应用化学马铃薯中绿原酸的提取大学论文.docx

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应用化学马铃薯中绿原酸的提取大学论文

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

马铃薯中绿原酸的提取

化学与材料工程学院应用化学专业

学号0501070115

学生姓名王新荣

指导教师孙培冬副教授

二〇一一年六月

摘要

马铃薯是一种重要的粮菜兼用作物，同时它营养成分全面，营养结构合理，易于消化吸收，是世界十大营养食品之一.在马铃薯的块茎中含有淀粉、蛋白质、脂肪、粗纤维等营养成分以及胡萝卜素、抗坏血酸、酚酸等抗氧化物质.本文研究了马铃薯中酚酸物质—绿原酸的提取和纯化工艺.得到了相应的工艺参数.

采用超声波提取法对马铃薯中的绿原酸进行提取.适宜的提取工艺参数：

pH=2，70%的乙醇溶液；料液比为1：

8；提取温度：

40℃；提取时间：

30min；提取次数：

2次；提取功率：

160W.

利用紫外-可见吸收光谱法（UltravioletandVisibleSpectrometry，UV-VIS）对马铃薯中的绿原酸进行定性、定量检测.通过扫描标准品的紫外光谱曲线，确定绿原酸的最大吸收波长是330nm；在不同的提取条件下，测定绿原酸提取液的吸光度可以确定最佳提取条件.

利用高效液相色谱法（HighPerformanceLiquidChromatography，HPLC）进行绿原酸的定性分析.通过观察粗提液以及粗提液与标准品混合溶液的保留时间，得到的实验结果为：

粗提液中确实存在绿原酸，且两种溶液的保留时间几近相同，绿原酸峰两侧的杂峰很小，可忽略不计.

采用树脂吸附法进行纯化.分别采用3种树脂：

NKA-9型树脂（强极性）、AB-8型树脂（弱极性）以及D101型大孔树脂（非极性）.通过静态吸附和解吸附确定了NKA-9型树脂具有较好的吸附和解析附效果，饱和吸附量为：

6.85mg/g，解吸率为：

70.8%.；通过动态吸附和解吸附描绘出的动态饱和吸附和解吸附曲线，可以知道，NKA-9型树脂能够达到较好的饱和吸附与解吸附效果.

关键词：

马铃薯；绿原酸；超声提取；树脂纯化

ABSTRACT

Thepotatoisakindofimportantfooddishsautandindustrialcrops,atthesametime,ithasthecomprehensivenutrientsaswellasthereasonablestructureofnutrition,thepotatoisoneoftheworld’stoptennutritionfoodwhichiseasytodigestandabsorb.Therearestarch,protein,fat,crudefibernutrientsinthepotatotuber.Also,carotene,ascorbicacid,phenolicacidsandotherantioxidantswereincluded.Thispaperstudiesthematter-theextractionandpurificationprocessofchlorogenicacidfrompotatophenolicacids.Throughtheexperiment,Ihavegotthecorrespondingtechnologicalparameters.

Weusetheultrasonicwaveassistedextractiontoextractthechlorogenicacids.Thebesttechnologicalparametersasfollows:

pH=2,70%ethanolasextractionsolvent;tatioofmaterialtoliquor1:

8,theultrasonicwavepower160W,theextractiontemperature40℃,thetimefor30min,toextract2times.

UsingtheUltrovioletandVisibleSpectrometry（UV-VIS）todeterminethequalitativeandquantitativedetectiononthechlorogenicacidofthepotato,weconformthemaximumadsorptionwavelengthofchlorogenicacidis330nmthroughtheUltrovioletspectrumcurve.Indifferentextractionconditions,wecandeterminethebestextractconditionsbyassayingtheabsorbencyfromtheextractofchlorogenicacid.

WeusetheHighPerformanceLiguidChromatography（HPLC）todeterminethequaltitativeanalysisonthechlorogenicacid.Throughtheobservationabouttheretentiontimeofcoarseextractfluidtodeterminewhethertherewillberepetitivetpeakaftermixingthecoarseextractfluidandthestandardsolutions,inaddition,whethertheretentiontimeisnearlyidenticalbetweenthemixturesolutionandcoarseextractionfluid.Experimentalresultsshowthat:

thecoarseextractionfluidpossessthechlorogenicacid.Andwecanseethattherearemerelymiscellaneoussmallpeakswhichcannegligibleonbothsidesofthemixturesolution’srententiontime.

