甘蔗色素多酚提取工艺研究

胡瑞云，沈石妍，王智能，杨柳，李艳芳，应雄美，郭家文

（云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室，云南开远661699）

0 引言

近年来天然抗氧化剂——多酚类化合物的抗氧活性得到多方的关注，这类物质既可用作为食品添加剂使用，又对人体有良好的保健功能，可预防心脑血管疾病、消除人体过多的自由基，具有抑菌、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤、抗癌、抗衰老、提高机体免疫力等作用[1-3]。甘蔗含有丰富的营养成分，传统红糖的生产工艺较为简单，保留了甘蔗原汁中的大多数营养物质，从而形成红糖独特的风味，具有较好的营养保健功能。我国蔗糖产品主要为白砂糖，为得到品质较高的白砂糖需要将蔗汁中的色素等非糖分尽可能地除去，国内大多采用亚硫酸法生产工艺，通过加入化学澄清剂以提高蔗汁的澄清效果，去除其中的悬浮杂质和非糖分，再通过硫熏、结晶等工序对蔗糖进行提纯，减少色素物质对白砂糖色值的影响，在此过程中除去的非糖分包括蛋白质、氨基酸、多酚类、黄酮类等营养成分[4]。Saska等研究发现甘蔗中的多酚类物质多集中在生长点周围的蔗梢部分，测得甘蔗生长点、梢部汁、去梢蔗茎汁3部分的压榨汁多酚类物质含量分别为1 536 mg/kg、2 668 mg/kg、553 mg/kg[5]。这些多酚类是蔗糖颜色的主要组成成分之一，也是影响白砂糖成品色值的主要因素之一，同时这类物质又具有一定的抗氧化能力，对DPPH自由基和超氧阴离子自由基、羟自由基具有很好的清除作用，是一种高效的天然自由基清除剂。甘蔗色素在天然食用色素领域的应用前景是十分广阔的[6]，若能在生产过程前端将这部分物质提取利用，可大大提升产品的附加值和甘蔗的综合利用效率。

色素多酚的提取多采用溶剂提取法，提取工艺较为简单。刘云颖[7]采用溶剂浸提法来提取蔗皮中的红色素，最佳提取工艺条件为：提取剂为60%的乙醇，提取温度为70℃，提取液pH值为1.0，料液比为1∶40，提取时间2.5 h，在此条件下蔗皮红色素的提取率高达89%。金小燕等[8]发现利用闪式法可以更高效省时地提取出甘蔗皮中的花青素，其优化后的最佳工艺条件是乙醇浓度70%，料液比1∶6，提取时间3 min。利用超声波法提取甘蔗皮中的多酚类物质，其最佳提取条件为超声波处理时间31 min，料液比14 mL/g，乙醇浓度53%，超声波度为61℃，在此工艺下甘蔗皮多酚提取率达到8.67%[9]。

本实验优选农科院育种甘蔗，压榨提取甘蔗中的蔗汁，通过离子交换树脂吸附蔗汁中的大部分色素，降低了甘蔗原汁中的色值，可很好地解决色值影响白砂糖成品率的问题。实验考察对比D 101、HPD 100大孔吸附树脂对蔗汁的吸附效率以及不同的解吸方法，优选出吸附效率较高的树脂。

1 材料与方法

1.1 实验材料

甘蔗由云南省农业科学院甘蔗研究所实验基地提供；D 101大孔吸附树脂、HPD 100大孔吸附树脂购自郑州勤实科技有限公司；没食子酸购自山东亚西化学股份有限公司；Folin-Ciocalteu显色剂购自上海源叶生物科技有限公司；无水碳酸钠购自广东省化学试剂工程技术研究开发中心。

1.2 仪器与设备

离子交换柱，锦州新科水处理设备厂；BT100SV 2-CE蠕动泵，保定雷弗流体科技有限公司；UV-5800 PC紫外分光光度计，上海元析仪器有限公司；AE-3000旋转蒸发器，上海亚西生化仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 树脂静态筛选

活化树脂：称取适量D 101树脂、HPD 100树脂用95%乙醇活化12～24 h，用纯水洗去乙醇至不混浊，备用[10-12]；蔗汁的预处理：甘蔗压榨取汁，经筛网过滤除渣，加热至92℃5 min，静置澄清后取上清液用200目的筛网过滤备用；吸附、解吸过程：各量取100 mL蔗汁2组，分别加入D 101树脂、HPD 100树脂各4 g，静置6 h，期间适当摇动，树脂吸附饱和后过滤，蔗汁定容于200 mL容量瓶中，采用Folin-Ciocalteu比色法测定蔗汁中多酚含量[13-15]，选择吸附效率高的树脂进行下一步实验。

