甘蔗色素多酚提取工藝研究

胡瑞云，沈石妍，王智能，楊柳，李艷芳，應(yīng)雄美，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南開遠(yuǎn)661699）

0 引言

近年來天然抗氧化劑——多酚類化合物的抗氧活性得到多方的關(guān)注，這類物質(zhì)既可用作為食品添加劑使用，又對人體有良好的保健功能，可預(yù)防心腦血管疾病、消除人體過多的自由基，具有抑菌、抗病毒、抗氧化、抗腫瘤、抗癌、抗衰老、提高機(jī)體免疫力等作用[1-3]。甘蔗含有豐富的營養(yǎng)成分，傳統(tǒng)紅糖的生產(chǎn)工藝較為簡單，保留了甘蔗原汁中的大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)，從而形成紅糖獨(dú)特的風(fēng)味，具有較好的營養(yǎng)保健功能。我國蔗糖產(chǎn)品主要為白砂糖，為得到品質(zhì)較高的白砂糖需要將蔗汁中的色素等非糖分盡可能地除去，國內(nèi)大多采用亞硫酸法生產(chǎn)工藝，通過加入化學(xué)澄清劑以提高蔗汁的澄清效果，去除其中的懸浮雜質(zhì)和非糖分，再通過硫熏、結(jié)晶等工序?qū)φ崽沁M(jìn)行提純，減少色素物質(zhì)對白砂糖色值的影響，在此過程中除去的非糖分包括蛋白質(zhì)、氨基酸、多酚類、黃酮類等營養(yǎng)成分[4]。Saska等研究發(fā)現(xiàn)甘蔗中的多酚類物質(zhì)多集中在生長點周圍的蔗梢部分，測得甘蔗生長點、梢部汁、去梢蔗莖汁3部分的壓榨汁多酚類物質(zhì)含量分別為1 536 mg/kg、2 668 mg/kg、553 mg/kg[5]。這些多酚類是蔗糖顏色的主要組成成分之一，也是影響白砂糖成品色值的主要因素之一，同時這類物質(zhì)又具有一定的抗氧化能力，對DPPH自由基和超氧陰離子自由基、羥自由基具有很好的清除作用，是一種高效的天然自由基清除劑。甘蔗色素在天然食用色素領(lǐng)域的應(yīng)用前景是十分廣闊的[6]，若能在生產(chǎn)過程前端將這部分物質(zhì)提取利用，可大大提升產(chǎn)品的附加值和甘蔗的綜合利用效率。

色素多酚的提取多采用溶劑提取法，提取工藝較為簡單。劉云穎[7]采用溶劑浸提法來提取蔗皮中的紅色素，最佳提取工藝條件為：提取劑為60%的乙醇，提取溫度為70℃，提取液pH值為1.0，料液比為1∶40，提取時間2.5 h，在此條件下蔗皮紅色素的提取率高達(dá)89%。金小燕等[8]發(fā)現(xiàn)利用閃式法可以更高效省時地提取出甘蔗皮中的花青素，其優(yōu)化后的最佳工藝條件是乙醇濃度70%，料液比1∶6，提取時間3 min。利用超聲波法提取甘蔗皮中的多酚類物質(zhì)，其最佳提取條件為超聲波處理時間31 min，料液比14 mL/g，乙醇濃度53%，超聲波度為61℃，在此工藝下甘蔗皮多酚提取率達(dá)到8.67%[9]。

本實驗優(yōu)選農(nóng)科院育種甘蔗，壓榨提取甘蔗中的蔗汁，通過離子交換樹脂吸附蔗汁中的大部分色素，降低了甘蔗原汁中的色值，可很好地解決色值影響白砂糖成品率的問題。實驗考察對比D 101、HPD 100大孔吸附樹脂對蔗汁的吸附效率以及不同的解吸方法，優(yōu)選出吸附效率較高的樹脂。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

