野辣椒色素提取工艺研究.doc

六盘水师范学院毕业论文（设计） 本科毕业论文论文题目：野辣椒色素提取工艺研究系：化学与化学工程系专 业：化学班 级：化学10本学 号：104101011040学生姓名：张敏指导教师：王毅红2014年5月16日六盘水师范学院本科毕业论文诚信责任书原创声明本人在此声明，此论文是在王毅红老师的指导下对野辣椒色素提取工艺进行研究的实验成果，其中进行参考的文献均已注明，对本论文进行过指导或提供帮助的人员或集体均已均已注明并表达了诚挚的感谢。本论文没有别人研究、发表出版的成果。使用授权声明未经本人书面承诺授予，不得对本论文进行复制、印刷、修改、发表等恶意行为，更不可用于商业牟利。如若不然，自行承担法律责任。本人签字： 导师签字：日期：六盘水师范学院毕业论文（设计） 第15页野辣椒色素提取工艺研究目录中文摘要英文摘要关键词第一章 前言1第二章 文献综述22.1色素的种类及成色原理22.2天然色素的特性及发展22.3天然色素的提取方法42.4本实验采用的提取方法 5第三章 材料及仪器6第四章 过程与方法74.1提取剂浓度的影响74.2浸提温度的影响84.3浸提时间的影响84.4料液比的影响84.5正交实验9第五章 结果与数据分析105.1最大吸收波长105.2提取剂浓度的影响结果分析105.3提取温度的影响结果分析105.4提取时间的影响结果分析105.5料液比的影响结果分析115.6正交实验数据分析11结论13参考文献14致谢16摘要本文以野生野辣椒为对象，采用溶剂提取法，以乙醇为溶剂，研究野辣椒中色素的最佳提取条件。在色素提取过程中主要研究的影响因素有时间、温度、料液比、提取剂浓度。首先通过控制变量法得到每个单因素的最佳提取条件为：时间为2.5h、温度为70、料液比为1：250、提取剂浓度为100%。然后再根据单因素实验中获得的条件进行L9(34)正交试验找到最佳综合提取条件为：浓度为80%，时间为2.5h，温度为70，料液比为1:250。根据所得的最佳综合条件再次提取野辣椒色素，并测得其提取液的吸光度值为1.321，大于正交实验中设计的九组在不同条件下提取出的提取液所测得的吸光度值，因此可说明此种条件为野辣椒色素提取的最佳条件。在此实验中考虑到温度过高，可能会导致色素不稳定，于是对温度进行单因素实验时最高设置在70。关键词：野辣椒，色素，正交实验。AbstractIn this paper, as an object of wild pepper, using a solvent extraction method using ethanol as a solvent to study the optimum extraction conditions of wild pepper pigment. Factors affecting the principal pigment extraction process are time, temperature, solid-liquid ratio, extraction agent concentration. First get every single factor method by controlling the variables optimum extraction conditions were: time is 2.5h, the temperature is 70, solid-liquid ratios of 1:250 extract concentration is 100%. Then to L9 (34) orthogonal experiment to find the optimal extraction conditions integrated single factor experiments under the conditions obtained: the concentration of 80%, the time of 2.5h, the temperature is 