田妍基,许平,马腾飞,周三女,许丽宾
(1.宁德职业技术学院, 福建 福安 355000;2.福建农林大学食品科学学院, 福建 福州 350002)
紫薯花青素提取分离纯化方法的研究进展*
田妍基1,许平2,马腾飞1,周三女1,许丽宾1
(1.宁德职业技术学院, 福建 福安 355000;2.福建农林大学食品科学学院, 福建 福州 350002)
紫薯营养丰富,花青素又是天然抗氧化剂,对紫薯花青素的研究势在必行。文章介绍了几种提取分离纯化紫薯花青素的常用方法,希望对花青素的提取分离工作有一定的参考意义。
紫薯;花青素;提取;分离纯化
紫薯(Ipomoea batatas (L.) Poir.旋花科Convolvulaceae 番薯属)又名黑薯,其果肉呈紫色至深紫色。紫薯营养丰富且具有特殊的保健功能,它含有18种氨基酸、8种维生素和10多种矿物元素,还富含硒元素和花青素,极易被人体消化吸收。紫薯的深加工,主要是提取花青素。紫红薯还可经去皮烘干粉碎等加工制成紫薯全粉,不仅色泽良好,而且具有丰富的营养,是一种很好的食品加工原材料,可以作为各种糕点饼干的主料和辅料。另外,用紫红薯炸的薯片、加工成的冷冻薯饼和紫薯粉丝等,营养丰富、口感极佳,颇受市场青睐。
花青素是一种天然的紫色素添加剂,它安全无毒副作用,虽然比人工合成的色素价格贵,但仍然畅销于国际市场。花青素对多种大型疾病如肿瘤癌症等都有预防和治疗作用,有“第七大营养素”的美称。花青素能防治疾病,维护人类健康,是最安全的自由基清除剂,其清除自由基的能力比我们一般所用的自由基清除剂都要强。花青素分子结构小,是唯一能透过血脑屏障清除自由基保护大脑细胞的物质,同时能减少抗生素给人体带来的一些危害。
因此花青素的提取分离方法成为了大家研究的热点,文章介绍了几种常用的提取分离紫薯花青素的方法,旨在为大家提供合适高效的选择。
目前,国内外紫薯花青素的提取大多采用溶剂浸提法。常用的提取溶剂有甲醇、乙酮、丙酮以及它们的混合溶剂。为了避免非酚化的花色苷降解,提高花色苷的提取率,可以在有机溶剂中加人少量的有机酸或者无机酸调节提取液的pH值。一般常用的酸有硫酸、盐酸、碳酸等无机酸以及酒石酸、醋酸、甲酸等有机酸类。
王兆雨等[1]以蓝莓果为原料采用乙醇浸提法提取花青素,确定最佳提取条件为pH3.5、浸提温度50℃、浸提时间60min、乙醇浓度50%、提取1次。在此条件下,花青素提取率为5.8%。杜学禹等人[2]对常规溶剂浸提、超声波辅助浸提、微波辅助浸提等方法进行了对比,结果表明,当溶剂浸提液为70%的乙醇浸提液时提取率最高,并且超声波和微波辅助浸提效果明显比常规溶剂浸提法好很多。
溶剂提取法存在一定程度对紫薯花青素成分的破坏和一些色素的流失等问题,难以高效的利用和研究花青素。因此一些新的提取方法如超声波、微波、酶法、超高压等得到了应用。
超声波作为一种辅助提取手段主要集中在中草药成分、植物油、多酚、芳香成分、多糖以及其他功能成分的提取等研究领域。超声波辅助提取法应用前景广阔,操作方法简单,速度快,效率高,无污染[3]。Chen等人[4]以树莓为原料,优化了超声波辅助提取花青素的最佳工艺参数:液料比4:1 (mL:g),提取时间200s,超声波功率400 W。顾红梅等人[5]对紫甘薯中花青素的超声波辅助提取方法也进行了研究,最佳提取条件为采用V(0.1%HCl):V(95%乙醇)=40:60为提取剂、料液比为1:40、在60℃下超声(40Hz)提取30 min,1次提取率可达到89.45 %。许青莲等人[6]优化紫薯花青素的提取工艺,得出最佳提取条件为:超声时间15min、超声频率100Hz、超声温度60℃、提取剂比例95%乙醇:0.1%盐酸为45:55,料液比为1:10。而在超声辅助提取紫薯花青素的试验中,田喜强等人[7]发现当功率300W、超声时间60min、水浴温度40℃、料液比1:25、乙酸体积分数15%时提取效果最佳[8]。
微波通加热加快分子间的运动,显著缩短提取时间,较大程度的提高花青素的提取效率。Sun等[9]利用微波辅助提取红树莓中花青素,通过响应曲面法优化得出最佳工艺参数:提取溶剂为盐酸(115mol.L-1):95%的乙醇=15:85,提取液料比为5mL.g-1,提取时间为53 min,提取温度为71℃,提取次数2次,通过该工艺得到红莓花青素的提取率为363.9 μg.g-1鲜果,此工艺正慢慢在改进,同样适用于紫甘薯花青素的提取。
陈小婕等[10]利用微波辅助提取紫薯花青素,通过响应曲面优化得出最佳工艺参数:柠檬酸质量浓度8.05g.L-1,能量密度28.36W.mL-1,料液比1:30.9g.mL-1,时间为80.7s。在此条件下,花青素的提取量能达到232.14mg.(100g)-1。
任俊等[11]在利用微波辅助有机溶剂提取葡萄籽中原花青素的工艺中,分析了不同溶剂、溶剂浓度、料液比、提取时间与提取次数对花青素提取效果的影响,确定了最佳条件为微波功率中低火、料液比1:12、乙醇浓度70%、微波时间60s、提取1次,提取液中原花青素的含量可达5.2023mg .mL-1。
