从胡萝卜中提取色素的实验

从胡萝卜中提取色素的实验前言色素分天然色素和合成色素两大类，天然色素的应用有着悠久的历史，我国古代就有使用天然色素作纺织品染料、米饭、酿酒、化妆品等色料的记载。自从1856年英国人帕金合成出第一种人工色素—苯胺紫之后，合成色素因其色泽鲜艳、着色力强、性质稳定且价格便宜等特点，在人们的生活中就开始扮演着非常重要的角色。随着毒理学和分析化学的不断发展，人类逐渐认识到多数合成色素品种对人体有较为严重的毒性和致畸、致癌性，世界各国严格限制使用尚未弄清其安全性的合成色素品种，不少合成色素相继从各国许可使用的名单中删除。因而，现在利用无毒无害的天然物质提取食用、化妆品和医用色素，成为一种新的发展趋势。第一部分：天然色素天然色素来自天然物质，现今主要由植物组织中提取，也包括来自动物和微生物的一些色素。天然色素具有安全、健康的特点，许多还具有一定的营养价值和药理功能。1天然色素的提取天然色素的生产和获得主要有三条途径：一是直接提取；二是人工合成；三是利用生物技术生产[1]。目前绝大多数品种的天然色素是采用直接提取方法生产的。色素的提取主要有下列方法：溶剂提取法、萃取法、酶法、压榨法、粉碎法、组织培养法、微生物发酵法及人工合成法等，下面仅介绍几种常用的、具有发展前景的天然色素提取方法。1.1溶剂提取法溶剂提取法是目前从动植物中提取色素的一种普遍常用的方法。溶剂提取法包括浸渍法、渗漉法、煎煮法和回流提取法。以水为溶剂提取天然色素可用浸渍法和煎煮法，前者适用于有效成分能溶于水，对湿、热稳定且不易挥发的原料用有机溶剂提取可采用回流提取法。提取高粱红色素是用0.1％的盐酸水溶液浸泡2h，除去杂质和杂色后，再用7％的乙醇水溶液在40℃下浸提，然后过滤、浓缩、干燥而得[2]。利用有机溶剂如甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等提取姜黄中的姜黄色素[3]。将虾壳用盐酸浸泡24h后过滤，滤渣用95％乙醇浸泡，提取液经蒸馏后得到浓缩的粗制虾青素提取物[4]。相对而言，有机溶剂提取法萃取剂便宜，设备简单，操作步骤简单易行，提取率较高，但用其提取的某些产品的质量较差，纯度较低，有异味或溶剂残留，影响产品的应用范围。1.2超临界流体萃取法目前在超临界流体萃取(SFE)技术中使用最普遍的溶剂是CO2。超临界二氧化碳流体萃取是近一二十年发展起来的一种新型物质分离、精制技术。它兼备有气体低粘度、高扩散和流体的高密度、大溶解度两方面的特点。由于超临界CO2提取工艺简单，能耗低，萃取剂便宜，提取的产品具有纯度高、溶剂残留少，无毒副作用等优点，越来越受到人们的重视。Rozzi.NL研究了32～86℃、13.7800～48.2686kPa条件下从番茄副产品中提取番茄红素。结果表明，在86℃、34.4786kPa条件下得到了38.8％的最大提取率。超临界CO2流体萃取技术是一种新型的绿色分离技术，但因为存在技术尚不完善、设备复杂且昂贵、运行成本高等问题，使这种萃取方法在该领域的发展和应用受到了一定的限制。1.3微波萃取法微波萃取是在密闭容器中用微波加热样品及有机溶剂，将待测物质组分从样品基体中提取出来的一种方法。其能在短时间内完成多种样品组分的萃取，溶剂用量少，结果重现性好。目前，微波技术用于提取色素的报道不断出现，涉及生物碱、黄酮、单宁类等物质。王伟华等人研究出了利用微波萃取番茄红素的最佳工艺条件，使得番茄红素的提取率达到95％，使提取时间大大缩短，与超临界CO2萃取相比，它成本低，投资少，提取率高[5]。微波萃取天然色素技术在实验工作中虽然已经取得一定重要成果，但由于受它的特性的限制，应用范围受到了一定的影响。1.4酶法在植物色素提取的过程中，色素往往被包裹在细胞壁内，而大部分植物的细胞壁由纤维素构成。用纤维素酶可以破坏β-D一葡萄糖苷键，使植物细胞壁破坏，有利于成分提取。根据此原理，在提取植物成分前先用纤维素酶酶解，使植物细胞壁破坏后再进行提取，可提高活性成分的提取率。