70, solid-liquid ratios of 1:250. Extract obtained in accordance with the general terms of the best wild pepper coloring again, and the absorbance measured obtaining the extract is 1.321, the absorbance values Greater than nine extracted under different conditions, extract orthogonal experimental design measured, therefore, this condition can be described as the best conditions for wild pepper pigment extracted. In this experiment, taking into account the temperature is too high, it may result in an unstable pigment, so the temperature of the highest single-factor experiment set 70.Key words：Wild pepper；pigment；orthogonal test.第一章 前言野辣椒是贵州省叁都水族自治县的一种一年生的草本植物。在当地，每逢过年过节家家户户都要做一道美食，他们首先将采摘回来的野辣椒放入水中煮上一番，过滤掉渣滓，所得的滤液就成了糯米天然的染色剂，将在此滤液中浸泡过的糯米加以蒸煮，这道美食就做成了。利用熬煮植物所得的液体来给食物上色是一种古老的智慧，它既满足了条件困苦的人们对色彩的需要，又为食物注入了更多的营养。贵州省叁都水族自治县是一个偏远的山区，它的特殊地形和气候成了野辣椒生长的温床，没到三四月，山上处处可见这种植物，非常普遍。可对于其他地方却并不常见，因此研究此植物的人也非常之少。进行野辣椒色素提取工艺的研究一方面可以让更多的人认识这种植物，了解地方风俗；另一方面又可以为野辣椒色素今后的研究提供一定的帮助。并且野辣椒色素是一种天然色素，如果今后可投入生产，作为食用色素使用，不仅可以为当地的农民增加收入，同时也丰富了食用色素的选择可能。第二章 文献综述2.1 色素的种类及成色原理植物有颜色是因为植物中的含有色素，其花色、果色或体色的呈现都是以色素为主体，可是植物所呈现的颜色的种类并不能认为就是色素的种类，那是因为植物的生理条件是有所区别的，就算是完全一样的色素，也可能呈现出不同的颜色。比如用甲醇混合少量盐酸的提取剂浸提蓝色鸭跖草、牵牛花和矢车菊，所得的色素却为红色系色素1。而不一样的色素，却可能使不同种的植物呈现出相同的颜色。不仅如此，植物的颜色还会收到季节、光照、温度等环境的影响而有所变化。 根据色素的结构差异可分为以下几种：（1）多酚类：为醇溶性或水溶性色素 , 是多元酚的衍生物 , 可分为单宁类、 花青素类和花黄素类。 如高粱红素、天竺葵色素、飞燕草色素和牵牛花色素等 。（2）多烯类：多烯色素是由异戊二烯为单元组成的共轭双键相连为基础的一类色素。绿色植物的果实里多含有这种色素，这类色素又被称为类胡萝卜素。类胡萝卜素按溶解性和结构分为两类：叶黄素类，胡萝卜素类。多摄取胡萝卜素，能降低老年性前列腺疾病和视网膜黄斑变性的可能2-4。（3）酮类和醌类：是一类生物活性物质，多存在于霉菌的分泌物、植物的地下茎和红甜菜中。此种类的色素种类比较少。（4）吡咯类：这类色素广泛的存在于绿色的植物之中。在高等植物里，叶绿素是吡咯类色素的代表，叶绿素易溶于乙醇溶液、石油醚、丙酮等有机溶剂，其分为叶绿素a（蓝绿色），叶绿素b（黄绿色）。（5）其他类：在所有的色素中也有一些结构不同于上述几类的，但也是色素。由于结构的不同而导致其性质也由于上述色素有所区别。2.2 天然色素的特性及发展2.2.1天然色素的特性：（1）天然的植物色素的副作用大多数都比较小，有相对较高的安全性。