对纯化高粱淀粉过程中所得到的淀粉共生天然色素进行了树脂分离纯化研究。得到了树脂分离高粱淀粉共生色素的吸附动力学结果,3 种大孔吸附树脂 HPD-600、AB-8、H103 对高粱红的吸附为慢速平衡型。通过对树脂分离所得色素成份的红外光谱、紫外光谱、质谱分析得出,高粱籽粒淀粉共生色素与高粱壳中的高粱红主要成份是同样的物质,鉴定出所分离的主要成份之一为 5,7,4′-三羟基黄酮

刘钟栋

卢奎

司卫丽

曹书霞

王化斌

王占忠

秦中庆

赵玉芬

陈晓岚

Xiamen University Institutional Repository

离子交换与吸附, 2005, (1): 68 ~ 74 ION EXCHANGE AND ADSORPTION 文章编号: 1001-5493(2005)01-0068-07  高粱子粒淀粉表面色素的树脂分离研究*  刘钟栋 1,2**  赵玉芬 2  卢 奎 1  秦中庆 3  王占忠 1   王化斌 1  曹书霞 4  陈晓岚 4  司卫丽 1 1 河南工业大学, 郑州 450052 2 厦门大学, 厦门 361005 3 郑州农林科学研究所, 郑州 450052 4 郑州大学化学生物重点实验室, 郑州 450052  摘要：对纯化高粱淀粉过程中所得到的淀粉共生天然色素进行了树脂分离纯化研究。得到了树脂分离高粱淀粉共生色素的吸附动力学结果，3 种大孔吸附树脂 HPD-600、AB-8、H103 对高粱红的吸附为慢速平衡型。通过对树脂分离所得色素成份的红外光谱、紫外光谱、质谱分析得出，高粱籽粒淀粉共生色素与高粱壳中的高粱红主要成份是同样的物质，鉴定出所分离的主要成份之一为 5,7,4′-三羟基黄酮。 关键词：高粱淀粉；色素；树脂 中图分类号：O641.4   文献标识码：A  1 前  言      淀粉是自然界重要的天然储能物质和有机供能物质，是谷物中重要的成分[1]。由于谷物淀粉与蛋白，油脂，纤维素等组分共生，对谷物淀粉的研究，首先需要获得符合纯度要求的纯化淀粉样品。     高粱 (sorghum) 是禾本科植物，它的种子是谷物中高淀粉含量的作物籽粒，平均含淀粉为 67%，高粱籽粒与其它谷物籽粒在外观上不同，高粱籽粒往往具有天然的颜色[2]。以农业部通过的《全国高粱品种资源调查记载标准》中的颜色分类，河南省农科院采集到的3001份高粱样品中，黄色籽粒 817种，褐色 734种，红色 1058种，紫色 5种，白色 387种，高粱籽粒中红色籽粒比例最大，在纯化高粱淀粉时，需要将这些天然色素分离。 树脂吸附法是近年来迅速发展的天然产物提取方法。它采用树脂从植物浸出物的溶液中提取目标产物，其操作简便，成本低廉。目前已广泛应用于天然植物中各种成分的提取                                                        ∗  收稿日期: 2004年 7月 23日                       项目基金: 国家自然科学基金（30270762）    作者简介: 刘钟栋(1959-), 男, 北京市人, 教授.      **通信联络人: E-mail: liuzhongdong2345@163.com 第 21卷第 1期                  离 子 交 换 与 吸 附 ·69· 分离。大孔吸附树脂是一种具有多孔立体结构人工合成的聚合物吸附剂，是在离子交换剂和其它吸附剂应用基础上发展起来的一类新树脂，依靠它和被吸附分子 (吸附质) 之间的范德华引力，大比表面积进行物理吸附，它对一些与其骨架结构相近的分子如芳香族环状化合物具有很强的吸附能力[3,4]。 本课题组在提纯高粱淀粉时，所用的高粱种子样品为红色，淀粉纯化的第一个实验步骤，就是要将高粱淀粉共生色素物质分离出来。作为相关研究，对得到的分离物进行了树脂法精制与纯化，研究了树脂分离条件，并对得到的天然色素成份进行分析，其中成份为5,7,4′-三羟基黄酮，与高粱壳中红色素的主要呈色物质 (高粱红) 相同[5]。  2 实验部分  2.1  主要材料 高粱籽粒，河南省农业科学院提供；大孔吸附树脂 HPD-600，河北沧州宝恩化工有限公司；大孔吸附树脂 AB-8、H103，南开大学化工厂；高粱红，河南中大天然食品添加剂有限公司；实验所用试剂为分析纯。  2.2  主要仪器 FZ102植物粉碎机，河北省黄骅市仪器厂；LABORTA4000旋转蒸发仪，德国 Heidolph仪器公司；THZ-82B 恒温汽浴震荡器，江苏医疗仪器厂；pHs-25 酸度计，上海雷磁仪器公司；TU-1800PC 紫外可见分光光度仪，北京普析通用仪器有限公司；Bruker EsQUIRE-3000 高效液相 -电喷雾离子阱质谱仪，美国 Cole-Parmer 仪器有限公司；Perkin-Elmer 983G红外光谱仪，美国 PE公司。  