Adopttheresinadsorptionmethodtoproceedpurifying,weusethreeresins:

NKA-9（strongpolar）typeresin,AB-8（weakpolar）typeresinandD-101（nonpolar）typeresin.WeconformtheNKA-9typeresinisthebestresinofthethreewhichpossessthegoodadsorptionandanalyticaleffectthroughthestaticadsorptionanddesorption,thesaturatedadsorptionis:

6.85mg/g,thedesorptionrateis:

70.8%;wegetthesaturatedadsorptionanddesorptionrateabouttheNKA-9typeresinbydynamicadsorptionanddesorption.WecanknowthattheNKA-9typeresincanachievegoodadsorptionanddesorptoneffects.

Keywords:

Potato;Chlorogenicacid;Ultrasonicwaveassistedextraction;Adsorptionandpurifyingofresin

目录

第1章绪论1

1.1马铃薯概论1

1.2绿原酸的研究进展2

1.2.1酚酸类化合物2

1.2.2绿原酸的分布、结构及性质2

1.2.3绿原酸的生物活性3

1.2.4绿原酸的制备4

1.2.5绿原酸的分析检测方法5

1.3绿原酸的发展趋势5

1.4本课题研究的内容、目的及意义6

第2章材料与方法7

2.1原料、药品和仪器7

2.1.1原料及预处理7

2.1.2实验仪器7

2.1.3实验药品试剂7

2.2实验方法7

2.2.1马铃薯中绿原酸的定性、定量分析7

2.2.2马铃薯中绿原酸的提取及提取工艺优化8

2.2.3马铃薯中绿原酸的纯化9

2.2.4储藏条件对绿原酸含量的影响10

第3章结果与分析11

3.1马铃薯中绿原酸的定性、定量分析11

3.1.1紫外分光光度法11

3.1.2高效液相色谱法11

3.2马铃薯中绿原酸的提取及最佳提取工艺14

3.2.1提取剂的选择14

3.2.2超声波辅助提取绿原酸的单因素实验14

3.2.3正交实验18

3.3马铃薯中绿原酸的纯化19

3.3.1利用HPLC分析不同树脂的纯化能力19

3.3.2吸附与解吸20

3.4储藏条件对马铃薯中绿原酸含量的影响22

第4章结论与展望24

4.1结论24

4.2不足之处及未来展望24

参考文献25

致谢27

第1章绪论

1.1马铃薯概述

马铃薯（solanumtuberosum）又名洋芋、土豆、山药蛋，属于茄科一年生草本植物，它以肥大的块茎供食用.马铃薯是一种营养成分全面、营养结构较合理、生产周期短、耐旱、耐瘠薄、高产、适应性广的重要的粮菜兼用作物，同时它也是世界十大营养食品之一[1].在全世界粮食作物中，马铃薯的总产量排名第四，仅次于水稻、小麦和玉米，马铃薯已成为世界性重要的农业资源和多种工业加工原料[2].全世界马铃薯种植面积1800万-1860万hm2，而我国常年种植面积约500万hm2，，居世界之首[3].我国的马铃薯主要分布在黑龙江、吉林、内蒙古和云、贵、川等地，我国1.3亿hm2的耕地资源中，有60%以上的耕地为旱地，靠天然降雨进行农业生产，而占我国耕地面积60%的西部地区土地多是瘠薄的旱地、山坡地，这些地方非常适宜发展马铃薯种植[2].

马铃薯营养丰富，是世界各国人民喜爱的主食之一.据分析：

马铃薯的含水量很高，达到近80%；淀粉含量达到18%，占干物质中的80%以上；马铃薯的蛋白质含量也较高，达到鲜薯中的1.8%左右，而马铃薯干粉中的粗蛋白达到9%左右；马铃薯块茎中无机盐的平均含量约为1％.其中，每100g鲜马铃薯中含钾568mg，含钙10-40mg，含磷58mg，含钠28mg，含铁lmg，含铜0.08mg，含锰0.5mg，含硒0.4mg.上述这些元素的总量占马铃薯块茎总干重的4.4%左右.马铃薯中含有丰富的维生素C，每100g鲜薯含量达20-40mg左右，另外，马铃薯还含有维生素A、B1、B2、B3、B6、K等，其种类之多是许多粮食和蔬菜所不及的[4].另外，马铃薯具有调中、健脾益气、消炎解毒等保健作用.可以看出，马铃薯是“十全十美的食物”.

