微波辅助-酶解法提取紫甘蓝花青素的工艺研究

门美福，卢家成，张 鑫，信建豪

（黄河科技学院，a.医学院；b.工学部，郑州 450000）

紫甘蓝俗称紫包菜，为十字花科芸苔属甘蓝种的一个变种。中国紫甘蓝资源丰富，全国各地均有分布，且产量大，产量可达37.5～60.0 t/hm2。开发紫甘蓝中的花青素及相关产品，有利于促进农产品的合理利用，对农产品市场的调节具有重要意义。花青素是天然色素的一种，具有抗肿瘤［1，2］、抗氧化［3，4］、预防老年病［5］、降血脂［6］等生物活性，又可作为食品添加剂中的天然色素，具有安全性高、色泽自然鲜艳等特点［7-9］。

目前，花青素的提取工艺研究常用的有溶剂提取法［10］、柱色谱法［11］、超声辅助提取［12，13］、酶法［14，15］、溶剂提取法［16］、离子液体提取法［17］、微波辅助提取法［18，19］等。这些工艺中，由于花青素与紫甘蓝的纤维组织结合较紧密，不容易溶出，直接溶剂提取则提取率较低，且污染性较强，因此，采用果胶酶对纤维组织进行分解，可提高提取率。微波辅助能够使细胞壁结构破坏程度更加充分，使提取耗时更短，耗能更低，更能提高提取效果。

本研究通过酶解-微波辅助法对紫甘蓝中花青素的提取工艺进行优化，采用微波使细胞壁结构破坏，以果胶酶降解，并将有机溶剂替换为十二烷基硫酸钠（SDS）溶液，形成了微波-酶解法提取工艺，以期为紫甘蓝中花青素的提取提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫甘蓝：市售，产地郑州；果胶酶、无水乙醇、盐酸、磷酸氢二钾、柠檬酸、十二烷基硫酸钠（SDS）等均为分析纯（AR级）。

TU-1810PC型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；数显恒温水浴锅HH-2（金坛市双捷实验仪器厂）；立鹤牌101A系列电热恒温鼓风干燥箱（山东潍坊精鹰医疗器械有限公司）；PHS-3C型酸度计（上海理达仪器厂）；FA2004型电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；TL80-1型医用离心机（济南格利特科技有限公司）；MCR-3型微波化学反应器（巩义市予华仪器有限责任公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 提取工艺 称取一定量的紫甘蓝60℃干燥24 h→粉碎→提取→酶解+微波→400 r/min离心30 min→取上清液测定吸光度。

1.2.2 单因素试验 称取一定量的紫甘蓝干燥粉末于锥形瓶内，加入调节pH后的提取剂，并加入果胶酶反应一段时间后，置于微波反应器中，在微波作用下进行浸提，再将溶液离心，取部分上清液，在最佳波长处测定吸光度。以酶解pH、加酶量、料液比、酶解时间、提取剂、温度、微波时间、微波功率为考察因素，选择最佳条件。

1）pH的选择。称取等量每份1.0 g紫甘蓝干粉，以SDS为提取剂，以吸光度为指标，固定料液比1∶15（g∶mL，下同），加酶量1.1%，酶解温度50℃，酶解时间60 min，微波功率360 W，微波时间4 min。设置酶解pH梯度为3、4、5、6、7、8，考察酶解pH对紫甘蓝中花青素提取的影响。

2）酶解温度的选择。固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解时间60 min，pH 7.0，微波功率360 W，微波时间4 min。设置酶解温度梯度为20、30、40、50、60℃，考察酶解温度对紫甘蓝花青素提取的影响。

3）加酶量的选择。固定料液比1∶15，酶解温度50℃，酶解时间60 min，pH 7.0，微波功率360 W，微波时间4 min。加酶量梯度设置为0.3%、0.7%、1.1%、1.5%、1.9%，考察加酶量对紫甘蓝中花青素提取的影响。

4）料液比的选择。在酶量1.1%、酶解温度50℃、酶解时间60 min、pH 7.0、微波功率360 W、微波时间4 min的条件下料液比梯度设置为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶45，考察料液比对紫甘蓝中花青素提取的影响。

5）酶解时间的选择。固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解温度50℃，pH 7.0，微波功率360 W，微波时间4 min。在酶解时间设置为20、40、60、80、100 min，考察酶解时间对紫甘蓝中花青素提取的影响。

6）微波时间的选择。固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解温度50℃，酶解时间60 min，pH 7.0，微波功率360 W，考察微波时间（1、2、3、4、5、6 min）对提取效果的影响。

7）微波功率的选择。固定其他条件，考察微波功率（90、180、270、360、450 W）对提取效果的影响。1.2.3 正交试验 在微波辅助及酶解法单因素试验下，以紫甘蓝花青素提取率为指标，采用L1（837）正交试验优化提取条件，因素及水平见表1。