甘蔗由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所實驗基地提供；D 101大孔吸附樹脂、HPD 100大孔吸附樹脂購自鄭州勤實科技有限公司；沒食子酸購自山東亞西化學(xué)股份有限公司；Folin-Ciocalteu顯色劑購自上海源葉生物科技有限公司；無水碳酸鈉購自廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開發(fā)中心。

1.2 儀器與設(shè)備

離子交換柱，錦州新科水處理設(shè)備廠；BT100SV 2-CE蠕動泵，保定雷弗流體科技有限公司；UV-5800 PC紫外分光光度計，上海元析儀器有限公司；AE-3000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞西生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 樹脂靜態(tài)篩選

活化樹脂：稱取適量D 101樹脂、HPD 100樹脂用95%乙醇活化12～24 h，用純水洗去乙醇至不混濁，備用[10-12]；蔗汁的預(yù)處理：甘蔗壓榨取汁，經(jīng)篩網(wǎng)過濾除渣，加熱至92℃5 min，靜置澄清后取上清液用200目的篩網(wǎng)過濾備用；吸附、解吸過程：各量取100 mL蔗汁2組，分別加入D 101樹脂、HPD 100樹脂各4 g，靜置6 h，期間適當(dāng)搖動，樹脂吸附飽和后過濾，蔗汁定容于200 mL容量瓶中，采用Folin-Ciocalteu比色法測定蔗汁中多酚含量[13-15]，選擇吸附效率高的樹脂進(jìn)行下一步實驗。

1.3.2 樹脂用量的選擇

取50 mL糖液5組，分別加入已優(yōu)選的樹脂2 g、4 g、6 g、8 g、10 g，靜態(tài)吸附1.5 h后濾出樹脂，蔗汁定容于100 mL容量瓶中，測定蔗汁中多酚含量以確定最佳樹脂用量。

1.3.3 解吸液濃度的選擇

選定1.3.2中篩選出的吸附飽和樹脂均分為1 g共7組，分別加入30%、40%、50%、60%、70%、80%、95%乙醇解吸樹脂[16-20]，靜置10 min后過濾樹脂定容100 mL容量瓶中，測定樹脂解吸后乙醇液中的多酚含量，確定乙醇解吸液的最佳濃度。

1.3.4 樹脂動態(tài)吸附效率測定

將已活化處理的HPD 100樹脂約1 140 mL平均分裝于串聯(lián)好的1#、2#離子交換柱中，準(zhǔn)備預(yù)處理好的糖液約30 L，置于樣品桶內(nèi)，控制蔗汁吸附速度為4 BV/h開始過柱，每2 280 mL截留樣液一組。測定吸附后蔗汁中的多酚含量、色值、混濁度，計算樹脂動態(tài)吸附效率。

1.3.5 樹脂動態(tài)解吸效率測定

將吸附飽和的柱內(nèi)樹脂用純水洗凈，按優(yōu)選的乙醇濃度解吸樹脂，控制解吸液速度為4 BV/h，每1 140 mL截留樣液一組，測定樹脂解吸液中多酚含量，計算樹脂動態(tài)解吸效率。

1.3.6 分析方法

多酚測定方法采用福林-酚法Folin-Ciocalteu測定[21]；蔗汁色值、混濁度測定方法依據(jù)《甘蔗制糖化學(xué)管理日常分析方法》測定[22]。

1.3.7 計算依據(jù)

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）；混濁度=（A-B）×1 000；A=1000 E′/（b×c）；B=1 000 E/（b×c）

式中，A：5.0°Bx樣液在560 nm波長測得微孔膜過濾前樣液的衰減度；B：5.0°Bx樣液在560 nm波長測得微孔膜過濾后樣液的色值；E′：5.0°Bx樣液在560 nm波長測得微孔膜過濾前樣液的吸光度；E：5.0°Bx樣液在560 nm波長測得微孔膜過濾樣液的吸光度；b：比色皿厚度（cm）；c：20℃樣液濃度（g/mL）。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹脂靜態(tài)篩選

