超聲波輔助提取紫甘藍色素的工藝研究

雷曉燕

(沈陽化工大學環境與生物工程學院，遼寧沈陽110142)

紫甘藍又叫紫包菜，為十字花科2年生甘藍種中的一個變種，是結球甘藍中的一種類型，由于紫甘藍易種植、易采摘、色素含量高、營養價值豐富，是一種常見而又深受消費者喜愛的蔬菜［1］.紫甘藍色素是紫甘藍中有色化合物的總稱，屬于多酚類物質，是由花青素與糖以苷的形式結合后形成的產物［2－3］.紫甘藍色素在國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］.此外紫甘藍色素還可用于羊毛、蠶絲等蛋白質纖維的染色，并獲得良好的染色效果［7－8］.由于紫甘藍色素能消除活性氧自由基，具有較強的體內外抗氧化能力，是一種很好的天然抗氧化劑［9］.研究表明，紫甘藍色素溶液的顏色隨pH值的改變而發生靈敏變化，且顏色變化具有可逆性，可用于酸堿滴定試驗，重復性好、準確性更高［10－11］.紫甘藍色素因其安全、廉價、易得，已在食品、醫藥和化工等領域得到了一定的應用，并且有良好的應用前景.目前紫甘藍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］.超聲波可產生空化作用和次級效應，使細胞周圍和細胞內產生環流，從而提高細胞壁和細胞膜的通透性，有利于細胞內有效成分的釋放［13］.本文實驗采用超聲波輔助水萃取就是利用這一特點來達到加快細胞釋放色素的速度，縮短提取時間和提高色素提取率的目的，本研究旨在為紫甘藍色素的進一步開發利用提供一些理論依據.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1.1.1 樣品來源

紫甘藍:市售，新鮮(購自沈陽市于洪區永強農貿市場).

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;無水乙醇，分析純，天津市福晨化學試劑廠;濃鹽酸，分析純，中國沈陽東興試劑廠;氫氧化鈉，分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心.

1.1.3 主要儀器

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

1.2 實驗方法

1.2.1 紫甘藍色素提取工藝流程

洗凈的新鮮紫甘藍→切碎→稱重→超聲波輔助提取→過濾→色素液.

1.2.2 紫甘藍色素最適提取溶劑的確定

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

1.2.3 紫甘藍色素最大吸收波長的確定

稱取2份等量新鮮切碎的紫甘藍，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，另一份在無超聲波環境下，20℃浸提30 min.分別將浸提液過濾，濾液經稀釋后用分光光度計在不同波長下測吸光度，確定最大吸收波長.

1.2.4 超聲波輔助提取紫甘藍色素的工藝優化

超聲波輔助提取紫甘藍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，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色素最適功率的確定:稱取7份5 g新鮮切碎的紫甘藍，分別用25 mL最適提取液浸提，在20℃下超聲波功率分別設定為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色素最適提取時間的確定:稱取6份5 g新鮮切碎的紫甘藍，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，確定最適浸提時間.

超聲波輔助提取紫甘藍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，以最適液固比、最適提取時間、最適超聲波功率進行浸提，提取溫度分別設定為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃，確定最適浸提溫度.

pH值對提取紫甘藍色素的影響:稱取40 g新鮮切碎的紫甘藍，溶于200 mL蒸餾水中，在超聲波功率為70 W，50℃下提取20 min，過濾，用酸度計測得色素液pH值，分別用4 mol/L的NaOH溶液和6 mol/L的HCl溶液調節pH值，觀察色素液在不同pH值下的顏色變化.

2 結果與討論

2.1 紫甘藍色素最適提取溶劑確定的結果

將紫甘藍放入不同溶劑中進行浸提，所得結果如圖1所示.由圖1可以看出:紫甘藍色素不溶于乙酸乙酯;在無水乙醇和丙酮中，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 紫甘藍色素最大吸收波長的確定

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

圖2 紫甘藍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色素，結果如圖3所示.由圖3可以看出:在液固比為2∶1(mL/g)時，因溶劑量過少，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，這是因為其色素得到充分溶解，再繼續增加提取劑的量，不能提高提取率，色素濃度呈下降趨勢，吸光度也相應下降.因此，確定超聲波輔助提取紫甘藍色素的最適液固比為5∶1(mL/g).

圖3 液固比對超聲波提取紫甘藍色素的影響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色素，結果如圖4所示.由圖4可以看出，隨著功率增加，紫甘藍色素吸光度值逐漸升高，到達70 W后開始下降.在超聲波功率較小時，不能使細胞充分受到超聲波的作用，紫甘藍色素釋放不完全.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大造成紫甘藍色素結構破壞.因此，確定超聲波最適提取功率為70 W.

圖4 超聲波功率對超聲波提取紫甘藍色素的影響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色素最適提取時間的確定

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

圖5 時間對超聲波提取紫甘藍色素的影響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色素，結果如圖6所示.由圖6可以看出，隨著提取溫度升高，紫甘藍色素吸光度值逐漸升高，提取溫度為50℃時吸光度值最高，而后開始下降.因此確定最適提取溫度為50℃.

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

2.7 pH值對紫甘藍色素性質的影響

在pH值為1.0～12.0的條件下觀察紫甘藍色素顏色的變化，結果如表1所示.由表1可以看出:在pH值為2以下時紫甘藍色素呈現紅色，在中性偏酸的條件下紫甘藍色素呈現藍紫色，在堿性條件下紫甘藍色素呈現綠色系列的變化，可見紫甘藍色素對pH值的變化比較敏感，在提取該色素時應盡量選擇中性偏酸的條件.

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

3 結論

(1)紫甘藍色素的最適提取劑為蒸餾水.

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

(3)超聲波輔助提取紫甘藍色素的最適液固比為5∶1(mL/g).

(4)超聲波輔助提取紫甘藍色素的最適功率為70 W.

(5)超聲波輔助提取紫甘藍色素的最適提取時間為20 min.

(6)超聲波輔助提取紫甘藍色素的最適提取溫度50℃.

(7)pH對紫甘藍色素的影響較大，不同pH下紫甘藍色素呈現不同的顏色變化，中性偏酸的環境下，紫甘藍色素呈現本身的藍紫色.

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