毕业论文（设计）栀子黄色素水提工艺的优化

栀子黄色素水提工艺的优化

摘要：用福建省福鼎贯岭镇栀子种植基地的栀子进行栀子黄色素提取实验，采取单因素试验法 研究了浸提温度、浸提时间、料液比等工艺条件对水提栀子黄色素的影响，并采用正交试验确定最 佳提取工艺条件，即最佳工艺条件为：提取温度为60℃、浸提时间为2.5h、料液比为1:8。

关键词：栀子黄色素 水提 优化 正交试验

1 前言 1.1 栀子

栀子是茜草科植物栀子的干燥成熟果实，是中国卫生部首批批准的药食同源中药材之一[1]。长卵圆形或椭圆行，表面红黄色或者棕红色，具6条赤状纵棱，棱间常有l条明显的纵脉纹，并有分支[2]。栀子属植物分布广泛，种类繁多，在我国资源非常丰富，遍及江苏、湖北、广西、江浙、福建、江西、安徽、台湾等省，品种多达10多种[3]，可为山栀子、水栀子、大黄栀子、大花栀子、重瓣栀子、雀舌栀子、海南栀子、狭叶栀子、匙叶栀子和花叶栀子等[4]。不同产地、不同品种的栀子中成分相似，但含量差别较大。目前市场上主流品种为山栀子和水栀子，山栀子即药用栀子，水栀子亦可药用，但大多作为色素提取的原料，从中提取的天然栀子黄色已经广泛的用于食品工业。

成熟干燥的栀子果实具有护肝、利胆、降压、镇静、止血等作用。在我国临床应用有1600年的历史，在中医临床常用于治疗黄疸型肝炎、扭挫伤、高血压、糖尿病等症[5]。 1.2 栀子黄色素

栀子黄色素是从栀子的果实中提取分离出来的一种优良的天然色素，安全、具有丰富的营养价值和药理作用，在食品、化妆品、医药领域有着巨大应用潜力[6]。 1.2.1 栀子黄色素的性质

栀子黄色素是从栀子的果实中提取得到的黄色素的总称[7]，主要成分是类胡萝卜素类的藏花素和藏花酸。藏花素和藏花酸是少有的水溶性类胡萝卜素，分子中存在多个共轭双键，它们一方面赋予栀子色素黄色，另一方面也是栀子色素不稳定的原因之一。栀子黄色素中有七种藏花酸的衍生物，这七种衍生物的彩度和明度差别很少，但是随着与藏花酸连接的葡萄糖基因数目的增加，衍生物色调色减少，色泽由红色向黄色转变[8]。

栀子黄色素易溶于水、乙醇等极性溶剂，难溶于苯、汽油等非极性溶剂。由于栀子黄色素中的藏花酸为酸性成分，色素在碱性溶液中溶解度较大。紫外-可见光区内栀子黄色素水溶液有三个吸收峰：238nm、325nm、440nm，分别是栀子苷、绿原酸、藏花素和藏花酸特征吸收峰。 1.2.2 栀子黄色素主要优点

(1)着色力强。栀子黄色素耐还原性、耐微生物性好，对淀粉、蛋白质染着效果好。 (2)安全性好。1998年卫生部公布既是食品又是药品的品种名单，栀子为第一批。

(3)营养价值。栀子黄色素中的藏红花素和藏红花酸，是一种罕见的水溶性类胡萝卜素，在人体内可以转化为维生素A，可以补充人体维生素的不足。

(4)保健作用。栀子黄有类似栀子的作用，具有清热祛火，凉血利胆，降低胆固醇的作用，有一定的保健功能[9]。

1.2.3 栀子黄色素的应用

栀子在食品加工业和饮料制造业中应用极广，而且正开拓在饲料和医药业方面的新用途。目前作为食用黄色色素，按GB2760-86规定，可用于饮料、配制酒、糕点上彩装，最大使用量为0.3g/kg：1990年的国家标准中将栀子黄色素的使用范围扩展至糕点、冰棍、雪糕、蜜饯、膨化食品、果冻、糖果、广东面饼，最大使用量0.3g/kg。 2 实验部分

2.1 实验仪器、试剂及材料 2.1.1 实验仪器

1

BSA1245型电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；HK-2A型数显超级恒温水浴锅，南京大学应用物理研究所制；HH-501J型数显超级恒温水浴锅，金坛市杰瑞电器有限公司；3-30K高速台式冷冻离心机，SIGMA（德国）；UV-2100型紫外分光光度计，北京瑞利分析仪器公司；SHB-ⅢS型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；ZX91407型移液枪（100～1000uL）；布式漏斗；抽滤瓶；容量瓶；烧杯；胶头滴管；移液管。 2.1.2 试剂与材料

