游鳳，黃立新，2，張彩虹，謝普軍，張耀雷

1(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，

國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210042)

2(中國(guó)林業(yè)科學(xué)院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京，100091)

紅棗屬鼠李科(Rhamnaceae)棗樹(shù)(Ziziphus jujube Mill.)之果實(shí)，藥食兼用，其化學(xué)成分的研究早已引起醫(yī)學(xué)界和化學(xué)界的關(guān)注，由于其含有豐富的Vc，又素有“活性維生素丸”之稱，更是我國(guó)第一大干果資源近年來(lái)，食品行業(yè)的發(fā)展和消費(fèi)市場(chǎng)的需求促使棗類產(chǎn)品越來(lái)越細(xì)化［1-2］，紅棗加工企業(yè)相繼崛起，由于紅棗獨(dú)特的口感及豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，各種紅棗功能食品及飲品(如紅棗酸奶，紅棗果汁等)一經(jīng)推出就受到了消費(fèi)者歡迎，但加工過(guò)程中由于棗皮脆硬，混入棗漿中容易使加工機(jī)器損壞，一般做法是在加工前將浸泡后的皮質(zhì)和果漿分開(kāi)，這就導(dǎo)致這些加工企業(yè)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄紅棗皮渣，這一方面造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，另一方面，也降低了相關(guān)企業(yè)的利潤(rùn)空間和經(jīng)濟(jì)效益［3］。

實(shí)際上，棗皮色澤紅潤(rùn)，富含大量天然紅色素，是一種值得開(kāi)發(fā)的天然色素資源［4-5］。多項(xiàng)研究表明，紅棗色素是從紅棗果皮中提取出的一種天然多酚色素。棗紅色素色澤濃郁純正、對(duì)熱對(duì)光均較穩(wěn)定，水溶性好，同時(shí)，由于其具有消除自由基、抗氧化、抗衰老等多藥用功效，是一種極具開(kāi)發(fā)前景的天然食用色素。

減壓提取法利用體系內(nèi)壓強(qiáng)和溶劑沸點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在提取時(shí)給體系減壓而使提取溶劑在低于其常壓沸點(diǎn)時(shí)就能達(dá)到沸騰，沸騰時(shí)造成的湍動(dòng)強(qiáng)化固液萃取過(guò)程，同時(shí)產(chǎn)生的蒸汽上升后又被冷凝回體系內(nèi)，形成濃度差，推動(dòng)傳質(zhì)。

另外，減壓提取時(shí)沸騰的蒸汽能改善體系中的過(guò)熱現(xiàn)象，降低糖類和果膠等雜質(zhì)的溶出率，可以說(shuō)，減壓提取是一種提高目標(biāo)物產(chǎn)量又可降低雜質(zhì)含量的提取方法［6-7］。由于過(guò)去的紅棗色素的提取工藝所得的棗皮色素產(chǎn)品因雜質(zhì)含量高，給色素呈色暗給后續(xù)加工和應(yīng)用帶來(lái)了困難，故本研究考察了減壓提取對(duì)棗皮色素的效果并與其他提取工藝進(jìn)行了比較。

1 材料與試劑

1.1 提取原料

長(zhǎng)棗棗皮，2011年9月采自陜西佳縣成熟長(zhǎng)棗棗果，采后剝下外表皮后冷凍儲(chǔ)藏。

1.2 試劑

濃HCl、NaOH、石油醚、乙酸乙酯，南京化學(xué)試劑廠，均為分析純;II級(jí)超純?nèi)ルx子水(上海Mole超純水機(jī))。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

小型植物高速粉碎機(jī)(青州市富爾康制藥有限公司)，DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海索譜儀器有限公司)，SHZ-D(III)循環(huán)水式真空泵(上海東璽制冷儀器有限公司)，HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，UV-2102PC紫外可見(jiàn)分光光度儀(上海尤尼科光譜設(shè)備有限公司)，雙頻加熱型超聲波清洗儀(上海比朗儀器有限公司)，RE-5299型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海東璽制冷儀器有限公司)，TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī)、EL204電子天平(梅特勒-特麗多儀器有限公司)，真空冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)。

