超声波辅助提取紫甘蓝色素的工艺研究

雷晓燕

(沈阳化工大学环境与生物工程学院，辽宁沈阳110142)

紫甘蓝又叫紫包菜，为十字花科2年生甘蓝种中的一个变种，是结球甘蓝中的一种类型，由于紫甘蓝易种植、易采摘、色素含量高、营养价值丰富，是一种常见而又深受消费者喜爱的蔬菜［1］.紫甘蓝色素是紫甘蓝中有色化合物的总称，属于多酚类物质，是由花青素与糖以苷的形式结合后形成的产物［2－3］.紫甘蓝色素在国外作为天然食用色素之一，已用作糖果、色拉、乳酸菌饮料、碳酸饮料、固体饮料和果酒等的着色剂［4－6］.此外紫甘蓝色素还可用于羊毛、蚕丝等蛋白质纤维的染色，并获得良好的染色效果［7－8］.由于紫甘蓝色素能消除活性氧自由基，具有较强的体内外抗氧化能力，是一种很好的天然抗氧化剂［9］.研究表明，紫甘蓝色素溶液的颜色随pH值的改变而发生灵敏变化，且颜色变化具有可逆性，可用于酸碱滴定试验，重复性好、准确性更高［10－11］.紫甘蓝色素因其安全、廉价、易得，已在食品、医药和化工等领域得到了一定的应用，并且有良好的应用前景.目前紫甘蓝色素常用的提取方法主要有水提取法、酸提取法、微波辅助水提法和超声波辅助水提法［12］.超声波可产生空化作用和次级效应，使细胞周围和细胞内产生环流，从而提高细胞壁和细胞膜的通透性，有利于细胞内有效成分的释放［13］.本文实验采用超声波辅助水萃取就是利用这一特点来达到加快细胞释放色素的速度，缩短提取时间和提高色素提取率的目的，本研究旨在为紫甘蓝色素的进一步开发利用提供一些理论依据.

1 实验部分

1.1 实验材料

1.1.1 样品来源

紫甘蓝:市售，新鲜(购自沈阳市于洪区永强农贸市场).

1.1.2 主要试剂

冰醋酸，分析纯，天津博迪化工股份有限公司;乙酸乙酯，分析纯，天津博迪化工股份有限公司;丙酮，分析纯，天津博迪化工股份有限公司;无水乙醇，分析纯，天津市福晨化学试剂厂;浓盐酸，分析纯，中国沈阳东兴试剂厂;氢氧化钠，分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心.

1.1.3 主要仪器

SCA210电子天平，臾豪国际贸易上海有限公司;721E型分光光度计，上海光谱仪器有限公司;KQ3200DB型数控超声波清洗器，昆山市超声波仪器有限公司;PHB笔型酸度计，上海盛磁仪器有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 紫甘蓝色素提取工艺流程

洗净的新鲜紫甘蓝→切碎→称重→超声波辅助提取→过滤→色素液.

1.2.2 紫甘蓝色素最适提取溶剂的确定

称取5份新鲜切碎的紫甘蓝，分别与等体积蒸馏水、无水乙醇、冰醋酸、乙酸乙酯、丙酮混合，用保鲜膜密封，20℃下进行浸提，每隔2 h观察颜色变化.根据浸提的情况确定最适提取溶剂.

1.2.3 紫甘蓝色素最大吸收波长的确定

称取2份等量新鲜切碎的紫甘蓝，分别与等量最适浸提剂混合，一份置于超声波清洗器中，在功率为50 W、20℃下、辅助浸提30 min，另一份在无超声波环境下，20℃浸提30 min.分别将浸提液过滤，滤液经稀释后用分光光度计在不同波长下测吸光度，确定最大吸收波长.

1.2.4 超声波辅助提取紫甘蓝色素的工艺优化

超声波辅助提取紫甘蓝色素最适液固比的确定:分别称取7份5g新鲜切碎的紫甘蓝，分别用10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL和40 mL最适提取剂浸提.在超声波功率为50 W，20℃下，辅助浸提30 min，确定最适液固比.

超声波辅助提取紫甘蓝色素最适功率的确定:称取7份5 g新鲜切碎的紫甘蓝，分别用25 mL最适提取液浸提，在20℃下超声波功率分别设定为40 W、50 W、60 W、70 W、80 W、90 W和100 W，辅助浸提30 min，确定最适浸提功率.

超声波辅助提取紫甘蓝色素最适提取时间的确定:称取6份5 g新鲜切碎的紫甘蓝，按最适液固比，在20℃、最适超声波功率下浸提10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min，确定最适浸提时间.

超声波辅助提取紫甘蓝色素最适提取温度的影确定:称取7份5 g新鲜切碎的紫甘蓝，以最适液固比、最适提取时间、最适超声波功率进行浸提，提取温度分别设定为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃，确定最适浸提温度.

pH值对提取紫甘蓝色素的影响:称取40 g新鲜切碎的紫甘蓝，溶于200 mL蒸馏水中，在超声波功率为70 W，50℃下提取20 min，过滤，用酸度计测得色素液pH值，分别用4 mol/L的NaOH溶液和6 mol/L的HCl溶液调节pH值，观察色素液在不同pH值下的颜色变化.