栀子粉末1、栀子粉末2，皆产于福建省福鼎贯岭镇栀子种植基地；栀子黄色素标准品，福州大学实验室自制。

2.2 标准曲线

2.2.1 栀子黄色素的标准品的光谱扫描

精确称量一定量的栀子黄色素标准品，用蒸馏水溶解并定容，在紫外可见分光光度计下于200～550nm波长范围内进行扫描。扫描结果如图1。根据图1栀子黄色素标准品紫外吸收光图谱可知在波长238、323、440、464nm处有吸收峰。 2.2.2 标准曲线的制作

准确称取栀子黄色素标准品0.0250g，置于50mL容量瓶中，用甲醇定容到刻度线，再分别移取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL溶液定容到10mL容量瓶中，在440nm波长处测其吸光值，标准曲线如图2。

图1 栀子黄色素标准品紫外吸收光图谱 图2 栀子黄色素标准曲线图

2.3 指标的测定

2.3.1 栀子壳中栀子黄色素含量的测定

称取5.0g干燥的栀子壳，粉碎。采用纯水提取工艺，提取栀子壳中的栀子黄色素，热风干燥得到红色粉末。进行3次平行试验，取3次试验数据的平均值进行统计分析。

X=

m×100% M 式中，X：栀子黄色素的含量，％；m：栀子黄色素粉末质量；g：M：栀子壳粉质量，g。 2.3.2 OD值的测定

栀子苷是引起桅子黄色素绿变的主要因素，它在蛋白酶或β-葡萄糖苷酶的作用下易与伯氨基化合物发生反应生成栀子蓝色素。常采用OD值比率作为衡量栀子黄色素绿变可能性的指标，即栀子苷的最大吸光度(吸收峰值在238nm处)与栀子黄色素的最大吸光度(吸收峰值在440nm处)的比。OD值比率=A238nm/A440nm，当OD值比率小于0.4时，可避免绿变的发生。

试验采用分光光度法，测定样品浓度1％，比色皿lcm，测定波长为238nm和440nm处的吸光度值之比，公式如下：

OD值?A238nm A440nm式中，A238nm—栀子黄色素溶液在为238nm，处的吸光度值； A440nm—栀子黄色素溶液在为440nm，处的吸光度值。

2.3.3 浸出率的计算

2

由于在实际应用中，藏花酸和藏花素的纯品难以获得，无法直接计算出浸出液的栀子黄色素溶液的浓度C，故在计算透过率时可用吸光值A来替代浓度C。

ηi=

?AV?AVii?AViikk×100%

式中，ni：第i次的浸出率；i：第i次浸提；k：浸提次数；V：出溶液的体积，mL；A：浸出液在440nm处

的吸光度值。

2.4 单因素试验（水浴水提法研究）

称取5.0g栀子粉末，通过预试验，选取与栀子黄色素浸提相关的浸提温度、浸提时间、料液比进行单因素施压，分析这三个因素对水提浸提效果的影响。进行3次平行试验，取3次试验数据的平均值进行统计分析。 2.41 浸提温度的研究

称取5.0g栀子粉末8份，分别置于8个250mL烧杯中。分别加入50mL的蒸馏水，将烧杯分别置于：20、30、40、50、60、70、80、90℃的恒温水浴锅中，浸提2 h后取样分析：取5mL浸提溶液，进行15000转/分的8分钟离心后，取上清液1mL定容至100mL容量瓶中，在440 nm下测其吸光度。

从图3可知，浸提的色素溶液在440nm处吸光值随着浸提温度的升高而升高，温度达到60℃以后，吸光值变化得较缓慢，温度过高，会导致栀子果实中的其他杂质如绿原酸、果胶、蛋白质、粘性物质如亚油酸、植物醇、酯等大量浸出，影响后续的过滤工序。因此，综合考虑杂质浸出的影响以及经济成本等因素，应选择在60℃下提取为宜。 2.4.2 浸提时间的研究

称取栀子粉末10.0 g，置于250mL烧杯中，加入蒸馏水100 mL，将烧杯置于50℃的恒温水浴锅中，分别以1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h、4.5 h、5 h时间段进行取样分析：取2mL浸提溶液，进行15000转/分的8分钟离心后，取上清液1ml定容至100mL容量瓶中，在440 nm下测其吸光度。

从图4可以看出，浸提时间在1.0～1.5 h范围内，浸提溶液在440nm处的吸光值骤然上升。随着时间的延长，在1.5～4.5 h范围内，浸提溶液的吸光值趋于平稳。在4.5 h后，浸提溶液的吸光值略有降低，这是由于暴露在空气中的栀子黄色素容易收到光、氧、热和微生物的作用，从而导致了色素溶液的吸光值降低。因此，综合考虑外界环境因素的影响以及经济成本等因素，浸提时间应选择在1.5 h提取为宜。