2.3  实验方法 2.3.1  样品预处理 将红色的高粱籽粒放入烧杯中，加入籽粒体积 3倍的去离子蒸馏水搅拌 20min，除去籽粒表面尘土和籽粒表面水溶性的污染物质。 将高粱籽粒放在真空干燥箱中减压烘干 (烘干温度应低于淀粉糊化温度) 放于干燥器中备用。 高粱籽粒放入植物粉碎机中粉碎，过 60mesh筛。 2.3.2  提取 将高粱籽粒粉用滤纸包好，放入索氏提取器中，加入 80%乙醇水溶液抽提 1h，高粱籽粒粉与溶液的重量比为 1:15。 将得到的棕黄色提取液放入旋转蒸发仪中，在 60℃条件下浓缩。 将深棕色浓缩液放入表面皿中，在真空干燥箱中减压干燥，粉碎得到棕色粉末提取物。 Ion Exchange and Adsorption                    2005年 2月 ·70· 2.3.3  树脂的选择和树脂的预处理 合成树脂对某一类化合物具有选择性。通过实验，本研究主要采用了 3种不同型号的树脂对高粱淀粉共生的有色混合物进行分离研究，所选树脂的物理性质如表 1所示。  表 1  树脂的物理性质 树脂型号 粒径 (mm) 比表面积 (m2/g) 湿真密度 (g/ml) 外 观 极 性 HPD-600 0.3~1.0 480~520 1.04 乳白小球 非极性 AB-8 0.3~1.25 480~520 1.07 乳白小球 弱极性 H103 0.3~1.6 1000~1100 1.06 深棕小球 非极性  HPD-600系列大孔吸附树脂预处理方法：树脂放入烧杯内，加入部分乙醇浸润后，将树脂灌装入树脂柱，在柱内加入高于树脂层 10cm的乙醇浸泡 4h，放出浸液，用乙醇洗至洗涤液在试管中加水稀释不浑浊为止，再用去离子蒸馏水反复洗涤至乙醇含量小于 1%。 AB-8大孔吸附树脂预处理方法：先于吸附柱内加入相当于装填树脂体积 0.4~0.5倍的乙醇，然后将树脂装入柱中，使其液面高于树脂层 3cm，浸泡 24h；再用乙醇以一定的流速通过树脂层，洗至流出液加水不呈白色混浊为止，用去离子水以同样流速洗净乙醇；再用 5% HCl溶液，以一定的流速通过树脂层，而后用去离子水以同样的流速洗至中性；用2% NaOH溶液，以一定的流速通过树脂层，最后用去离子蒸馏水以同样的流速洗至中性。H-103大孔吸附树脂已由其生产企业预处理。 2.3.4  高粱淀粉共生色素的树脂吸附纯化与分析              图 1  高粱淀粉共生色素红外光谱 图 2  高粱淀粉共生色素紫外光谱  取预处理好的 HPD-600大孔吸附树脂浸泡在去离子蒸馏水中，装入直径为 2.6cm的开口玻璃柱中，装填高度为 25cm。将由 2.3.2中所得的提取物配成 1%浓度的水溶液，以 250ml/h的流速通过柱层，同时观测过柱后的流出液的颜色，当流出液中出现红色时终止进样。用第 21卷第 1期                  离 子 交 换 与 吸 附 ·71· 去离子水以同样的流速洗柱子，至洗脱液无色为止，最后以 30%的乙醇用同样的流速洗脱，收集洗脱液，蒸干溶剂，得到红色粉末，进行 KBr压片红外分析，红外光谱见图 1。与 SDBS标准图谱相对比，发现纯化物的光谱与高粱壳中的主要成份 5,7-Dihydroxy-2-1p- Hydroxyphenyl-4-Chromenone (SDBS No 34901) 的光谱图[6]吻合。将红色粉末进行紫外光谱分析，发现它的紫外光谱图 (见图 2) 与文献[7] 所报道的一致，故初步确定分离物中有高粱壳中的高粱红成份，为了进一步确定被树脂所吸附的高粱淀粉共生色素的成分，将红色粉末进行质谱分析，一级质谱在 m/z 271 处存在强峰，对 271 峰再进行二级质谱分析 (见图4)，确定出红色粉末的分子结构。 2.3.5  树脂静态吸附率和吸附量的测定 用 3 种树脂对 2.3.2 所得的提取物溶液进行吸附，吸附前后溶液吸光度的变化可以反映溶液中色素浓度的变化。按高粱红的国家标准，用紫外光谱仪在 490nm波长首先测定已知浓度梯度的系列高粱红标准品溶液，得到标准浓度曲线，再测定 2.3.2 所得的提取物溶液水溶液的吸光度，按下式计算吸附率 (E%) 和平衡吸附量 (qe)[8]。  C0为溶液中红色素起始浓度 (mg/ml)，Ce为达到平衡时的浓度 (mg/ml)，qe为平衡吸附量 (mg/g)，V为溶液体积 (ml)，W为吸附剂干重 (g)。 2.3.6  树脂静态吸附动力学研究 分别取经预处理好的 H-103、HPD-600和 AB-8大孔吸附树脂各 100mg于 250ml三角瓶中，加入 2.3.2所得提取物配成浓度为 1mg/ml的水溶液 50ml，置于 25℃的恒温汽浴振荡器上，回转速度 170r/min。