超声浸取紫甘蓝色素及异味物质的研究

黄璐璐，曹雁平，2，*，肖俊松，2，张 婷，王 莹

（1．北京工商大学食品学院，北京100048；2．食品添加剂与配料北京市高等学校工程研究中心，北京100048）

超声浸取紫甘蓝色素及异味物质的研究

黄璐璐1，曹雁平1，2，*，肖俊松1，2，张 婷1，王 莹1

（1．北京工商大学食品学院，北京100048；2．食品添加剂与配料北京市高等学校工程研究中心，北京100048）

研究酸度调节剂、乙醇浓度、pH、料液比、时间、温度、超声功率和频率对紫甘蓝色素超声浸取的影响，确定柠檬酸为酸度调节剂，pH2、10%的乙醇溶液作为浸取剂，超声（40kHz，0.25W·cm-2）浸取率比非超声提高了55.88%。均匀设计实验确定一次超声浸取最优条件为料液比1∶60g/mL，超声频率135kHz，超声功率0.45W·cm-2，温度60℃，时间15min，浸取率53.37%。发现非超声水浸取时浸取液中异硫氰酸酯含量为0.17%，在10%乙醇超声（28kHz，0.25W·cm2）浸取液中含量最高为0.47%，且随着超声频率增加而减少。

紫甘蓝色素，超声，异硫氰酸酯

紫甘蓝又称红甘蓝、赤甘蓝，属于十字花科、芸苔属甘蓝种中的一个变种，是结球甘蓝中的一个类型。紫甘蓝中丰富的花色苷类色素使其成为天然抗氧化剂，这些抗氧化成分能够保护人体免受自由基氧化的损伤，同时也能够有助于细胞的更新[1-3]。天然色素的研究近年来受到了国内外许多专家的关注，紫甘蓝的浸取方法的研究正逐步得到重视，传统水浴浸取紫甘蓝色素，浸取时间长，生产效率较低，且热溶剂容易造成花色苷降解及生理活性的降低[4-8]。目前，超声波浸取的方法在生物活性物质的浸取中得到广泛应用，宋晓秋[9]采用传统水浴浸取法、超声波辅助浸取法和微波浸取法对紫甘蓝天然色素的浸取工艺条件进行研究比较，其中超声和微波浸取效果基本一致并优于传统水浴浸取法，明显提高了其浸取率。但是在浸取紫甘蓝色素时，存在一个显著缺点，即色素浸取物存在明显的异味。由于硫代葡萄糖苷广泛存在于十字花科植物中[10]，其可以通过酶降解、热降解和化学降解3种降解途径生成具有鲜香冲辣风味的物质[11-12]，从而赋予食物具有辛辣刺激的口感和特殊的风味，紫甘蓝色素存在的异味成分之一就是硫苷降解产物异硫氰酸酯。

本实验根据紫甘蓝色素及超声的特性，首先筛选浸取溶剂，全面探讨紫甘蓝色素浸取特性，通过均匀设计实验优化超声浸取紫甘蓝色素的最优条件；其次从浸取方法和溶剂选择两方面入手，初步探讨不同浸取对紫甘蓝色素浸取液中异硫氰酸酯含量的影响，为进一步确定工业化超声浸取紫甘蓝色素奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫甘蓝 购于超市；柠檬酸、氯化钾、无水乙醇、盐酸、冰乙酸、磷酸 均为分析纯，国药集团试剂有限公司。

JXD-02型超声装置（28、40、50、135kHz） 北京金星超声设备技术有限公司；DCW-3506型低温恒温循环水浴槽 宁波新芝生物科技股份有限公司；Uvmini-1240型紫外分光光度计 日本岛津。

1.2 实验方法

1.2.1 紫甘蓝色素浸取工艺流程 新鲜紫甘蓝→洗净→切碎→干燥→粉碎→超声浸取→过滤。

1.2.2 超声辅助浸取紫甘蓝色素的单因素实验

1.2.2.1 酸度调节剂对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40分别加入pH2柠檬酸、乙酸、盐酸、磷酸溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超声浸取25min。

1.2.2.2 pH对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40分别加入pH为2、3、4、5、6、7柠檬酸调酸的浸取溶剂，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超声浸取25min。

