香槐花色素作酸碱指示剂。比起甲基橙，酚酞这类指示剂要便宜很多。3.3 植物色素光谱特征的研究3.3.1 紫甘蓝色素光谱特征的研究取5mL紫甘蓝原溶液5份稀释至15mL转入比色管内，分别滴加4滴pH=