1、 本科毕业论文 （ 20 届） 食品科学与工程 黑米色素的提取与纯化 II 摘 要 本实验利用超声波辅助提取技术和大孔树脂吸附法对黑米色素的提取和纯化进行研究，以获得其最佳工艺条件。主要研究结果如下： （ 1）超声波辅助法提取黑米色素的单因素试验和正交试验确定了最佳提取条件，提取剂乙醇浓度 70%， pH1.5，料液比 1 25，超声波作用时间 40min，提取两次。在最佳工艺条件下，黑米皮色素的得率为 25.19%，其花色苷含量为60.7mg/g，多酚含量为 194.5mg/g。 （ 2）比较了 3 种大孔树脂对黑米色素的吸附与解吸的效果，确定 AB-8 大孔树脂为最佳树脂。动态试验表明：上
2、样浓度为 0.8mg/mL，上样流速为1.0mL/min，解吸流速为 1.0mL/min，洗脱液浓度为 70%。纯化后的黑米色素精品得率为 12.93%，其花色苷含量为 194.7mg/g，多酚含量为 418.4mg/g。 关键词： 黑米；黑色素；提取；纯化 ABSTRACT The optimal parameters of extracting melanin from black kerneled rice by ultrasonic wave, and the purification parameters of extracting by macroporous resin. The
3、 results were as follows: (1) The results from sing-factor and orthogonal experiments showed the concentra- ntion of ethanol was 70%, the pH was 1.5, the ratio of material to reagent was 1:25, the extraction tim 40 min,and to repeat it two times. In this optimum condition, the extraction rate was 25
4、.19%. The anthocyanin and polyphenol content was respectively 60.7mg/g and 194.5mg/g. (2) AB-8 macroporous resin had good performance for absorption and de-absorption for the melanin of black kerneled rice. The optimal parameters of purification of melanin were as follows: concentration of melanin 0
5、.6mg/mL, felling rate 1.0mL/min, slution condition 70%, flow rate 1.0mL/min. The melanin content after purification was 12.93%. The anthocyanin and polyhenol content was respectively 194.7% and 418.4%. Key words: Black kerneled rice; melanin; extraction; purification I 目 录 1 前言 . 1 1.1 黑米的食疗和药用价值 .
6、1 1.2 研究背景 . 1 1.3 研究意义 . 2 2 试验材料 . 3 2.1 原料 . 3 2.2 试剂 . 3 2.3 试剂 . 3 3 试验方法 . 4 3.1 黑米色素的提取工艺研究 . 4 3.1.1 黑米色素最大吸收波长的确定 . 4 3.1.2 黑米色素的提取工艺流程 . 4 3.1.3 超声波辅助提取黑米色素的单因素试验 . 4 3.1.4 超声波辅助提取黑米色素正交试验 . 5 3.2 黑米色素的纯化工艺研究 . 6 3.2.1 黑米色素纯化工艺流程 . 6 3.2.2 黑米色素粗提物的制备和浓缩 . 6 3.2.3 大孔树脂的选型和预处理 . 6 3.2.4 大孔树脂
