一种从黑芝麻中提取黑色素的方法与流程

本发明属于天然色素提取领域，尤其涉及一种从黑芝麻中提取黑色素的方法。

背景技术：

色素根据来源的不同，可分为天然色素和合成色素。随着许多研究表明某些合成色素对人体具有毒性,而且还有致突变与致癌性等其它有害作用。

鉴于合成色素对人体所存在的危害性，越来越多的人关注天然色素的开发与利用。天然色素不仅安全可靠、色泽自然,而且有的还兼有营养和药理作用,因而倍受人们的青睐，尤其近年来随着人们自我保护意识日趋增强,随着绿色食品及天然化妆品的日益推广和大规模应用，开发和利用天然色素已成为全世界食品行业和化妆品行业的热点,应用安全天然无毒的天然色素代替合成色素已是大势所趋。

黑芝麻是胡麻科植物脂麻的干燥种子。在我国各地都有广泛的种植，主要产于山东、四川、山西等地。黑芝麻的黑色素属儿茶酚型黑色素(植物黑色素)。黑色素为生物大分子多聚物，其化学结构复杂，结构单位为酚醌结构，黑色素是黑芝麻中较强的自由基清除剂之一。黑芝麻表皮中含有天然的黑色素，是一种水溶性、光稳定性、耐氧化性、还原性的色素，《神农本草经》中记载“补五脏，益气力，长肌肉，填脑髓，久服轻身不老”，而现今发达的科学技术更是证明了黑芝麻的黑色素具有养颜、乌发等功效。与传统的焦糖和碳黑相比，黑芝麻色素具有较大的优势，焦糖色素是黑的发红，小企业生产工艺不完善，常常造成硫、重金属超标，而碳黑不溶于水，主要通过增加其细度来达到着色均匀的目的，在一定程度上制约了其使用范围。黑芝麻色素水溶，颜色纯黑，温度、盐、日照对其影响较小，对人体具有清除自由基的作用，可提高人体免疫力，增加人体抵抗力，在食品工业中，黑芝麻色素可广泛用于黑色食品的着色和功能食品、保健食品的开发，如黑色糕点、饼干、乌鸡精、乌鸡口服液，同时还是日化产品的重要原料，可生产高档眉笔、口红、黑芝麻香皂、黑芝麻洗发水等。

黑芝麻黑色素的紫外-可见光谱表明其含有碳氧双键、四位取代苯环、芳香族联苯环和羟基存在，花青素通常以花色苷的形式存在，花色苷的稳定性受到ph、温度、光、o2、离子强度、辅助色素及其本身存在浓度的影响，高ph、见光、高温易使花色苷降解。黑芝麻黑色素可以溶解于碱性溶液，但是几乎不溶于所有的常用有机溶剂之中，仅仅溶解于少部分有毒溶剂之中，如甲醇、二甲基亚砜等。

天然色素制备方法大致可分为溶剂提取法、酶反应法、发酵法和人工合成化学天然色素法等方法,其中，最常用的方法是溶剂提取法(即浸提法),但传统的浸提法存在着提取时间长、劳动强度大、原料预处理能耗大、较高温度下热敏性组份易破坏等缺点；溶剂法提取的常用溶剂有有机溶剂、水、酸性溶液、碱性溶液等。

目前黑芝麻黑色素提取虽有研究，但工艺不合理，如陈小全、孙玲等将新鲜的黑芝麻粉碎成粉末后,再以蒸馏水作提取溶剂利用超声波提取法，芝麻黑色素主要在其皮中，粉碎后水或酸提取杂质太多，后续分离纯化困难，成本高，而且黑色素溶解度小，同时在75-80℃温度下色素易降解。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种从黑芝麻中提取黑色素的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种从黑芝麻中提取黑色素的方法，包括以下步骤：

(1)将干燥的黑芝麻置于60-90℃的石油醚中浸泡；

(2)浸泡后分离出黑芝麻，并干燥；

(3)用碳酸氢钠溶液对步骤(2)处理后的黑芝麻进行超声提取，得到黑色素。

上述的方法，优选的，黑芝麻置于60-90℃的石油醚浸泡过程中辅以磁力搅拌，以去除芝麻表面油脂性杂质，石油醚萃取液经溶剂回收得油脂，芝麻过滤后真空干燥供后续提取之用，干燥后的芝麻不经粉碎直接提取黑色素，由于芝麻黑色素分布于芝麻壳的表面，如果粉碎，提取时芝麻壳内的物质溶于提取液，提取液中杂质将大大增加，这将极大地增加后续分离纯化的难度和分离纯化成本；而本发明在提取芝麻壳表面黑色素以后，芝麻仍然可以作为其他用途，不影响芝麻的综合利用。

