减压法提取长枣枣皮中的天然色素*

游凤，黄立新，2，张彩虹，谢普军，张耀雷

1(中国林业科学研究院林产化学工业研究所，生物质化学利用国家工程实验室，

国家林业局林产化学工程重点开放性实验室，江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏南京，210042)

2(中国林业科学院林业新技术研究所，北京，100091)

红枣属鼠李科(Rhamnaceae)枣树(Ziziphus jujube Mill.)之果实，药食兼用，其化学成分的研究早已引起医学界和化学界的关注，由于其含有丰富的Vc，又素有“活性维生素丸”之称，更是我国第一大干果资源近年来，食品行业的发展和消费市场的需求促使枣类产品越来越细化［1-2］，红枣加工企业相继崛起，由于红枣独特的口感及丰富的营养价值，各种红枣功能食品及饮品(如红枣酸奶，红枣果汁等)一经推出就受到了消费者欢迎，但加工过程中由于枣皮脆硬，混入枣浆中容易使加工机器损坏，一般做法是在加工前将浸泡后的皮质和果浆分开，这就导致这些加工企业每年都会产生大量的废弃红枣皮渣，这一方面造成了环境污染和资源浪费，另一方面，也降低了相关企业的利润空间和经济效益［3］。

实际上，枣皮色泽红润，富含大量天然红色素，是一种值得开发的天然色素资源［4-5］。多项研究表明，红枣色素是从红枣果皮中提取出的一种天然多酚色素。枣红色素色泽浓郁纯正、对热对光均较稳定，水溶性好，同时，由于其具有消除自由基、抗氧化、抗衰老等多药用功效，是一种极具开发前景的天然食用色素。

减压提取法利用体系内压强和溶剂沸点的对应关系，在提取时给体系减压而使提取溶剂在低于其常压沸点时就能达到沸腾，沸腾时造成的湍动强化固液萃取过程，同时产生的蒸汽上升后又被冷凝回体系内，形成浓度差，推动传质。

另外，减压提取时沸腾的蒸汽能改善体系中的过热现象，降低糖类和果胶等杂质的溶出率，可以说，减压提取是一种提高目标物产量又可降低杂质含量的提取方法［6-7］。由于过去的红枣色素的提取工艺所得的枣皮色素产品因杂质含量高，给色素呈色暗给后续加工和应用带来了困难，故本研究考察了减压提取对枣皮色素的效果并与其他提取工艺进行了比较。

1 材料与试剂

1.1 提取原料

长枣枣皮，2011年9月采自陕西佳县成熟长枣枣果，采后剥下外表皮后冷冻储藏。

1.2 试剂

浓HCl、NaOH、石油醚、乙酸乙酯，南京化学试剂厂，均为分析纯;II级超纯去离子水(上海Mole超纯水机)。

1.3 实验仪器

小型植物高速粉碎机(青州市富尔康制药有限公司)，DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱(上海索谱仪器有限公司)，SHZ-D(III)循环水式真空泵(上海东玺制冷仪器有限公司)，HH-4数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)，UV-2102PC紫外可见分光光度仪(上海尤尼科光谱设备有限公司)，双频加热型超声波清洗仪(上海比朗仪器有限公司)，RE-5299型旋转蒸发仪(上海东玺制冷仪器有限公司)，TG16-WS台式高速离心机、EL204电子天平(梅特勒-特丽多仪器有限公司)，真空冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司)。

2 方法

2.1 原料预处理

将枣皮用清水洗净，置0.1 mol/L的HCl溶液中浸泡23 h，以溶解黏带果肉和表皮鞣质;用晒网滤除溶液和溶解胶质，将收集到的枣皮用弱酸性水洗和清水最后冲洗一次，40℃恒温烘干至恒重，粉碎至40目，放阴暗干燥处储存即可作为提取前的原料。

2.2 测定方法

2.2.1 色素测定波长

将色素溶液用去离子水稀释一定倍数后，进行紫外全波长扫描以选定色素含量测定波长。

2.2.2 色素含量和提取率

准确吸取1 mL离心后的色素上清液于50 mL容量瓶中，用去离子水定容，摇匀，同时取1 mL提取剂用去离子水稀释相同倍数作空白样品，在选定波长处枣皮色素吸光度Aλ(单位:1)与质量浓度c(单位:mg/mL)的对应关系:m=f(Aλ)。则对于所测吸光度Aλ(单位:1)，原料质量为m(单位:g)，提取得率可以表示为:

提取率/(mg·g-1)=［f(Aλ)×50×Vsolvent］/m

其中:Aλ，色素溶液吸光度;m，提取所用原料质量，g;Vsolvent，提取所用溶剂体积，mL。

2.2.3 粗产品色价

称取一定重量的色素粉末，用去离子水溶解并定容50 mL后，在Aλ处测吸光度，若吸光度大于0.7，需将溶液继续稀释，至吸光度在0.3～0.7之间，吸光度Aλ和色价E10%1cm的关系为:

2.3 提取装置与工艺

2.3.1 实验装置

实验装置如图1所示，提取在磨砂三口烧瓶内进行，三口瓶侧口1接真空表(监测烧瓶内真空度)，侧口2接温度计1(监测烧瓶内温度，反映沸腾过程中温度变化)与调控阀门(调节烧瓶内压力)，温度计2测水浴温度(校正数显温度)，上接冷凝管，球形冷凝管中通循环水(自来水，室温，流量适中)冷却，冷凝管顶端接以真空泵抽气管路，冷凝管和烧瓶之间接15～20 cm的导流过渡管(避免过度沸腾时溶剂冲入冷凝管)。

图1 实验装置简图

2.3.2 提取工艺及操作要点

(1)将NaOH溶液放入恒温水浴中预热至与水同温;(2)称取(1.000±0.002)g枣皮粉末，并将装置搭好，检测装置密闭性，确认密封良好后将事先称好的枣皮和沸石(3颗)投入烧瓶;(3)从烧瓶上口加入一定量的事先预热的NaOH溶液，在调控阀门开的状态下，通入冷却水并打开真空泵，一切正常后慢慢调控侧口2阀门，使真空度保持恒定，记录此时温度、压力和起始时间;(4)提取完毕时，记录结束时间，首先打开侧口阀门，缓缓将烧瓶连同冷凝管从水浴中升起，关闭加热，让冷凝水循环1 min后将烧瓶取下(使冷凝水汽完全凝结流回烧瓶)，溶液冷却后抽滤(3层滤纸)，收集滤液，量取滤液体积，保证溶剂损失在±5%内。

2.3.3 粗产品粉末的制备

(1)向2.3.2所得滤液中缓慢加入的一定量0.5 mol/L HCl溶液调节溶液pH值至5，摇匀并静置至絮状物完全沉淀，离心10 min(8 000 r/min)后上层清液真空抽滤，得到的滤液用石油醚、乙酸乙酯萃取(10 mL)后真空冷冻干燥制得色素粗产品粉末。

2.3.4 单因素实验

以枣皮色素提取率为指标，分别对减压提取工艺的碱液浓度、料液比、体系压力、提取温度、减压时间各因素进行考察。

2.3.5 正交实验

以碱液浓度、料液比、体系压力、减压温度、减压时间为实验5因素，采用L16(45)正交，进行正交实验，实验设计见表1。

表1 正交试验因素L16(45)水平

2.4 工艺比较

(1)色素提取得率:分别采取常压热浸提、超声辅助浸提、减压提取法对枣皮提取(其中，减压真空度为0.08 MPa，超声功率为100 W，其余因素保持相同)，以提取得率为指标对3种工艺进行考察。

(2)粗产品色价:将(1)中3种工艺所得色素溶液按2.3.3操作得到色素粗产品粉末，并按2.2.2所述测其色价。

3 实验结果与分析

3.1 色素含量和提取率

图2为色素碱提液稀释适当倍数后所测300～600 nm的吸收光谱。由图2可以看出，在320、370 nm和430 nm附近色素溶液有吸收峰，这和樊君［8］，夏郭玲［9］等得到的枣皮色素溶液吸收特征相似，由于430 nm处于可见光区，属于呈色物质的特征吸收，故综合考虑，选择430 nm作为色素测定波长。

图2 色素溶液的紫外可见光谱

不同质量浓度的色素溶液在430 nm处吸光度与浓度的线性关系如图3所示。由图3可知，两者线性度良好(R2=0.999 62)，所测吸光度值能较准确反应色素含量，色素含量x的关系为:y=0.325 5X-0.004 2(0＜x≤1)。

3.2 单因素实验结果与分析

3.2.1 液料比

选择碱液质量分数为1.0%，真空度为0.05 MPa，温度为60℃时，减压时间为30 min，不同料液比对提起率的影响。由图4可以看出，在40 mL∶g之前，随着料液比的增加，色素提取率也显著增加，40 mL∶1g之后，随着料液比中溶剂的增加，色素提取率反而开始下降。

图3 色素浓度-吸光度的关系

图4 液料比对色素得率的影响

3.2.2 碱液浓度对色素提取率的影响

选择真空度为0.05 MPa，温度60℃下，40 mL∶1g液料比，提取时间为30 min进行减压浸提，考察不同浓度的NaOH溶液对色素提取率的影响。

由图5可知，碱液浓度在1.6%色素得率基本随着碱液浓度升高而增加，继续增大到2.0%，开始有了下降的趋势，该提取条件下的最佳浓度值应在0.8%和2.0%之间产生。

图5 碱液浓度对提取的影响

3.2.3 真空度对色素提取率的影响

在提取温度为60℃，提取时间为30 min，40 mL/g液料比，碱液浓度1.0%，考察提取压力(真空度)对枣皮色素提取得率的影响。从图6可看出，随着提取压力降低(对应真空度升高)，色素的提取得呈上升趋势，说明有利于色素提取的，真空度到达0.08 MPa时，由于60℃的溶剂此时处于沸腾状态，此时色素提取率到达顶峰，真空度继续加大到达0.09 MPa后，色素含量又降低，这是由于当真空度已经使溶剂到达沸点后，继续加大真空度就打破了压力和温度间的平衡关系，此时真空度的加大必然带来温度的降低，两者的综合作用可能对最终结果造成不利影响。

图6 真空度对提取得率的影响

3.2.4 加热温度对色素提取率的影响

在真空度为0.05 MPa，提取时间为30 min，40 mL∶1g液料比，碱液浓度1.0%，考察不同提取温度对枣皮色素提取率的影响。由图7可以看出，温度升高在一定程度上是有利于色素提取的，但超过90℃后，在0.05 MPa真空度下体系过度沸腾，提取率有所下降。

图7 温度对色素得率的影响

3.2.5 提取时间对色素提取率的影响

真空度为0.05 MPa，提取温度为60℃，40 mL∶1g液料比，碱液浓度1.0%，考察不同提取时间对枣皮色素在提取率的影响。由图8可以看出，总体上在前20 min提取时间对色素的得率影响较为显著，但20 min后，色素得率随时间延长，尽管保持稳步上升但升幅较小，继续延长时间，到50 min后色素得率又开始渐渐减小，这可能是长时间热溶剂的作用使得部分色素分解，综合上述，提取时间2 0～50 min为宜。

图8 时间对色素含量的影响

3.3 正交实验结果与分析

根据2.3.5所述方法，正交结果如表2所示，表3为正交实验的方差分析。

根据表2的R值可以得出:温度(D)对减压提取工艺的提取得率影响最大，料液比(B)和真空度(C)的影响次之，提取时间(E)相对影响最小。分析k值可知，最大提取得率组合为A4B3C2D4E4，即在碱液浓度为1.6%，料液比为 40 mL∶1g，真空度为 0.05 MPa，提取温度为90℃下提取50 min，经重复性实验验证，所得提取得率为8.226mg/g(高于正交组合A4B3C2D4E4所得的7.965 mg/g)。由表3可以看出，在正交实验条件下，提取温度(D)对提取得率的影响最为显著，而提取时间对枣皮色素提取得率的影响最小。

由于体系真空度和体系溶剂的沸点满足Raoult定理，在一定程度上，规定了溶剂温度就限定了体系真空度，当两者刚好符合这个关系，体系内溶剂会保持持续的轻微沸腾状态，称为“轻微沸腾”，如果仅略大于该临界真空度，那体系溶剂就是“沸腾”，如果远高于该真空度，体系难以维持稳定，呈现“过度沸腾”状态。根据正交实验的现象可以归纳出各温度下提取溶剂的沸点大致对应关系:60℃-0.08 MPa;70℃-0.07 MPa;80℃-0.06 MPa;90℃-0.04 MPa。

3.4 不同提取工艺间的比较

表4为在相同加热温度(70℃)和相同液料比(40 mL∶1g)下和相同提取时间(50 min)下，3种提取方法色素提取得率的比较和所得的色素粗产品色价(E10%1cm)。

从表4可以看出，减压和超声在短时间内显著增加色素的提取得率和粗产品的色价，其中又以减压所得产品的色价最高。当色素种类一定时，色价值能够反映色素产品中有效成分的含量，从色价结果可以看出，采用减压提取枣皮色素的色价约为常压浸提的3(=21/7)倍，超声提取的1.9(21/11)倍。

表2 L16(45)正交实验优化结果

表3 正交试验方差分析表

表4 不同工艺所得粗产品比较

4 结论

(1)本实验证实减压提取可以改善枣皮色素粗产品杂质含量过多的问题，通过单因素实验考察了减压法提取红枣色素过程中各因素对提取得率的影响，并通过正交试验进一步得出了各因素对结果影响的顺序:提取温度＞液料比＞碱液浓度＞真空度＞提取时间。

(2)本实验得到的最佳减压提取法工艺参数为:真空度0.05 MPa下、温度90℃，用1.6%NaOH溶液以40 mL∶1g的液料比减压提取枣皮提取50 min，得到色素提取得率为8.226 mg/g。

(3)对比减压提取法和常规热浸提与超声法3种工艺条件下的红枣色素产品，色素得率:超声法＞减压法＞常规热浸提;色素色价:减压法＞超声法＞常规热浸提。实验结果说明减压法和超声法都能显著提高红枣色素的得率，减压法更能显著提高色素的纯度，使得色素色价显著上升，今后或可考虑将减压法与超声法结合以得到高得率高色价的红枣色素产品。

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