花青素提取工藝研究及前景

張衛(wèi)波 楊豆 呂寧

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723001）

花青素提取工藝研究及前景

張衛(wèi)波 楊豆 呂寧

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723001）

本文對(duì)目前花青素傳統(tǒng)溶劑提取方法及加壓、微波、微生物發(fā)酵或酶解法、超聲波、亞臨界水輔助提取方法的相關(guān)研究進(jìn)行了介紹，以此探討花青素作為飼料添加劑的應(yīng)用前景，為花青素在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

花青素；飼料添加劑；提取工藝

前言

花青素是一種天然紫色素添加劑，是目前科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的防治疾病、維護(hù)人類健康最直接、最有效、最安全的自由基清除劑，其清除自由基的能力是維生素C的20倍、維生素E的50倍?；ㄇ嗨鼐哂行》肿咏Y(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)包含二個(gè)苯環(huán)，并由一3碳的單位連結(jié)(C6-C3-C6)，屬于酚類化合物中的類黃酮類。

當(dāng)前食品工業(yè)中所用的色素大多數(shù)是合成色素，從安全性上來說多少帶有毒性，若長期使用會(huì)危害人的健康，因此天然色素就逐漸引起了科研人員的關(guān)注。至今國內(nèi)市場上仍缺乏花青素純品，因此對(duì)花色苷類色素的深入研究和開發(fā)有利于提取高純度的花青素，為實(shí)現(xiàn)大批量的工業(yè)生產(chǎn)提供了必備的表征條件和理論依據(jù)。目前，花青素主要用于人的的保健品，在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用很少。本文介紹了花青素在國內(nèi)外的一些常見以及新興的提取方法，并討論花青素將來作為料飼添加劑的前景。

1 花青素的提取方法

有機(jī)溶劑萃取法是用一種或幾種與水不相混溶的有機(jī)藥劑，從水溶液中選擇性地提取有用組分的浸出液處理方法。在提取過程中，有時(shí)還要在萃取劑中加入一些調(diào)節(jié)劑，以使萃取劑的性能更好。在提取黃酮類成分時(shí)，多用乙酸乙脂和水的兩相萃取。溶劑提取法是花青素較為常規(guī)的提取方法，提取溶劑多選擇甲醇、乙醇、丙酮、水或者混合溶劑等。

傳統(tǒng)的溶劑提取方法提取時(shí)間較長，生產(chǎn)效率較低，且熱溶劑容易造成花青素降解以及使其生理活性降低。目前，國外提取花青素的傳統(tǒng)方法是采用低溫(4～8℃)或者常溫(25℃)避光條件下用1%HCL甲醇溶液浸提16～20h，或者采用0.5%、1%的三氟乙酸的甲醇溶液，4℃條件下浸提24h。考慮到食品中會(huì)殘留甲醇的毒性，不利于應(yīng)用到飼料添加劑上，也有用1%的HCL乙醇溶液代替甲醇溶液。有時(shí)為了避免?；幕ㄇ嗨厮?，也可選擇用弱酸如酒石酸、檸檬酸等代替鹽酸。而國內(nèi)則多采用熱溶劑(50～70℃)浸提1～2h的方法來提取花青素，溶劑可選擇不同濃度的醇溶液或酸化的水溶液。

有機(jī)溶劑萃取為全液過程，具有易分離、試劑易再生和操作安全等特點(diǎn)，發(fā)展相當(dāng)迅速，在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。但其主要缺點(diǎn)是部分試劑較昂貴，易乳化夾帶，成本較高。伴隨著科技的發(fā)

展，以及新興技術(shù)的不斷推出，該方法的應(yīng)用已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸下滑的趨勢。

加壓溶劑萃取，又稱加壓液體萃取、快速溶劑萃取，它是通過外來壓力提高溶劑的沸點(diǎn)，進(jìn)而增加物質(zhì)在溶劑中的溶解度以及萃取效率的。

Priscilla C等提取嘉寶果中的花青素，對(duì)加壓溶劑萃取、超聲輔助及索氏提取法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加壓溶劑法的提取效果最好。Fan等，研究表明，在80°C左右最有利于花青素的加壓溶劑萃取。同時(shí)樣品質(zhì)量對(duì)加壓溶劑萃取的影響較大。隨著樣品質(zhì)量增加，提取率逐步降低。