以树脂与色素粉末水溶液接触时为 0时刻，每隔 5min取样 (每次取 1ml) 分析，将 t时刻溶液中的浓度 Ct对此时吸附剂的表观吸附量 qt作图，得到吸附剂的静态吸附动力学曲线，t时刻溶液中的高梁红浓度 Ct与此时吸附剂的表观吸附量 qt的关系为[8]：  C0为溶液中红色素起始浓度 (mg/ml)，Ct为 t 时的浓度 (mg/ml)，qt为 t 时的平衡吸附量 (mg/g)，V为溶液体积 (ml)，W为吸附剂干重（g）。  3 结果与讨论  3.1  树脂的静态平衡吸附 所选树脂的静态吸附率和吸附量见表 2。 ( )WVCCq ee×−= 0( ) %100%00 ×−=CCCE e( )WVCCq tt×−= 0Ion Exchange and Adsorption                    2005年 2月 ·72· 从表 2 可见树脂对高粱淀粉表面共生的色素的平衡吸附量差异明显，H103 树脂吸附率相对较小，HPD-600和 AB-8吸附率都较大。  表 2  3种大孔吸附树脂对高粱淀粉共生色素的静态平衡吸附 吸附树脂型号 C0 (mg/ml) V (ml) 平衡吸附量 (mg/g) 吸附率 (%) HPD-600 1 155 1.8 59.5 AB-8 1 155 1.8 59.4 H-103 1 206 1.4 33.8  3.2  树脂静态吸附剂的动力学研究 合适的吸附剂不仅应当有较大的吸附量，同时应具有较快的吸附速度，所以有必要比较它们的吸附动力学特征[9]。 表观吸附量与时间的关系见图 3，由图 3可以看出，这 3种树脂对高梁红的平衡吸附量相差不大，但吸附树脂对高梁红的吸附均为慢速平衡型。           图 3  3种树脂对高粱淀粉共生色素的 静态吸附动力学曲线 图 4  高粱淀粉共生色素二级质谱图  树脂的结构特性和吸附质的性质同时决定了吸附速度和选择性。主要吸附物的分子量为 270 (见质谱分析)，吸附物是由苯环组成的近平面型异黄酮分子。所选用的 3种树脂的骨架结构均为乙烯苯-二乙烯苯聚合物，与有较强的疏水作用力和苯环电子云“堆叠”产生的色散力，所以它们对异黄酮的吸附速率快，吸附量大。  3.3  高粱淀粉共生色素的质谱分析 经树脂纯化的高粱淀粉共生红色物质的红外、紫外光谱都与文献报道的高粱壳中的红色素 (高粱红) 成分吻合，为进一步证实其结构和确定树脂的纯化效果，将树脂纯化出的00.20.40.60.80 15 30 45 60时间 (min)吸附量 (mg/g)HPD-600AB-8H103第 21卷第 1期                  离 子 交 换 与 吸 附 ·73· 红色物质 (2.3.4) 进行质谱分析。二级质谱 (图 4) 中的 271处的峰为 5,7,4′-三羟基黄酮 (分子量 270) 加质子峰；峰值 255 处为 5,7,4′-三羟基黄酮的碎片峰，它生成的原因是 5,7,4′-三羟基黄酮脱掉 O自由基并加上一个质子，或者是脱掉一个 OH自由基，同时加上一个 H自由基和一个质子，峰值 155处的碎片生成的原因有以下两种，其一是 5,7,4′-三羟基黄酮丢失 R1自由基和两分子水和一分子 CO，同时得到一个 H自由基，并加上一个 K+；其二是 5,7,4′-三羟基黄酮失去 R1自由基并失去一分子水，一分子 CO，同时失去一个 OH自由基，同时加上一个 K+；生成的碎片可能是下图中 A，B，C三种结构。          峰值为 271: 可能结构为M+H+                 峰值为 255: 可能结构为M-O+H+或M-OH·+H+H+     A                               B                               C 注：所有这些结构都是过度状态的分子结构式 图 5  高粱淀粉共生色素峰结构式  4 结  论  从本研究的树脂吸附结果中可以看出，高粱籽粒淀粉共生色素与高粱壳中的高粱红主要成份是同样的物质。 经结构分析高粱淀粉共生色素主要成分为异黄酮类，这种成分大量存在于花卉，可可壳等天然植物中，本研究证明用树脂分离纯化该类天然物质是可行的。 3 种吸附树脂对高粱红的吸附为慢速平衡型，这提示我们在柱层析操作中，流速不宜过快，控制合理的流速可以提高吸咐率。 异黄酮具有一定的保健作用[10]，目前在加工高粱籽粒淀粉时，有些产品为了追求白色，将其破坏或除去，从以上研究可见，如果不是特别需要，在高粱籽粒加工中应该保留其颜色特征。   OCOH OOHOHMOCOH OOHOHR1.O .O..O.Ion Exchange and Adsorption                    2005年 2月 ·74·  参考文献 [1] Imberty A., Chanzy H., Pèrez S. et al. Macromolecules [J], 1987, 20(1): 2634 [2] 邹剑秋, Seib P. A., Doreen Liang 等, 国外农学—杂粮作物 [J], 1998, 18(1): 37 [3] Fritz J. S., End. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. [J], 1975, 14(2): 94 [4] Abrams Z. M., End. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. [J], 1975, 14(2): 108 [5] 金灵芬, 吕俊良, 食品工业科技 [J], 1999, 20(3): 35 [6] Charles J. Pouchert, The Aldrich Library of Infrared Spectra (Second Edition) [M], Milwaukee: Wisconsin, Aldrich Chemcal Company, INC., 1975, P792  [7] 伍 明, 王 杰, 任仲皎 等, 中南民族学院院报 [J], 1998, 17(1): 22 [8] Seo A., Morr C. V., Agric J., Food Chem. [J], 1984, 32(5): 530 [9] 卢锦花, 胡小玲，岳红, 化工进展 [J], 2001, 3: 1 [10] Michael Naim, Benjamin Gestetner, Shmuel Zilkah et al., Food Chem. [J], 1974, 22(5): 806   STUDY ON ISOLATION OF SORGHUM SEED STARCH SURFACE PIGMENTUSING RESIN ABSORPTION  LIU Zhongdong1,2 ZHAO Yufen2 LU Kui1 QIN Zhongqing3 WANG Zhanzhong1 WANG Huabing1  CAO Shuxia4  CHEN Xiaolan4  SI Weili1 1Henan University of Technology, Zhengzhou 450052, China 2 Xiamen University, Xiamen 361005, China 3 Zheng Zhou Agricalture & Forest Institute, Zhengzhou 450052, China 4 Chem-biology Key Laboratory, University of Zhengzhou, Zhengzhou 450052, China  Abstract: Natural pigments associated with starch that were obtained during the purification of sorghum starch were isolated and purified by resin. Static absorption kinetic results of pigments associated with sorghum starch were obtained. Three kinds of adsorb resins with big holes such as HPD-600、AB-8、H103 absorbed sorghum red with low speed and balance. Study on pigments ingredients that obtained by resin by infra-red spectra, ultraviolet spectrum and mass spectrum indicated that 5,7-Dihydroxy-2-1p-Hydroxyphenyl-4-Chromenone was main ingredient in natural pigments associated with starch and sorghum red. Key words: Sorghum starch; Pigment; Resin.  

高粱子粒淀粉表面色素的树脂分离研究

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/56078/%e9%ab%98%e7%b2%b1%e5%ad%90%e7%b2%92%e6%b7%80%e7%b2%89%e8%a1%a8%e9%9d%a2%e8%89%b2%e7%b4%a0%e7%9a%84%e6%a0%91%e8%84%82%e5%88%86%e7%a6%bb%e7%a0%94%e7%a9%b6.pdf?sequence=1&isAllowed=y

高粱子粒淀粉表面色素的树脂分离研究

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository