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(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學(xué)陜西省催化基礎(chǔ)與應(yīng)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(jié)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(zhì)[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(yīng)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(zhì)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(fù)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(shù)化成熟等優(yōu)點[14-15]。本研究在已有方法的基礎(chǔ)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(diào)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(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BSA224S-CW型分析天平 北京賽多利斯科學(xué)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(shè)備有限公司；WGLL-230BE型電熱鼓風(fēng)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(mào)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(yù)處理

新鮮的紫甘藍葉經(jīng)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(jīng)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(diào)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(jīng)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(diào)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(jīng)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(chǔ)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(jié)果與討論

2.1 提取劑對紫甘藍色素提取的影響

試驗結(jié)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(jié)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(yīng)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(zhì)。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(jīng)充分提取。因此，從能耗與生產(chǎn)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(jié)果見表2。

表2 正交試驗結(jié)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(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，降低了其穩(wěn)定性。因此，紫甘藍色素應(yīng)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(nèi)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(jié)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(chǔ)上，設(shè)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(jié)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(jié)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Ｔ撗芯拷Y(jié)果可為紫甘藍色素在食用調(diào)味品中的利用提供理論參考。