膜分離技術(shù)提取山竺紅色素的工藝優(yōu)化

張小曼，馬銀海*，李 勇，鄢勝波

(昆明學(xué)院化學(xué)科學(xué)與技術(shù)系，云南 昆明 650031)

膜分離技術(shù)提取山竺紅色素的工藝優(yōu)化

張小曼，馬銀海*，李 勇，鄢勝波

(昆明學(xué)院化學(xué)科學(xué)與技術(shù)系，云南 昆明 650031)

以山竺果皮為原料，對(duì)山竺紅色素提取、純化工藝進(jìn)行研究。采用正交試驗(yàn)研究山竺紅色素的提取條件，結(jié)果表明最佳提取工藝條件為浸提溫度50℃、浸提時(shí)間120min、料液比1:8(g/mL)。應(yīng)用膜分離技術(shù)對(duì)山竺紅色素提取液進(jìn)行除雜純化，研究微濾預(yù)處理、操作壓差和膜面流速對(duì)超濾膜通量的影響，確定超濾最佳純化工藝為操作壓差0.12MPa、膜面流速2500L/h。超濾液經(jīng)蒸發(fā)、干燥可得到純度較高的山竺紅色素，其色價(jià)達(dá)22.15，為未經(jīng)超濾提取色素色價(jià)的3.5倍。

山竺；紅色素；提取；純化

Abstract：A procedure based on acid extraction and membrane ultrafiltration separation was presented for the preparation of red pigments from the fruits of Garcinia mangostana L.. The optimal conditions for red pigment extraction were determined using a 3-factor, 3-level orthogonal array design to be extraction temperature 50 ℃ and material/liquid 1:8 (g/mL) for an extraction duration of 120 min. Microfiltration followed by ultrafiltration under the optimal conditions of transmembrane pressure 0.12 MPa and cross flow velocity 2500 L/h provided optimal purification of the obtained red pigment extract. The Garcinia mangostana L. red pigment product obtained after vacuum distillation and vacuum drying exhibited a color value of 22.15, which was 3.5 times higher than before purification.

Key words：Garcinia mangostana L.；red pigment；extraction；purification

隨現(xiàn)代生活水平的提高，食用色素已被廣泛用于食品、藥品、化妝品等行業(yè)。由于合成食用色素對(duì)人體健康不利，天然色素倍受人們的青睞。面對(duì)天然色素市場(chǎng)的巨大需求，天然色素的開發(fā)與利用已成為當(dāng)前食用色素研究的熱點(diǎn)和主題。利用天然植物、動(dòng)物開發(fā)豐富的天然食用色素，進(jìn)而取代合成色素在食品、醫(yī)藥等工業(yè)的應(yīng)用也已成為綠色化發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。

山竺(Garcinia mangostana L.)又名倒捻子、莽吉柿，在云南傣族地區(qū)又叫給哈蒿，屬于藤黃科常綠喬木，原產(chǎn)印度、馬來西亞，是一種典型的熱帶水果。目前，在泰國、緬甸、越南以及我國海南、福建、云南等地有廣泛種植[3]。山竺果實(shí)肉白、柔嫩、水多、味香，為人們喜愛的水果之一，被譽(yù)為“熱帶果后”。山竺果皮深紫紅色，約占果實(shí)質(zhì)量的50%～60%，泰國民間常用該果皮治療腹瀉、痢疾等疾病[4]。近年來發(fā)現(xiàn)山竺果皮提取物化學(xué)成分主要為山酮(xanthone)類化合物，具有抗HIV-1 RT作用[5]。在深紫紅色的山竺果皮中含有豐富的天然紅色素，可作天然食用色素提取原料，且其色素含量高，是天然食用色素開發(fā)的優(yōu)質(zhì)資源。本實(shí)驗(yàn)以山竺果皮為原料，水(鹽酸調(diào)至pH2)為提取液，對(duì)山竺紅色素的提取條件及膜分離技術(shù)純化工藝進(jìn)行研究，確定最佳工藝條件，旨在為山竺紅色素的開發(fā)與利用提供可借鑒的實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

山竺果實(shí) 市購。

體積分?jǐn)?shù)75%乙醇溶液、鹽酸(均為化學(xué)純) 廣州化學(xué)試劑有限公司。

VIS-723G可見光分光光度計(jì) 北京瑞利分析儀器公司；PQ201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 瑞士Buchi儀器有限公司；ZK-82A真空干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備廠；IM-1-1型無機(jī)陶瓷膜微濾機(jī)(膜孔徑0.2μm、膜面積0.44m2) 南京九思高科有限公司；有機(jī)膜超濾機(jī)(螺旋卷式纖維超濾膜，截流相對(duì)分子質(zhì)量8000) 南京九思高科有限公司。

1.2 方法

1.2.1 山竺紅色素的浸提

用鹽酸調(diào)至pH2的水(自來水)為提取液，按不同的料液比、提取溫度和提取時(shí)間對(duì)山竺果皮浸泡后，過濾去渣，得山竺紅色素提取液。

1.2.2 微濾預(yù)處理[6]