马铃薯不但营养价值高、具有广泛的药用价值，而且还具有重要的抗氧化物质.如酚酸、类胡萝卜素、类黄酮等[5].马铃薯中具有如此多的有益物质，尤其是酚酸强大的抗氧化功能以及应用的广泛性，所以引起了科研工作者对其比较大的兴趣.马铃薯果实可加工成食品、淀粉、发酵产品，薯渣可制成醋、饲料等产品，然而马铃薯的皮却被人们在日常生活和生产中丢弃掉，殊不知马铃薯的皮和渣中含有高价值的功能性生物活性成分.绿原酸是马铃薯酚类物质中最重要的抗氧化成分，其研究和应用也逐渐被人们所认识.利用马铃薯皮这种废弃材料进行绿原酸的提取将会降低其生产成本，扩大其应用范围.

1.2绿原酸的研究进展

马铃薯是酚类化合物（Phenolics）和一系列抗氧化剂（Antioxidants）的主要食物来源之一[7].酚类化合物属于植物次生代谢产物，是多羟基酚类化合物的总称,它存在于包括马铃薯等许多植物的组织中.酚类化合物按结构可分为酚酸类（PhenolicAcids）、类黄酮类（Flavonoids）、1.2二苯乙烯（Stilbenes）和木酚素类（Lignans）[4].在马铃薯中，酚类化合物主要分布在皮和皮层之间，约有50%存在于皮及邻近的组织中.

酚类化合物具备抗菌、抗诱变、清除自由基的功能.自由基能够诱导氧化应激，氧化应激会损害DNA、蛋白质和脂肪，导致慢性疾病例如癌症，心血管疾病和炎症的引发.而酚类化合物能够抑制自由基-诱导氧化应激和慢性疾病的引发.这些酚类化合物中的各种物质之间的协同作用要比单一的营养补充剂提供更好的保护能力[5].其中，酚类化合物中约90%是绿原酸，它属于酚酸类物质.由于酚酸类物质是功能强大的抗氧化剂，所以，以绿原酸为主的酚酸类物质由于其潜在的健康效益在过去的几年中逐渐被关注.

1.2.1酚酸类化合物

酚酸类化合物（PhenolicAcid）多为对羟基苯甲酸和对羟基肉桂酸的衍生物.由于其分子结构羟基的高反应性和吞噬自由基的能力而有很好的抗氧化活性.酚酸类化合物主要包括绿原酸（ChlorogenicAcid）、咖啡酸（CaffeicAcid）、没食子酸（GallicAcid）、原儿茶酸（ProtocatechicAcid）、芥子酸（SinapicAcid）、香草酸（VanillicAcid）、丁香酸（SringicyAcid）、阿魏酸（FerulicAcid）、对香豆酸（CoumaricAcid）、水杨酸（SalicylicAcid）等多种成分[6].

酚酸是马铃薯中含量较高的一类生物活性物质，研究表明酚酸与植物的生长发育及抗逆性、医疗保健、人体健康和食品质量等都有着密切的联系[8].

1.2.2绿原酸的分布、结构及性质

绿原酸在可溶性酚酸类化合物中是最为重要的物质，绿原酸广泛存在于高等双子叶植物和蕨类植物中，主要存在于忍冬科忍冬属（Lonicera）、菊科蒿属（Artemisia）植物中.其中含量较高的植物主要为杜仲、金银花、向日葵等.另外，在蔬菜（如马铃薯、胡萝卜、茄子[9]）等日常食用品中都含有绿原酸类物质.

绿原酸（ChlorogenicAcid）是由咖啡酸（CaffeicAcid）与奎尼酸（QuinicAcid）组成的缩酚酸、异名咖啡鞣酸，化学名3-O咖啡酰奎尼酸（3-O-caffeoylquinicacid），分子式：

C16H18O9，分子量：

354.30，是植物体在有氧呼吸过程中经莽草酸途径产生的一种苯丙素类化合物[10].绿原酸的半水合物为白色或微黄色针状结晶，在110℃时变成无水化合物，与稀盐酸共热产生咖啡酸.绿原酸在25℃时水中溶解度约为4%，易溶于乙醇、甲醇、丙酮等极性溶剂，极微溶于乙酸乙酯，难溶于氯仿、乙醚、苯等亲脂性有机溶剂[11].绿原酸的吸收波长约为330nm，对紫外光有较强的吸收性.绿原酸的水溶液遇三氯化铁呈绿色.

绿原酸是由咖啡酸和奎尼酸缩合而成，为极性有机酸，性质不太稳定，这主要是由于其特殊的分子结构，其分子结构中有不饱和键、酯键及多元酚三个不稳定部分.在从植物的提取过程中，通过水解和相继分子内酯基迁移而发生异构化.绿原酸中含有的邻二酚羟基结构不稳定，导致绿原酸受热、见光易氧化；高温加热易氧化分解.绿原酸是一种对热敏感的化合物，在提取的过程中，应注意温度的控制，尤其是不能在高温、强光及长时间加热的条件下操作.绿原酸的供试液要放置在棕色瓶、冰箱（2℃）保存时最为稳定[11、12].

图1-1绿原酸的化学结构图

Fig.1-1Chemicalstructureofchlorogenicacid

1.2.3绿原酸的生物活性

绿原酸具有广泛的生物活性，现代科学对绿原酸生物活性的研究已深入到食品、保健、医药和日用化工等多个领域.绿原酸是一种重要的生物活性物质，具有抗菌、抗病毒、增高白血球、保肝利胆、抗肿瘤、降血压、降血脂、清除自由基和兴奋中枢神经系统等作用.绿原酸的主要药理作用有：

1.2.3.1降压作用

经多年临床试验证实的，绿原酸有明显的降压作用，而且疗效平稳，无毒、无副作用.美国威斯康星大学等[13]研究发现杜仲绿降血压的有效成分是松酯醇二葡萄糖苷，桃叶珊瑚甙，绿原酸，和杜仲绿原酸多糖类.  

1.2.3.2抑制突变和抗肿瘤

现代药理实验证明绿原酸有抗癌和抑癌之功效，日本学者研究了绿原酸的变异原性抑制作用（antimutagenicity），发现该作用与绿原酸等抗变异原性成分有关，揭示了绿原酸对肿瘤预防的重要意义[14.15].

蔬菜、水果中的多酚类如绿原酸、咖啡酸等可通过抑制活化酶来抑制致癌物黄曲霉毒素B1和苯并[a]-芘的变异原性；绿原酸还可通过降低致癌物的利用率及其在肝脏中的运输来达到防癌、抗癌的效果.绿原酸对大肠癌、肝癌和喉癌具有显著的抑制作用，被认为是癌症的有效化学防护剂[16].

1.2.3.3 抗氧化作用

绿原酸是一种有效的酚型抗氧化剂，其抗氧化能力要强于咖啡酸、对羟苯酸、阿魏酸、丁香酸、丁基羟基茴香醚（BHA）和生育酚.绿原酸之所以有抗氧化作用，是因为它含有一定量的R-OH基，能形成具有抗氧化作用的氢自由基，以消除羟基自由基和超氧阴离子等自由基的活性，从而保护组织免受氧化作用的损害[17].

1.2.3.4清除自由基、抗衰老、抗肌肉骨骼老化

绿原酸及其衍生物具有比抗坏血酸、咖啡酸和生育酚（维生素E）更强的自由基清除效果，可有效清除DPPH自由基、羟基自由基和超氧阴离子自由基，还可抑制低密度脂蛋白的氧化.绿原酸对有效地清除体内自由基、维持机体细胞正常的结构和功能、防止和延缓肿瘤突变和衰老等现象的发生具有重要作用[18].杜仲绿原酸含有一种可促进人体的皮肤、骨骼、肌肉中胶蛋白的合成与分解的特殊成分，具有促进代谢、防止衰退的功能，可用来预防宇航员因太空失重而引起的骨骼和肌肉衰退，同时发现杜仲绿原酸无论在体内还是体外，均有明显抗自由基作用.

1.2.3.5抗菌、抗病毒作用

绿原酸和异绿原酸对多种致病菌有较强的抑制和杀灭作用，对急性咽喉炎症及皮肤病有明显疗效，临床上用于治疗急性细菌性感染疾病.德国Free大学E.Eich教授在研究有些植物次生代谢物作为抗逆转录病毒剂时，认为绿原酸是有希望成为抗艾滋病病毒（HIV）的先导化合物[19].这与英国专利报道的杜仲树皮或叶的碱性提取物治疗和预防艾滋病毒感染者很有效果的结论相一致[20].

1.2.3.6对心血管保护作用

绿原酸作为一种自由基清除剂及抗氧化剂已被大量的试验证明，绿原酸的这种生物活性，对心血管系统能产生保护作用.异绿原酸B对大鼠具有较强促进前异绿原酸B对大鼠具有较强促进前列腺环素（PGI2）的释放和抗血小板凝集作用；对豚鼠肺碎片感应的抗体诱导SRS-A释放抑制率达62.3%.异绿原酸C也有促进PGI2释放作用.另外，异绿原酸B对血小板学栓素的生物合成和氢过氧化无诱发的内皮素损伤有极强的抑制作用[16].

1.2.3.7其它生物活性

由于绿原酸对透明质酸（HAase）及葡萄糖-6-磷酸酶（Gl-6-Pase）有特殊的抑制作用，所以绿原酸对于创伤的治愈、皮肤健康湿润、润滑关节、防止炎症以及体内血糖的平衡调控等都有一定得疗效[21]；绿原酸具有预防糖尿病、显著增加胃肠蠕动和促进胃液分泌等药理作用；对月经过多，子宫功能性出血有良好的止血效果；对急性咽喉炎症有明显的疗效.研究表明，口服绿原酸能够显著的刺激胆汁的分泌，具有利胆保肝的功效；它还可有效抑制H2O2引起的大鼠红细胞溶血作用[10、12].

1.2.4绿原酸的制备

1.2.4.1绿原酸的提取方法

目前国内外对绿原酸的提取方法研究上主要有石硫醇法、铅盐沉淀法、醇沉法、有机溶剂浸提法、回流提取法、索氏提取法、微波提取法、超声辅助提取法以及超临界流体萃取法等.

靳学远[22]等研究了超高压提取菊花中绿原酸的最佳工艺条件为：

40%乙醇、超高压压力300MPa、超高压力时间5.5min，粉碎度60目，绿原酸得率达到0.46%.

张凌裳[23]等利用酶解和超声相结合的方法得到的最佳工艺条件为：

溶剂pH为5.0，酶解温度为40℃，料液比为1：

10，超声时间为30min.在此最佳条件下绿原酸提取率可达3.05%.从与酶法和超声波法的比较试验得出，绿原酸提取得率比酶解高出5.54%，比超声波提取高出16.68%.

王贤萍[24]等研究了超声波处理条件下超声波的设备参数和提取操作参数对苹果酚类物质的提取作用效果.得到的最佳工艺条件为：

功率200W，超声频率40KHz,提取温度70℃，超声提取时间30min，pH为3，料液比为1:

10的条件下，提取率达2375.60mg/kg.

于基成[25]等以绿茶为材料，采用超临界CO2萃取技术提取绿茶中的茶酚类物质.实验结果表明：

提取时间为1h，提取温度为60℃，压力在25MPa时，茶酚类物质的萃取率为43.68%.当加入65%的乙醇作为夹带剂时，茶酚类物质萃取率可提高到56.37%.

1.2.4.2绿原酸的合成

1.绿原酸的生物合成

植物体内绿原酸的生物合成包括一系列的酶促反应.在酶的催化条件下，葡萄糖转化成莽草酸（ShikimicAcid），莽草酸转化成苯丙氨酸PHE（phenylalanine），后者经合成酶作用得到绿原酸.绿原酸可能的生物途径为[11.18]：

糖酵解磷酸烯丙醇式丙酮酸

奎尼酸

D-葡萄糖5-脱氢奎尼酸

磷酸戊糖支

4-磷酸-赤藓糖5-脱氢莽草酸

奎尼酸

莽草酸L-苯丙氨酸反-肉桂酸香豆酸咖啡酸绿原酸

图1-2绿原酸可能的生物合成途径

Fig.1-2Possiblebiosyntheticpathwayofchlorogenicacid

2.绿原酸的化学合成

关于绿原酸化学合成的报道很少，已合成的绿原酸因未保护易水解基团，产率不到5%.近年Michael[11]改进了这种方法：

通过以奎尼酸起始的四步化学反应合成了绿原酸，总产率达到65%.该方法的关键中间产物是选择性修饰得到的双缩醛化奎尼酸，在其3号位上与被保护的咖啡酰氯酯化，所得产物在酸性条件下水解去除保护性基团就得到了绿原酸.

1.2.5绿原酸的分析检测方法

酚酸的分析检测方法有紫外分光光度法（UV）、高效液相色谱法（HPLC）、高效毛细管法（HPCE）等.目前，应用较多的是紫外分光光度法和高效液相色谱法.本次实验主要应用这两种方法进行马铃薯中绿原酸的分析检测.

于华忠[26]等在紫外可见分光光度法测定茶叶中绿原酸的含量具有快速、简便、易于操作等特点，其线性方程为C=0.4625A+0.0017，相关系数r=0.9998，回收率高达98.1%.

兰小艳[27]