（2）天然色素最主要的活性为抗氧化性，可清除导致动脉硬化、肿瘤等多种疾病的氧自由基5。（3）色素来源于自然，所以染色的色调较为自然，但着色能力较弱，染色可能出现不均匀的情况。（4）由于是从天然的植物中提取，有的共存物难以完全分离，便会影响色素的味道，可能产生异味。许多植物色素对光照、温度、酸碱度、金属离子等敏感，是的它的稳定性不是特别理想，由于这些综合原因造成其生产成本要比合成色素高。2.2.2天然色素的发展五彩的食品不仅能使人心情愉悦，还能增进食欲有利于消化和吸收。影响消费者对食物是否新鲜的判断的最直接的因素就是食物所呈现的色泽，制造商通常通过在食品加工、生产过程中添加色素来保持食品良好的色泽和改善食品的感官性质，以提高食品的商品性。玩具、衣服、家具等物品中添加色素后更能刺激消费者的消费欲望，客观需要及利益驱使造就了色素在商品加工生产中举足轻重的地位。色素通常是指有选择性的将特定波长的光吸收或反射的物质，它可分为人工合成色素和天然色素。进年来随着人们对健康的重视，及保健意识的增强，人们更愿意选择安全性高、副作用小、色泽真实并且有一定生理活性的天然色素。同时，进入WTO的中国正面临着经济全球化的需要，这更是推动了天然色素的发展。有资料表示，专利在1971年到1981年间公开发表的食用天然色素的专利就占了食用色素专利的87.5%。这是由于随着分析化学及毒理学的发展，随着人们对合成色素的不断了解，合成色素逐步被天然色素所取代（特别是在饮食行业所用的食品添加剂）已是必然的趋势6-8。偶氮化合物为合成色素的主要成分，进入体后经过代谢会产生有致癌性的萘酚、氨基-1-萘酚，并且在合成色素的生产过程中容易残留铜、砷、铅、苯胺、苯酚、硫酸盐等具有致泻、致癌、致畸变的有毒物质，这些物质都会对人的身体产生不可估量的损害，存在极高的安全风险。许多国家早已开始严格控制合成色素的食用，有的合成色素甚至受到了法律法规的禁止。现在合成色素被允许使用的在英国只剩22种、日本只剩12种、捷克只剩10种、中国只剩8种、美国只剩7种，瑞典、法国、丹麦、挪威、芬兰、印度等国已禁止使用用重氮类的色素，还有一些国家对合成色素已完全关上了大门。在如此情势之下，天然色素便迎来了它的春天，大批的研究人员开始了天然色素的研究，掀起了天然色素的研究潮流。在国际市场，天然食用色素每年的增长的销售额均大于10%。在国外，尤其是欧美等发达国家已经开发出了许多新的天然色素应用于食品加工行业中9。在天然食用色素的研究开发中, 处于领先地位的当属日本, 其已有六十余中天然得到被列入使用目录10-11。我国的天然色素被允许投入生产和使用的大约有四十种，而厂家百余，年产万吨。在所有生产的色素中焦糖色素占有较大比例，为总量的70%左右，除此之外，姜黄色素、辣椒红色素、玫瑰茄色素、高粱红色素等品种的产量也比较大。我国生产天然色素的各方面条件已比较成熟，许多天然色素除在本国销售之外，还出口到国外。据统计，自然界中就有2000多种含有色素的植物，如芒果、黑米、乌饭树、密蒙花、酸枣、芍药花、螺旋藻等常见植物或果实中的色素提取研究都比较多，而研究像野辣椒这样的地方特有植物的人却很少。野辣椒中的色素与合成色素相比，不含焦油类、苯环或萘环类对人体有害的物质，可广泛用于保健品、食品、化妆品及医药的生产中。在国际形势大好的背景下，在野辣椒生长力非常强的情况下，野辣椒色素是非常有发展前景的。2.3 天然色素的提取方法天然色素的种类十分丰富。根据色素原料、剂型和用途不同, 提取方法有碱提法、压榨法、超临界萃取法、溶剂萃取法、超声波处理法、分子蒸馏技术、微生物发酵法等12-15。可以选用相同的提取方法，可由于植物的自身特性有所不同，所以即使选用相同的方法，在操作流程和工艺参数上也会有同，不可死板的完全套用。以下是其中几种方法的简介：（1）超声波处理法 用微波辅助提起色素的效果比使用传统的水浴加热的效果好，这种方法既省时又节能，还能提高提取率。黄丹16等就采用了超声波技术辅助提取了液态发酵的红曲霉菌体种的红曲色素，提取效果非常不错。