超聲波輔助提取紫甘藍色素及穩(wěn)定性研究

劉偉，劉軍海，何敏

(1.陜西理工大學 化學與環(huán)境科學學院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學陜西省催化基礎與應用重點實驗室，陜西 漢中 723000)

紫甘藍(Capitatarubra)，為十字花科、蕓苔變種而來，與結球甘藍屬于同類，在我國南北各地均有種植。紫甘藍別名為紅甘藍，又稱紫包菜，是一類可食用的健康純天然蔬菜，含有多酚、花苷類色素、纖維素等多種活性物質[1]。紫甘藍中的花苷類色素具有較強的抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、抑制細菌等多種生理功效[2-3]。因此，被廣泛應用于食品行業(yè)中[4]，如葡萄飲料加工、吐司面包、肉羊的肉色和肉質改善、食品防腐、食品著色、乳制品、果醬、酒精飲品添加劑等[5-9]。目前紫甘藍色素的提取方法主要有溶劑提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、醇酶復合法、果膠酶法、水浴法等[10-13]。超聲波輔助提取工藝具有提取成本低、提取時間短、工業(yè)技術化成熟等優(yōu)點[14-15]。本研究在已有方法的基礎上，以紫甘藍鮮葉為原料提取紫甘藍色素，根據(jù)單因素試驗和正交試驗優(yōu)化提取條件，進一步探究溫度、光照、蔗糖、食鹽、金屬離子、防腐劑等對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響，從而為紫甘藍色素在食用調味品中的利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紫甘藍：市售；無水乙醇、丙酮、乙酸乙酯、冰醋酸、氫氧化鈉、苯甲酸鈉、硫酸銅、氯化鐵、硫酸鎂、硫酸鋅、碳酸鉀(均為分析純)：天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BSA224S-CW型分析天平 北京賽多利斯科學儀器有限公司；BCD-218ZM2D型冰箱 合肥美菱股份有限公司；GW1030型超聲波清洗機 深圳市潔盟清洗設備有限公司；WGLL-230BE型電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；H1850型低速離心機 北京京立離心機有限公司；MT-5000型pH計 上海亞榮生化儀器廠；DF-101S型恒溫水浴鍋 鄭州長城科工貿有限公司；Cary 50型紫外分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司。

1.3 紫甘藍色素的提取與測定方法

1.3.1 原料的預處理

新鮮的紫甘藍葉經蒸餾水清洗晾干以后，將其切碎得到碎鮮葉末，放入干燥燒杯中備用。

1.3.2 紫甘藍色素最佳提取劑的選擇

稱取5份10.0 g紫甘藍碎鮮葉于干燥燒杯中，分別加入50 mL的無水乙醇、冰醋酸、丙酮、蒸餾水以及乙酸乙酯浸泡4 h，觀察其顏色，根據(jù)顏色判斷浸提情況，從而確定最適浸提劑。

1.3.3 紫甘藍色素的提取及檢測

稱取10.0 g紫甘藍碎鮮葉于干燥燒杯中，加入50 mL蒸餾水進行浸泡，用保鮮膜密封后，在室溫及超聲波功率為80 W的條件下，超聲輔助提取30 min后離心30 min(5000 r/min)，經過濾得到色素提取液,密封保存，備用。

根據(jù)紫甘藍色素的最大吸收波長調整紫外分光光度計的波長為550 nm，取25 mL色素提取液稀釋于50 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線并充分搖勻，然后采用紫外分光光度計測定其吸光度值。

1.4 超聲波輔助提取紫甘藍色素的單因素試驗

取10.0 g紫甘藍碎鮮葉于干燥燒杯中，加入50 mL蒸餾水進行浸泡，然后在室溫條件下超聲輔助提取30 min，經離心、過濾得到濾液，儲存?zhèn)溆谩Ｈ∩鲜錾靥崛∫?5 mL，加入蒸餾水定容至50 mL，最后利用紫外分光光度計測定其吸光度值。在上述工藝的基礎上，分別改變提取溫度、料液比、超聲時間、提取液pH值進行單因素試驗，探究這4個因素對紫甘藍色素提取的影響。