2 结果与讨论

2.1 紫甘蓝色素最适提取溶剂确定的结果

将紫甘蓝放入不同溶剂中进行浸提，所得结果如图1所示.由图1可以看出:紫甘蓝色素不溶于乙酸乙酯;在无水乙醇和丙酮中，色素的颜色消失;在冰醋酸中色素的颜色由紫色变成了红色;只有在蒸馏水中色素颜色未发生改变且溶入蒸馏水中.因此，确定蒸馏水为最适提取溶剂.

图1 紫甘蓝色素在不同溶剂中的溶解情况Fig.1 The dissolution status of purple cabbage pigment in different solvents

2.2 紫甘蓝色素最大吸收波长的确定

分别在有、无超声波辅助条件下利用蒸馏水浸提紫甘蓝色素，结果如图2所示.由图2可以看出，有超声波辅助提取的紫甘蓝色素的吸光度明显高于无超声波辅助提取的紫甘蓝色素的吸光度，可知超声波辅助更有利于紫甘蓝色素的提取.从图2可以确定紫甘蓝色素的最大吸收波长是560 nm，以下考察各种因素对超声波辅助提取紫甘蓝色素的影响时，均在560 nm处测定吸光度.

图2 紫甘蓝色素在蒸馏水中的吸收光谱Fig.2 Spectrograms of the purple cabbage pigment in distilled water

2.3 超声波辅助提取紫甘蓝色素最适液固比的确定

以蒸馏水为浸提剂，在不同液固比条件下提取紫甘蓝色素，结果如图3所示.由图3可以看出:在液固比为2∶1(mL/g)时，因溶剂量过少，所以浸提液浓度高，吸光度值大，但色素未完全得到浸提.随着浸提剂增多，提高了浸提量，但是整体浓度下降，并且吸光度值下降幅度大.在液固比升高到5∶1(mL/g)以后，吸光度值趋于平缓，这是因为其色素得到充分溶解，再继续增加提取剂的量，不能提高提取率，色素浓度呈下降趋势，吸光度也相应下降.因此，确定超声波辅助提取紫甘蓝色素的最适液固比为5∶1(mL/g).

图3 液固比对超声波提取紫甘蓝色素的影响Fig.3 The effect of liquid-solid ratio on extraction of purple cabbage pigment by ultrasonic

2.4 超声波辅助提取紫甘蓝色素最适功率的确定

以蒸馏水为浸提剂，在不同超声波功率条件下提取紫甘蓝色素，结果如图4所示.由图4可以看出，随着功率增加，紫甘蓝色素吸光度值逐渐升高，到达70 W后开始下降.在超声波功率较小时，不能使细胞充分受到超声波的作用，紫甘蓝色素释放不完全.但在超声波功率高于70 W后，提取率下降，这主要是由于超声波功率过大造成紫甘蓝色素结构破坏.因此，确定超声波最适提取功率为70 W.

图4 超声波功率对超声波提取紫甘蓝色素的影响Fig.4 The effect of power on extraction of purplecabbage pigment by ultrasonic

2.5 超声波辅助提取紫甘蓝色素最适提取时间的确定

以蒸馏水为浸提剂，在不同提取时间条件下提取紫甘蓝色素，结果如图5所示.由图5可以看出，随着提取时间的延长，吸光度有一定的增加，在20 min时吸光度值达到最高，20 min后吸光度值开始趋于平缓，表明在提取时间为20 min时紫甘蓝色素已提取充分，所以最适提取时间为20 min.

图5 时间对超声波提取紫甘蓝色素的影响Fig.5 The effect of time on extraction of purple cabbage pigment by ultrasonic

2.6 超声波辅助提取紫甘蓝色素最适提取温度的确定

以蒸馏水为浸提液，在不同提取温度条件下提取紫甘蓝色素，结果如图6所示.由图6可以看出，随着提取温度升高，紫甘蓝色素吸光度值逐渐升高，提取温度为50℃时吸光度值最高，而后开始下降.因此确定最适提取温度为50℃.

图6 温度对超声波提取紫甘蓝色素的影响Fig.6 The effect of temperature on extraction of purple cabbage pigment by ultrasonic

2.7 pH值对紫甘蓝色素性质的影响

在pH值为1.0～12.0的条件下观察紫甘蓝色素颜色的变化，结果如表1所示.由表1可以看出:在pH值为2以下时紫甘蓝色素呈现红色，在中性偏酸的条件下紫甘蓝色素呈现蓝紫色，在碱性条件下紫甘蓝色素呈现绿色系列的变化，可见紫甘蓝色素对pH值的变化比较敏感，在提取该色素时应尽量选择中性偏酸的条件.

表1 不同pH值下紫甘蓝颜色的变化Table 1 The colour change of purple cabbage pigment in different pH

3 结论

(1)紫甘蓝色素的最适提取剂为蒸馏水.

(2)紫甘蓝色素在蒸馏水中的最大吸收波长为560 nm，超声波辅助更有利于紫甘蓝色素的提取.

(3)超声波辅助提取紫甘蓝色素的最适液固比为5∶1(mL/g).

(4)超声波辅助提取紫甘蓝色素的最适功率为70 W.

(5)超声波辅助提取紫甘蓝色素的最适提取时间为20 min.

(6)超声波辅助提取紫甘蓝色素的最适提取温度50℃.

(7)pH对紫甘蓝色素的影响较大，不同pH下紫甘蓝色素呈现不同的颜色变化，中性偏酸的环境下，紫甘蓝色素呈现本身的蓝紫色.

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