山竺紅色素提取液由儲(chǔ)槽經(jīng)泵循環(huán)打入微濾膜組件進(jìn)行錯(cuò)流過濾，微濾操作壓差為0.15MPa，膜面流速3000L/h，收集微濾液。

1.2.3 超濾方法

微濾液經(jīng)泵壓入超濾膜組件錯(cuò)流過濾。操作壓差通過調(diào)節(jié)流速和回流閥控制，膜面流速由流量計(jì)讀數(shù)得到，分別測(cè)定不同時(shí)間超濾透過液的體積，計(jì)算膜通量[7]。

1.2.4 工藝流程

1.2.5 分析測(cè)定方法

1.2.5.1 山竺紅色素的特征吸收光譜

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，紅色素在可見光區(qū)有比較好的光吸收性質(zhì)。用可見光分光光度計(jì)，以pH2的鹽酸溶液為空白，1cm石英比色皿，在400～620nm波長范圍內(nèi)對(duì)山竺紅色素溶液進(jìn)行掃描，測(cè)定色素的吸收光譜。

1.2.5.2 色素純度比較

采用色價(jià)法[10]比較色素純度。精確稱取色素產(chǎn)品1.000g，用鹽酸溶液(pH2)溶解定容至100mL，再稀釋至一定濃度，使吸光度測(cè)定值在0.2～0.8之間，測(cè)定其吸光度A，計(jì)算色價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山竺紅色素最大吸收波長的確定

在400～620nm波長范圍內(nèi)，山竺紅色素吸收光譜圖見圖1。

圖1 山竺果皮紅色素吸光度Fig.1 Absorption spectrum of Garcinia mangostana L. red pigments

由圖1可知，山竺紅色素在可見光區(qū)516nm波長處出現(xiàn)最大吸收峰，因此其最大吸收波長為516nm。

2.2 山竺紅色素提取正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為獲得最優(yōu)提取工藝條件，經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)，篩選出浸提溫度、浸提時(shí)間和料液比(山竺果皮:酸水)為考察因素，采用三因素三水平進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)，因素與水平的選擇見表1，正交試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

表2 L9(33)正交試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental results of the absorbance at a wavelength of 516 nm of the red pigment extract from the fruits of Garcinia mangostana L.

由表2、3可見，浸提溫度、浸提時(shí)間和料液比對(duì)色素提取率均有顯著性的影響，其影響程度依次順序?yàn)椋築浸提時(shí)間＞A浸提溫度＞C料液比。最佳提取條件為A2B2C2，即浸提溫度50℃、浸提時(shí)間120min、料液比1:8(g/mL)。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis for the absorbance at a wavelength of 516 nm of the red pigment extract from the fruits of Garcinia mangostana L.

2.3 最佳工藝條件的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

稱取20g山竺果皮按正交試驗(yàn)所得最佳提取工藝條件(A2B2C2) 進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)5次，結(jié)果見表4。計(jì)算得出，RSD為0.23%，說明此方法穩(wěn)定可行。

表4 最佳工藝的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Table 4 Results of validation for optimized red pigment extraction conditions

2.4 超濾膜過濾除雜工藝的優(yōu)化

2.4.1 微濾預(yù)處理對(duì)超濾中膜通量的影響

山竺紅色素提取液和微濾液分別進(jìn)行超濾，考察膜通量隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 微濾對(duì)超濾過程膜通量的影響Fig.2 Change of membrane flux during ultrafiltration separation of Garcinia mangostana L. red pigment extract with or without micro-filtration pretreatment

由圖2可知，經(jīng)微濾預(yù)處理后超濾過程中膜通量相比較未微濾處理過的要大。在開始時(shí)，差別不太明顯，但隨時(shí)間延長差別逐步加大。未經(jīng)微濾預(yù)處理的山竺紅色素提取液的膜通量因超濾膜孔堵塞迅速下降，直至35min后趨于穩(wěn)定；經(jīng)微濾預(yù)處理過的提取液膜通量隨時(shí)間延長下降較慢，20min后膜通量趨于穩(wěn)定。說明微濾預(yù)處理能有效除去懸浮顆粒和部分果膠、多糖大分子，減少超濾膜的堵塞和污染，使超濾過程容易進(jìn)行，并保持較大的膜通量，有效縮短超濾時(shí)間和生產(chǎn)周期。

2.4.2 超濾中膜面流速對(duì)膜通量的影響

膜面流速是影響膜通量的重要因素之一。在超濾20min膜通量基本穩(wěn)定后，恒定操作壓差0.12MPa，改變膜面流速，考察膜通量的變化，結(jié)果見圖3。

圖3 膜面流速對(duì)膜通量的影響Fig.3 Effect of cross flow velocity on membrane flux

由圖3可知，增大膜面流速可以有效增加膜通量。當(dāng)流速小于2500L/h時(shí)，膜通量隨膜面流速呈正比增長，在較大膜面流速下，液體高速流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力能帶走膜面上的部分沉積物，以減輕膜污染和濃差極化的影響，提高了膜通量；但當(dāng)流速大于2500L/h時(shí)，膜通量變化不大，液體流動(dòng)的剪切力達(dá)到均衡，增加流速只增加膜管中單位時(shí)間液體的循環(huán)量，對(duì)膜通量的影響不大，機(jī)械動(dòng)力消耗增大，因此膜面流速選擇2500L/h為宜。