1.5 紫甘藍色素提取的正交試驗

稱取10.0 g紫甘藍碎鮮葉，選取提取溫度(A)、提取時間(B)、料液比(C)、pH值(D)4個影響因素的3個水平設計正交試驗，見表1。最后按照1.3.3中的方法測定其吸光度，從而選擇提取紫甘藍色素的最優(yōu)條件。

表1 正交試驗因素及水平設計Table 1 Design of orthogonal experimental factors and levels

1.6 紫甘藍色素穩(wěn)定性的測定

稱取10.0 g紫甘藍碎鮮葉于干燥燒杯中，加入60 mL蒸餾水進行浸泡，并調整其pH至2，再用保鮮膜密封，在50 ℃及超聲波功率為80 W的條件下，超聲輔助提取50 min后離心30 min(5000 r/min)，經過濾得到紫甘藍色素提取液，并取25 mL色素溶液加蒸餾水定容至50 mL(配制多份)，密封保存，備用。在上述試驗的基礎上，分別探究溫度、光照、蔗糖、氯化鈉、金屬離子以及防腐劑對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響。

2 結果與討論

2.1 提取劑對紫甘藍色素提取的影響

試驗結果發(fā)現(xiàn)，以無水乙醇、丙酮、冰醋酸、乙酸乙酯為提取劑時，浸提結果均為無色或顏色較淺，而以蒸餾水作為提取劑時，溶液顏色為藍紫色。因此，浸提劑應選擇蒸餾水。

2.2 紫甘藍色素提取的單因素試驗

2.2.1 溫度對紫甘藍色素提取的影響

圖1 提取溫度對紫甘藍色素提取的影響Fig.1 The effect of extraction temperature on the extraction of purple cabbage pigment

由圖1可知，隨著提取溫度的升高，紫甘藍色素的吸光度值先增加后減小，在50 ℃時達到最大值。這可能是因為提取溫度過高使得紫甘藍色素變質。因此，控制紫甘藍色素的提取溫度為50 ℃最適宜。

2.2.2 料液比對紫甘藍色素提取的影響

由圖2可知，隨著料液比的增大，紫甘藍色素的吸光度值先增加后減小，在1∶7(g/mL)時達到最大值。這可能是由于料液比增大，溶液稀釋造成吸光度值減小。另外，考慮到節(jié)約成本，控制提取紫甘藍色素的料液比為1∶7(g/mL)最適宜。

圖2 料液比對紫甘藍色素提取的影響Fig.2 The effect of solid-liquid ratio on the extraction of purple cabbage pigment

2.2.3 時間對紫甘藍色素提取的影響

由圖3可知，隨著提取時間的增加，紫甘藍色素的吸光度值持續(xù)增加。但超過40 min后，紫甘藍色素的吸光度值趨于平緩。這可能是因為提取時間達到40 min 時，紫甘藍色素已經充分提取。因此，從能耗與生產效率等多方面綜合考慮，控制提取時間為40 min最適宜。

圖3 提取時間對紫甘藍色素提取的影響Fig.3 The effect of extraction time on the extraction of purple cabbage pigment

2.2.4 pH值對紫甘藍色素提取的影響

由圖4可知，隨著pH值的增大，紫甘藍色素的吸光度值逐漸減小。這可能是因為在酸性條件下紫甘藍色素更易溶解出來。因此，控制提取紫甘藍色素的pH值為2較適宜。

圖4 pH值對紫甘藍色素提取的影響Fig.4 The effect of pH value on the extraction of purple cabbage pigment

2.3 紫甘藍色素提取的正交試驗

正交試驗結果見表2。

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results

續(xù) 表

由表2可知，在超聲波輔助提取紫甘藍色素的4個影響因子中，影響作用從大到小為料液比>提取時間>pH值>提取溫度。而得到的最佳工藝組合為A3B2C1D1，即提取紫甘藍色素的最優(yōu)條件為：料液比1∶6 (g/mL)、pH值2、提取溫度50 ℃、提取時間50 min。

2.4 紫甘藍色素穩(wěn)定性的測定

2.4.1 溫度對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響

由圖5可知，隨著溫度的升高，紫甘藍色素的吸光度值隨之下降。這是由于溫度升高，紫甘藍色素結構發(fā)生了改變，降低了其穩(wěn)定性。因此，紫甘藍色素應保存在常溫或低溫條件下。