黑芝麻表面，即黑芝麻黑色素的外层还覆盖了一层蜡脂和油脂层，如果不经过特殊处理，一般提取溶剂如各种碱或其他溶剂几乎不能溶解蜡脂和油脂层，进而不能溶解和提取位于它里面的黑色素。我们通过研究发现采用石油醚浸泡黑芝麻，就可以快速有效地溶解黑芝麻表面的蜡脂和油脂层，进而使黑色素完全裸露，便于后续提取溶剂对黑色素的溶解和提取，从而可以大大加快黑色素被碳酸氢钠溶液溶解和提取，而且提取更彻底。本发明的这种预处理对黑芝麻黑色素的提取比其它方法具有无可比拟的优点，与其它方法相比，它不仅可以大大提高黑芝麻黑色素的提取率，而且可以缩短提取时间，同时对黑芝麻不需经过粉碎等处理，芝麻里的大量其它物质在后续提取过程中不被提取出来，后续黑色素的分离纯化更容易更简单，黑色素纯度也更高；同时石油醚本身无毒环保，它还具有适当的沸点-60-90℃，又易于溶剂的回收，它的极性适中，能很好溶解蜡和脂层，相比于其它有机溶剂，它的优势明显，乙醇甲醇极性较大，在溶解蜡和脂的同时也会溶解色素，甲醇还具有极大毒性，而极性更小的乙醚、已烷和氯仿等虽然也能很好溶解蜡和脂，但普遍具有毒性，不环保，乙醚沸点还极低，很容易挥发，溶剂回收难，浪费极大。

上述的方法中，黑芝麻的黑色素属儿茶酚型黑色素，结构单位为酚醌结构，含有多个酚羟基，高ph、见光、高温易使其降解，长时间高ph、见光、高温其降解作用更大，黑芝麻黑色素在碳酸钠等强碱性溶液中很容易降解破坏；而我们选择碳酸氢钠作为提取剂，碳酸氢钠碱性极弱，黑芝麻黑色素在碳酸氢钠溶液中不易降解破坏而稳定存在，尤其是在低浓度如2％碳酸氢钠碱溶液中更加稳定，我们的研究发现，采用2％碳酸氢钠碱溶液进行黑芝麻黑色素的提取，就可以大大增加黑芝麻黑色素的稳定，防止黑色素的降解，从而可以大大提高黑色素的提取率。

上述的方法，优选的，所述碳酸氢钠溶液的质量浓度为1％-10％。

上述的方法，优选的，步骤(3)中，黑芝麻的质量与碳酸氢钠溶液的体积之比(料液比)为1:6-1:16g/ml。

上述的方法，优选的，步骤(3)中，超声提取之前，用碳酸氢钠溶液浸泡黑芝麻20分钟以上。

上述的方法，优选的，步骤(3)中，用碳酸氢钠溶液对黑芝麻提取多次，每次提取30-60分钟。

上述的方法，优选的，步骤(3)中，用碳酸氢钠溶液对黑芝麻提取3-6次。

上述的方法，优选的，步骤(3)中，使用质量分数2％的nahco3溶液作为提取液，按料液比1:14g/ml的比例来超声提取黑芝麻中的黑色素，超声提取的次数为5次，每次提取50min。

上述的方法，优选的，步骤(1)中，黑芝麻在石油醚中的浸泡时间为20-40分钟。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明在较低的温度(室温即可，如20℃左右)下、以低浓度2％碳酸氢钠作提取溶剂结合超声波提取黑芝麻黑色素，未见任何报道。

(2)本发明将黑芝麻经石油醚浸泡处理，可以快速溶解覆盖在黑色素外面的蜡脂和油脂层，黑芝麻无需粉碎，是直接对黑芝麻粒的提取，提取产物杂质少、纯度高，高效和彻底的提取黑色素。

(3)本发明从黑芝麻中提取黑色素的得率可达到5％左右，远远超过常规提取工艺下的黑色素得率(1％)。

(4)本发明的提取时间极短，整个提取时间只有250分钟左右。

(5)本发明优化黑芝麻黑色素的提取工艺，碳酸氢钠溶液对色素溶解度大，黑芝麻黑色素在碳酸氢钠溶液中不易降解破坏而稳定，提取率高；同时不像酸、强碱提取溶剂那样对黑芝麻黑色素有强的降解破坏作用；对设备也无腐蚀性，也不像乙醇那样溶剂消耗大、生产成本高；采用低浓度2％碳酸氢钠溶液结合低温提取可以避免对黑色素热敏性成分和较强碱性溶液敏感成分的破坏，对黑芝麻黑色素提取更加有利。