1.2.2.3 乙醇浓度对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40分别加入pH2体积分数为0、5%、10%、15%、20%、25%的乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超声浸取25min。

1.2.2.4 料液比对紫甘蓝色素浸取率的影响 分别按料液比1∶20、1∶40、1∶60、1∶80、1∶100加入柠檬酸调酸至pH2的10%乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超声浸取25min。

1.2.2.5 时间对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40加入pH2 10%的乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超声中，时间为15、25、35、45、55min分别进行浸取。

1.2.2.6 温度对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40加入pH2 10%的乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2超声中，温度为30、40、50、60、70℃分别进行浸取25min。

1.2.2.7 超声功率对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40加入pH2 10%的乙醇溶液，放入50kHz、50℃超声中，功率为0.05、0.15、0.25、0.35、0.45W·cm-2分别进行浸取25min。

1.2.2.8 超声频率对紫甘蓝色素浸取率的影响 按料液比1∶40加入pH=2 10%的乙醇溶液，放入0.25W·cm-2、50℃超声中，频率为28、40、50、135kHz分别进行浸取25min。

1.2.3 超声浸取紫甘蓝色素的条件优化 选取料液比、浸取时间、浸取温度、超声功率、超声频率五个因素，利用DPS软件设计混合水平均匀实验优化超声辅助浸取紫甘蓝色素的条件，实验设计见表1。

表1 超声浸取紫甘蓝色素工艺优化的条件选择Table.1 Optimizing ultrasonic conditions to extract red cabbage pigment

1.2.4 浸取方法对紫甘蓝色素浸取液中异味物质的影响

1.2.4.1 乙醇对异硫氰酸酯含量的影响 按料液比1∶40分别加入柠檬酸调酸至pH2的10%乙醇溶液和pH2柠檬酸溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超声及非超声浸取25min。

1.2.4.2 超声频率对异硫氰酸酯含量的影响 按料液比1∶40加入柠檬酸调酸至pH2的10%乙醇溶液，放入28、40、50、135kHz、0.25W·cm-2、50℃超声浸取25min。

1.3 检测与评价方法

1.3.1 紫甘蓝色素浸取率的测定 采用pH示差法对紫甘蓝色素进行定量分析：Osawa等[13]选择1.0和4.5两个pH对花色苷进行了定量分析。其原理为当溶液为pH1.0时，花色苷在510nm处有最大光吸收，而当溶液pH为4.5时，花色苷转变为无色查尔酮形式，在510nm处无吸收[14]，因而可以用示差法计算溶液中总花色苷含量，进一步计算可得浸取率，计算公式如下：

式中：ApH1.0、ApH4.5分别为溶液在pH1.0和4.5时的最大吸光度；M为Cyanidin-3-glucoside的分子量，其值为449；ε为cyanidin-3-glucoside的消光系数，其值为29600；Df为稀释因子；V为浸取的最终体积；W为原料中紫甘蓝色素含量mg/g。

1.3.2 异硫氰酸酯含量的测定 采用吗啉滴定法[15]。

图1 酸度调节剂对色素浸取效果的影响Fig.1 Effect of acidity regulator on extraction of red cabbage pigment

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 酸度调节剂对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图1可知，四种不同种类的酸度调节剂对紫甘蓝色素的浸取率有着一定的影响，其中柠檬酸的浸取率最高，可能是由于在浸取过程中，盐酸使酰基化的花青素的水解，从而影响紫甘蓝色素的浸取效率[16]，且也有研究表明，柠檬酸对紫甘蓝花色苷具有明显的护色、增色作用[17]，故在接下来的实验中，选用柠檬酸作为酸度调节剂。

2.1.2 pH对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图2可知，在紫甘蓝色素浸取的过程中，其浸取率受pH影响比较大，随着pH的增加其浸取能力逐渐减小。其原因在于随着pH的改变，紫甘蓝花色苷的结构发生了变化，在pH由酸性向碱性变化时，花色苷从吡喃阳离子（红色）转变为无色的假碱式结构[18]。考虑到花色苷类色素在酸性条件下较稳定，故在本实验中选取pH2的浸取剂，后面的均匀实验不再考察此因素。

图2 pH对紫甘蓝色素浸取效果的影响Fig.2 Effect of pH on extraction of red cabbage pigment

2.1.3 乙醇浓度对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图3可知，在超声浸取时，乙醇浓度10%时效果最佳。这有两方面的原因。a.根据相似相溶的原理，水对于极性物质是很好的溶剂，但对于天然色素一般不用纯水而常加些有机溶剂。纯水作为溶剂存在以下缺点：其一许多其他极性物质被同时浸取出来，使得提纯体系变得复杂；其二水的沸点高不利于浓缩和后续处理。b.醇类是自由基捕捉剂[19]，乙醇可以将超声空化作用产生的自由基湮灭，避免自由基氧化紫甘蓝色素。从图3中可以看出，乙醇浓度增加到一定程度使浸取率下降，这是由于溶液的极性降低，故选用乙醇体积分数为10%作为浸取溶剂。

图3 乙醇浓度对色素浸取效果的影响Fig.3 Effect of ethanol concentration on extraction of red cabbage pigment

2.1.4 料液比对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图4可知，从浸取率角度分析：增加浸取溶剂的用量可以增加色素的浸出率，但由于色素的增加量与溶剂的增加不成线性关系，且色素增加量较少；从浸取浓度来分析，可以看出多余的浸取溶剂就会起到稀释的作用，使得浸取的色素浓度变小。当料液比达到1∶60后，再增加溶剂的用量浸取率增长不大，理论上溶剂用量增加会增大浸取率，但溶剂过多会造成溶剂浪费而且会给后处理带来不方便。从浸取率与浸取浓度一起作图分析可以看出，为保证浸取浓度和浸取率达到最好效果，同时考虑到成本因素和后续处理，故选择料液比为1∶40比较合适。

图4 料液比对浸取效果的影响Fig.4 Effect of liquid solid ratio on extraction ofred cabbage pigment

2.1.5 时间对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图5可知，浸取率受到浸取时间的影响不是很大，浸取率随时间的增加有所增加，但35min后会呈减小的趋势。由于随着浸取时间的延长，其浸取液受热的时间也增加，在酸性条件下加热可以使花色苷类的结构转变为查尔酮式无色结构[20]，从而使其浸取率有所下降。

图5 超声时间对浸取效果的影响Fig.5 Effect of ultrasonic treating time on extraction of red cabbage pigment

2.1.6 温度对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图6可知，在温度较低时（＜50℃）时，紫甘蓝色素的浸取率随着温度的上升而增加，并在50℃时达到最高点，之后随着温度的继续升高，浸取率反而随着温度的上升而下降，表明50℃下浸取的紫甘蓝色素溶液中，含量最高，50℃为最佳浸取温度。由于紫甘蓝色素属于热敏性成分，温度升高使紫甘蓝色素变性速率逐渐大于浸取速率，导致紫甘蓝色素浸取率降低，同时会增大杂质的溶出量，因此将浸取温度应控制在50℃。

图6 超声温度对浸取效果的影响Fig.6 Effect ofultrasonic treating temperature on extraction of red cabbage pigment

2.1.7 超声功率对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图7可知，浸取含量随着超声功率增强而增加，在0.25W· cm-2时达到最大，而大于0.25W·cm-2时，浸取含量呈下降趋势，由于在超声场中，随着超声功率的增大，会引起浸取出来的紫甘蓝色素发生降解。所以，综合考虑，选择0.25W·cm-2为浸取紫甘蓝色素的最佳浸取条件。

图7 超声功率对浸取效果的影响Fig.7 Effect ofultrasonic power on extraction ofred cabbage pigment

2.1.8 超声频率对紫甘蓝色素浸取率的影响 由图8可知，超声场中相对比于传统的水浴浸取，浸取率在40kHz条件下提高最多，为55.88%，超声频率的增加会增加超声浸取率，可以看出在135kHz条件下，浸取率相对于其他频率的浸取率明显降低，这是由于在高频超声输入的能量高[21]，加快紫甘蓝色素变性，所以浸取率也会有所下降。

图8 超声频率对浸取效果的影响Fig.8 Effect ofultrasonic intensity on extraction of red cabbage pigment