圖1顯示，D 101樹脂吸附效率為32.44%，HPD 100樹脂吸附效率為42.57%，HPD 100樹脂的吸附效率明顯高于D 101樹脂，選用HPD 100樹脂進(jìn)行后續(xù)實驗。

圖1 樹脂類型篩選Fig.1 Resin type screening

圖2 樹脂用量篩選Fig.2 Resin dosagescreening

圖3 解吸液濃度篩選Fig.3 Desorbent concentration screening

2.2 樹脂用量的篩選

從圖2看出，隨著樹脂用量的增加，吸附效率從13.91%上升到41.38%，樹脂增加至8 g、10 g、12 g時，吸附效率分別為29.55%、35.81%、41.38%，考慮生產(chǎn)成本問題及動態(tài)吸附時樹脂吸附效率會明顯優(yōu)于靜態(tài)，選用吸附飽和的8 g樹脂為后續(xù)解吸實驗，同時該樹脂用量0.16 g/mL蔗汁為后續(xù)動態(tài)實驗樹脂用量作參考。

2.3 解吸液濃度的篩選

從圖3可看出：不同濃度的乙醇對樹脂的解吸率影響較為顯著，當(dāng)乙醇濃度為30%時，解吸率為60.98%，隨著乙醇濃度的提高解吸率逐漸上升，當(dāng)乙醇濃度達(dá)到70%、80%、95%時解吸率分別是78.86%、81.48%、81.87%，乙醇濃度達(dá)到70%后，解吸率上升不太明顯，乙醇濃度與解吸率呈現(xiàn)的線性趨勢與陳純等利用超聲波法提取甘蔗皮中的多酚類物質(zhì)的分析相似，當(dāng)乙醇濃度10.9 mol/L時即53%時，甘蔗皮多酚得率最高，隨后甘蔗皮多酚得率隨著乙醇濃度升高而逐漸下降[23]。多酚得率不再繼續(xù)上升的原因可能是：甘蔗皮中多酚多與植物內(nèi)多糖、蛋白質(zhì)等以氫鍵和疏水鍵形成穩(wěn)定的化合物，隨著乙醇濃度的升高，對氫鍵斷裂作用增強(qiáng)，多酚提取率升高[24]，當(dāng)多酚含量達(dá)到一定值后，溶劑與多酚極性差異增大，多酚類物質(zhì)得不到充分溶解，提取量反而減少[23]。

2.4 樹脂動態(tài)吸附、解吸效率的測定

圖4數(shù)據(jù)顯示：吸附開始吸附效率最大達(dá)87.37%，吸附24 BV樹脂體積的蔗汁后，樹脂吸附效率降低至39.4%，樹脂平均吸附效率達(dá)53.94%。

圖5數(shù)據(jù)顯示：選用70%乙醇解吸樹脂，解吸至2 BV體積的解吸液時解吸率達(dá)最高點31.46%，解吸至3 BV體積時解吸率為4.39%，此后解吸率一直維持在4.39%左右，樹脂平均解吸率達(dá)到81.27%。

圖4 HPD 100樹脂動態(tài)吸附情況Fig.4 Dynamic adsorption of HPD 100 resin

圖5 HPD 100樹脂動態(tài)解吸情況Fig.5 Dynamic desorption of HPD 100 resin

樹脂整個吸附、解吸過程選用4 BV/h吸附和解吸速度主要是考慮2 BV/h吸附和解吸效率會更佳，但是太低的過濾速度不適用于擴(kuò)大再生產(chǎn)，會由此制約生產(chǎn)產(chǎn)出。

表1數(shù)據(jù)顯示：通過HPD 100樹脂吸附后蔗汁色值從126 IU降低至31 IU，混濁度從84降低至18，色值去除率達(dá)75.4%，渾濁度去除率達(dá)78.6%，通過吸附后蔗汁指標(biāo)滿足制糖生產(chǎn)需求。

表1 HPD 100樹脂上柱脫色數(shù)據(jù)Table 1 Decolorization data of HPD 100 resin upper column

