微波輔助-酶解法提取紫甘藍花青素的工藝研究

門美福，盧家成，張 鑫，信建豪

（黃河科技學院，a.醫學院；b.工學部，鄭州 450000）

紫甘藍俗稱紫包菜，為十字花科蕓苔屬甘藍種的一個變種。中國紫甘藍資源豐富，全國各地均有分布，且產量大，產量可達37.5～60.0 t/hm2。開發紫甘藍中的花青素及相關產品，有利于促進農產品的合理利用，對農產品市場的調節具有重要意義。花青素是天然色素的一種，具有抗腫瘤［1，2］、抗氧化［3，4］、預防老年病［5］、降血脂［6］等生物活性，又可作為食品添加劑中的天然色素，具有安全性高、色澤自然鮮艷等特點［7-9］。

目前，花青素的提取工藝研究常用的有溶劑提取法［10］、柱色譜法［11］、超聲輔助提取［12，13］、酶法［14，15］、溶劑提取法［16］、離子液體提取法［17］、微波輔助提取法［18，19］等。這些工藝中，由于花青素與紫甘藍的纖維組織結合較緊密，不容易溶出，直接溶劑提取則提取率較低，且污染性較強，因此，采用果膠酶對纖維組織進行分解，可提高提取率。微波輔助能夠使細胞壁結構破壞程度更加充分，使提取耗時更短，耗能更低，更能提高提取效果。

本研究通過酶解-微波輔助法對紫甘藍中花青素的提取工藝進行優化，采用微波使細胞壁結構破壞，以果膠酶降解，并將有機溶劑替換為十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液，形成了微波-酶解法提取工藝，以期為紫甘藍中花青素的提取提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘藍：市售，產地鄭州；果膠酶、無水乙醇、鹽酸、磷酸氫二鉀、檸檬酸、十二烷基硫酸鈉（SDS）等均為分析純（AR級）。

TU-1810PC型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；數顯恒溫水浴鍋HH-2（金壇市雙捷實驗儀器廠）；立鶴牌101A系列電熱恒溫鼓風干燥箱（山東濰坊精鷹醫療器械有限公司）；PHS-3C型酸度計（上海理達儀器廠）；FA2004型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；TL80-1型醫用離心機（濟南格利特科技有限公司）；MCR-3型微波化學反應器（鞏義市予華儀器有限責任公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取工藝 稱取一定量的紫甘藍60℃干燥24 h→粉碎→提取→酶解+微波→400 r/min離心30 min→取上清液測定吸光度。

1.2.2 單因素試驗 稱取一定量的紫甘藍干燥粉末于錐形瓶內，加入調節pH后的提取劑，并加入果膠酶反應一段時間后，置于微波反應器中，在微波作用下進行浸提，再將溶液離心，取部分上清液，在最佳波長處測定吸光度。以酶解pH、加酶量、料液比、酶解時間、提取劑、溫度、微波時間、微波功率為考察因素，選擇最佳條件。

1）pH的選擇。稱取等量每份1.0 g紫甘藍干粉，以SDS為提取劑，以吸光度為指標，固定料液比1∶15（g∶mL，下同），加酶量1.1%，酶解溫度50℃，酶解時間60 min，微波功率360 W，微波時間4 min。設置酶解pH梯度為3、4、5、6、7、8，考察酶解pH對紫甘藍中花青素提取的影響。

2）酶解溫度的選擇。固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解時間60 min，pH 7.0，微波功率360 W，微波時間4 min。設置酶解溫度梯度為20、30、40、50、60℃，考察酶解溫度對紫甘藍花青素提取的影響。

3）加酶量的選擇。固定料液比1∶15，酶解溫度50℃，酶解時間60 min，pH 7.0，微波功率360 W，微波時間4 min。加酶量梯度設置為0.3%、0.7%、1.1%、1.5%、1.9%，考察加酶量對紫甘藍中花青素提取的影響。

4）料液比的選擇。在酶量1.1%、酶解溫度50℃、酶解時間60 min、pH 7.0、微波功率360 W、微波時間4 min的條件下料液比梯度設置為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶45，考察料液比對紫甘藍中花青素提取的影響。

5）酶解時間的選擇。固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解溫度50℃，pH 7.0，微波功率360 W，微波時間4 min。在酶解時間設置為20、40、60、80、100 min，考察酶解時間對紫甘藍中花青素提取的影響。

6）微波時間的選擇。固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解溫度50℃，酶解時間60 min，pH 7.0，微波功率360 W，考察微波時間（1、2、3、4、5、6 min）對提取效果的影響。

7）微波功率的選擇。固定其他條件，考察微波功率（90、180、270、360、450 W）對提取效果的影響。1.2.3 正交試驗 在微波輔助及酶解法單因素試驗下，以紫甘藍花青素提取率為指標，采用L1（837）正交試驗優化提取條件，因素及水平見表1。