7、的静态吸附 -解吸筛选试验 . 6 3.2.5 大孔树脂动态吸附 -解吸黑米色素条件的优化 . 7 3.3 黑米色素基本指标的测定 . 8 3.3.1 花色苷含量的测定 . 8 3.3.2 多酚含量的测定 . 8 3.3.3 黑色素的得率 . 9 4 结果与分析 . 9 4.1 最大吸收波长的确定 . 9 4.2 单因素试验结果分析 . 9 4.2.1 提取液 pH 对黑米色素提取效果的影响试验结果分析 . 9 4.2.2 提取剂浓度对黑米色素提取效果的影响试验结果分析 . 10 II 4.2.3 料液比对黑米色素提取效果的影响试验结果分析 . 10 4.2.4 提取时间对黑米色素提取效果的影
8、响试验结果分析 . 11 4.2.5 提取次数对黑米色素提取效果的影响 . 11 4.3 正交试验结果分析 . 12 4.4 大孔树脂静态吸附 -解吸筛选试验结果分析 . 12 4.5 大孔树脂动态吸附 -解吸黑米色素条件的优化结果分析 . 13 4.5.1 上柱液流速对大孔树脂吸附效果的影响试验结果分析 . 13 4.5.2 上柱液浓度对大孔树脂吸附效果的影响试验结果分析 . 14 4.5.3 乙醇浓度对大孔树脂解吸效果的影响试验结果分析 . 14 4.5.4 解吸流速对大孔树脂解吸效果的影响试验结果分析 . 15 4.6 黑米色素中基本指标的测定结果 . 15 4.6.1 花色苷的测定结果
9、 . 15 4.6.2 多酚的测定结果 . 15 4.6.3 黑色素的得率 . 16 5 结论 . 16 5.1 黑米色素的提取工艺研究结论 . 16 5.2 黑米色素的纯化工艺研究结论 . 16 参考文献 . 17 1 1 前言 1.1 黑米的食 疗和药用价值 黑米为禾本科植物稻米中的一种特殊米，俗称黑籼米 1，其外表墨黑、质地细密，营养丰富 2。在我国已有 2000 多年的种植历史，早在齐民要术等古农书中就有记载。黑米品种较多，据报道已有 30 余种之多，可分为籼米、硬糯和籼粘三种类型，其中以陕西的洋县黑米、贵州的黑糯、云南的紫米、江苏的常熟鸭血糯等最为驰名 3。 黑米中含有十分丰富的对人
10、体有益的化学成分。据报道 3，黑米中蛋白质含量为 12.517%，是普通优质大米的 1.52 倍；人体必需的八中氨基酸含量为 4.35.3%，比普通优质大米高出 3060%；氨基酸种类比较齐全，组成和含量也比较合理；多种微量元素的含量也比较高，其中铁、辛的含量比普通优质大米高 12 倍，钙高 24倍，铜高 1 倍。黑米中还含有大米中缺少的维生素 C 和胡萝卜素。 自古以来，黑米就被人们当成一种滋补保健品，其食疗功效非常显著。现代医学证实，长期食用黑米，可有利于防治头晕、贫血、白发、目眩、眼疾、腰膝酸软、大便秘结、小便不利、肺燥咳嗽、肾虚水肿、脾胃虚弱、食欲不振等症状，还可延长寿命 4。据营养学
11、家黎黍匀研究，黑米的生命力指数为 7.7.021，食物防病指数为36.05，具有较 强的保健功能 5。 黑米是一种食、药兼用的大米。在李时珍的本草纲目中记载，黑米具有“滋阴补肾、健脾暖肝”、“明目活血、清肝润肠”、“滑湿益精、补肺缓筋”等功效 6。现在的中医学者早以证明其具有古农医书中所记载的药用价值。 1.2 研究背景 黑米所表现出来的保健作用主要不是来源于黑米中的膳食纤维、纤维素和矿物质等营养素，而是与黑米皮中富含的黑色素有关 7。黑色素是由苯酚或者吲哚氧化聚合而成的大分子 8，具有丰富的生物功能，有抗癌、抗动脉硬化、抗糖尿病等作用，还具有良好的滤过性病原体和抗菌剂的活性， 抗氧化作用 9
12、。黑色素还能抗辐射，清除自由基，既可用于食品，又可用于化妆品，是一种很好的天然色素。因此，开展黑色素的提取和纯化，具有非常重要的意义。 黑色素的溶解性和极性是提取与纯化的重要依据。黑色素微溶于水，微溶或不溶于大多有机和无机溶剂。但其溶解性受酚羟基离子化程度和氨基酸的含量的影响10，当与糖类或蛋白质大量结合或离子化形成黑色素盐时，又具有水溶性 11。黑米2 色素在酸性溶液中比较稳定，在 pH值为 2-11 条件下，色泽表现出红色到蓝紫色和橙黄色的变化特征。 黑色素具有非常丰富的生物功能 12，可 为生物体提供结构性强度，保护生物免受紫外线、重金属污染、电离辐射、低温核高温等环境的危害。黑色素还是