2 方法

2.1 原料預(yù)處理

將棗皮用清水洗凈，置0.1 mol/L的HCl溶液中浸泡23 h，以溶解黏帶果肉和表皮鞣質(zhì);用曬網(wǎng)濾除溶液和溶解膠質(zhì)，將收集到的棗皮用弱酸性水洗和清水最后沖洗一次，40℃恒溫烘干至恒重，粉碎至40目，放陰暗干燥處儲(chǔ)存即可作為提取前的原料。

2.2 測(cè)定方法

2.2.1 色素測(cè)定波長(zhǎng)

將色素溶液用去離子水稀釋一定倍數(shù)后，進(jìn)行紫外全波長(zhǎng)掃描以選定色素含量測(cè)定波長(zhǎng)。

2.2.2 色素含量和提取率

準(zhǔn)確吸取1 mL離心后的色素上清液于50 mL容量瓶中，用去離子水定容，搖勻，同時(shí)取1 mL提取劑用去離子水稀釋相同倍數(shù)作空白樣品，在選定波長(zhǎng)處棗皮色素吸光度Aλ(單位:1)與質(zhì)量濃度c(單位:mg/mL)的對(duì)應(yīng)關(guān)系:m=f(Aλ)。則對(duì)于所測(cè)吸光度Aλ(單位:1)，原料質(zhì)量為m(單位:g)，提取得率可以表示為:

提取率/(mg·g-1)=［f(Aλ)×50×Vsolvent］/m

其中:Aλ，色素溶液吸光度;m，提取所用原料質(zhì)量，g;Vsolvent，提取所用溶劑體積，mL。

2.2.3 粗產(chǎn)品色價(jià)

稱取一定重量的色素粉末，用去離子水溶解并定容50 mL后，在Aλ處測(cè)吸光度，若吸光度大于0.7，需將溶液繼續(xù)稀釋，至吸光度在0.3～0.7之間，吸光度Aλ和色價(jià)E10%1cm的關(guān)系為:

2.3 提取裝置與工藝

2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，提取在磨砂三口燒瓶?jī)?nèi)進(jìn)行，三口瓶側(cè)口1接真空表(監(jiān)測(cè)燒瓶?jī)?nèi)真空度)，側(cè)口2接溫度計(jì)1(監(jiān)測(cè)燒瓶?jī)?nèi)溫度，反映沸騰過(guò)程中溫度變化)與調(diào)控閥門(mén)(調(diào)節(jié)燒瓶?jī)?nèi)壓力)，溫度計(jì)2測(cè)水浴溫度(校正數(shù)顯溫度)，上接冷凝管，球形冷凝管中通循環(huán)水(自來(lái)水，室溫，流量適中)冷卻，冷凝管頂端接以真空泵抽氣管路，冷凝管和燒瓶之間接15～20 cm的導(dǎo)流過(guò)渡管(避免過(guò)度沸騰時(shí)溶劑沖入冷凝管)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2.3.2 提取工藝及操作要點(diǎn)

(1)將NaOH溶液放入恒溫水浴中預(yù)熱至與水同溫;(2)稱取(1.000±0.002)g棗皮粉末，并將裝置搭好，檢測(cè)裝置密閉性，確認(rèn)密封良好后將事先稱好的棗皮和沸石(3顆)投入燒瓶;(3)從燒瓶上口加入一定量的事先預(yù)熱的NaOH溶液，在調(diào)控閥門(mén)開(kāi)的狀態(tài)下，通入冷卻水并打開(kāi)真空泵，一切正常后慢慢調(diào)控側(cè)口2閥門(mén)，使真空度保持恒定，記錄此時(shí)溫度、壓力和起始時(shí)間;(4)提取完畢時(shí)，記錄結(jié)束時(shí)間，首先打開(kāi)側(cè)口閥門(mén)，緩緩將燒瓶連同冷凝管從水浴中升起，關(guān)閉加熱，讓冷凝水循環(huán)1 min后將燒瓶取下(使冷凝水汽完全凝結(jié)流回?zé)?，溶液冷卻后抽濾(3層濾紙)，收集濾液，量取濾液體積，保證溶劑損失在±5%內(nèi)。

