紫甘藍(lán)花青素三種提取工藝對(duì)比研究

高攀峰，侯金麗，傅海燕，溫小娟，鄭錦娟

（1.廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361024；2.河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院糧食工程系，河南鄭州451191）

紫甘藍(lán)花青素三種提取工藝對(duì)比研究

高攀峰1，侯金麗2，傅海燕1，溫小娟1，鄭錦娟1

（1.廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361024；2.河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院糧食工程系，河南鄭州451191）

以紫甘藍(lán)為研究對(duì)象，采用水浴浸提法、超聲波輔助提取法和微波輔助提取法，對(duì)比優(yōu)化紫甘藍(lán)花青素提取的工藝條件。試驗(yàn)結(jié)果表明：水浴浸提法最佳工藝條件為：液料比為10∶1（mL/g），提取溫度40℃，提取4 h；超聲波輔助提取法最佳工藝條件為：液料比5∶1（mL/g），提取溫度65℃，超聲40 min，超聲波功率200 W；微波輔助提取法最佳工藝條件為：液料比3∶1（mL/g），微波功率700 W，輻射5 min。因此微波輔助提取法是最快捷經(jīng)濟(jì)的提取方法，值得大力推廣。

花青素；提取工藝；紫甘藍(lán)

花青素作為一種天然色素，色澤鮮明、安全、無毒、資源豐富，可以清除自由基，有很強(qiáng)的抗氧化能力，能夠促進(jìn)人體健康［1］，因此在食品、化妝和醫(yī)藥領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力［2-3］。

紫甘藍(lán)的葉表皮細(xì)胞中含有大量花青素，此類蔬菜在我國大部分地區(qū)都有栽培，在收獲旺季，價(jià)格低廉，倘若市場出現(xiàn)供大于求形成滯銷時(shí)，大量堆積存放會(huì)導(dǎo)致銷售成本激增。因此從紫甘藍(lán)中提取花青素，提高了花青素的附加價(jià)值［4］，創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，人們針對(duì)紫甘藍(lán)花青素提取已經(jīng)開展了不少的研究［4-6］，然而由于色素提取企業(yè)大多屬于小微企業(yè)，處于成本和技術(shù)等多方面的原因，大多仍采用水浴浸提法提取。本文擬通過對(duì)傳統(tǒng)水浴浸提法，超聲輔助提取法和微波輔助提取法3種提取工藝進(jìn)行優(yōu)化研究對(duì)比，證實(shí)紫甘藍(lán)花青素提取企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的必要性，為促進(jìn)花青素工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1主要材料

紫甘藍(lán)：市售，產(chǎn)地福建。

1.1.2主要試劑

無水乙醇、磷酸氫二鉀、檸檬酸等均為分析純（AR）。

1.1.3主要儀器

BS-124S型電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；PB-10型pH儀：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；SHB-D（III）型循環(huán)水真空泵：上海申光儀器儀表有限公司；KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；APEX型常壓微波合成萃取系統(tǒng)：上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司；DHG-9146 A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；R系列旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海申生科技有限公司；TGL-16C型高速離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)：日本島津公司。

1.2方法

1.2.1提取工藝

紫甘藍(lán)洗凈晾干切碎→稱樣→加入一定量的乙醇為提取劑→分別采用水浴浸提法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法）→抽濾→濃縮后等體積定容→各取等量并加入等量pH 2.00的檸檬酸-磷酸氫二鉀緩沖溶液進(jìn)行離心（10 000 r/min）→測定溶液體系吸光度。

1.2.2色素的提取條件優(yōu)化試驗(yàn)

取等份洗凈晾干的紫甘藍(lán)，分別置于250 mL的錐形瓶中，由于紫甘藍(lán)色素多在食品加工中應(yīng)用，所以選擇無水乙醇作為提取劑。分別對(duì)相關(guān)提取條件進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，優(yōu)化提取工藝條件后進(jìn)行對(duì)比。其中水浴浸提法的提取條件為：溶劑與原料的比例即液料比，提取溫度，提取時(shí)間；超聲波輔助提取法：液料比，提取溫度，提取時(shí)間，超聲波功率；微波輔助提取法：液料比，提取時(shí)間，微波功率。

通過考察其pH 2.00～8.00時(shí)同等濃度提取液吸光度的變化，選擇具有最大吸光度的pH作為測定時(shí)溶液的pH，由于色素提取量與提取溶液吸光度成正比，因此以吸光度表征紫甘藍(lán)花青素的提取效率。通過紫外可見分光光度檢測對(duì)比提取效果。

2結(jié)果與分析

2.1紫甘藍(lán)花青素在不同pH溶液中吸光度的變化

紫甘藍(lán)花青素屬于花色苷類化合物，具有兩性的性質(zhì)，在酸性條件下，花青素主要以紅色的黃鹽形式存在；在堿性條件下，主要以藍(lán)色的醌式形式存在；當(dāng)花青素溶液在其等電點(diǎn)時(shí)，顏色最淺，花青素結(jié)構(gòu)處在紅色黃鹽和藍(lán)色醌式結(jié)構(gòu)之間［7］。其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化如圖1所示。