13、很好的光保护剂、鳌合剂、抗辐射剂、生物抗氧化剂、免疫促进剂、生物半导体材料。近年来的研究还表明，黑色素还具有抗癌、抗蛇毒、抗肿瘤、抑制爱滋病毒复制、治疗帕金森症、降血脂等作用。 随着食品工业的迅速发展，国内外对使用色素的需要量大大增加，天然色素作为食品添加剂和食品功能性成分，其安全性足可保证，其代替合成色素是必然趋势。黑色素作为天然使用色素的一员，其提取和纯化的研究非常重要。 1.3 研究意义 黑色素是 由苯酚 或者吲哚氧化聚合而成的大分子物质，生物功能显著，营养丰富，具有较好的染色能力，可用于医药、农业、食品、化妆等行业中。因此人们长久以来致力于如何提取和纯化黑色素。随着经济的迅速发展，提取
14、和纯化的新技术也得到了大力的发展。这些新技术往往能大大提高黑色素的提取率与质量，同时还能节约大量的时间和能源，总而言之，新技术具有传统方法无法比拟的优点，对提高黑色素的质量、减少试剂的用量、提高生产效率、缩短时间等方面具有积极的推动作用。由此可见，新技术在黑色素提取和纯化领域的广泛运用必将推动黑色素的应用进程。 黑色素常用的提 取方法有水提取法、酸性溶液提取法、有机溶剂提取法。这些方法都是是使细胞内的黑色素溶于溶液中，在利用萃取等方法进一步提取。其中有机溶剂提取法较为常见 13。根据相似相溶原理，利用以纯牛奶或者甲醇等有机溶剂使黑色素溶于其中，在通过一定的辅助方法提取，这样可提高其提取率。因此
15、，科学研究者常常加上不同的辅助方法来提高有效成分的提取率。常用的方法有回流提取 14、超声波法 15、微波法 16。其中超声波辅助提取法提取黑色素，是目前比较新的技术。它的原理是 利用超声波产生的强烈振动、很高的加速度、强烈的空化效应、搅拌等特殊作用来破坏植物的细胞，使溶煤渗透到被提取物的细胞中，从而使被提取物的化学成分溶于液体之中 17-18。因此，超声波提取法 具有实验设备简单、操作方便、提取时间短、产率高， 并且无需加热，得到的色素产品的结构和性质也不会改变。 3 粗制天然色素的杂质含量高、有异味、强烈吸水性，直接影响了天然色素的着色性和稳定性。所以纯化粗制色素得到精制色素可以改善其性能
16、，扩大应用范围。目前黑色素的纯化方法主要有大孔树脂吸附法 19、膜分离法 20、酶解法 21等。后两者纯化方法还处于研究阶段，实验成本比较高。而大孔 树脂吸附法具有工艺简单、生产成本低、分离效果好、稳定性好和易再生等特点 22，其原理是利用大孔树脂不溶于酸、碱和有机溶剂的物理性质，经过吸附 -解析过程得到色素的精制或分离。 本文以黑米为原料，采用超声波辅助提取法对黑米色素提取工艺进行研究，通过 pH、提取剂浓度、提取时间、料液比四个单因素和正交试验来确定提取的最佳条件。在最佳提取工艺条件下，提取得到的黑米皮黑色素粗品。通过静态吸附 -解吸实验筛选合适的大孔树脂，并用优选出的树脂进行动态吸附 -
17、解吸试验，确定最佳纯化工艺条件。 2 试验材料 2.1 原料 黑米购 自于浙江省宁波市鄞州区，用蒸馏水漂洗数次， 50烘干，高速万能粉碎机粉碎，过 50 目筛，得干燥的黑米种皮粉末，棕色瓶保存。 2.2 试剂 表 1 实验试剂一览表 试剂类型 规格 生产厂家 无水乙醇 AR 浙江中星化工试剂有限公司 浓盐酸 AR 浙江中星化工试剂有限公司 碳酸钠 AR 浙江中星化工试剂有限公司 无水乙酸钠 AR 浙江中星化工试剂有限公司 氯化钾 AR 天津市博迪化工有限公司 没食子酸 AR 上海晶纯实业有限公司 福林酚试剂 BR 国药集团化学试剂有限公司 2.3 试剂 表 2 实 验仪器设备一览表 仪器类型
18、型号 生产厂家 电子分析天平（千分之一） PL203 梅特勒 -托利多仪器有限公司 恒温振荡器 VDS-15 太仓试剂设备厂 高速万能粉碎机 FW100 天津市泰斯特一起有限公司 4 续表 2 仪器类型 型号 生产厂家 紫外可见分光光度计 uv-1600 上海菁华科技一起有限公司 超声波细胞粉碎机 JP300 武汉加鹏电子有限公司 旋转蒸发器 RE-2000 上海亚荣生化仪器厂 低温冷却液循环泵 DLSB-5/25 巩义市子华仪器有限责任公司 pH 计 DELTA-320 梅特勒 -托利多仪器有限公司 大孔树脂 AB-8 上海摩达科学器材有限公司 大孔树脂 DM-130 上海摩达科学器材有限公
