Какие ингредиенты в экстракте черного риса?

Black rice is a special type of rice that is rich in nutrients, including various trace elements and anthocyanins. According to the Compendium of Materia Medica, black rice has the effects of nourishing the yin and the kidneys, strengthening the spleen and warming the liver, improving eyesight and promoting blood circulation. In folk culture, black rice has the reputation of being a “precious tribute rice” and “medicine rice” [1]. Modern research has proven that black rice has various biological activities such as anti-oxidation, anti-inflammation, and prevention of cardiovascular and cerebrovascular diseases [2].

Эти биологические функциональные виды деятельности тесно связаны с пигментными компонентами, содержащимися в черном рисе. Между тем, поскольку люди уделяют больше внимания своему здоровью, черный рис, который часто потребляется людьми, и пигменты в нем также получили внимание исследователей. В настоящее время проводится все больше исследований по вопросам идентификации компонентов экстракта черного риса, процесса экстракции, разделения и очистки, а также стабильности. Поэтому в настоящем документе рассматриваются результаты исследований, касающихся анализа состава, экстракции, разделения и очистки, а также стабильности пигментов черного риса, с тем чтобы получить полное представление о свойстве пигментов черного риса и содействовать развитию и глубокой переработке черного риса в области продовольствия и здоровой пищи.

1 методы отделения, идентификации и определения компонентов экстракта черного риса

1.1 отделение и идентификация компонентов экстракта черного риса

Основной компонент программыЭкстракт черного риса- это антоцианин. Поскольку антоцианин неустойчив к теплу, свету и другим условиям, он также затрудняет его отделение и идентификацию. В настоящее время наиболее широко используемым методом идентификации компонентов экстракта черного риса является жидкая хроматография-тандем масс-спектрометрия.

Солнце вухуан и др. использовали инфракрасную спектроскопию и высокопроизводительную жидкую хроматографию тандема масс-спектрометрии для разделения и идентификации пигментных компонентов ультразвукового экстракта черного риса. Согласно первичному и вторичному спектрам массы разделенных веществ, было установлено, что экстракт содержит два компонента антоцианина, а именно цианидин -3- глюкозид и пеонидин -3- глюкозид, массовая доля которых составляет соответственно 15,20% и 39,60% [3]. Парк и др., используя экстракт черного рис в качестве объекта исследования, использовали высокопроизводительную жидкую хроматограмму и ультрафиолетовую видимую спектрофотометрию для идентификации пигментных компонентов черного рис, таких как цианидин -3- глюкозид, антоцианин -3- глюкозид, мальвинидин -3- глюкозид, гераниол -3- глюкозид, среди которых содержание сентарейдин -3- глюкозид было самым высоким, составляя 95% по относительному содержанию [4].

Mikihlemori et al. использовали высокопроизводительную жидкостную хроматографическую фотодиодовую детекцию и электрораспылительную масс-спектрометрию для идентификации пигментных компонентов черного риса и доказали, что основными компонентами были цианидин -3- глюкозид и цианидин -3- галактозид с относительным содержанием 91,13% и 4,74%, соответственно [5]. Чжан мингвей и др. изолированы, очищены и идентифицированы четыре антоцианина из черного риса: мальвин, пеларгонидин 3,5- диглюкозид, цианидин 3- глюкозид и цианидин 3,5- диглюкозид. Из них гераниум - 3,5 - диглюкозид и кукуруза - 3,5 - диглюкозид являются компонентами, которые не были идентифицированы предыдущими поколениями [6].

Таким образом, пигментный состав черного риса состоит из различных компонентов антоцианина. Компонент, идентифицированный исследователями-кукуруза -3- глюкозид, который также является компонентом с самым высоким содержанием.

1.2 метод определения экстракта черного риса

Currently, the main methods for determining black rice extract include spectrophotometry, high-performance liquid chromatography, and liquid chromatography-mass spectrometry tandem methods. The advantage of the liquid chromatography-mass spectrometry tandem method is in separation and identification, with many advantages such as high efficiency, speed, and sensitivity. However, the equipment used in this method is more expensive, and the technical requirements for operation and maintenance are higher. Liquid chromatography and spectrophotometry are more suitable for ordinary enterprises and other institutions.

Йин лонгбин и др. использовали цианидин -3- глюкозид в качестве стандартного вещества для определения метода обнаружения антоцианиновых веществ в черном рисе с помощью высокоэффективной жидкой хроматографии. Длина обнаруживаемой волны была определена в 275 нм, а мобильная фаза состояла из метанола и воды (содержащей 1% формовой кислоты), которые были пропущены градиентом. Метод имеет хорошую линейность (R= 0,9998) в диапазоне концентрации антоцианина от 0,0052 до 0,052 мг/мл, со средней скоростью восстановления 99,72%, осд 0,9100, и минимальным пределом обнаружения 0,1 нг/мл [7].

As early as 1982, Osawa used the pH difference method to determine the anthocyanin content in food. Using Цианидин -3- глюкозид as the reference substance, he established a method for determining anthocyanin using the fact that the structural transformation of anthocyanin components under different pH conditions is a function of pH, and the absorbance values are different at the same wavelength [8]. Zhou Shukun et al. used this method to determine the pigment content of black rice. Using cyanidin-3-glucoside as the reference substance, they measured the maximum absorbance of black rice extract solutions at pH 1.0 and 4.5, and calculated the pigment concentration of black rice based on the molecular weight and extinction coefficient of cyanidin-3-glucoside[9].

В процессе экстракции и очистки экстракта черного риса исследователи предпочитают простые и быстрые методы измерения. Чжан йинлян, го Мэй и у супин, в частности, использовали спектрофотометры для определения степени экстракции пигментов черного риса. После надлежащего разбавления пробы поглощающая способность измерялась на максимальной длине поглощающей волны, а значение поглощающей способности использовалось для оценки результатов экстракции или очистки [10-12].

2 стабильность экстракта черного риса

Стабильность компонентов антоцианина зависит от таких факторов, как свет, температура и окислители. Антоцианин чувствителен к температуре, и длительное нагревание приведет к образованию бесцветной структуры халконона и исчезает. Антоцианин может быть преобразован из состояния земли в состояние возбуждения сильным облучением светом, что делает его более подверженным реакциям деградации [13]. В настоящее время компоненты экстракта черного риса определены как компоненты антоцианина. Поэтому исследователи изучили стабильность антоцианина черного риса в таких условиях, как свет и тепло, чтобы уточнить условия хранения и применения пигментов черного риса.

2.1 влияние тепла и света на стабильность экстракта черного риса

Jiang Xinlong used isolated and purified black rice pigment extract as the object of study, and proved that the thermal and photodegradation of black rice anthocyanin both conformed to the first-order reaction kinetic equation [13]. Ji Yunqi et al. heated black rice pigment solutions to 70 °C and 100 °C, respectively, for 30 minutes, and found that the absorbance at 510 nm decreased by 7.2% and 20%, respectively [14]. This proves that the higher the temperature and the longer the heating time, the faster the thermal degradation of black rice anthocyanin. Black rice anthocyanin was placed under constant temperature conditions of 24°C and a pH of 3.0, and then exposed to natural indoor light (average light intensity 10001x), strong sunlight (average light intensity 450001x), and dark conditions for 10 days. The degradation rates were 0.01184/h, 0.01639/h and 0.0035/h, with half-lives of 58.54, 42.29 and 197.80 h, respectively [13]. It can be seen that black rice pigment is relatively poor in heat and light resistance, and that low temperatures and dark conditions are conducive to its preservation.

2.2 влияние ультразвукового поля на стабильность экстракта черного риса

Чжоу шукун и др. изучали влияние ультразвука на стабильность экстракта черного риса. Были изучены последствия первоначальной концентрации, pH, ультразвуковой частоты, ультразвуковой мощности и температуры реакции на деградацию пигментов черного риса. Благодаря кинетическому анализу реакции химические реакции пигментов черного риса в ультразвуковой и неультразвуковой среде соответствуют закону реакции первого порядка. В ультразвуковом поле энергия активации составила 37697,94 КДЖ/моль, а преэкспоненциальный фактор - 3800,55 с -1. В неультразвуковой среде энергия активации 39531,41 КДЖ/моль, а преобразователь 2887,07 с -1. Сравнение показывает, что ультразвук может уменьшить энергию активации и увеличить количество эффективных молекулярных столкновений, что делает реакцию разложения более вероятной. Видно, что количество эффективных молекулярных столкновений пигмента черного риса в ультразвуковом поле увеличивается, а энергия активации уменьшается, что повышает вероятность возникновения реакции [9].

2.3 влияние кислотности и щелочности на стабильность пигмента

Black rice extract shows different colors in different acid-base solutions, and its stability is also different, which is consistent with the nature of anthocyanins. When the pH of the black rice pigment solution is < 4, the pigment is red; when the pH of the black rice pigment solution is 5 to 7, the black rice pigment is purple. Zeng Huiqin and others have demonstrated that under acidic conditions and at a temperature of 40°C, black rice pigment is stable to vitamin C, low concentrations of preservatives and different metal ions Na1+, Mg2+, Ca2+, and Zn2+. Under alkaline conditions, relatively long periods of high temperatures, oxidants such as H2O2, metal Fe3+ ions, high concentrations of benzoic acid, and ultraviolet light all affect the stability of black rice pigment [15].

2.4 факторы, влияющие на ионы металлов

Исследования, проведенные Mila и другими, показали, что ионы металлов оказывают селективное цветоусиливающее воздействие на пигменты черного риса. Когда в растворе присутствует Zn2+ или Mg2+, раствор является красным; При наличии Fe2+ раствор является черным фиолетовым; При наличии Ca2+ раствор черным красным цветом; А когда присутствует Al3+, раствор фиолетовый. Цветоусиливающий эффект ионов металлов на пигменты связан с гидролизом ионов и хелатацией пигментов и ионов металлов. Этот механизм нуждается в дальнейшем изучении.

3 технология экстракции и очистки экстракта черного риса

3.1 экстракция растворителей

Технология экстракции растворителей является одним из наиболее широко используемых методов экстракции природных продуктов. Этот метод позволяет в основном выбрать соответствующий экстракционный растворитель на основе химических свойств целевого компонента в сырье и принципа аналогичного растворения, избегая, насколько это возможно, распада нецелевых компонентов. Широко используемые методы экстракции включают мацерацию, обезглавливание и рефлюкс. Экстракция экстракта черного риса осуществляется главным образом методом мацерации, а в качестве экстракционного растворителя используется этаноловый раствор соответствующего pH. У супин и др. использовали этанол в качестве растворителя, что способствует экстракции антоцианина черного риса методом мацерации. Получены оптимальные условия экстракции, а именно: 50% этанола, степень шлифования 50 сеток, соотношение жидкости к материалу 1:5, время межевания 30 мин, температура межевания 80 грац, pH 3 [12]. Го мей и др. использовали этанол в качестве растворителя и использовали метод экстракции для экстракции антоцианина черного риса. На основе однофакторных и ортогональных экспериментов были определены основные факторы, влияющие на скорость экстракции пигментов черного риса: время экстракции > Соотношение жидкости и материала > Температура экстракции > Оптимальные условия экстракции: 95% этанола, соотношение жидкости к материалу 1:45 (г: мл), экстракция pH 3.0, температура экстракции 80°C, время экстракции 90 min [11].

3.2 ультразвуковая экстракция

Технология ультразвуковой экстракции использует "кавитационный эффект", механический эффект и тепловое воздействие ультразвука для ускорения диффузии и выпуска эффективных компонентов и достижения извлечения целевых компонентов. Этот метод применяется при экстракции различных натуральных продуктов, таких как флавоноиды, полифенолы и другие эффективные ингредиенты. Этот метод имеет преимущества низкой температуры экстракции, высокой эффективности и короткого времени.

Zhang Jixiang et al. used an ultrasound-assisted extraction method to extract anthocyanin from black rice. The optimal process conditions were determined: ethanol concentration 80%, ultrasound time 50 min, liquid-to-material ratio 1:32, ultrasound power 250 W, and the optimal extraction rate was 4.5%. This is nearly three times higher than the extraction rate of the traditional Soxhlet extraction method [17]. Zhang Zhihui et al. used ultrasound to assist in the extraction of anthocyanin from black rice. The optimal conditions were determined using the anthocyanin content, DPPH free radical scavenging rate, and total antioxidant capacity as evaluation indicators: ultrasonic power 280W, extraction time 20min, ethanol concentration 70%, solid-liquid ratio (mg/mL) 1:20, temperature 50℃, under these conditions the anthocyanin extraction rate was 12.56mg/g, DPPH free radical scavenging rate was 54.41%, and TAC was 52.38 u/mL [18].

3.3 метод микроволновой экстракции

Технология микроволновой экстракции использует энергию микроволновой радиации для нагрева экстракционного растворителя, при этом целевые компоненты рассеиваются и растворяются из пробы в растворитель. Этот метод имеет такие преимущества, как единообразное отопление, хорошая избирательность, сохранение растворителей, простота эксплуатации, хорошая воспроизводимость, энергосбережение и охрана окружающей среды. В последние годы технология микроволновой экстракции широко используется для извлечения эффективных компонентов из натуральных продуктов, а также имеет определенные преимущества.

Ma Ping и др. оптимизировали процесс экстракции чёрного риса с помощью микроволн. С использованием двухфакторного, двухуровневого ортогонального дизайна экспериментов было показано, что концентрация этанола и соотношение жидкости и материала оказывают значительное влияние на коэффициент извлечения.

Оптимальными условиями экстракции были определены концентрация этанола в 80%, соотношение жидкости к материалу 1:18 (м: в), время микроволновой экстракции 94с и урожайность антоцианина черного риса 4,97% [19]. Ван хуэй изучил микроволновой экстракцию компонентов пигмента черного риса, используя в качестве оценочного показателя абсорбцию экстракта антоцианина черного риса. Результаты показали, что в рамках эксперимента микроволновая мощность, соотношение жидкости к материалу и концентрация этанола оказали сильное влияние на поглощение экстракта черного риса антоцианина. Время микроволнового действия оказало слабое влияние на поглощение экстракта чёрного риса антоцианина, а скорость экстракции чёрного риса антоцианина была позитивно коррелирована с микроволновой мощностью и соотношением жидкости к материалу, а также негативно коррелировала с концентрацией этанола [20].

3.4 фермент гидролиз

Enzymatic hydrolysis makes use of the properties of enzymes. The right enzyme can be selected to break down plant tissue under relatively mild conditions. Cellulase is often used to extract the active ingredients of natural products because it can break down plant cell walls and promote the dissolution of target components.

Лю юнджи и др., используя целлюлазу для извлечения антоцианина из подрубки черного риса, оптимизировали процесс извлечения с помощью однофакторных экспериментов и методов поверхностной реакции. Оптимизированные технологические условия: количество добавления фермента 2,0%, температура ферментативного гидролиза 38,7 градуса, время ферментативного гидролиза 128,8 мин, отношение материала к жидкости 1:10, время экстракции 40 мин, температура экстракции 50 градуса, концентрация этанола экстракционного раствора 80%, и в этих условиях скорость экстракции антоцианина в сорняках черного риса может достигать 21,9 мг/г (теоретическое значение) [21].

3.5 исследование процесса очистки экстракта черного риса

Наиболее изученными методами очистки экстракта черного риса являются технология отделения и очистки макропористых смол и технология отделения мембран. Хоу жаохуа сравнил адсорбционные смолы adсорбционных сортов ADS-5, ADS-7, ADS-F8, ADS-17, NKA-9, AB-8, S-8, D4020 и NKA 9 видов макропористых адсорбционных смол для очистки пигментов черного риса. На основе сопоставления адсорбционных и десорбционных свойств было установлено, что макропористовая смола AB-8 является идеальной смолой для очистки антоцианина черного риса. Наиболее подходящими условиями очистки являются: растворитель 80% этанола, расход потока проб 1,0вв/ч, расход потока десорбции 2,0вв/ч. После очистки смолой содержание антоцианина в экстракте составляет 22,59%, что выше, чем содержание антоцианина в сыром экстракте (3,448%) [22]. Хан хао и др. использовали технологию мембранной сепарации для очистки антоцианина черного риса.

Во-первых, для удаления жирорастворимых компонентов из экстракта черного риса была использована керамическая мембрана с молекулярной пороговой массой 1000 кг, а затем для концентрации обезжириваемого экстракта была использована спирально-ранимая мембрана 100д. Содержание сухого вещества в концентрате, полученное путем отделения и очистки черного риса антоцианина, составило 6,46 г /100 мл, а содержание сухого вещества в концентрате, полученное с помощью традиционной технологии испарения, — 6,56 г /100 мл. Цветные значения составили 2,71 и 1,93 г /100 мл, соответственно, содержание жира — 0,30 и 0,28 г /100 мл, соответственно. Можно видеть, что технология разделения мембран и очистки может повысить чистоту и качество антоцианина черного риса. После разделения мембран не теряется цветовая ценность, и в то же время это приводит к обезжириванию и опреснению, что доказывает, что технология разделения мембран может быть использована для очистки антоцианина черного риса [23].

4 Перспективы на будущее

Черный рис является ценным рисом в китае, и черный рис экстракт является хорошей натуральной пищевой добавкой, которая может быть использована в качестве пищевого ингредиента, пищевой окраски, антиоксидантов и т.д., для разработки различных полезных для здоровья продуктов питания, таких как напитки и хлеб, которые являются наиболее потребляемых продуктов питания людей. Deng Wenhui et al. использовали экстракционный концентрат черного риса в качестве сырья, в сочетании с сахарозой, лимонной кислотой и т.д., для разработки пигмента черного риса [24]. Однако в настоящее время мало что известно о применении экстракта и продуктов очистки черного риса антоцианин или о продолжении использования остатков после экстракции пигмента. Если эти два вопроса удастся решить более эффективно, то использование экстрактов черного риса и дальнейшая переработка черного риса получат дальнейшее развитие.

Справочные материалы:

[1] мин июн. Питательные свойства черного риса [J]. Хунань сельское хозяйство. 2013(9): 41.

[2] яо шулонг. Исследование влияния и механизма антоцианиновых компонентов черного риса на поглощение холестерина [D]. Восточно-китайский научно-технический университет. 2014.

[3] сун вухуан, джин линся, чжао кайбин и др. Высокопроизводительная жидкая хроматография-тандем масс-спектрометрия для состава и структурного анализа пигментов черного риса [J]. Физико-химическая экспертиза издание. 2012 г., 48(9): 1023-1026.

[4] Park Y S, Kim S J, Chang H I. изоляция антоцианина от черного риса (Heugjinjubyeo) и скрининг его антиоксидантной деятельности [J]. Корейский журнал микробиологии и биотехнологии. 2008, 36(1): 55 — 60.

[5] микихлемори, эюнко, алисон м. влияние приготовления на антоцининов в черном рисе (Oryza sativa L.japonica var.SBR) [J]. Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии. 2009,57 (5):1908-1914 годы.

[6] чжан минвей, го баоцзян, чжан руйфен и др. Отделение, очистка и структурная идентификация антиоксидантных активных ингредиентов в черном рисе [J]. Китайская сельскохозяйственная наука, 2006, 39(1): 153 — 160.

[7] ин лонгбин, ю санган, лю кипин и др. Определение компонентов антоцианина в черном рисе с помощью высокопроизводительной жидкой хроматографии [J]. Журнал ханчжоу нормальный университет (издание естественных наук), 2012, 11(1): 28-32.

[8] Osawa Y. Anthocyanins as food colors [м]. Нью-Йорк: научная пресса, 1982 год. 85-85.

[9] Zhou SK, Cao YP, Huang zhu. Исследование стабильности пигмента черного риса в ультразвуковом поле [J]. Пищевые добавки китая, 2015(3): 71-76.

[10] чжан йинлян, чжоу вэньцянь, чжэн цзяньцянь и др. Исследование по экстракции антоцианина из черного риса с ультразвуком и его антиоксидантными свойствами [J]. Журнал жэньчжоу университета легкой промышленности (издание естественных наук), 2013, 28(1): 16-20.

[11] го Мэй, ши юнся. Исследование процесса извлечения пигмента черного риса методом, растворимым в спирте [J]. Исследования и разработки в области продовольствия, 2015, 36(8): 58 — 60.

[12] у супин. Исследование по вопросам экстракции и стабильности пигмента черного риса [J]. Китайские приправы, 2011, 36(12): 106-110.

[13] цзян синьлон. Исследование характеристик деградации антоцианинов черного риса [J]. Китайский журнал зерновых, масел и пищевых продуктов, 2013, 28(4): 27-31.

[14] Ji Y Q, Xu C Y, Zhang S P. исследование по оптимизации процесса экстракции и стабильности пигментов черного риса [J]. Переработка зерна, 2012, 37(2): 33 — 35.

[15] Zeng H Q, Zhang Y M, Jin H. исследование стабильности пигментов черного риса [J]. Исследования и разработки в пищевой промышленности, 2014, 35(19): 17 — 20.

[16] Mi, L., Xu, H., Li, J., et al. Экстракция и стабильность черного риса антоцианина. Журнал сельскохозяйственного университета внутренней монголии, 2011, 32(2): 263-265.

[17] чжан, дж., чжао, вт., бай, х., и др. Оптимизация ультразвуковой экстракции черных пигментов из черного риса методом ортогонального испытания. Наука о еде, 2010, 31(4): 39 — 41.

[18] чжан чжихуэй, ю гопин. Ультразвуковая экстракция антиоксидантных веществ из черного риса [J]. Наука и техника в пищевой промышленности, 2001(12): 338-342.

[19] ма пин, го сихуан, го зенван. Оптимизация процесса извлечения меланина из черного риса с помощью микроволн [J]. Продукты питания и оборудование, 2014, 30(5): 229-231.

[20] ван хуэй. Исследование влияния микроволновой экстракции меланина из черного риса [J]. Сельское хозяйство провинции гуандун, 2013(7): 92-94.

[21] лю юнджи, лю голин, хуан цянди и др. Исследование по оптимизации целлюлозно-клеточной экстракции антоцианина из черного риса методом поверхностной реакции [J]. Исследования и разработки в области продовольствия, 2014, 35(10): 24-27.

[22] хоу чжаохуа, жай хуку, ван цзяньминь. Экстракция и очистка антоцианинов черного риса [J]. Наука о еде. 2010, 31(10): 53 — 59.

[23] хан хао, ли синшэн, чжан чжицзянь и др. Применение мембранной технологии в обезжиривании и концентрации пигментов антоцианина черного риса [J]. Наука о еде, 2012, 33(6): 297 — 300.

[24] Дэн вэньхой, ли синшэн, у саньцяо и др. Очистка пигмента черного риса и исследования по разработке спортивных напитков [J]. Наука и техника о продовольствии, 2013, 38(6): 109 — 113.