1.3.2 树脂用量的选择

取50 mL糖液5组，分别加入已优选的树脂2 g、4 g、6 g、8 g、10 g，静态吸附1.5 h后滤出树脂，蔗汁定容于100 mL容量瓶中，测定蔗汁中多酚含量以确定最佳树脂用量。

1.3.3 解吸液浓度的选择

选定1.3.2中筛选出的吸附饱和树脂均分为1 g共7组，分别加入30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%乙醇解吸树脂[16-20]，静置10 min后过滤树脂定容100 mL容量瓶中，测定树脂解吸后乙醇液中的多酚含量，确定乙醇解吸液的最佳浓度。

1.3.4 树脂动态吸附效率测定

将已活化处理的HPD 100树脂约1 140 mL平均分装于串联好的1#、2#离子交换柱中，准备预处理好的糖液约30 L，置于样品桶内，控制蔗汁吸附速度为4 BV/h开始过柱，每2 280 mL截留样液一组。测定吸附后蔗汁中的多酚含量、色值、混浊度，计算树脂动态吸附效率。

1.3.5 树脂动态解吸效率测定

将吸附饱和的柱内树脂用纯水洗净，按优选的乙醇浓度解吸树脂，控制解吸液速度为4 BV/h，每1 140 mL截留样液一组，测定树脂解吸液中多酚含量，计算树脂动态解吸效率。

1.3.6 分析方法

多酚测定方法采用福林-酚法Folin-Ciocalteu测定[21]；蔗汁色值、混浊度测定方法依据《甘蔗制糖化学管理日常分析方法》测定[22]。

1.3.7 计算依据

吸附效率（%）=（吸附前糖液中多酚含量-吸附后糖液中多酚含量）/吸附前糖液中多酚含量

解吸效率（%）=解吸液中多酚含量/（吸附前糖液中多酚含量-吸附后糖液中多酚含量）

色值（IU）=1 000 E/（b×c）；混浊度=（A-B）×1 000；A=1000 E′/（b×c）；B=1 000 E/（b×c）

式中，A：5.0°Bx样液在560 nm波长测得微孔膜过滤前样液的衰减度；B：5.0°Bx样液在560 nm波长测得微孔膜过滤后样液的色值；E′：5.0°Bx样液在560 nm波长测得微孔膜过滤前样液的吸光度；E：5.0°Bx样液在560 nm波长测得微孔膜过滤样液的吸光度；b：比色皿厚度（cm）；c：20℃样液浓度（g/mL）。

2 结果与分析

2.1 树脂静态筛选

图1显示，D 101树脂吸附效率为32.44%，HPD 100树脂吸附效率为42.57%，HPD 100树脂的吸附效率明显高于D 101树脂，选用HPD 100树脂进行后续实验。

图1 树脂类型筛选Fig.1 Resin type screening

图2 树脂用量筛选Fig.2 Resin dosagescreening

图3 解吸液浓度筛选Fig.3 Desorbent concentration screening

2.2 树脂用量的筛选

从图2看出，随着树脂用量的增加，吸附效率从13.91%上升到41.38%，树脂增加至8 g、10 g、12 g时，吸附效率分别为29.55%、35.81%、41.38%，考虑生产成本问题及动态吸附时树脂吸附效率会明显优于静态，选用吸附饱和的8 g树脂为后续解吸实验，同时该树脂用量0.16 g/mL蔗汁为后续动态实验树脂用量作参考。

2.3 解吸液浓度的筛选

从图3可看出：不同浓度的乙醇对树脂的解吸率影响较为显著，当乙醇浓度为30%时，解吸率为60.98%，随着乙醇浓度的提高解吸率逐渐上升，当乙醇浓度达到70%、80%、95%时解吸率分别是78.86%、81.48%、81.87%，乙醇浓度达到70%后，解吸率上升不太明显，乙醇浓度与解吸率呈现的线性趋势与陈纯等利用超声波法提取甘蔗皮中的多酚类物质的分析相似，当乙醇浓度10.9 mol/L时即53%时，甘蔗皮多酚得率最高，随后甘蔗皮多酚得率随着乙醇浓度升高而逐渐下降[23]。多酚得率不再继续上升的原因可能是：甘蔗皮中多酚多与植物内多糖、蛋白质等以氢键和疏水键形成稳定的化合物，随着乙醇浓度的升高，对氢键断裂作用增强，多酚提取率升高[24]，当多酚含量达到一定值后，溶剂与多酚极性差异增大，多酚类物质得不到充分溶解，提取量反而减少[23]。