此法是利用微生物或酶的作用将细胞壁成分降解,让胞内的花青素成分迅速渗透扩散出来,以利于提取。该法较温和,能最大限度的提取有效成分,其应用前景一片广阔。
汪志慧等人[12]研究了双酶法提取睡莲原花青素的浸提条件对原花青素提取率的影响,结果表明最佳工艺参数为:酶解温度53℃、酶解时间1.6h、pH4.8、果胶酶:纤维素酶=1:1.1,在此条件下原花青素的提取率为5.20%,提取率有明显提高,且双酶法提取的花青素比单一酶提取的抗氧化性也更强。
刘洁等人[13]以紫薯中花青素的提取率为指标,对比了酶-微波辅助提取法与单纯盐酸乙醇浸提法、单纯微波法和单纯酶法对花青素的提取能力,得出当工艺条件为纤维素酶用量3mg.g-1、纤维素酶提取温度40℃、酶提取时间15min、微波平均辐射功率600W(温度70℃)、微波辐射时间7min时,所得花青素的提取率为275.8mg.(100g)-1,比单纯溶剂浸提法产率提高1.86倍,比单纯微波法产率提高0.47倍,比单纯酶法产率提高2.21倍。
日本三荣化学工业株式会社利用发酵法制取花青素,得到了一种含淀粉成分非常少且澄清的色素液[14]。韩永斌等[15]发表了一篇用发酵法提取紫甘薯红色素的专利,其生产工艺被广为使用。同时富含紫薯花青素的饮料也通过发酵法而制得。
比较各种提取技术,单一方法的提取率远远低于2种或多种方法的协作提取,所以在实际生产应用中,应视情况选择方便快捷且高提取率的提取方式。
由提取工艺制得的花青素粗品纯度较低,稳定性也很差,不易保存,需要进一步的分离和纯化。花青素的分离与纯化方法是花青素领域的研究重点。下面介绍几种常用方法。
经过预处理的大孔树脂能够吸附花青素,去除杂质,达到纯化精制的目的。大孔树脂法条件容易控制,操作也很简单且成本低。但提取物纯度不够高,因此对于纯度要求高的试验不适合采用此种方法[16]。
孙健等[17]发现 AB-8 大孔吸附树脂在吸附能力上明显优于其它树脂,并且确定了AB-8 大孔树脂动态吸附紫甘薯花青素的最优工艺条件。杨青等人[18]比较了10种大孔树脂对山竹壳原花青素的吸附和解吸性能,得出大孔树脂XDA-7对花青素的吸附和解吸性能最佳,能得到纯度为66.2%的花青素。
王辉宪等人[19]实验得出YWD-06C树脂为纯化葡萄籽原花青素的最佳树脂,确定的最佳吸附条件:温度20℃、时间6h、pH4;最佳解析条件:解吸液为60%的乙醇水溶液、pH4、时间6h、温度25℃,经该工艺所得到的纯化物中花青素的含量高达92.57%。
由于高速逆流色谱法 (HSCCC) 可以完全避免载体对分离效果的影响,成为了目前国际的研究热点。此法对样品损耗小,清洁无污染,分离效率高且速度快,能够一次性分离较大量的样品,是一种非常有效的分离纯化方法[20]。Schwarz等人[21]应用高速逆流色谱技术分别从紫玉米、红葡萄酒、黑莓中分离得到了各种单体花青素;Du等人[22]采用高速逆流色谱技术分离出了越橘中的2种花青素且该实验证明了高速逆流色谱技术可以用来大批量分离制备花青素,来解决当前临床上以及分析中对花青素需求量大的难题。日本 Mon-tilla 等[23]已经将高速逆流色谱法应用在日本紫甘薯的分离制备。杜琪珍等[24]用高速逆流色谱对杨梅花色苷进行分离,结果表明,矢车菊色素-3-β-吡喃型葡萄糖苷是杨梅花色苷主要组成成分,占花色苷总量90%以上。
固相萃取法是根据液相色谱法的原理,利用提取物在溶剂和吸附剂间进行选择性吸附和洗脱,达到分离纯化的目的。该法简单方便、经济高速、对环境无污染[25]。
杨闻翰等[26]自制SPE固相萃取柱,对桃汁和雪碧中的红花黄色素进行吸附解吸,通过优化固相萃取条件,使得各组分的回收率为84%~116%。Manhita等[27]通过基质固相萃取分别对黑醋栗、葡萄、草莓花青素进行提取纯化,结果显示该方法与传统花青素提取方法相比具有提取时间短、溶剂用量少、产量高等优点。
可见,以上方法都能较快较好的分离纯化花青素,各种方法采取的条件不同,分离效果也不一样,因此我们应根据实际情况选用。
紫薯花青素具有非常广泛的开发应用价值,紫薯的贮存、干燥、粉碎度、温度等都可能影响花青素的提取纯化率。花青素的提取方法正在不断的发展创新,从传统的溶剂萃取法到微波辅助、超声波辅助等方式,花青素的提取变得迅速而高效。而分离纯化技术中,膜分离浓缩技术在食品工业中的应用也愈加广泛,此法工艺简单、能耗低、分离效果好且不会产生二次污染,是非热加工技术的典范。人们可以利用紫薯花青素开发高、中端不同档次的各类产品,在保证食品安全的前提下,开发更高效、绿色提取纯化紫薯花青素的方法,将对带动紫薯产业的发展及扩大紫薯应用范围起到积极促进作用。相信通过更深层次的研究一定会将花青素的提取纯化方法标准化,让花青素得到充分的应用。
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A
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宁德市科技计划项目(20110175)。
2015-12-20
田妍基(1981-),女,山西文水人,讲师,主要从事功能性成分的分离及应用。