表1 微波-酶解法正交试验因素和水平

1.2.4 提取剂的选择 将紫甘蓝晾干，于60℃恒温干燥箱干燥24 h；取等量干燥粉碎紫甘蓝，分别置于烧杯中，固定料液比1∶15，加酶量1.1%，酶解温度50℃，酶解时间60 min，pH 7.0，微波功率360 W，微波时间4 min。分别选择乙醇、SDS作为提取剂，乙醇体积分数梯度设置为40%、45%、50%、55%、60%、65%，十二烷基硫酸钠质量分数设置梯度为0.08%、0.1%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%，酶解、微波后于波长531 nm处测定吸光度。

2 结果与分析

2.1 最大波长的选择

通过紫外可见扫描，紫甘蓝花青素在紫外区280 nm附近、可见光区500～550 nm存在最大吸收，但280 nm附近干扰物质较多，为减小误差，采用531 nm作为测定波长。

2.2 提取剂的选择

由图1可知，在不同提取剂的选择中，乙醇体积分数为45%、SDS质量分数为0.12%时效果最佳，且SDS溶液得到的提取率大于乙醇溶液，同时不存在有机物残留，则选择0.12%SDS溶液作为提取剂。

2.3 单因素试验结果

2.3.1 pH的选择 由图2可知，酶解pH为7时，紫甘蓝花青素提取效果最好，因此，pH适宜控制在7左右。

2.3.2 酶解温度的选择 由图3可知，在30～60℃，紫甘蓝花青素提取效率在50℃时达到最大，大于50℃提取率有所下降。原因可能是温度升高酶的活性增强，但温度超过50℃后酶可能有部分失活现象发生，因此，50℃为最适提取温度。

图2 酶解p H对紫甘蓝中花青素提取的影响

图1 提取剂选择试验结果

图3 酶解温度对紫甘蓝中花青素提取的影响

2.3.3 酶量的选择 由图4可知，加酶量在0.3%～1.1%时，紫甘蓝中花青素提取效率呈增加趋势，加酶量大于1.1%后随酶量的增加，提取效率降低。原因可能是酶量过大，与细胞壁产生了竞争性作用，使提取率稍有降低，因此，选取加酶量为1.1%。

2.3.4 料液比的选择 由图5可知，随着料液比的变化，紫甘蓝中花青素提取效率呈先上升后降低的趋势。综合考虑，选取料液比为1∶15。

图4 加酶量对紫甘蓝中花青素提取的影响

图5 料液比对紫甘蓝中花青素提取的影响

2.3.5 酶解时间的选择 由图6可知，随酶解时间增加，紫甘蓝中花青素提取效率先增加后稍有降低，在60 min时酶解完全，因此，选择酶解时间为60 min。

图6 酶解时间对紫甘蓝中花青素提取的影响

2.3.6 微波时间的选择 由图7可知，微波4 min时紫甘蓝中花青素提取效果最佳，因此，微波时间选择4 min。

图7 微波时间选择对紫甘蓝中花青素提取的影响

2.3.7 微波功率的选择 由图8可知，随着微波功率的加大，吸光度增大，提取效果更好。但微波功率超过360 W时，溶液暴沸现象较易发生，因此，微波功率选择360 W。

2.4 正交试验

图8 微波功率选择对紫甘蓝中花青素提取的影响

采用“1.2.3”的方法，对温度、加酶量、料液比、pH、微波功率、酶解时间和微波时间7个因素作为影响因子，以花青素含量为指标，通过L1（837）正交试验确定最佳提取工艺参数，结果见表2，方差分析结果见表3。

从表2和表3可知，微波-酶解法中的7个影响因子对紫甘蓝花青素提取的影响都不显著，而料液比影响较大，其最佳工艺为温度50℃，加酶量1.1%，料液比1∶15，pH 7，微波功率360 W，酶解时间60 min，微波时间3 min，其主次因素影响顺序为料液比＞pH＞酶解时间＞加酶量＞微波时间＞微波功率＞温度。

表2 正交设计试验结果

2.5 工艺验证及结果

正交设计试验与单因素试验中最佳微波时间不同，所以对上述正交试验所得的结果进行验证试验，即设置试验条件为温度50℃，加酶量1.1%，料液比1∶15，pH 7，微波功率360 W，酶解时间60 min，微波时间3 min。在此条件下，进行5组平行试验，结果平均值为1.216 mg/g，RSD为6.34%，较单因素试验中的结果1.124 mg/g（微波时间为4 min，其他因素相同）更佳，故选择上述为最佳提取条件。

表3 正交设计试验结果方差分析

3 小结

通过单因素试验和正交试验结果表明，微波-酶解法提取紫甘蓝中花青素的最佳工艺为温度50℃，加酶量1.1%，料液比1∶15，pH 7，微波功率360 W，酶解时间60 min，微波时间3 min。本研究中酶解法最大提取率为1.216 mg/g，高于单用酶法或微波法的结果，因此该方法可以提高紫甘蓝中花青素的提取效果，为农产品的开发利用增产增效。