研究顯示，加壓溶劑萃取具有提取率高、有機(jī)溶劑用量少、快速、基質(zhì)影響小、回收率高和重現(xiàn)性好，且自動(dòng)化程度高、萃取過程密閉、對(duì)人體危害小、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。但是，其經(jīng)濟(jì)成本較高。加壓溶劑提取法允許了高溫提取，提高了分析物的溶解度，同時(shí)溶劑的使用仍會(huì)造成環(huán)境污染等問題，因此運(yùn)用水試劑在加壓提取中是更好的選擇。

微波輔助提取是利用在微波場中，根據(jù)吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對(duì)較差的萃取溶劑中。并且微波加熱也利用分子極化或離子導(dǎo)電效應(yīng)直接對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加熱。因此，該方法具有熱效率高、升溫快速均勻的優(yōu)勢，大大縮短了萃取時(shí)間，提高了萃取效率。

目前，關(guān)于微波輔助提取法對(duì)花青素提取率影響因素的研究集中在微波功率、提取時(shí)間、溫度及料液比等。Liazid等利用微波輔助提取葡萄皮中的花青素，在提取時(shí)間5--15min之內(nèi)，花青素含量都差別不大。超過30min以后，花青素含量降低。Li Yuan等的研究結(jié)果表明，隨著能量密度增加，花青素得率迅速增加，達(dá)到最高點(diǎn)后進(jìn)入平臺(tái)期。楊華等選用微波提取方法從紫甘薯中提取花青素，采用兩種方法有效結(jié)合，克服了各自不足之處，使提取效果更佳。裴志勝等利用超聲一微波協(xié)同萃取法進(jìn)一步優(yōu)化了紫甘薯花青素提取工藝。

微波提取法具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、節(jié)省試劑、廢液排放量少、操作簡單等特點(diǎn)。微波提取法目前己應(yīng)用在一些生物活性物質(zhì)的提取中，而其在花青素的提取中應(yīng)用仍有待發(fā)展。但是其受生產(chǎn)安全性差、微波輻射泄漏隱患大等問題的困擾，令微波輔助溶劑萃取法目前尚不能大規(guī)模發(fā)展。

微生物發(fā)酵或酶解法將生物發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于花青素的提取之中，是生物科學(xué)與化工生產(chǎn)之間的超強(qiáng)滲透與有效結(jié)合。此法是利用微生物或酶的作用將細(xì)胞壁成分降解，讓胞內(nèi)的花青素成分迅速滲透擴(kuò)散出來，以利于提取。

日本三榮化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社最早用生物酶處理法得到一種含淀粉成分非常少的澄清色素液，國內(nèi)韓永斌等叫發(fā)明了一種發(fā)酵法提取紫甘薯紅色素的生產(chǎn)工藝。Noriaki等利用發(fā)酵法得到富含紫苷薯花青素的飲料。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作穩(wěn)定性及可靠性高，環(huán)境友好。并且，微生物發(fā)酵或酶輔助提取法與傳統(tǒng)方法相比明顯提高提取率且縮短提取時(shí)間，并減少有機(jī)溶劑的使用，降低成本。這類方法研究者大都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究的，尚未成熟以及缺乏相應(yīng)的大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備。

超聲波是一種機(jī)械波，有效頻率一般在20～50kHz范圍。超聲波提取是將超聲波產(chǎn)生的空化、振動(dòng)、粉碎、攪拌等綜合效應(yīng)應(yīng)用到天然產(chǎn)物成分提取工藝中，通過破壞細(xì)胞壁，增加溶劑穿透力，從而提高提取率和縮短提取時(shí)間，達(dá)到高效、快速提取細(xì)胞內(nèi)容物的過程。超聲波提取不對(duì)提取物的結(jié)構(gòu)、活性產(chǎn)生影響。