（2）超临界二氧化碳流体萃取法 超临界二氧化碳流体萃取法是分离、精制物质的一种近20年才发展起来的方法，它有流体密度高、溶解度大和气体高扩散、低粘度两方面特点17。它是利用高于临界压力、临界温度的流体作为提取剂的萃取过程。这种方法萃取得的产品没有溶剂残留，没有毒性并且廉价易得，无论是对人还是对环境都是无害的，完整的保留了色素天然的特性。在近几年来，此种方法的应用在天然色素提取种越来越多，李敏等就对在天然色素的提取中使用超临界二氧化碳流体萃取法做了专门的论述18。但由于使用此方法所需的设备价格不菲，加上此方法提取色素的工艺还不是很成熟，所以还没有普及应用。（3）有机溶剂浸提法 当色素水溶性较差或是不容时，便可采用有机溶剂浸提法，如乙醇、苯、丙酮和石油醚等有机溶剂均可做为提取剂提取色素。但此方法溶剂可能会有残留，浸提过程中使用的大量提取剂难以回收，造成成本过高。对于色素而言，此方法虽提取出来的色素色泽变化大，溶解性也比较差，但是操作简便，原料易得，所以在实验研究中的运用也较多。（4）碱提法 碱提法是利用碱液对植物进行作用从而达到色素提取的效果，但此法与有机溶剂浸提法面临着一样的问题，提取过程消耗的碱很多，而提取后的废液又难以回收。（5）分子蒸馏技术 分子蒸馏技术是一种可以连续在高真空状态下进行操作的液-液分离特殊技术，这种技术能很好的保证热敏性原料的品质，能减小高沸点原料的分离成本。当其他分离方法难以将粗产品里的高附加值成分进行分离提纯时，便可使用此法。分子蒸馏技术提取出的色素无论是色价还是产率都远高于其他提取手段。（2）吸附精制法大孔树脂又叫做全多孔树脂，是一种高分子化合吸附剂，疏松多孔的结构使它具有了超强的吸附能力。它不溶于酸、碱、有机溶剂，对有机物有分离、提纯、浓缩的作用。提取花青素是使用此法较多，首先用酸性提取剂对植物色素进行浸提、过滤，滤液经过大孔树脂进行吸附，再用其他溶剂洗脱，干燥或浓缩洗脱液就可以得到较纯的产品。虽然工艺比较繁琐复杂，但回收率高，且产品较纯，质量较好。要注意的是大孔树脂的吸附能力除了与其本身的化学性质和物理性质有关，还于被吸附的物质的化学或物理性质、操作方法、介质性质等方面有关。 2.4 本实验采用的提取方法本研究采用有机溶剂浸提法提取野辣椒色素，提取剂为乙醇，分别研究浸提时间、温度、乙醇体积分数、料液比几种因素对提取效果的影响，然后，通过L9(34)正交试验得到几种单因素的最佳组合条件。希望能为今后研究野辣椒色素提供参考。第三章 材料及仪器材料：采自贵州省叁都水族自治县的野辣椒 药品陈列表3.1名称产地纯度无水乙醇天津市大茂化学试剂厂分析纯95%乙醇重庆川东化工（集团）有限公司分析纯 仪器陈列表3.2名称产地孔径为0.3毫米的筛子浙江上虞市华丰五金仪器有限公司200克手提式高速万能粉碎机温岭市林大机械有限公司DK-98-1型水浴锅天津市泰斯特仪器有限公司101-2型电热鼓风干燥箱天津市泰斯特仪器有限公司分析天平梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司TU-1901 双光束紫外可见分光光度计北京普析通仪器有限责任公司第四章 过程与方法 本次试验是以乙醇为溶剂，首先以一定条件得到提取液，用紫外可见分光光度计进行是找到最佳吸收波长。对浸提时间（h）、温度（）、乙醇浓度（C）、料液比四种因素进行试验，根据吸光度值的大小找到各个因素的最佳条件。通过L9（34）正交试验得到几种单因素的最佳组合条件。用得到的最佳条件进行提取，检测得提取液的吸光度值，通过比较其值最大，即确定此条件为提取野辣椒色素的最佳条件。实验之前先进行前期准备，材料准备：将采摘来的新鲜野辣椒放入烘箱中，将温度调至70，干燥两天之后取出，放凉后用200克手提式高速万能粉碎机打将其成粉末，再过孔径为0.3毫米的筛子，装入棕色广口瓶中备用。仪器准备：将25ml容量瓶，10ml、50ml、1000ml量筒，1000ml试剂瓶，圆底烧瓶，烧杯，漏斗等洗净备用。4.1 提取剂浓度的影响用95%的乙醇配制成20%、40%、60%、80%四种浓度的乙醇溶液，取蒸馏水和无水乙醇备用。