2.3.3 粗產(chǎn)品粉末的制備

(1)向2.3.2所得濾液中緩慢加入的一定量0.5 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)溶液pH值至5，搖勻并靜置至絮狀物完全沉淀，離心10 min(8 000 r/min)后上層清液真空抽濾，得到的濾液用石油醚、乙酸乙酯萃取(10 mL)后真空冷凍干燥制得色素粗產(chǎn)品粉末。

2.3.4 單因素實(shí)驗(yàn)

以棗皮色素提取率為指標(biāo)，分別對(duì)減壓提取工藝的堿液濃度、料液比、體系壓力、提取溫度、減壓時(shí)間各因素進(jìn)行考察。

2.3.5 正交實(shí)驗(yàn)

以堿液濃度、料液比、體系壓力、減壓溫度、減壓時(shí)間為實(shí)驗(yàn)5因素，采用L16(45)正交，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素L16(45)水平

2.4 工藝比較

(1)色素提取得率:分別采取常壓熱浸提、超聲輔助浸提、減壓提取法對(duì)棗皮提取(其中，減壓真空度為0.08 MPa，超聲功率為100 W，其余因素保持相同)，以提取得率為指標(biāo)對(duì)3種工藝進(jìn)行考察。

(2)粗產(chǎn)品色價(jià):將(1)中3種工藝所得色素溶液按2.3.3操作得到色素粗產(chǎn)品粉末，并按2.2.2所述測(cè)其色價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 色素含量和提取率

圖2為色素堿提液稀釋適當(dāng)倍數(shù)后所測(cè)300～600 nm的吸收光譜。由圖2可以看出，在320、370 nm和430 nm附近色素溶液有吸收峰，這和樊君［8］，夏郭玲［9］等得到的棗皮色素溶液吸收特征相似，由于430 nm處于可見(jiàn)光區(qū)，屬于呈色物質(zhì)的特征吸收，故綜合考慮，選擇430 nm作為色素測(cè)定波長(zhǎng)。

圖2 色素溶液的紫外可見(jiàn)光譜

不同質(zhì)量濃度的色素溶液在430 nm處吸光度與濃度的線性關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，兩者線性度良好(R2=0.999 62)，所測(cè)吸光度值能較準(zhǔn)確反應(yīng)色素含量，色素含量x的關(guān)系為:y=0.325 5X-0.004 2(0＜x≤1)。

3.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 液料比

選擇堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，真空度為0.05 MPa，溫度為60℃時(shí)，減壓時(shí)間為30 min，不同料液比對(duì)提起率的影響。由圖4可以看出，在40 mL∶g之前，隨著料液比的增加，色素提取率也顯著增加，40 mL∶1g之后，隨著料液比中溶劑的增加，色素提取率反而開(kāi)始下降。

圖3 色素濃度-吸光度的關(guān)系

圖4 液料比對(duì)色素得率的影響

3.2.2 堿液濃度對(duì)色素提取率的影響

選擇真空度為0.05 MPa，溫度60℃下，40 mL∶1g液料比，提取時(shí)間為30 min進(jìn)行減壓浸提，考察不同濃度的NaOH溶液對(duì)色素提取率的影響。

由圖5可知，堿液濃度在1.6%色素得率基本隨著堿液濃度升高而增加，繼續(xù)增大到2.0%，開(kāi)始有了下降的趨勢(shì)，該提取條件下的最佳濃度值應(yīng)在0.8%和2.0%之間產(chǎn)生。