2.4 树脂动态吸附、解吸效率的测定

图4数据显示：吸附开始吸附效率最大达87.37%，吸附24 BV树脂体积的蔗汁后，树脂吸附效率降低至39.4%，树脂平均吸附效率达53.94%。

图5数据显示：选用70%乙醇解吸树脂，解吸至2 BV体积的解吸液时解吸率达最高点31.46%，解吸至3 BV体积时解吸率为4.39%，此后解吸率一直维持在4.39%左右，树脂平均解吸率达到81.27%。

图4 HPD 100树脂动态吸附情况Fig.4 Dynamic adsorption of HPD 100 resin

图5 HPD 100树脂动态解吸情况Fig.5 Dynamic desorption of HPD 100 resin

树脂整个吸附、解吸过程选用4 BV/h吸附和解吸速度主要是考虑2 BV/h吸附和解吸效率会更佳，但是太低的过滤速度不适用于扩大再生产，会由此制约生产产出。

表1数据显示：通过HPD 100树脂吸附后蔗汁色值从126 IU降低至31 IU，混浊度从84降低至18，色值去除率达75.4%，浑浊度去除率达78.6%，通过吸附后蔗汁指标满足制糖生产需求。

表1 HPD 100树脂上柱脱色数据Table 1 Decolorization data of HPD 100 resin upper column

表2数据显示：树脂动态吸附效果明显优于静态吸附效果，动态吸附单位蔗汁树脂用量仅为38 mg/mL，树脂吸附效率达到53.94%，70%乙醇的解吸效率达81.27%，按此得率计算蔗汁中的多酚提取率应为43.81%，若考虑蔗汁指标已满足生产需求及产出成本等因素则可选择该树脂用量为生产参考指标。

表2 HPD 100树脂用量对比Table2 Comparison of HPD 100 Resin Consumption

3 结论

实验结果表明：（1）静态对比D 101树脂、HPD 100树脂提取蔗汁中的色素多酚，HPD 100大孔树脂吸附效率高于D 101树脂；（2）当蔗汁以4 BV/h流速过柱时，HPD 100树脂对蔗汁多酚的动态吸附效率为53.94%，蔗汁色值去除率为75.4%，混浊度去除率为78.6%；（3）树脂动态吸附及解吸效果优于静态，动态下单位蔗汁树脂用量38 mg/mL即可满足吸附要求，而静态吸附树脂用量达160 mg/mL；（4）70%乙醇解吸液对蔗汁色素多酚具有较好的解吸效果，其动态解吸率达到81.27%，可较好地实现对蔗汁色素多酚的回收利用，解吸后的乙醇使用真空蒸发回收，不对环境造成二次污染，同时乙醇的使用也不会影响食品安全。

4 讨论

孙晓雪[23]利用乙醇溶剂浸提法提取甘蔗梢多酚，通过正交试验确定最佳提取工艺，甘蔗梢多酚提取量为1.85 mg/g。赵毅[25]利用响应面模型对影响甘蔗多酚含量的关键因子及其相互作用进行了探讨，优化得到甘蔗多酚浸提工艺的最佳条件，多酚提取量达2.853 mg/g。本实验从静态扩大到30 L蔗汁的动态实验，对比筛选出适宜蔗汁脱色、提取蔗汁色素多酚的树脂，目的是使实验工艺及数据更加精准贴近生产，有望从甘蔗制糖生产工艺中开发出另一附加产值的产品。实验对蔗汁的预处理尽可能与制糖生产工艺保持相同，通过HPD 100树脂一步脱色实验既提取了甘蔗中的色素多酚等物质，又降低了蔗汁中的色值、浑浊度，使蔗汁色值满足了白砂糖的生产需求，适合于扩大再生产的需求。本次实验甘蔗原汁多酚分析数据0.526 mg/g，加热澄清过滤后蔗汁多酚含量0.425 mg/g，蔗汁通过HPD 100树脂纯化浓缩后，最终得到185 g色素多酚，其中：固形物含量12%，多酚含量23.9 mg/g，即多酚最终提取率为0.1474 mg/g蔗汁，若按蔗汁中多酚含量计算，多酚最终提取率为34.68%。与孙晓雪、赵毅试验数据存在一定的差异，主要原因是提取原料的不同以及提取工艺的差异性问题。

随着科学技术的不断发展，目前离子交换树脂生产技术日趋成熟，树脂生产成本大大降低，质量更加稳定，采用HPD100树脂提取蔗汁中的色素多酚工艺较为简单，提取物通过加工成为食品添加剂，有望为企业带来较好的经济效益。