综上，本发明是一种高提取率、低成本、绿色环保的提取新技术，为黑芝麻黑色素的研究与开发提供新的提取技术与最优工艺条件，将进一步促进黑芝麻黑色素的深度开发和利用。

附图说明

图1是本发明实施例1中不同提取溶剂对吸光度的影响。

图2是本发明实施例2中提取溶剂浓度对吸光度的影响。

图3是本发明实施例3中料液比对吸光度的影响。

图4是本发明实施例4中提取时间对吸光度的影响。

图5是本发明实施例5中超声提取次数对吸光度的影响。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

不同提取溶剂对黑芝麻黑色素提取的影响：

(1)将烘干后的黑芝麻先置于密闭容器中，用60-90℃的石油醚浸泡30分钟，期间持续磁力搅拌，以去除芝麻表面油脂性杂质，石油醚萃取液经溶剂回收得油脂，黑芝麻过滤后真空干燥供后续提取之用(干燥后的芝麻不经粉碎直接提取黑色素)。

(2)分别称量5份步骤(1)中干燥后的黑芝麻5g，分别置于5个100ml三角烧瓶中，按照料液比(芝麻质量g/溶剂体积ml)为1g：10ml的量，分别加入4％碳酸氢钠、4％碳酸钠、4％氢氧化钠、4％盐酸、60％乙醇；先室温浸泡30分钟，再超声波提取1次、超声提取40分钟进行浸提；浸提结束后，让其自然冷却至室温，过滤提取液，再用相应溶剂定容到100ml，在室温下以相应溶剂为空白对照，用lcm比色皿在紫外-可见分光光度计上测定不同提取液在228nm波长的吸光度，结果见表1和图1所示。

表1不同提取溶剂对吸光度的影响

由表1和图1可以看出，4％碳酸氢钠浸提液的黑色素吸光度最大，其次分别为4％氢氧化钠和4％盐酸；除碳酸钠和乙醇之外其他三种提取剂的区别不算特别大。根据黑芝麻的溶解性以及实验效果，故选择碳酸氢钠为最佳浸提剂。

实施例2：

溶剂浓度对黑芝麻黑色素提取的影响

(1)将烘干后的黑芝麻先置于密闭容器中，用60-90℃的石油醚浸泡30分钟，期间持续磁力搅拌，以去除芝麻表面油脂性杂质，石油醚萃取液经溶剂回收得油脂，黑芝麻过滤后真空干燥供后续提取之用(干燥后的芝麻不经粉碎直接提取黑色素)。

(2)分别称量5份步骤(1)中干燥后的黑芝麻5g，置于5个100ml三角烧瓶中，按照料液比(黑芝麻质量g/溶剂体积ml)为1g：10ml的量，分别加入2％碳酸氢钠、4％碳酸氢钠、6％碳酸氢钠、8％碳酸氢钠、10％碳酸氢钠；先室温浸泡30分钟，再超声波提取1次、超声提取40分钟进行浸提。浸提结束后，让其自然冷却至室温，过滤提取液，再用相应溶剂定容到100ml，在室温下以相应溶剂为空白对照，用lcm比色皿在紫外-可见分光光度计上测定不同提取液在228nm波长的吸光度，结果见表2和图2所示。

表2溶剂浓度对吸光度的影响

由表2和图2可以看出，在所选取的溶剂浓度范围内，黑芝麻黑色素提取液吸光度随提取溶剂浓度增大而减小，因此选取2％碳酸氢钠为最佳溶剂浓度。

实施例3：

料液比对黑芝麻黑色素提取的影响

(1)将烘干后的黑芝麻先置于密闭容器中，用60-90℃的石油醚浸泡30分钟，期间持续磁力搅拌，以去除芝麻表面油脂性杂质，石油醚萃取液经溶剂回收得油脂，黑芝麻过滤后真空干燥供后续提取之用(干燥后的芝麻不经粉碎直接提取黑色素)。

(2)分别称量5份步骤(1)中干燥后的黑芝麻5g，置于5个100ml三角烧瓶中，分别按照料液比(g/ml)为1:6、1:8、1:10、1:12、1:14加入质量分数为2％的碳酸氢钠；先室温浸泡30分钟，再超声波提取1次、超声40分钟进行浸提。浸提结束后，让其自然冷却至室温，过滤提取液，再用相应溶剂定容到100ml，稀释100倍。在室温下以相应溶剂为空白对照，用lcm比色皿在紫外-可见分光光度计上测定不同提取液在228nm波长的吸光度，结果见表3和图3所示。

表3料液比对吸光度的影响

由表3和图3可以看出，吸光度随料液比基本呈现增大而增大的趋势，但是同样提取效果的差别也不是特别明显，故而为节约溶剂，可选取1:10为最佳料液比。

实施例4：

提取时间对黑芝麻黑色素提取的影响

(1)将烘干后的黑芝麻先置于密闭容器中，用60-90℃的石油醚浸泡30分钟，期间持续磁力搅拌，以去除芝麻表面油脂性杂质，石油醚萃取液经溶剂回收得油脂，黑芝麻过滤后真空干燥供后续提取之用(干燥后的芝麻不经粉碎直接提取黑色素)。