圖5 堿液濃度對(duì)提取的影響

3.2.3 真空度對(duì)色素提取率的影響

在提取溫度為60℃，提取時(shí)間為30 min，40 mL/g液料比，堿液濃度1.0%，考察提取壓力(真空度)對(duì)棗皮色素提取得率的影響。從圖6可看出，隨著提取壓力降低(對(duì)應(yīng)真空度升高)，色素的提取得呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明有利于色素提取的，真空度到達(dá)0.08 MPa時(shí)，由于60℃的溶劑此時(shí)處于沸騰狀態(tài)，此時(shí)色素提取率到達(dá)頂峰，真空度繼續(xù)加大到達(dá)0.09 MPa后，色素含量又降低，這是由于當(dāng)真空度已經(jīng)使溶劑到達(dá)沸點(diǎn)后，繼續(xù)加大真空度就打破了壓力和溫度間的平衡關(guān)系，此時(shí)真空度的加大必然帶來(lái)溫度的降低，兩者的綜合作用可能對(duì)最終結(jié)果造成不利影響。

圖6 真空度對(duì)提取得率的影響

3.2.4 加熱溫度對(duì)色素提取率的影響

在真空度為0.05 MPa，提取時(shí)間為30 min，40 mL∶1g液料比，堿液濃度1.0%，考察不同提取溫度對(duì)棗皮色素提取率的影響。由圖7可以看出，溫度升高在一定程度上是有利于色素提取的，但超過(guò)90℃后，在0.05 MPa真空度下體系過(guò)度沸騰，提取率有所下降。

圖7 溫度對(duì)色素得率的影響

3.2.5 提取時(shí)間對(duì)色素提取率的影響

真空度為0.05 MPa，提取溫度為60℃，40 mL∶1g液料比，堿液濃度1.0%，考察不同提取時(shí)間對(duì)棗皮色素在提取率的影響。由圖8可以看出，總體上在前20 min提取時(shí)間對(duì)色素的得率影響較為顯著，但20 min后，色素得率隨時(shí)間延長(zhǎng)，盡管保持穩(wěn)步上升但升幅較小，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，到50 min后色素得率又開(kāi)始漸漸減小，這可能是長(zhǎng)時(shí)間熱溶劑的作用使得部分色素分解，綜合上述，提取時(shí)間2 0～50 min為宜。

圖8 時(shí)間對(duì)色素含量的影響

3.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)2.3.5所述方法，正交結(jié)果如表2所示，表3為正交實(shí)驗(yàn)的方差分析。

根據(jù)表2的R值可以得出:溫度(D)對(duì)減壓提取工藝的提取得率影響最大，料液比(B)和真空度(C)的影響次之，提取時(shí)間(E)相對(duì)影響最小。分析k值可知，最大提取得率組合為A4B3C2D4E4，即在堿液濃度為1.6%，料液比為 40 mL∶1g，真空度為 0.05 MPa，提取溫度為90℃下提取50 min，經(jīng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所得提取得率為8.226mg/g(高于正交組合A4B3C2D4E4所得的7.965 mg/g)。由表3可以看出，在正交實(shí)驗(yàn)條件下，提取溫度(D)對(duì)提取得率的影響最為顯著，而提取時(shí)間對(duì)棗皮色素提取得率的影響最小。

由于體系真空度和體系溶劑的沸點(diǎn)滿足Raoult定理，在一定程度上，規(guī)定了溶劑溫度就限定了體系真空度，當(dāng)兩者剛好符合這個(gè)關(guān)系，體系內(nèi)溶劑會(huì)保持持續(xù)的輕微沸騰狀態(tài)，稱為“輕微沸騰”，如果僅略大于該臨界真空度，那體系溶劑就是“沸騰”，如果遠(yuǎn)高于該真空度，體系難以維持穩(wěn)定，呈現(xiàn)“過(guò)度沸騰”狀態(tài)。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象可以歸納出各溫度下提取溶劑的沸點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)關(guān)系:60℃-0.08 MPa;70℃-0.07 MPa;80℃-0.06 MPa;90℃-0.04 MPa。