圖5 溫度對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響Fig.5 The effect of temperature on the stability of purple cabbage pigment

2.4.2 光照對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響

由圖6可知，在室內光源的照射下，紫甘藍色素的吸光度值沒有明顯變化，呈平穩(wěn)趨勢。而在日光條件下照射后，隨著時間的推移，紫甘藍色素的吸光度值持續(xù)減小，表明日光照射對紫甘藍穩(wěn)定性有明顯的影響，故紫甘藍色素應在陰涼處保存。

圖6 光照對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響 Fig.6 The effect of light on the stability of purple cabbage pigment

2.4.3 蔗糖對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響

由圖7可知，不同濃度的蔗糖影響下，紫甘藍色素的吸光度值變化不大，呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢。由此說明蔗糖不會影響紫甘藍色素的穩(wěn)定性，故蔗糖可以充當食品添加劑與紫甘藍色素一同加入到食品中。

圖7 蔗糖對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響 Fig.7 The effect of sucrose on the stability of purple cabbage pigment

2.4.4 食鹽對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響

由圖8可知，在不同濃度食鹽的作用下，紫甘藍色素的吸光度值變化不大。表明食鹽對紫甘藍色素的穩(wěn)定性基本沒有影響，故食鹽可以與紫甘藍色素一同使用。

圖8 食鹽對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響 Fig.8 The effect of salt on the stability of purple cabbage pigment

2.4.5 金屬離子對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響

由圖9可知，Mg2+、Cu2+對紫甘藍色素的吸光度值均無明顯影響；Fe2+、Na+、K+、Zn2+使其吸光度值都有所增加；Fe3+對紫甘藍色素吸光度值的影響最為明顯，并且使其溶液變?yōu)樽厣砻鱉g2+、Cu2+對紫甘藍色素的穩(wěn)定性無明顯影響，F(xiàn)e2+、Na+、K+、Zn2+對紫甘藍色素的穩(wěn)定性有促進作用，而Fe3+則會降低紫甘藍色素的穩(wěn)定性。

圖9 金屬離子對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響 Fig.9 The effect of metal ions on the stability of purple cabbage pigment

2.4.6 防腐劑對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響

由圖10可知，隨著苯甲酸鈉濃度的增加，紫甘藍色素的吸光度值持續(xù)減小。說明防腐劑對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響較為明顯，所以在對含有紫甘藍色素的食品中使用防腐劑時，應該注意使用量，在保證不危害健康的同時，也不破壞紫甘藍色素的穩(wěn)定性。

圖10 防腐劑對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響Fig.10 The effect of preservative on the stability of purple cabbage pigment

3 結論

以紫甘藍鮮葉為原料，通過超聲波輔助萃取紫甘藍色素，在探究紫甘藍色素提取的單因素試驗基礎上，設計正交試驗尋找出紫甘藍色素提取的最優(yōu)條件，并進一步探究了溫度、光照、蔗糖、食鹽、金屬離子以及防腐劑對紫甘藍色素穩(wěn)定性的影響。試驗結果表明，紫甘藍色素提取的最優(yōu)條件為：以蒸餾水為提取劑，控制料液比為1∶6 (g/mL)，提取pH值為2，提取溫度為50 ℃，提取時間為50 min，在該工藝條件下紫甘藍色素的提取效果較為顯著。紫甘藍色素穩(wěn)定性試驗結果表明，在日光光照、溫度過高以及添加苯甲酸鈉防腐劑的條件下會破壞紫甘藍色素的穩(wěn)定性，蔗糖、食鹽可以與紫甘藍色素一同使用，對穩(wěn)定性的影響不明顯，金屬離子Mg2+、Cu2+對紫甘藍色素的穩(wěn)定性無明顯影響，F(xiàn)e2+、Na+、K+、Zn2+對紫甘藍色素的穩(wěn)定性有促進作用，而Fe3+則會降低紫甘藍色素的穩(wěn)定性，并使色素溶液顏色變?yōu)樽厣?。該研究結果可為紫甘藍色素在食用調味品中的利用提供理論參考。