超聲波在20世紀(jì)50年代后逐漸應(yīng)用于化學(xué)化工生產(chǎn)過程之中，Lien等使用酸性乙醇提取紫甘薯花青素，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取工藝可明顯提高提取率，并成功地建立了響應(yīng)面法模型對(duì)萃取工藝進(jìn)行了改進(jìn)。鈕福祥等發(fā)現(xiàn)循環(huán)超聲波乙醇提取法提取紫甘薯花青素效果最好，并確定了最佳提取條件。

超聲波提取較傳統(tǒng)提取方法具有速度快、提取率高、溫度低、節(jié)約溶劑等多項(xiàng)特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，

不受提取物成分極性、分子質(zhì)量大小的限制，適用于絕大多數(shù)物質(zhì)有效成分的提取。除此之外，該方法還具有操作簡單易行、提取料液雜質(zhì)少、有效成分易于分離、純化等特點(diǎn)。綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著，是一種輔助傳統(tǒng)浸取，實(shí)現(xiàn)高效、快速、節(jié)能的現(xiàn)代高新技術(shù)之一。超聲波提取運(yùn)用前景好、操作簡單、快速高效、生產(chǎn)過程清潔無公害。此方法目前還未廣泛應(yīng)用，有待進(jìn)一步發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)。

在適度的壓力下，將水加熱到100℃以上、臨界溫度374℃以下的高溫，水仍然保持在液體狀態(tài)，它的極性會(huì)隨溫度變化而改變，這種水稱為亞臨界水。亞臨界狀態(tài)下流體微觀結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子水合、離子締合、簇狀結(jié)構(gòu)等發(fā)生了變化，因此亞臨界水的物理、化學(xué)特性較之常溫常壓下的水在性質(zhì)上有較大差別。常溫常壓下水的極性較強(qiáng)，亞臨界狀態(tài)下，隨著溫度的升高，亞臨界水的氫鍵被打開或減弱，從而使水從高到低萃取出來。

通過控制亞臨界水的溫度和壓力，使水的極性在較大范圍內(nèi)變化，從而實(shí)現(xiàn)天然產(chǎn)物中的有效成分從水溶性成分到脂溶性成分的連續(xù)提取，并可實(shí)現(xiàn)選擇性提取。對(duì)比于其他提取方法，亞臨界水提取方法清潔、有效、花青素提取量為傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)固液萃取的3倍，且產(chǎn)品性能更優(yōu)，不足之處是工藝條件要求較高。

由于亞臨界水萃取是以價(jià)廉、無污染的水作為萃取劑，因此，亞臨界水萃取技術(shù)被視為綠色環(huán)保、前景廣闊的一項(xiàng)變革性技術(shù)。未來將具有強(qiáng)大的競爭力。

2 前景

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品安全問題日益重視?；ㄇ嗨刈鳛轱暳咸砑觿?，不僅能提高動(dòng)物生產(chǎn)性能，還是一類純天然、無殘留、無污染的天然綠色添加劑，此類飼料添加劑正是未來飼料行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

為了加快我國豐富的花青素資源的綜合開發(fā)利用，尋求新的高效、快速、方便、自動(dòng)化分離方法，改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)提取分離技術(shù)顯得極為重要。有機(jī)溶劑萃取法簡單易行，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)慢慢被其他更高效環(huán)保的生產(chǎn)工藝所替代。加壓溶劑萃取法相關(guān)溶劑的使用造成的環(huán)境污染依然是限制其發(fā)展的主要因素。微波輔助提取法具有綠色環(huán)保，提取效率高，時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)。微生物發(fā)酵或酶解法操作穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)約藥品，并降低成本，可加大發(fā)展力度。超聲波輔助提取因其效益高且無污染的特點(diǎn)是近年來的研究熱點(diǎn)。亞臨界水提取環(huán)保無污染，擁有廣闊的發(fā)展前景。

新的提取分離方法如超高壓輔助提取、高壓脈沖電場輔助提取、高速逆流色譜技術(shù)等，為工業(yè)化提取花青素開辟了新的途徑。所以科研人員應(yīng)該在著力于提取方法的優(yōu)化的同時(shí)，注重設(shè)備的改革更新，使設(shè)備和提取工藝同步發(fā)展，為進(jìn)一步提高花青素產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)，使花青素在飼料中更好的發(fā)揮其作用。

（略）