而不管是否使用酶，提取物的成分一致，这说明酶解没有破坏植物色素的成分。总结，传统的提取方法如粉碎法、压榨法、有机溶剂提取法、回流法等存在着提取时间长、劳动强度大、原料预处理能耗高、热敏性组分易被破坏、生产的色素产品纯度差、有异味和溶剂残留等缺点，直接影响了天然色素的发展及应用。对人工合成法而言，由于生物合成代谢的复杂性，许多天然色素物质很难在人工控制下化学合成，人工合成的方法只能生产极个别的具有天然色素化学组成和分子结构的物质，如胡萝卜素。近年来随着生物技术的发展，利用生物技术生产天然色素已为人们开阔了广泛的领域，利用微生物发酵方法生产蓝色素、红曲色素等多种天然色素已成为现实[6]。2天然色素的分类和应用天然色素按来源可分为：植物色素、动物色素和微生物色素三大类；按其溶解性质不同又可分为水溶性色素和脂溶性色素；天然色素按其功效成分可分为：类胡萝卜素类；黄酮类色素；花青苷类色素；叶绿素类色素；其他类色素如姜黄、红曲、甜菜红、紫草红、紫胶红、蓝藻等。这里仅就几种有代表性的天然色素的生理功能和用途作如下介绍。2.1类胡萝卜素类类胡萝卜素是植物和微生物合成的天然色素，是多烯类色素代表，是胡萝卜素(carotene)和胡萝卜醇(xanthophylls)总称。广泛分布于生物界中，目前已发现类胡萝卜素就有600多种。类胡萝卜素按其组成和溶解性质可分为两类：胡萝卜素类和叶黄素类。类胡萝卜素类是国际公认具有生理活性功能抗氧化剂，为单线态氧有效淬灭剂，能消除羟基自由基，在细胞中与细胞膜中脂类相结合，有效抑制脂质氧化。较多摄入类胡萝卜素能减少老年性前列腺症和老年性视网膜黄斑变性[7]。近年有报道，其在抗癌、抗衰老等方面也有不少新的功能价值，因此类胡萝卜素色素是一类开发前景十分广阔的功能性食品添加剂。2.2黄酮类色素黄酮类色素是广泛分布于植物组织中一类天然色素，多呈浅黄色乃至无色，少数为鲜亮橙黄色。黄酮类化合物一直是人们所关注的抗氧化剂和自由基清除剂,众多的研究表明,黄酮类化合物具有广泛的生物活性,如抗氧化、抗突变、抗衰老、抗肿瘤抗菌等等[12]。其中最主要的是黄酮的抗氧化活性,主要表现在减少自由基的产生和清除自由基两个方面。在黄酮类色素中，高粱红色素、可可色素和洋葱色素具有较强的抗氧活性。王立等人对乌饭树树叶中提取出的色素进行了分离纯化,分离出了4种黄酮类物质。并且对这4种物质清除活性氧自由基的能力进行了研究,发现乌饭树提取物都具有很强的清除自由基能力,清除能力最强的槲皮素和6#提取物的IC50达到了519ug/mL左右[8]。2.3花青素类色素花色素又称花青素，存在于植物果实、花、茎和叶中细胞的液泡内，是植物体内一种水溶性色素。由于各种花色素分子结构上差异或酸碱度不同，花色素就呈红、紫、蓝等不同颜色。花青素类不仅资源丰富，色彩绚丽，构成色素王国中绝大部分，且生理活性也高，它是羟基供体，自由基清除剂，在眼科学和治疗各种血液循环失调疾病等方面均有疗效。2.4叶绿素类色素这类色素主要包括叶绿素及其铜钠盐、锌钠盐。叶绿素广泛存在于高等植物的叶、果实和藻类中。叶绿素具有补血、促进造血、活化细胞、抗菌消炎等功效，近年来还发现叶绿素有抑制癌细胞生成作用，因而是一种保健食用色素。叶绿素锌钠在医用上能用于治疗慢性骨髓炎、慢性溃疡、皮肤创伤、白血球减少等症，在食品工业上是很好的着色剂和营养强化剂。叶绿素铜钠除作为一种绿色素、脱臭剂外，在医学上也有许多生理功能，如叶绿素铜钠盐或其衍生物能促进机体细胞新陈代谢、胃肠溃疡面愈合及肝功能恢复，能用于治疗传染性肝炎、痔疮、白血病、子宫疾患及胃和十二指肠溃疡等，还能增进造血机能及促使放射线损伤机体恢复。2.5其它类色素主要指红曲色素、姜黄色素和紫草色素等。红曲色素除应用于食品中，起到增强食品风味和抗菌、抑菌、提高产品保质期作用外，还具有抗菌作用。另外，红曲色素作为中药还具有降脂、降压、降糖、抑制肿瘤细胞及治疗痢疾和胃病等功能。姜黄色素，因其着色力强，且具有抗炎、消除自由基、抑制毒素和抗癌等性能而广泛应用于食品及医药中，是难得药食两用药材，同时还是一种香料。