2.4.3 超濾中操作壓差對(duì)膜通量的影響

對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過程，操作壓差直接影響膜通量的變化。在超濾20min后膜通量基本穩(wěn)定，保持2500L/h的膜面流速，改變操作壓差，測(cè)定膜通量的變化，結(jié)果見圖4。

圖4 操作壓差對(duì)膜通量的影響Fig.4 Effect of transmembrane pressure on membrane flux

由圖4可知，在操作壓差小于0.12MPa時(shí)，膜通量隨操作壓差的增加而顯著增加；當(dāng)操作壓差大于0.14MPa時(shí)，膜通量隨操作壓差增加反而略減。這可能因?yàn)椴僮鲏翰钤龃螅瑢?dǎo)致沉積物沉降和吸附速率增加，抵消了膜面流速剪切力所引起的減弱作用，膜面沉積物在高壓差作用下不斷增厚、變實(shí)，出現(xiàn)過濾阻力增加，使膜通量隨操作壓力增加呈現(xiàn)下降的情況。因此最佳操作壓差為0.12MPa。

2.4.4 膜的清洗

在實(shí)際操作過程中，為提高超濾除雜效率，膜需要適時(shí)清洗。本實(shí)驗(yàn)依次用不同清洗劑對(duì)膜進(jìn)行清洗，以純水通量計(jì)算膜通量的恢復(fù)率[5]，結(jié)果見表5。

表5 膜通量的恢復(fù)率Table 5 Flux recovery after cleaning

由表5可見，膜面、膜孔堵塞易清洗，分別用0.001mol/L NaOH、純水、0.001mol/L HCl、純水依次清洗后，膜通量恢復(fù)率達(dá)95.0%。超濾膜為有機(jī)中空纖維制作，耐酸耐堿抗氧化，在工業(yè)生產(chǎn)中，膜適時(shí)清洗，超濾速率快，使用壽命長，應(yīng)用成本低。

2.5 不同提取工藝所得色素質(zhì)量的比較

用不同方法提取山竺紅色素，并計(jì)算產(chǎn)品提取率。分別準(zhǔn)確稱取未純化、75%乙醇溶液助沉、微濾、微濾-超濾工藝組合得到的山竺紅色素產(chǎn)品配制成一定濃度的溶液，在516nm波長處測(cè)定其吸光度，計(jì)算色價(jià)，結(jié)果見表6。

表6 不同方法對(duì)山竺紅色素純化效果Table 6 Yield and color value of Garcinia mangostana L. red pigments before and after purification by different methods

從表6可見，微濾與乙醇助沉除雜效果相差不大，但微濾的優(yōu)勢(shì)在于操作簡單，水提取液可直接上膜過濾而得到相對(duì)純的色素提取液，無溶劑回收生產(chǎn)成本較低。當(dāng)把微濾和超濾組合聯(lián)用，產(chǎn)品提取率稍低，但除雜效果最好，色價(jià)達(dá)22.15，是未經(jīng)處理的3.5倍，是乙醇除雜的1.7倍。說明微濾把較大的雜質(zhì)除去后，再經(jīng)超濾可進(jìn)一步把相對(duì)分子質(zhì)量大于8000隨水而溶出的果膠、多糖、纖維素等雜質(zhì)除去，得到較純的色素。因此，山竺紅色素提取液采用微濾-超濾膜除雜純化方法是比較經(jīng)濟(jì)可行的。

3 結(jié) 論

3.1 山竺紅色素提取的最佳工藝條件為以鹽酸調(diào)至pH2的水作溶劑，料液比1:8(g/mL)、浸取溫度50℃、浸提時(shí)間120min，提取效果最好。

3.2 超濾膜分離純化的最佳工藝條件為操作壓差0.12MPa、膜面流速2500L/h。超濾液經(jīng)減壓蒸餾、濃縮、干燥得到的山竺紅色素產(chǎn)品，其相對(duì)色價(jià)達(dá)22.15，是未經(jīng)超濾提取色素的色價(jià)3.5倍。

3.3 膜分離技術(shù)提取山竺紅色素，生產(chǎn)工藝簡單、操作容易、生產(chǎn)成本低，產(chǎn)出色素純度高，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

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Optimization of Extraction and Membrane Separation of Red Pigments from Garcinia mangostana L.

ZHANG Xiao-man，MA Yin-hai*，LI Yong，YAN Sheng-bo
(Department of Chemical Science and Technology, Kunming University, Kunming 650031, China)

TS202.3

A

1002-6630(2010)10-0133-04

2009-12-16

云南省教育廳科研項(xiàng)目(09Y0346)

張小曼(1956—)，女，副教授，本科，主要從事天然產(chǎn)物及精細(xì)化學(xué)品化學(xué)研究。E-mail：ynzhxm@yahoo.com.cn

*通信作者：馬銀海(1964—)，男，教授，本科，主要從事天然產(chǎn)物研究。E-mail：MYH5929251@163.com