紫甘蓝花青素三种提取工艺对比研究

高攀峰，侯金丽，傅海燕，温小娟，郑锦娟

（1.厦门理工学院环境科学与工程学院，福建厦门361024；2.河南工业贸易职业学院粮食工程系，河南郑州451191）

紫甘蓝花青素三种提取工艺对比研究

高攀峰1，侯金丽2，傅海燕1，温小娟1，郑锦娟1

（1.厦门理工学院环境科学与工程学院，福建厦门361024；2.河南工业贸易职业学院粮食工程系，河南郑州451191）

以紫甘蓝为研究对象，采用水浴浸提法、超声波辅助提取法和微波辅助提取法，对比优化紫甘蓝花青素提取的工艺条件。试验结果表明：水浴浸提法最佳工艺条件为：液料比为10∶1（mL/g），提取温度40℃，提取4 h；超声波辅助提取法最佳工艺条件为：液料比5∶1（mL/g），提取温度65℃，超声40 min，超声波功率200 W；微波辅助提取法最佳工艺条件为：液料比3∶1（mL/g），微波功率700 W，辐射5 min。因此微波辅助提取法是最快捷经济的提取方法，值得大力推广。

花青素；提取工艺；紫甘蓝

花青素作为一种天然色素，色泽鲜明、安全、无毒、资源丰富，可以清除自由基，有很强的抗氧化能力，能够促进人体健康［1］，因此在食品、化妆和医药领域有很大的应用潜力［2-3］。

紫甘蓝的叶表皮细胞中含有大量花青素，此类蔬菜在我国大部分地区都有栽培，在收获旺季，价格低廉，倘若市场出现供大于求形成滞销时，大量堆积存放会导致销售成本激增。因此从紫甘蓝中提取花青素，提高了花青素的附加价值［4］，创造了更大的经济效益。

目前，人们针对紫甘蓝花青素提取已经开展了不少的研究［4-6］，然而由于色素提取企业大多属于小微企业，处于成本和技术等多方面的原因，大多仍采用水浴浸提法提取。本文拟通过对传统水浴浸提法，超声辅助提取法和微波辅助提取法3种提取工艺进行优化研究对比，证实紫甘蓝花青素提取企业进行技术改进的必要性，为促进花青素工业生产发展提供相应的技术参考。

1材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1主要材料

紫甘蓝：市售，产地福建。

1.1.2主要试剂

无水乙醇、磷酸氢二钾、柠檬酸等均为分析纯（AR）。

1.1.3主要仪器

BS-124S型电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PB-10型pH仪：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限责任公司；SHB-D（III）型循环水真空泵：上海申光仪器仪表有限公司；KQ-400KDE型高功率数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；APEX型常压微波合成萃取系统：上海屹尧仪器科技发展有限公司；DHG-9146 A型电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；R系列旋转蒸发器：上海申生科技有限公司；TGL-16C型高速离心机：上海安亭科学仪器厂；UV-2450型紫外可见分光光度计：日本岛津公司。

1.2方法

1.2.1提取工艺

紫甘蓝洗净晾干切碎→称样→加入一定量的乙醇为提取剂→分别采用水浴浸提法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法）→抽滤→浓缩后等体积定容→各取等量并加入等量pH 2.00的柠檬酸-磷酸氢二钾缓冲溶液进行离心（10 000 r/min）→测定溶液体系吸光度。

1.2.2色素的提取条件优化试验

取等份洗净晾干的紫甘蓝，分别置于250 mL的锥形瓶中，由于紫甘蓝色素多在食品加工中应用，所以选择无水乙醇作为提取剂。分别对相关提取条件进行单因素试验和正交试验，优化提取工艺条件后进行对比。其中水浴浸提法的提取条件为：溶剂与原料的比例即液料比，提取温度，提取时间；超声波辅助提取法：液料比，提取温度，提取时间，超声波功率；微波辅助提取法：液料比，提取时间，微波功率。

通过考察其pH 2.00～8.00时同等浓度提取液吸光度的变化，选择具有最大吸光度的pH作为测定时溶液的pH，由于色素提取量与提取溶液吸光度成正比，因此以吸光度表征紫甘蓝花青素的提取效率。通过紫外可见分光光度检测对比提取效果。

2结果与分析

2.1紫甘蓝花青素在不同pH溶液中吸光度的变化

紫甘蓝花青素属于花色苷类化合物，具有两性的性质，在酸性条件下，花青素主要以红色的黄盐形式存在；在碱性条件下，主要以蓝色的醌式形式存在；当花青素溶液在其等电点时，颜色最浅，花青素结构处在红色黄盐和蓝色醌式结构之间［7］。其结构转化如图1所示。

图1　不同pH溶液中的花青素结构Fig.1Chemical construction changes of anthocyanidins in solutions under different pH values