19、司 大孔树脂 HPD-400 上海摩达科学器材有限公司 高速冷却离心机 GL-20G- 上海安亨了学仪器厂 循环水式多用真空泵 SNB- 郑州长城科工贸有限公司 3 试验方法 3.1 黑米色素的提取工艺研究 3.1.1 黑米色素最大吸收波长 的确定 称取 1g 黑米皮粉末用 70%的乙醇按 1 20 的料液比、 pH2.0 于超声波下超声40min。过滤，取 0.5mL 过滤液定容于 50mL 的容量瓶中，以相应的溶剂为参比，进行 400-800nm的全波长扫描，以确定黑色素的最大吸收波长。 3.1.2 黑米色素的提取工艺流程 黑米除杂清洗干燥粉碎过筛（ 50 目）称量（取 1.0g）超声波辅
20、助浸提过滤上清液浓缩黑色素粗提液干燥黑米色素粗品 3.1.3 超声波辅助提取黑米色素的单因素试验 以黑米色素在最大吸收波长下的吸光值为指标，进行单因素试验，以确 定提取液 pH、提取剂溶液、料液比、提取时间对黑色素提取效果的影响。 3.1.3.1 提取液 pH 对黑米色素提取效果的影响 称取 1.0g 黑米皮粉末 6 份，置于 20mL、 70%的乙醇溶液中，用 1moL/L 的盐酸分别调 pH 为 0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 3.0、 4.0，在超声波中提取 40min 后过滤，各取0.5mL 过滤液用相应 pH的溶剂定容至 50mL，摇匀溶液，于 530nm 处测取吸光值。 3
21、.1.3.2 提取剂浓度对黑米色素提取效果的影响 分别用 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%的乙醇溶液，用 1mL/L 盐酸调节pH 值至 1.5 作为浸提液。称取 1.0g 黑米皮粉末，按料液比 1 20（ g mL）分别加5 入相应的浸提液中，在超声波粉碎器中提取 40min 后过滤，各取 0.5mL 过滤液用相应 pH 的溶剂定容至 50mL，摇匀溶液，于 530nm处测其吸光值。 3.1.3.3 料液比对黑米色素提取效果的影响 分别称取 1.0g 黑米皮粉末，按料液比 1 10、 1 15、 1 20、 1 25、 1 30、 135、 1 40 加入相应体积的
22、pH1.5、 50%的乙醇溶液，在超声波粉碎器中提取 40min后过滤，在 50的旋转蒸发器上蒸发，使过滤液在 15mL 左右，然后用相应 pH 的溶剂定容至 20mL，各取 0.5mL 过滤液用相应 pH 的溶剂定容至 50mL，摇匀溶液，于 530nm处测其吸光值。 3.1.3.4 提取时间对黑米色素提取效果的影响 称取 1.0g 黑米皮粉末 6 份，各加入 20mL、 pH1.5、 70%的乙醇溶液，分别在超声波粉碎器中提取 20min、 30min、 40min、 50min、 60min、 70min 后过滤，各取 0.5mL过滤液用相应 pH 的溶剂定容至 50mL，摇匀溶液，于
23、530nm处测其吸光值。 3.1.3.5 提取次数对黑米色素提取效果的影响 采用以上 单因素试验作出的最佳提取参数为试验依据，提取次数分别为 1、 2、3、 4、 5，每次都取 0.5mL 用相应 pH的溶剂定容至 50mL，摇匀溶液，于 530nm 处测取吸光值。记下每次滤液的吸光值，计算提取率。 提取率（ %） =An/A 总 100 式中： An 为第 n 次提取液的吸光值； A 总 =A1+A2+A3+A4+A5。 3.1.4 超声波辅助提取黑米色素正交试验 根据提取液 pH、提取剂溶液、料液比、提取时间等单因素试验的结果，以提取液 pH、提取剂溶液、料液比、提取时间四个因素作为研究对象，分别设三个水平，按 L9(34)正交表进 行正交试验，以吸光值为考察指标，优化黑米色素的最佳提取条件。正交试验因素水平见表 3。 表 3 黑米色素提取正交试验因素水平表 水平 因素 A 提取时间（ min） B 提取剂浓度（ %） C 料液比 （ g mL） D pH 值 1 30 60 1 20 1.0 2 40 70 1 25 1.5 3 50 80 1 30 2.0