用圆底烧瓶取0.1g野辣椒粉末（六份），给每一份进行编号。向1、2、3、4、5、6号样品中分别对应加入浓度为0%、20%、40%、60%、80%、100%的乙醇溶液，打开水浴锅，调至30，放入样品水浴0.5小时。然后冷却至室温过滤，定容至25ml，用紫外可见分光光度计以蒸馏水为参比液进行全光谱（400nm-750nm）扫描，找到最大吸收波长。测定并记录提取液在此波长的吸光度值。根据朗伯一比尔定律A=ab（即A=Kc）可知,在K一定时实验测定的最大吸收波长下的吸光度A与色素提取液的浓度成正比。吸光度（A）越大，便表明色素的提取率越高。记录下每组提取液在此波长处的吸光度值。 各号样品具体提取条件表 4.1编号浓度料液（g/ml）温度（）时间（h）10%1:100300.5220%1:100300.5340%1:100300.5460%1:100300.5580%1:100300.56100%1:100300.54.2 浸提温度的影响 用圆底烧瓶分别取野辣椒粉末5份，每份0.1g，给每一份进行编号。向1、2、3、4、5号样品中加入60%的乙醇溶液提取剂，料液比为1:100，分别对应置于10、20、40、60、80水浴锅中加热0.5小时。然后冷却至室温过滤，定容至25ml，用紫外可见分光光度计分别测定在最大吸收波长处的吸光度值。 各号样品具体提取条件表4.2编号温度（）料液（g/ml）浓度时间（h）1101:10060%0.52201:10060%0.53401:10060%0.54601:10060%0.55801:10060%0.54.3 浸提时间的影响 用圆底烧瓶分别取野辣椒粉末5份，每份0.1g，给每一份进行编号。向1、2、3、4、5号样品中加入60%的乙醇溶液提取剂，料液比为1:100，置于40水浴锅中，加热时间分别为0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h。然后冷却至室温过滤，定容至25ml，用紫外可见分光光度计分别测定在最大吸收波长处的吸光度值。 各号样品具体提取条件表4.3编号时间（h）料液（g/ml）温度（）浓度10.51:1003060%21.01:1003060%31.51:1003060%421:1003060%52.51:1003060%4.4 料液比的影响 用圆底烧瓶分别取野辣椒粉末5份，每份0.1g，给每一份进行编号。向1、2、3、4、5号样品中加入60%的乙醇溶液提取剂，料液比分别为1:100、1:150、1:200、1:250、1:300，置于40水浴锅中加热0.5小时。然后冷却至室温过滤，定容至25ml，用紫外可见分光光度计分别测定在最大吸收波长处的吸光度值。各号样品具体提取条件表4.4编号料液（g/ml）时间（h）温度（）浓度11:1000.53060%21:1500.53060%31:2000.53060%41:2500.53060%513000.53060%4.5 正交实验 正交试验设计是利用正交表老安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分实验结果所得的数据进行分析来了解全面试验的情况，找到最优的水平组合。于是就在单因素实验的基础上采用正交表L9(34)进行正交实验，研究浓度（A）、时间（B）、温度（C）、料液比（D）四个单因素三水平的对提取效果的综合影响。因素水平表如下： 正交实验因子水平表4.5 水平因素浓度 时间（h） 温度（） 料液比（g/m） A B C D 1 60% 2 50 1:200 2 80% 2.5 60 1:250 3 100% 3 70 1:300第五章 结果与数据分析5.1 最大吸收波长取一定量的提取液，以蒸馏水为参比，用分光光度计在400nm-750nm进行扫描。野辣椒色素在乙醇溶液中的最大吸收峰在波长为425nm处。5.2 提取剂浓度的影响结果分析 由图可知，吸光度值随着浓度的增大而增大，当浓度为100%时，吸光度值最大，说明此浓度的提取剂对野辣椒色素的提取效果最好，为最佳提取浓度。