圖1　不同pH溶液中的花青素結(jié)構(gòu)Fig.1Chemical construction changes of anthocyanidins in solutions under different pH values

表1　pH對(duì)紫甘藍(lán)花青素的影響Table 1The effect of pH on purple cabbage anthocyanidins

由表1可看出，其吸光度值隨pH的增大，先下降后增高，在pH為2.00時(shí)，提取液吸光度最大，因此選取其作為提取效果對(duì)比時(shí)緩沖體系的pH。

當(dāng)溶液體系pH為2.00時(shí)，吸收光譜圖中兩個(gè)明顯的吸收峰的波長分別為290 nm和529 nm。與文獻(xiàn)報(bào)道花青苷類色素的兩個(gè)特征吸收峰相吻合，如圖2所示。

圖2　紫甘藍(lán)花青素紫外可見吸收光譜Fig.2UV-Vis absorption of the purple cabbage anthocyanidin

由于許多物質(zhì)在波長290 nm處均有明顯的吸收，對(duì)濃度測定造成干擾。因此本文選擇529 nm作為吸光度測定波長表征紫甘藍(lán)色素的提取效果，優(yōu)化提取工藝條件。

2.23種提取工藝對(duì)比研究

2.2.1水浴浸提法單因素試驗(yàn)

2.2.1.1液料比對(duì)紫甘藍(lán)花青素的影響

稱取等份每份5 g洗凈晾干切碎的紫甘藍(lán)，用無水乙醇配成液料比（mL/g）分別為3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1的提取體系，在50℃水浴浸提1 h，過濾除去固體，分別取15、25、50、75、100、125 μL濾液定容至300 μL，加入1 200 μL的pH 2.00檸檬酸-磷酸氫二鉀緩沖溶液，測量不同液料比下吸光度，如圖3所示。

圖3　液料比對(duì)紫甘藍(lán)花青素提取的影響Fig.3The effect of solvent-material ratio on the extraction of purple cabbage anthocyanidins

由圖3可知，液料比從3∶1增加到25∶1（mL/g）過程中，紫甘藍(lán)花青素提取率先上升后下降，液料比為5∶1（mL/g）時(shí)，提取液的吸光度最高，之后再增加溶劑量提取率無顯著提高，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及提取成本，選擇液料比為5∶1（mL/g）。

2.2.1.2提取溫度對(duì)紫甘藍(lán)花青素的影響

在液料比5∶1（mL/g）的條件下，分別在30、40、50、60、70℃水浴浸提1 h，過濾后各取300 μL，加入1 200 μL的pH 2.00檸檬酸-磷酸氫二鉀緩沖溶液離心，測量吸光度，提取溫度對(duì)提取效果的影響見圖4。

圖4　提取溫度對(duì)紫甘藍(lán)花青素提取的影響Fig.4The effect of extraction temperature on the extraction of purple cabbage anthocyanidins

由圖4可知，溫度在30℃～50℃時(shí)，提取率隨著提取溫度的增大而增大；提取溫度大于50℃時(shí)，提取率反而略有下降。綜合考慮選擇提取溫度為50℃。

2.2.1.3提取時(shí)間對(duì)紫甘藍(lán)花青素的影響

在液料比5∶1（mL/g），提取溫度50℃的條件下，分別提取0.5、1、2、3、4、5 h，過濾后各取300 μL，加入1 200 μL的pH 2.00檸檬酸-磷酸氫二鉀緩沖溶液離心，測量吸光度，提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響見圖5。

圖5　提取時(shí)間對(duì)紫甘藍(lán)花青素提取的影響Fig.5The effect of extraction time on the extraction of purple cabbage anthocyanidins

由圖5可知，在0.5 h～2 h范圍內(nèi)，花青素的提取效率呈上升趨勢，當(dāng)提取時(shí)間超過2 h，花青素提取效率趨于穩(wěn)定，綜合試驗(yàn)結(jié)果選擇提取時(shí)間為3 h。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取液料比、提取溫度、提取時(shí)間3個(gè)因素，選擇L9（34）正交試驗(yàn)，確定提取紫甘藍(lán)中花青素的最佳工藝條件。水浴浸提工藝正交試驗(yàn)因素選擇如表2所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2　紫甘藍(lán)花青素的水浴浸提法正交試驗(yàn)因素水平Table 2Factors and standards of orthogonal test of water bath extraction of purple cabbage anthocyanidins

表3　紫甘藍(lán)花青素的水浴浸提法正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3Results of orthogonal test of water bath extraction of purple cabbage anthocyanidins

續(xù)表3紫甘藍(lán)花青素的水浴浸提法正交試驗(yàn)結(jié)果Continue table 3Results of orthogonal test of water bath extraction of purple cabbage anthocyanidins

由正交試驗(yàn)極差分析可知，3個(gè)影響因素對(duì)花青素提取率的影響順序是液料比>浸提溫度>時(shí)間。液料比對(duì)花青素的提取有顯著影響。最優(yōu)因素水平組合為A3B1C3，即液料比為10∶1、提取溫度為40℃，提取時(shí)間4 h。