3.4 不同提取工藝間的比較

表4為在相同加熱溫度(70℃)和相同液料比(40 mL∶1g)下和相同提取時(shí)間(50 min)下，3種提取方法色素提取得率的比較和所得的色素粗產(chǎn)品色價(jià)(E10%1cm)。

從表4可以看出，減壓和超聲在短時(shí)間內(nèi)顯著增加色素的提取得率和粗產(chǎn)品的色價(jià)，其中又以減壓所得產(chǎn)品的色價(jià)最高。當(dāng)色素種類一定時(shí)，色價(jià)值能夠反映色素產(chǎn)品中有效成分的含量，從色價(jià)結(jié)果可以看出，采用減壓提取棗皮色素的色價(jià)約為常壓浸提的3(=21/7)倍，超聲提取的1.9(21/11)倍。

表2 L16(45)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)方差分析表

表4 不同工藝所得粗產(chǎn)品比較

4 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)證實(shí)減壓提取可以改善棗皮色素粗產(chǎn)品雜質(zhì)含量過(guò)多的問(wèn)題，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察了減壓法提取紅棗色素過(guò)程中各因素對(duì)提取得率的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)一步得出了各因素對(duì)結(jié)果影響的順序:提取溫度＞液料比＞堿液濃度＞真空度＞提取時(shí)間。

(2)本實(shí)驗(yàn)得到的最佳減壓提取法工藝參數(shù)為:真空度0.05 MPa下、溫度90℃，用1.6%NaOH溶液以40 mL∶1g的液料比減壓提取棗皮提取50 min，得到色素提取得率為8.226 mg/g。

(3)對(duì)比減壓提取法和常規(guī)熱浸提與超聲法3種工藝條件下的紅棗色素產(chǎn)品，色素得率:超聲法＞減壓法＞常規(guī)熱浸提;色素色價(jià):減壓法＞超聲法＞常規(guī)熱浸提。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明減壓法和超聲法都能顯著提高紅棗色素的得率，減壓法更能顯著提高色素的純度，使得色素色價(jià)顯著上升，今后或可考慮將減壓法與超聲法結(jié)合以得到高得率高色價(jià)的紅棗色素產(chǎn)品。

［1］ 曲澤州，王永惠.中國(guó)棗樹(shù)志棗卷［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1993.

［2］ 梁鴻，張寶善.中國(guó)紅棗及紅棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和對(duì)策的研究［D］.陜西:陜西師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［3］ 王田利.影響紅棗產(chǎn)業(yè)效益的主要因素及提高效益的途徑.河北果樹(shù)，2011(5):31，53.

［4］ 王麗華，黃明發(fā).幾種極具發(fā)展前景的功能性色素［J］.中國(guó)食品添加劑，2008(1):71-74.

［5］ 曹雁平.我國(guó)天然食用色素研究現(xiàn)狀［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，33(2):15-17.

［6］ 陳曉東，肖瑩.中藥減壓提取的實(shí)驗(yàn)方法［J］.機(jī)電信息，2006，17(125):29-31.

［7］ Wang Jun-xia，Xiao Xiao-hua，Li Gong-ke.Study of vacu-um microwave-assisted extraction ofpolyphenolic compounds and pigment from Chinese herbs［J］.Journal of Chromatography A，2008(1 198):45-53.

［8］ 樊君，呂磊，李宏燕.大棗紅色素的提取及其穩(wěn)定性［J］. 食品科學(xué)，2005，26(6):52-54.

［9］ 夏敦嶺，任小林，李演利，等.冬棗果皮紅色素的紫外可見(jiàn)光譜分析.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，15(6):144-147.

［10］ 王麗威，鄭彥山，張曉宇.微波輔助提取紅菊芋色素及穩(wěn)定性研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2011，37(3):220-22.