提取剂的浓度对提取效果的影响如下图： 提取剂浓度对野辣椒色素提取的影响表5.1编号123456浓度0%20%40%60%80%100%吸光度值0.1550.1030.0980.2260.8580.8715.3 提取温度的影响结果分析由图可知，随着温度的升高吸光度值是先增大后减小，当浸提温度为60时，吸光度值最大，说明此温度下提取剂对野辣椒色素的提取效果最好，为最佳提取温度。浸提温度对提取效果的影响如下图： 提取温度对野辣椒色素提取的影响表5.2 编号12345温度（）1020406080吸光度值0.2770.4130.4460.5270.3845.4 提取时间的影响结果分析由图可知，时间对吸光度值的影响没有特别的规律可循。当提取时间为2.5小时时，吸光度值最大，说明此提取时间下提取剂对野辣椒色素的提取效果最好，为最佳提取时间。提取时间长度对提取效果的影响如下图：提取时间对野辣椒色素提取的影响表5.3 编号12345时间（h）0.51.01.52.02.5吸光度值0.3700.4030.3900.4040.4175.5 料液比的影响结果分析由图可知，随着料液比的减小吸光度值是先增大后减小，当料液比为1:250时，吸光度值最大，说明提取剂在此料液比下对野辣椒色素的提取效果最好，为最佳料液比。料液比对提取效果的影响如下图：料液比对野辣椒色素提取的影响表5.4 编号12345料液比（g/ml）1:1001:1501:2001:2501:300吸光度值0.3990.4480.5050.6440.6025.6 正交试验数据分析 从表中可以看出，6号提取条件（ 浓度80%，时间3h，温度50，料液比1:250）下的提取液的吸光度值最大，但根据下表中的计算结果可知理论上最佳提取条件为A2B2C3D2，即浓度为80%，时间为2.5h，温度为70，料液比为1:250。与6号提取条件有所不同，以此理论最佳条件进行提取，并用分光光度计测得波长在425nm处的吸光度值为1.321,大于9种提取条件所得提取液的吸光度值，说明此条件为最优提取条件。通过极差比较，四种因素对野辣椒色素提取效果影响的主次顺序为浓度料液比时间温度。野辣椒色素在9种条件下提取效果的正交试验结果如下表所示： 野辣椒色素提取L9(34)正交试验结果表5.5实验号A（浓度）B(时间)C（温度） D（料液比）吸光度111110.629212220.859313330.806421231.223522311.223623121.298731321.241832131.192933211.144K12.2943.0933.1192.996K23.7443.2743.2263.398K33.5773.2483.2703.221k10.7651.0311.0400.999k21.2481.0911.0751.133K31.1921.0831.0901.074R0.4830.0600.0500.134结论本实验采用有机溶剂浸提法对野辣椒中色素进行提取工艺的研究，通过实验发现，在影响野辣椒色素提取效果的提取温度、时间、料液比、提取剂浓度四种因素中，提取剂的浓度对色素的提取效果影响最大，主次顺序为浓度料液比时间温度。当提取的条件为：浓度为80%，时间为2.5h，温度为70，料液比为1:250时，用分光光度计测得提取液在波长为425nm处的吸光度值最大，于是确定此条件为最佳条件。参考文献1 安天齐. 花色之谜 M . 北京 :中国林业出版社 ,1989.2 刘晨阳，天然胡萝卜素的生产与应用（I）J. 天然产物分离，2003（1）：5-8. 3 颜秀花，正武，王仲妮.-胡萝卜素的应用及研究进展J. 食品与药品，2007,9（6）：58-61. 4 杨革，李亚. 类胡萝卜素发酵生产条件的研究J. 食品科学，1998,19（8）：20-22. 5 高彦祥,李媛媛.天然色素抗氧化性研究进展J. 食学,2005,26(S):139-144.6 李艳梅，王水泉，李春生. 辣椒红色素的性质及其应用J. 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