它最主要生理功能为抗氧化，及与之相关生理功能，如可保护细胞的组分子不被破坏，对癌症引发有抑制作用，甚至有报道，它还具有抗HIV病毒功能等。紫草作为中草药，其临床已有相当长历史，具有凉血、活血、解毒、透疹功效和抗炎、抗菌、抗病毒等作用。而从中提取的紫草色素，是一种很有前途的生物色素，其鲜艳明亮红色用作化妆品添加剂，能明显提高化妆品抗菌、消炎、润肤、消斑功效；用作果酒、饮料、点心等食品添加剂，能增加其清热消毒、消炎抗菌、防病抗癌等功能。3天然色素的开发中存在的问题及研究方向[9]与合成色素相比,天然色素也存在一些需要改进的缺陷：大部分天然色素对光、热、氧、金属等敏感，稳定性较差；绝大多数天然色素染着力较差，染着不易均匀；天然色素对pH值变化十分敏感，色调会随之发生很大变化；天然色素种类繁多、性质复杂，就一种天然色素而言，应用时专用性较强，运用范围较窄。另外一个问题是许多未发现的色素可能位于未发展的陆地和海洋，商业开发难度较大。鉴于这些困难，目前天然色素的研究工作主要集中在以下三个方面：合成工艺、生产技术和可替代的色素资源。另外研究开发新的食用天然色素以外，必须加强天然色素稳定性和使用过程中色素稳定化技术的研究。在自然界中微生物能产生色素的种类非常丰富，且具有不受资源、环境和空间限制的优越性，因此被开发利用的潜力巨大，尤其是通过大量的发酵培养微生物即可获得天然色素产品，使生产成本大大降低，同时保护了环境和生态平衡，解决了资源短缺的矛盾，具有可持续开发利用的优势，而且产生的色素具有天然色素的特点，可应用于食品、医药、化妆品等行业中。微生物色素也将是天然色素开发的一大方向。第二部分：从胡萝卜中提取色素的实验1实验目的1)掌握从胡萝卜中提取分离胡萝卜素的原理和方法；2)学会用色谱柱和纸色谱的实验操作；3)学习并掌握柱色谱法的装柱操作。2实验原理胡萝卜是营养价值很高的蔬菜，其胡萝卜素含量丰富，胡萝卜素与VA的性质很相似，存在于有色植物中，有α、β和γ等几种异构体。其中，以β胡萝卜素的生理作用最好，可在动物的小肠、肝脏中转化成V，，所以也称VA元。在胡萝卜育种中，胡萝卜素的含量是一项重要指标。近年来，由于β胡萝卜素在防癌、抗癌方面的显著作用，使得胡萝卜素的研究更趋重要(10)。β—胡萝卜素大都难溶于水，易溶于极性或非极性的有机溶剂，分子式C40H56.分子量536.85，熔点184℃，是不饱和碳氢化合物，难溶于甲、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、丙酮等有机溶剂（11）。目前，对植物性食品中的胡萝卜素含量的测定，可以用生物学鉴定法、溶剂分配法和层析法（12），。本实验通过柱色谱法，薄层色谱法提取胡萝卜中的胡萝卜素（11）并进行鉴定。A.柱色谱法原理：柱层析是化合物在液相和固相之间的分配，属于固液吸附层析，在一般柱色谱装置中，柱内装有“活性”固体（固定相）如氧化铝或硅胶等，液体样品从柱顶加入，流经吸附柱时即被吸附在柱的上端，然后从柱顶加入洗脱溶剂冲洗，由于固定相对各组分吸附能力不同，以不同速度沿柱下移，形成若干色带。再用溶剂洗脱，吸附能力最弱的部分随溶剂首先流出，分别收集各组分，再逐个鉴定，若各组分是有色的物质，则在柱上可以直接看到色带。B.薄层色谱法原理：薄层色谱法是快速分离和定性分析少量物质的一种重要的实验技术，也用于跟踪反应进程。在玻璃板上均匀的铺上一薄层吸附剂，制成薄层板，用毛细管将样品溶液点在起始处，将此薄层板置于盛有溶剂的容器中，待溶液到达前沿后取出，晾干，显色，测定色斑的位置。3仪器与试剂1)仪器：色谱柱、滤纸、玻璃棒、毛细管、50mL烧杯、烘箱、250mL广口瓶2)试剂：新鲜胡萝卜5g、丙酮30mL、石油醚（bp30～60℃）20mL、石油醚（bp60～90℃）150mL、丁醇-水、乙醇、无水硫酸钠、羧甲基纤维素钠水溶液、层析用硅胶（80～100目）40g、1：9丙酮-石油醚注:1-层析缸;2-薄层板3-展开剂蒸气;4-展开剂图1—1柱色谱装置图1—2薄层色谱装置