0.36000.60000.5000440nm处得吸光度A0.34000.32000.30000.28000.26000.24001.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5浸提时间（h）0.4000A/440nm0.30000.20000.10000.00002030405060708090100浸提温度/℃ 图3 浸提温度对栀子黄色素吸光值的影响 图4 浸提时间对栀子黄色素吸光值的影响

2.4.3 料液比的研究

称取5.0g栀子粉末8份，分别置于8个250mL烧杯中，分别以料液比（g/mL）1:4、1:6、1:8、1:10、1:12、1:14、1:16、1:18，即分别加入体积为20、30、40、50、60、70、80、90mL的蒸馏水，将烧杯置于50℃的水浴锅中，浸提2.5h后取样分析：取2mL浸提溶液，进行15000转/分的8分钟离心后，取上清液1mL定容至100mL容量瓶中，在440 nrn下测其吸光度。

从图5可以看出，料液比在1:4～1:6范围内，浸提溶液在440nm处的吸光值略有减小。料液比在1:6～1:10范围内，浸提溶液的吸光值呈上升趋势。当1:10时，达到最大值。在1:10～1:18范围内，浸提溶液的吸光值呈下降趋势。因此，综合经济成本等因素考虑，料液比应选择在1:10时提取为宜。

3

图5 料液比对栀子黄色素吸光值的影响

2.5 正交试验研究

2.5.1 纯水提取法的优化试验

根据单因素试验结果，以5.0g栀子粉末为原料进行提取，以浸提温度(A)、浸提时间(B)、料液比(C)作为浸提工艺的试验因素，因素水平设计见表，选取L9(34)正交表[10]，以提取液在440nm处的吸光值为考察指标，确定较佳的浸提工艺条件。进行3次平行试验，取3次试验数据的平均值进行统计分析。

表1 栀子黄色素水提取工艺条件的实验因素与水平

水平

A浸提温度/℃

B浸提时间/h

C料液比

1:8 1:10 1:12

1 2 3 50 60 70 1.5 2.0 2.5

(注：固定因素为提取级数采用二级)

表2 栀子黄色素水提取工艺条件的实验方案

试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3

A/浸提温度

1 1 1 2 2 2 3 3 3 248.19 255.89 245.68 82.73 85.29 81.89 A2 3.39

B/浸提时间

1 2 3 1 2 3 1 2 3 249.78 242.19 257.76 83.26 80.73 85.92 B3 5.19

BCAD

C/料液比 1 2 3 2 3 1 3 1 2 259.35 243.88 246.49 86.45 81.29 82.16 C1 5.16

D/误差列

1 2 3 3 1 2 2 3 1 247.56 250.2 251.97 82.52 83.4 83.99 D3 1.47

提取率（%）

85.05 78.24 84.9 83.92 80.79 91.15 80.81 83.16 81.72 ∑＝749.73

K1

K2 K3

优水平 Rj 主次顺序

表2的结果表明，提取温度、提取时间和提取投料的料液比对栀子黄色素均有影响。提取过程中最佳工艺

4

条件为B3C1A2，即浸提温度在60℃的恒温水浴下，按料液比1:8、提取时间为2.5h所得栀子黄色素的吸光度值最大。 3 小结

通过对福鼎市所产的栀子进行了较为系统的栀子黄色素提取工艺研究，改进了传统栀子黄色素的提取精制工艺流程，降低了天然栀子黄色素的生产成本。通过单因素和正交试验确定了水提法的最佳工艺条件：浸提温度60℃；浸提时间2.5h；料液比1:8。在此条件下色素的提取率达到91.15%，OD值达2.10。

试验成果将为天然栀子色素的深度开发提供关键生产技术的公共平台，将发挥新型天然色素现代化生产技术的示范工程作用，促进国内天然色素及其相关产业的传统生产技术的更新换代，提高天然色素的科技含量和创新能力，提高企业的国际竞争力，保证栀子天然色素及其相关产品的出口创汇，对我国栀子植物资源的合理利用、食品安全的保障和传统中药产业链的延伸，解决“三农”问题。 4 展望

世界各国以天然色素取代化学合成已成为一种趋势，以栀子为原料的天然黄色素，目前被广泛应用于化工和食品工业领域，在国际市场上需求量很大。但目前我国的栀子黄色素还存在着杂质含量高、色价低、收率低、工艺过程较复杂等缺点而限制其走向国际市场。我国科研工作者应在栀子黄色素的精制、功能性研究及生产条件优化等领域多做工作。结合我国生产栀子的资源优势，开发栀子实现大规模产业化生产，以满足食品工业对天然色素的需求。

参考文献：

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