表2數(shù)據(jù)顯示：樹脂動態(tài)吸附效果明顯優(yōu)于靜態(tài)吸附效果，動態(tài)吸附單位蔗汁樹脂用量僅為38 mg/mL，樹脂吸附效率達(dá)到53.94%，70%乙醇的解吸效率達(dá)81.27%，按此得率計算蔗汁中的多酚提取率應(yīng)為43.81%，若考慮蔗汁指標(biāo)已滿足生產(chǎn)需求及產(chǎn)出成本等因素則可選擇該樹脂用量為生產(chǎn)參考指標(biāo)。

表2 HPD 100樹脂用量對比Table2 Comparison of HPD 100 Resin Consumption

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明：（1）靜態(tài)對比D 101樹脂、HPD 100樹脂提取蔗汁中的色素多酚，HPD 100大孔樹脂吸附效率高于D 101樹脂；（2）當(dāng)蔗汁以4 BV/h流速過柱時，HPD 100樹脂對蔗汁多酚的動態(tài)吸附效率為53.94%，蔗汁色值去除率為75.4%，混濁度去除率為78.6%；（3）樹脂動態(tài)吸附及解吸效果優(yōu)于靜態(tài)，動態(tài)下單位蔗汁樹脂用量38 mg/mL即可滿足吸附要求，而靜態(tài)吸附樹脂用量達(dá)160 mg/mL；（4）70%乙醇解吸液對蔗汁色素多酚具有較好的解吸效果，其動態(tài)解吸率達(dá)到81.27%，可較好地實現(xiàn)對蔗汁色素多酚的回收利用，解吸后的乙醇使用真空蒸發(fā)回收，不對環(huán)境造成二次污染，同時乙醇的使用也不會影響食品安全。

4 討論

孫曉雪[23]利用乙醇溶劑浸提法提取甘蔗梢多酚，通過正交試驗確定最佳提取工藝，甘蔗梢多酚提取量為1.85 mg/g。趙毅[25]利用響應(yīng)面模型對影響甘蔗多酚含量的關(guān)鍵因子及其相互作用進(jìn)行了探討，優(yōu)化得到甘蔗多酚浸提工藝的最佳條件，多酚提取量達(dá)2.853 mg/g。本實驗從靜態(tài)擴(kuò)大到30 L蔗汁的動態(tài)實驗，對比篩選出適宜蔗汁脫色、提取蔗汁色素多酚的樹脂，目的是使實驗工藝及數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)貼近生產(chǎn)，有望從甘蔗制糖生產(chǎn)工藝中開發(fā)出另一附加產(chǎn)值的產(chǎn)品。實驗對蔗汁的預(yù)處理盡可能與制糖生產(chǎn)工藝保持相同，通過HPD 100樹脂一步脫色實驗既提取了甘蔗中的色素多酚等物質(zhì)，又降低了蔗汁中的色值、渾濁度，使蔗汁色值滿足了白砂糖的生產(chǎn)需求，適合于擴(kuò)大再生產(chǎn)的需求。本次實驗甘蔗原汁多酚分析數(shù)據(jù)0.526 mg/g，加熱澄清過濾后蔗汁多酚含量0.425 mg/g，蔗汁通過HPD 100樹脂純化濃縮后，最終得到185 g色素多酚，其中：固形物含量12%，多酚含量23.9 mg/g，即多酚最終提取率為0.1474 mg/g蔗汁，若按蔗汁中多酚含量計算，多酚最終提取率為34.68%。與孫曉雪、趙毅試驗數(shù)據(jù)存在一定的差異，主要原因是提取原料的不同以及提取工藝的差異性問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前離子交換樹脂生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，樹脂生產(chǎn)成本大大降低，質(zhì)量更加穩(wěn)定，采用HPD100樹脂提取蔗汁中的色素多酚工藝較為簡單，提取物通過加工成為食品添加劑，有望為企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。