超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的工藝研究

雷曉燕

(沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110142)

紫甘藍(lán)又叫紫包菜，為十字花科2年生甘藍(lán)種中的一個(gè)變種，是結(jié)球甘藍(lán)中的一種類型，由于紫甘藍(lán)易種植、易采摘、色素含量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，是一種常見(jiàn)而又深受消費(fèi)者喜愛(ài)的蔬菜［1］.紫甘藍(lán)色素是紫甘藍(lán)中有色化合物的總稱，屬于多酚類物質(zhì)，是由花青素與糖以苷的形式結(jié)合后形成的產(chǎn)物［2－3］.紫甘藍(lán)色素在國(guó)外作為天然食用色素之一，已用作糖果、色拉、乳酸菌飲料、碳酸飲料、固體飲料和果酒等的著色劑［4－6］.此外紫甘藍(lán)色素還可用于羊毛、蠶絲等蛋白質(zhì)纖維的染色，并獲得良好的染色效果［7－8］.由于紫甘藍(lán)色素能消除活性氧自由基，具有較強(qiáng)的體內(nèi)外抗氧化能力，是一種很好的天然抗氧化劑［9］.研究表明，紫甘藍(lán)色素溶液的顏色隨pH值的改變而發(fā)生靈敏變化，且顏色變化具有可逆性，可用于酸堿滴定試驗(yàn)，重復(fù)性好、準(zhǔn)確性更高［10－11］.紫甘藍(lán)色素因其安全、廉價(jià)、易得，已在食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，并且有良好的應(yīng)用前景.目前紫甘藍(lán)色素常用的提取方法主要有水提取法、酸提取法、微波輔助水提法和超聲波輔助水提法［12］.超聲波可產(chǎn)生空化作用和次級(jí)效應(yīng)，使細(xì)胞周圍和細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，從而提高細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性，有利于細(xì)胞內(nèi)有效成分的釋放［13］.本文實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助水萃取就是利用這一特點(diǎn)來(lái)達(dá)到加快細(xì)胞釋放色素的速度，縮短提取時(shí)間和提高色素提取率的目的，本研究旨在為紫甘藍(lán)色素的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供一些理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 樣品來(lái)源

紫甘藍(lán):市售，新鮮(購(gòu)自沈陽(yáng)市于洪區(qū)永強(qiáng)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)).

1.1.2 主要試劑

冰醋酸，分析純，天津博迪化工股份有限公司;乙酸乙酯，分析純，天津博迪化工股份有限公司;丙酮，分析純，天津博迪化工股份有限公司;無(wú)水乙醇，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠;濃鹽酸，分析純，中國(guó)沈陽(yáng)東興試劑廠;氫氧化鈉，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心.

1.1.3 主要儀器

SCA210電子天平，臾豪國(guó)際貿(mào)易上海有限公司;721E型分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司;KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲波儀器有限公司;PHB筆型酸度計(jì)，上海盛磁儀器有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紫甘藍(lán)色素提取工藝流程

洗凈的新鮮紫甘藍(lán)→切碎→稱重→超聲波輔助提取→過(guò)濾→色素液.

1.2.2 紫甘藍(lán)色素最適提取溶劑的確定

稱取5份新鮮切碎的紫甘藍(lán)，分別與等體積蒸餾水、無(wú)水乙醇、冰醋酸、乙酸乙酯、丙酮混合，用保鮮膜密封，20℃下進(jìn)行浸提，每隔2 h觀察顏色變化.根據(jù)浸提的情況確定最適提取溶劑.

1.2.3 紫甘藍(lán)色素最大吸收波長(zhǎng)的確定

稱取2份等量新鮮切碎的紫甘藍(lán)，分別與等量最適浸提劑混合，一份置于超聲波清洗器中，在功率為50 W、20℃下、輔助浸提30 min，另一份在無(wú)超聲波環(huán)境下，20℃浸提30 min.分別將浸提液過(guò)濾，濾液經(jīng)稀釋后用分光光度計(jì)在不同波長(zhǎng)下測(cè)吸光度，確定最大吸收波長(zhǎng).

1.2.4 超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的工藝優(yōu)化

超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適液固比的確定:分別稱取7份5g新鮮切碎的紫甘藍(lán)，分別用10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL和40 mL最適提取劑浸提.在超聲波功率為50 W，20℃下，輔助浸提30 min，確定最適液固比.

超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適功率的確定:稱取7份5 g新鮮切碎的紫甘藍(lán)，分別用25 mL最適提取液浸提，在20℃下超聲波功率分別設(shè)定為40 W、50 W、60 W、70 W、80 W、90 W和100 W，輔助浸提30 min，確定最適浸提功率.

超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適提取時(shí)間的確定:稱取6份5 g新鮮切碎的紫甘藍(lán)，按最適液固比，在20℃、最適超聲波功率下浸提10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min，確定最適浸提時(shí)間.

超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適提取溫度的影確定:稱取7份5 g新鮮切碎的紫甘藍(lán)，以最適液固比、最適提取時(shí)間、最適超聲波功率進(jìn)行浸提，提取溫度分別設(shè)定為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃，確定最適浸提溫度.

pH值對(duì)提取紫甘藍(lán)色素的影響:稱取40 g新鮮切碎的紫甘藍(lán)，溶于200 mL蒸餾水中，在超聲波功率為70 W，50℃下提取20 min，過(guò)濾，用酸度計(jì)測(cè)得色素液pH值，分別用4 mol/L的NaOH溶液和6 mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)pH值，觀察色素液在不同pH值下的顏色變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 紫甘藍(lán)色素最適提取溶劑確定的結(jié)果

將紫甘藍(lán)放入不同溶劑中進(jìn)行浸提，所得結(jié)果如圖1所示.由圖1可以看出:紫甘藍(lán)色素不溶于乙酸乙酯;在無(wú)水乙醇和丙酮中，色素的顏色消失;在冰醋酸中色素的顏色由紫色變成了紅色;只有在蒸餾水中色素顏色未發(fā)生改變且溶入蒸餾水中.因此，確定蒸餾水為最適提取溶劑.

圖1 紫甘藍(lán)色素在不同溶劑中的溶解情況Fig.1 The dissolution status of purple cabbage pigment in different solvents

2.2 紫甘藍(lán)色素最大吸收波長(zhǎng)的確定

分別在有、無(wú)超聲波輔助條件下利用蒸餾水浸提紫甘藍(lán)色素，結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出，有超聲波輔助提取的紫甘藍(lán)色素的吸光度明顯高于無(wú)超聲波輔助提取的紫甘藍(lán)色素的吸光度，可知超聲波輔助更有利于紫甘藍(lán)色素的提取.從圖2可以確定紫甘藍(lán)色素的最大吸收波長(zhǎng)是560 nm，以下考察各種因素對(duì)超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的影響時(shí)，均在560 nm處測(cè)定吸光度.

圖2 紫甘藍(lán)色素在蒸餾水中的吸收光譜Fig.2 Spectrograms of the purple cabbage pigment in distilled water

2.3 超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適液固比的確定

以蒸餾水為浸提劑，在不同液固比條件下提取紫甘藍(lán)色素，結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出:在液固比為2∶1(mL/g)時(shí)，因溶劑量過(guò)少，所以浸提液濃度高，吸光度值大，但色素未完全得到浸提.隨著浸提劑增多，提高了浸提量，但是整體濃度下降，并且吸光度值下降幅度大.在液固比升高到5∶1(mL/g)以后，吸光度值趨于平緩，這是因?yàn)槠渖氐玫匠浞秩芙猓倮^續(xù)增加提取劑的量，不能提高提取率，色素濃度呈下降趨勢(shì)，吸光度也相應(yīng)下降.因此，確定超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的最適液固比為5∶1(mL/g).

圖3 液固比對(duì)超聲波提取紫甘藍(lán)色素的影響Fig.3 The effect of liquid-solid ratio on extraction of purple cabbage pigment by ultrasonic

2.4 超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適功率的確定

以蒸餾水為浸提劑，在不同超聲波功率條件下提取紫甘藍(lán)色素，結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出，隨著功率增加，紫甘藍(lán)色素吸光度值逐漸升高，到達(dá)70 W后開(kāi)始下降.在超聲波功率較小時(shí)，不能使細(xì)胞充分受到超聲波的作用，紫甘藍(lán)色素釋放不完全.但在超聲波功率高于70 W后，提取率下降，這主要是由于超聲波功率過(guò)大造成紫甘藍(lán)色素結(jié)構(gòu)破壞.因此，確定超聲波最適提取功率為70 W.

圖4 超聲波功率對(duì)超聲波提取紫甘藍(lán)色素的影響Fig.4 The effect of power on extraction of purplecabbage pigment by ultrasonic

2.5 超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適提取時(shí)間的確定

以蒸餾水為浸提劑，在不同提取時(shí)間條件下提取紫甘藍(lán)色素，結(jié)果如圖5所示.由圖5可以看出，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，吸光度有一定的增加，在20 min時(shí)吸光度值達(dá)到最高，20 min后吸光度值開(kāi)始趨于平緩，表明在提取時(shí)間為20 min時(shí)紫甘藍(lán)色素已提取充分，所以最適提取時(shí)間為20 min.

圖5 時(shí)間對(duì)超聲波提取紫甘藍(lán)色素的影響Fig.5 The effect of time on extraction of purple cabbage pigment by ultrasonic

2.6 超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素最適提取溫度的確定

以蒸餾水為浸提液，在不同提取溫度條件下提取紫甘藍(lán)色素，結(jié)果如圖6所示.由圖6可以看出，隨著提取溫度升高，紫甘藍(lán)色素吸光度值逐漸升高，提取溫度為50℃時(shí)吸光度值最高，而后開(kāi)始下降.因此確定最適提取溫度為50℃.

圖6 溫度對(duì)超聲波提取紫甘藍(lán)色素的影響Fig.6 The effect of temperature on extraction of purple cabbage pigment by ultrasonic

2.7 pH值對(duì)紫甘藍(lán)色素性質(zhì)的影響

在pH值為1.0～12.0的條件下觀察紫甘藍(lán)色素顏色的變化，結(jié)果如表1所示.由表1可以看出:在pH值為2以下時(shí)紫甘藍(lán)色素呈現(xiàn)紅色，在中性偏酸的條件下紫甘藍(lán)色素呈現(xiàn)藍(lán)紫色，在堿性條件下紫甘藍(lán)色素呈現(xiàn)綠色系列的變化，可見(jiàn)紫甘藍(lán)色素對(duì)pH值的變化比較敏感，在提取該色素時(shí)應(yīng)盡量選擇中性偏酸的條件.

表1 不同pH值下紫甘藍(lán)顏色的變化Table 1 The colour change of purple cabbage pigment in different pH

3 結(jié)論

(1)紫甘藍(lán)色素的最適提取劑為蒸餾水.

(2)紫甘藍(lán)色素在蒸餾水中的最大吸收波長(zhǎng)為560 nm，超聲波輔助更有利于紫甘藍(lán)色素的提取.

(3)超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的最適液固比為5∶1(mL/g).

(4)超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的最適功率為70 W.

(5)超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的最適提取時(shí)間為20 min.

(6)超聲波輔助提取紫甘藍(lán)色素的最適提取溫度50℃.

(7)pH對(duì)紫甘藍(lán)色素的影響較大，不同pH下紫甘藍(lán)色素呈現(xiàn)不同的顏色變化，中性偏酸的環(huán)境下，紫甘藍(lán)色素呈現(xiàn)本身的藍(lán)紫色.

［1］ 杜淑霞，貝惠玲，徐麗.紫甘藍(lán)色素的提取工藝及穩(wěn)定性研究［J］.糧油加工，2010(2):80－83.

［2］ Dyrby M，Westergaard N，Stapelfeldt H.Light and Heat Sensitivity of Red Cabbage Extract in Soft Drink Model Systems［J］.Food Chemistry，2001，72 (4):431－437.

［3］ 白慧云，宋建榮.天然甘藍(lán)食用色素化學(xué)穩(wěn)定性研究［J］.長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23(5):51－52.

［4］ 郭艷華，陸茜，張玉敏，等.紫甘藍(lán)色素的光熱穩(wěn)定性研究［J］.江漢大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34 (1):31－34.

［5］ Xu Zhenzhen，Wu Jinhong，Zhang Yan，et al.Extraction of Anthocyanins from Red Cabbage Using High Pressure CO2［J］.Bioresource Technology，2010，101(18):7151－7157.

［6］ 潘文潔，呂文虎.紫甘藍(lán)色素提取條件的研究［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2006，27(3):42－43.

［7］ 張玉敏，郭艷華.化學(xué)添加劑對(duì)紫甘藍(lán)色素穩(wěn)定性的影響［J］.江漢大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，36 (3):38－41.

［8］ Timberlake C F，Henry B S.Plant Pigments as Natural Food Colors［J］.Endeavor，1986，10(1):31－34.

［9］ 蔣益花.輔色劑對(duì)提高紫甘藍(lán)紅色素穩(wěn)定性的研究［J］.中國(guó)調(diào)味品，2009，34(3):91－93.

［10］凌關(guān)庭.可供開(kāi)發(fā)食品添加劑(Ⅳ):紅甘藍(lán)色素及其生理功能［J］.糧食與油脂，2003(3):47－51.

［11］王金亭.甘藍(lán)紅色素的制備及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，4(2):439－442.

［12］魯蓉蓉，董海豐，汪無(wú)際，等.紫甘藍(lán)色素在酸堿滴定中的應(yīng)用研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，30(4):76－78.

［13］徐亞民，趙曉燕，馬越，等.紫甘藍(lán)色素抗氧化能力的研究［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2006，27(11):59－62.