2.2 超声浸取紫甘蓝色素的条件优化

采用均匀设计实验优化最佳工艺条件。使用DPS软件进行混合水平均匀实验设计，目标函数为超声浸取紫甘蓝色素的浸取率，均匀实验结果见表2。

表2 均匀实验结果Table.2 Uniform experimental results

应用DPS软件进行标准化回归分析得到偏最小二乘法得回归方程如下：

Y=-0.4545521-9.445246X1+0.302017X2+ 0.485712X3+0.389091X4-0.267729X5-69.188444X12-0.004992X22-0.005621X32-0.003970X42+0.001635X52+ 0.529651X1X2-0.442652X1X3+0.102657X1X4+ 0.584082X1X5-0.000375X2X3+0.000347X2X4+ 0.004859X2X5+0.005418X3X4-0.002864X3X5-0.002598X4X5

同时，得到单频超声最优指标为：料液比1∶60g/mL，温度60℃，时间15min，超声频率135kHz，超声功率0.45W·cm-2。对单频超声回归结果在最优超声条件下进行验证：理论浸取率为58.02%，实际浸取率为53.37%，相对标准偏差为8.02%。

2.3 紫甘蓝色素浸取中异味物质的研究

2.3.1 乙醇对异硫氰酸酯含量的影响 由图9可知，加入乙醇之后紫甘蓝色素浸取液中的异硫氰酸酯含量明显高于水溶液浸取液，同时，超声浸取的紫甘蓝色素浸取液中异硫氰酸酯含量明显增加，这是由于在超声场作用下，会加速紫甘蓝中硫代葡萄糖苷的降解，从而异硫氰酸酯含量明显增加。

图9 浸取溶剂对异硫氰酸酯含量的影响Fig.9 Effect of leaching solvent on isothiocyanate content

2.3.2 超声频率对异硫氰酸酯含量的影响 由图10可知，超声浸取的紫甘蓝色素浸取液中的异硫氰酸酯的含量明显高于水浴中生成的含量，但是随着超声频率的增加，其含量逐渐下降，可能是由于异硫氰酸酯在超声场中稳定性比较差，瞬时高温高压产生大量的未配对自由基可直接氧化[22]，使其快速降解，从而随着超声频率的增加其含量明显降低。在本篇论文中只做了溶剂和频率对异硫氰酸酯含量的影响，在后续实验中，会进一步研究超声其他因素对异硫氰酸酯含量的影响。

图10 超声频率对异硫氰酸酯含量的影响Fig.10 Effect ofultrasonic intensity on isothiocyanate content

3 结论

3.1单因素实验结果表明：在柠檬酸作为酸度调节剂pH2、10%乙醇溶液中，紫甘蓝色素浸取率比较好；随着超声温度、超声时间、超声功率和超声频率的增加，浸取率会呈现先增加后减小的趋势。

3.2通过均匀实验，确定最优超声条件为料液比1∶60，超声频率135kHz，超声功率0.45W·cm-2，温度60℃，时间15min，浸取率为58.02%。验证实验证明在最优超声条件下，浸取率为53.37%，相对标准偏差为8.02%。

3.3在对紫甘蓝色素浸取中异味物质的研究实验中，可以看出，在加入10%乙醇的超声浸取溶液中，异硫氰酸酯的含量明显增加；但是随着超声频率的增加，异硫氰酸酯含量会有所下降。

超声浸取紫甘蓝色素受温度、时间、超声功率和频率等多种因素共同影响。在浸取过程中，会产生异味物质，影响紫甘蓝色素的品质，对于异味物质的脱除，提高紫甘蓝色素的品质，还有待于进一步的研究。

[1]徐亚民，赵晓燕，马越，等.紫甘蓝色素抗氧化能力的研究[J].食品研究与开发，2006，27（11）：59-62.

[2]张廉奉，赵丽凤.紫色甘蓝天然色素的浸取及性质研究[J].南阳师范学院学报，2005（3）：51-52.

[3]DownhamA，CollinsP.Colouring our foods in the last and next millennium[J].International Journal of Food Science & Technology，2000，35（1）：5-22.

[4]TorskangerpollK，AndersenM.Colour stability of anthocyanins in aqueous solutions atvarious pH values[J].Food Chemistry，2005，89（3）：427-440.

[5]ByamukamaR，KiremireBT，Andersen M，etal. Anthocyaninsfrom fruits of Rubuspinnatus and Rubusrigidus[J]. Journal of Food Composition and Analysis，2005，18（6）：599-605.