2.2.2超聲輔助提取法

超聲輔助提取法單因素實(shí)驗(yàn)分別選擇液料比、提取溫度、提取時(shí)間以及超聲功率作為考察的影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。

圖6　超聲輔助提取法四種影響因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6The experimental results of four factors with ultrasonic wave auxiliary technology

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在超聲提取單因素試驗(yàn)優(yōu)化四種影響因素的結(jié)果為：液料比5∶1（mL/g），提取溫度50℃，提取時(shí)間0.75 h（45 min），超聲功率160 W。根據(jù)該結(jié)果確定正交試驗(yàn)的因素?cái)?shù)和水平數(shù)如表4所示。選擇L16（44）正交試驗(yàn)，確定超聲波法提取紫甘藍(lán)中花青素的最佳工藝條件，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4　紫甘藍(lán)花青素的超聲波提取工藝正交試驗(yàn)因素水平Table 4Factors and standards of orthogonal test of ultrasonic wave auxiliary technology of purple cabbage anthocyanidins

由正交試驗(yàn)極差分析可知，4個(gè)影響因素對(duì)花青素提取率的影響順序是提取溫度>提取時(shí)間>超聲波功率>液料比。四個(gè)影響因素對(duì)花青素的提取有顯著影響。最優(yōu)因素水平組合為A2B4C3D2，即液料比為5∶1（mL/g）、提取溫度為65℃，提取時(shí)間40 min，超聲波功率200 W。

2.2.3微波輔助提取法

微波輔助提取法單因素試驗(yàn)分別選擇液料比、微波時(shí)間以及微波功率作為考察的影響因素，單因素試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果3種條件分別為5∶1（mL/g）、4 min和600 W。在此基礎(chǔ)上選擇選擇L9（33）正交試驗(yàn)。因素?cái)?shù)和水平數(shù)如表6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6　紫甘藍(lán)花青素的微波提取工藝正交試驗(yàn)因素水平Table 6Factors and standards of orthogonal test of microwave auxiliary technology of purple cabbage anthocyanidins

表7　紫甘藍(lán)花青素的微波提取工藝正交試驗(yàn)結(jié)果Table 7Results of orthogonal test of microwave auxiliary technology of purple cabbage anthocyanidins

由正交試驗(yàn)極差分析可知，3種影響因素對(duì)花青素提取率的影響順序是液料比>微波功率>微波時(shí)間。液料比對(duì)花青素的提取有顯著影響。最優(yōu)因素水平組合為A1B3C3，即液料比為3∶1（mL/g）、微波時(shí)間5 min，微波功率700 W。

3結(jié)論

對(duì)比3種提取工藝的試驗(yàn)結(jié)果，水浴提取法提取紫甘藍(lán)花青素最佳條件為液料比為10∶1（mL/g），提取溫度為40℃，提取時(shí)間為4 h。超聲波輔助提取法的最佳條件為液料比5∶1（mL/g），提取溫度為65℃，提取時(shí)間50 min，超聲波功率200 W。微波輔助提取工藝則為液料比3∶1（m/Lg），提取時(shí)間5 min，微波功率700 W。從中可以看出，微波輔助提取法耗時(shí)短，能耗低，溶劑消耗量小，綜合效果最好。在資金及設(shè)備條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)為首選的提取工藝方法。

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［7］Raymond Brouillard，Bernard Delaporte.Chemistry of anthocyanin pigments.2.*kinetic and thermodynamic study of proton transfer，hydration，and tautomeric reactions of malvidin 3-glucoside［J］. Journal of the American Chemical Society，1977，21：8461-8468

Comparative Study on Three Extraction Technologies of Anthocyanidins from Purple Cabbage

GAO Pan-feng1，HOU Jin-li2，F(xiàn)U Hai-yan1，WEN Xiao-juan1，ZHENG Jin-juan1
（1.School of Environment Science and Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，F(xiàn)ujian，China；2.Department of Grain Engineering，Henan Industry and Trade Vocational College，Zhengzhou 451191，Henan，China）

Three extraction technologies of anthocyanidins from purple cabbage were investigated，including conventional water bath extraction，ultrasonic wave extraction and microwave-assisted extraction.The results showed that the optimum extraction technology parameters by conventional water bath extraction as follows：solvent-material ratio10∶1（mL/g），extraction temperature 40℃and extraction time 4 h.The optimum conditions of ultrasonic wave extraction were solvent-material ratio 5∶1（mL/g），extraction temperature 65℃and extraction time 40 min，ultrasonic wave power 200 W.For microwave-assisted extraction，the optimum conditions were 3∶1（solvent-material ratio，mL/g），700 W（microwave wave power）and 5 min（radiation time）.It could find that the microwave-assisted extraction technology was the best technology for the preparing of anthocyanins from purple cabbage.

anthocyanidins；extraction technologies；purple cabbage

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.12.009

2014-05-20

廈門理工學(xué)院高層次人才項(xiàng)目（YKJ12015R）

高攀峰（1977—）男（漢），講師，博士，研究方向：復(fù)雜體系有機(jī)物的分離分析。