表1 微波-酶解法正交試驗因素和水平

1.2.4 提取劑的選擇 將紫甘藍晾干，于60℃恒溫干燥箱干燥24 h；取等量干燥粉碎紫甘藍，分別置于燒杯中，固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解溫度50℃，酶解時間60 min，pH 7.0，微波功率360 W，微波時間4 min。分別選擇乙醇、SDS作為提取劑，乙醇體積分數梯度設置為40%、45%、50%、55%、60%、65%，十二烷基硫酸鈉質量分數設置梯度為0.08%、0.1%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%，酶解、微波后于波長531 nm處測定吸光度。

2 結果與分析

2.1 最大波長的選擇

通過紫外可見掃描，紫甘藍花青素在紫外區280 nm附近、可見光區500～550 nm存在最大吸收，但280 nm附近干擾物質較多，為減小誤差，采用531 nm作為測定波長。

2.2 提取劑的選擇

由圖1可知，在不同提取劑的選擇中，乙醇體積分數為45%、SDS質量分數為0.12%時效果最佳，且SDS溶液得到的提取率大于乙醇溶液，同時不存在有機物殘留，則選擇0.12%SDS溶液作為提取劑。

2.3 單因素試驗結果

2.3.1 pH的選擇 由圖2可知，酶解pH為7時，紫甘藍花青素提取效果最好，因此，pH適宜控制在7左右。

2.3.2 酶解溫度的選擇 由圖3可知，在30～60℃，紫甘藍花青素提取效率在50℃時達到最大，大于50℃提取率有所下降。原因可能是溫度升高酶的活性增強，但溫度超過50℃后酶可能有部分失活現象發生，因此，50℃為最適提取溫度。

圖2 酶解p H對紫甘藍中花青素提取的影響

圖1 提取劑選擇試驗結果

圖3 酶解溫度對紫甘藍中花青素提取的影響

2.3.3 酶量的選擇 由圖4可知，加酶量在0.3%～1.1%時，紫甘藍中花青素提取效率呈增加趨勢，加酶量大于1.1%后隨酶量的增加，提取效率降低。原因可能是酶量過大，與細胞壁產生了競爭性作用，使提取率稍有降低，因此，選取加酶量為1.1%。

2.3.4 料液比的選擇 由圖5可知，隨著料液比的變化，紫甘藍中花青素提取效率呈先上升后降低的趨勢。綜合考慮，選取料液比為1∶15。

圖4 加酶量對紫甘藍中花青素提取的影響

圖5 料液比對紫甘藍中花青素提取的影響

2.3.5 酶解時間的選擇 由圖6可知，隨酶解時間增加，紫甘藍中花青素提取效率先增加后稍有降低，在60 min時酶解完全，因此，選擇酶解時間為60 min。

圖6 酶解時間對紫甘藍中花青素提取的影響

2.3.6 微波時間的選擇 由圖7可知，微波4 min時紫甘藍中花青素提取效果最佳，因此，微波時間選擇4 min。

圖7 微波時間選擇對紫甘藍中花青素提取的影響

2.3.7 微波功率的選擇 由圖8可知，隨著微波功率的加大，吸光度增大，提取效果更好。但微波功率超過360 W時，溶液暴沸現象較易發生，因此，微波功率選擇360 W。

2.4 正交試驗

圖8 微波功率選擇對紫甘藍中花青素提取的影響

采用“1.2.3”的方法，對溫度、加酶量、料液比、pH、微波功率、酶解時間和微波時間7個因素作為影響因子，以花青素含量為指標，通過L1（837）正交試驗確定最佳提取工藝參數，結果見表2，方差分析結果見表3。

從表2和表3可知，微波-酶解法中的7個影響因子對紫甘藍花青素提取的影響都不顯著，而料液比影響較大，其最佳工藝為溫度50℃，加酶量1.1%，料液比1∶15，pH 7，微波功率360 W，酶解時間60 min，微波時間3 min，其主次因素影響順序為料液比＞pH＞酶解時間＞加酶量＞微波時間＞微波功率＞溫度。

表2 正交設計試驗結果

2.5 工藝驗證及結果

正交設計試驗與單因素試驗中最佳微波時間不同，所以對上述正交試驗所得的結果進行驗證試驗，即設置試驗條件為溫度50℃，加酶量1.1%，料液比1∶15，pH 7，微波功率360 W，酶解時間60 min，微波時間3 min。在此條件下，進行5組平行試驗，結果平均值為1.216 mg/g，RSD為6.34%，較單因素試驗中的結果1.124 mg/g（微波時間為4 min，其他因素相同）更佳，故選擇上述為最佳提取條件。

表3 正交設計試驗結果方差分析

3 小結

通過單因素試驗和正交試驗結果表明，微波-酶解法提取紫甘藍中花青素的最佳工藝為溫度50℃，加酶量1.1%，料液比1∶15，pH 7，微波功率360 W，酶解時間60 min，微波時間3 min。本研究中酶解法最大提取率為1.216 mg/g，高于單用酶法或微波法的結果，因此該方法可以提高紫甘藍中花青素的提取效果，為農產品的開發利用增產增效。