[6]王燕霞.传统水浴提取紫甘蓝红色素工艺研究[J].食品研究与开发，2007，28（1）：119-122.

[7]Anthocyanins as food colors[M].New York：Academic Press，1982.

[8]Escribano-Bailón M T，Alcalde-Eon C，MuñozO，et al. Anthocyanins in berries of maqui[Aristoteliachilensis（Mol.）Stuntz] [J].Phytochemical Analysis，2006，17（1）：8-14.

[9]宋晓秋，叶琳，杨晓波.紫甘蓝色素浸取方法研究[J].食品科学，2011，32（8）：74-77.

[10]Fahey J W，Zalcmann A T，TalalayP.The chemical diversity and distribution of glucosinolates and isothiocyanates among plants[J].Phytochemistry，2001，56（1）：5-51.

[11]BONES A M，ROSSITER J T.Theenzymic and chemically induceddecomposition of glucosinolates[J].Phytochemistry，2006，67（11）：1053-1067.

[12]de Vos R H，Blijleven W G H.The effect of processing conditions on glucosinolates in cruciferous vegetables[J]. Zeitschriftfür Lebensmittel-Untersuchung und Forschung，1988，187（6）：525-529.

[13]Osawa Y.Anthocyanins as food colors[M].New York：Academic Press，1982：85-85.

[14]Giusti M M，Wrolstad R E.Characterization and measurement of anthocyanins by UV-visible spectroscopy[J].Current Protocols in Food Analytical Chemistry，2001.

[15]姜子涛，黄小海.吗啉滴定法测定芥末油中异硫氰酸酯的含量[J].天津商学院学报，1995，15（2）：10-13.

[16]Escribano-Bailón M T，Santos-BuelgaC，Rivas-Gonzalo J C.Anthocyanins in cereals[J].Journal of Chromatography A，2004，1054（1）：129-141.

[17]吴园芳.紫甘蓝花色苷分离、鉴定及性质研究[D].西安：陕西科技大学，2012.

[18]阚建全.食品化学[M].北京：中国农业大学出版社，2002：291-292.

[19]曹雁平，袁英髦，朱雨辰.低强度超声场中羟自由基分光光度法检测研究[J].光谱学与光谱分析，2012，32（5）：1320-1323.

[20]陈健初.杨梅汁花色苷稳定性、澄清技术及抗氧化特性研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[21]罗登林，丘泰球，卢群.超声波技术及应用（Ι）—超声波技术[J].日用化学工业，2005，35（5）：323-326.

[22]刘艳凤，喻少帆，李嘉诚，等.烯丙基异硫氰酸酯在水溶液中的稳定性研究[J].海南大学学报：自然科学版，2011，29（1）：33-38.

Study on the ultrasound-assisted extraction red cabbagepigment and its peculiar smell

HUANG Lu-lu1，CAO Yan-ping1，2，*，XIAO Jun-song1，2，ZHANG Ting1，WANG Ying1
（1.College of Food and Chemical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；2.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients，Beijing 100048，China）

Study acidity regulator，ethanol concentration，pH，solid-liquid ratio，time，temperature，ultrasonic power and frequency on the effect of ultrasonic field red cabbage pigment extraction，determine citric acid as acidity regulator，pH2 10%ethanol solution as extracting agent，ultrasonic（40kHz，0.25W·cm-2）was unultrasonic leaching rate increased by 55.88%.The optimized levels of ultrasonic conditions were determined by the uniform experiment with mixture.The result showed that the optimized levels of three factors were respectively 1∶60g/mL，135kHz，0.45W·cm-2，60℃，15min，extraction rate 53.37%.The isothiocyanates content in extracting solution of pH2 by non-ultrasonic was 0.17%，which was in 10%ethanol ultrasonic extracting（28kHz，0.25W·cm2）solution up to 0.47%，and with the increase of ultrasonic frequency isothiocyanates in the extractingsolution content reduced.

red cabbage pigment；ultrasound；isothiocyanates

TS202.3

B

1002-0306（2014）04-0234-06

2013－07－02 *通讯联系人

黄璐璐（1989-），女，硕士研究生，研究方向：天然产物化学。

国家十二五科技支撑重点课题（2011BAD23B02）。