(2)分别称量5份步骤(1)中干燥后的黑芝麻5g，置于5个100ml三角烧瓶中，按照料液比(g/ml)为1:10加入质量分数为2％的碳酸氢钠，先室温浸泡30分钟，再超声波提取1次，提取时间分别为10、20、30、40、50分钟。浸提结束后，让其自然冷却至室温，过滤提取液，再用相应溶剂定容到100ml，稀释100倍。在室温下以相应溶剂为空白对照，用lcm比色皿在紫外-可见分光光度计上测定不同提取液在228nm波长的吸光度，结果见表4和图4所示。

表4提取时间对吸光度的影响

由表4和图4可以看出，吸光度随提取时间增加而增大，超声50分钟时吸光度最大，而且发现10-30分钟这个时间段吸光度变化较为明显，而40-50分钟时吸光度增加趋势较为平缓。为确保能有更好的提取效果，因此选择50分钟为最佳超声提取时间。

实施例5：

超声提取次数对黑芝麻黑色素提取的影响

(1)将烘干后的黑芝麻先置于密闭容器中，用60-90℃的石油醚浸泡30分钟，期间持续磁力搅拌，以去除芝麻表面油脂性杂质，石油醚萃取液经溶剂回收得油脂，黑芝麻过滤后真空干燥供后续提取之用(干燥后的芝麻不经粉碎直接提取黑色素)。

(2)分别称量5份步骤(1)中干燥后的黑芝麻5g，置于5个100ml三角烧瓶中，按照料液比(g/ml)为1:10加入质量分数为2％的碳酸氢钠，先室温浸泡30分钟，再分别超声波提取1、2、3、4、5次，每次提取50分钟。浸提结束后，让其自然冷却至室温后，过滤并合并提取液，再用相应溶剂定容到250ml，取5ml，再定容到100ml，在室温下以相应溶剂为空白对照，用lcm比色皿在紫外-可见分光光度计上测定不同提取液在228nm波长的吸光度，结果见表5和图5所示。

表5提取次数对吸光率的影响

由表5和图5可以看出，黑芝麻黑色素的超声提取随着提取次数的增加吸光度在不断增加，提取效果则表现得越好。同样的1-3次的提取率基本保持着一个稳定的增长，且增长水平较快，而4次和5次的提取效果相对来说更好，但是增长幅度明显不如前几次。

根据上述各个因素实验结果表明，并分析每个因素的影响程度，选取浸提剂浓度、料液比、提取时间、提取次数4个因素各取3个水平，设计正交试验如表6所示。

表6四因素三水平表

试验操作按上述工艺条件进行，分别称量9份步骤(1)中干燥后的黑芝麻5g，置于9个100ml三角烧瓶中，按照一定料液比一定浓度的碳酸氢钠，先室温浸泡30分钟，再分别超声波提取一定次数和一定提取时间。浸提结束后，让其自然冷却至室温后，过滤并合并提取液，再用相应溶剂定容到500ml，取5ml，再定容到100ml，在室温下以相应溶剂为空白对照，用lcm比色皿在紫外-可见分光光度计上测定不同提取液在228nm波长的吸光度，结果见表7所示。

表7不同的试验方案和结果

对表7中的试验进行结果分析，极差越大，对提取工艺的影响越大。黑芝麻黑色素提取工艺的影响因素次序大小依此是超声提取次数>提取剂浓度>料液比>提取时间。试验提取结果表明，试验号为3时，吸光度最大，故超声提取黑色素最佳提取工艺为：使用2％nahco3溶液按料液比1:14g/ml来提取黑芝麻黑色素，提取5次，每次50min。

对提取黑色素最佳提取工艺进行重复实验验证，其实验结果见表8所示，与正交实验结果基本上保持一致，相对的稳定，可以进行重复的实验，并有着较好的提取效果。

表8验证性实验数据

最优提取工艺条件的三次重复实验，实验表明，在提取工艺为：提取溶剂使用2％nahco3溶液、料液比1:14g/ml，提取5次，提取时间为50min的条件下，与正交实验结果一致，能够重复实验，获得较高提取率。

将超声提取的黑芝麻色素粗品通过酸溶碱沉、强酸水解、除杂、萃取、浓缩等步骤，最终从10克的黑芝麻中能提取到0.5克左右的黑芝麻色素精品(见表9所示)，即黑色素精品得率为5％以上，其纯度达到60％以上。

表9分离纯化数据