表1　pH对紫甘蓝花青素的影响Table 1The effect of pH on purple cabbage anthocyanidins

由表1可看出，其吸光度值随pH的增大，先下降后增高，在pH为2.00时，提取液吸光度最大，因此选取其作为提取效果对比时缓冲体系的pH。

当溶液体系pH为2.00时，吸收光谱图中两个明显的吸收峰的波长分别为290 nm和529 nm。与文献报道花青苷类色素的两个特征吸收峰相吻合，如图2所示。

图2　紫甘蓝花青素紫外可见吸收光谱Fig.2UV-Vis absorption of the purple cabbage anthocyanidin

由于许多物质在波长290 nm处均有明显的吸收，对浓度测定造成干扰。因此本文选择529 nm作为吸光度测定波长表征紫甘蓝色素的提取效果，优化提取工艺条件。

2.23种提取工艺对比研究

2.2.1水浴浸提法单因素试验

2.2.1.1液料比对紫甘蓝花青素的影响

称取等份每份5 g洗净晾干切碎的紫甘蓝，用无水乙醇配成液料比（mL/g）分别为3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1的提取体系，在50℃水浴浸提1 h，过滤除去固体，分别取15、25、50、75、100、125 μL滤液定容至300 μL，加入1 200 μL的pH 2.00柠檬酸-磷酸氢二钾缓冲溶液，测量不同液料比下吸光度，如图3所示。

图3　液料比对紫甘蓝花青素提取的影响Fig.3The effect of solvent-material ratio on the extraction of purple cabbage anthocyanidins

由图3可知，液料比从3∶1增加到25∶1（mL/g）过程中，紫甘蓝花青素提取率先上升后下降，液料比为5∶1（mL/g）时，提取液的吸光度最高，之后再增加溶剂量提取率无显著提高，结合实验结果及提取成本，选择液料比为5∶1（mL/g）。

2.2.1.2提取温度对紫甘蓝花青素的影响

在液料比5∶1（mL/g）的条件下，分别在30、40、50、60、70℃水浴浸提1 h，过滤后各取300 μL，加入1 200 μL的pH 2.00柠檬酸-磷酸氢二钾缓冲溶液离心，测量吸光度，提取温度对提取效果的影响见图4。

图4　提取温度对紫甘蓝花青素提取的影响Fig.4The effect of extraction temperature on the extraction of purple cabbage anthocyanidins

由图4可知，温度在30℃～50℃时，提取率随着提取温度的增大而增大；提取温度大于50℃时，提取率反而略有下降。综合考虑选择提取温度为50℃。

2.2.1.3提取时间对紫甘蓝花青素的影响

在液料比5∶1（mL/g），提取温度50℃的条件下，分别提取0.5、1、2、3、4、5 h，过滤后各取300 μL，加入1 200 μL的pH 2.00柠檬酸-磷酸氢二钾缓冲溶液离心，测量吸光度，提取时间对提取效果的影响见图5。

图5　提取时间对紫甘蓝花青素提取的影响Fig.5The effect of extraction time on the extraction of purple cabbage anthocyanidins

由图5可知，在0.5 h～2 h范围内，花青素的提取效率呈上升趋势，当提取时间超过2 h，花青素提取效率趋于稳定，综合试验结果选择提取时间为3 h。

在单因素试验的基础上，选取液料比、提取温度、提取时间3个因素，选择L9（34）正交试验，确定提取紫甘蓝中花青素的最佳工艺条件。水浴浸提工艺正交试验因素选择如表2所示，正交试验结果如表3所示。

表2　紫甘蓝花青素的水浴浸提法正交试验因素水平Table 2Factors and standards of orthogonal test of water bath extraction of purple cabbage anthocyanidins

表3　紫甘蓝花青素的水浴浸提法正交试验结果Table 3Results of orthogonal test of water bath extraction of purple cabbage anthocyanidins

续表3紫甘蓝花青素的水浴浸提法正交试验结果Continue table 3Results of orthogonal test of water bath extraction of purple cabbage anthocyanidins

由正交试验极差分析可知，3个影响因素对花青素提取率的影响顺序是液料比>浸提温度>时间。液料比对花青素的提取有显著影响。最优因素水平组合为A3B1C3，即液料比为10∶1、提取温度为40℃，提取时间4 h。

2.2.2超声辅助提取法

超声辅助提取法单因素实验分别选择液料比、提取温度、提取时间以及超声功率作为考察的影响因素，实验结果如图6。

图6　超声辅助提取法四种影响因素的实验结果Fig.6The experimental results of four factors with ultrasonic wave auxiliary technology

从实验结果可以看出，在超声提取单因素试验优化四种影响因素的结果为：液料比5∶1（mL/g），提取温度50℃，提取时间0.75 h（45 min），超声功率160 W。根据该结果确定正交试验的因素数和水平数如表4所示。选择L16（44）正交试验，确定超声波法提取紫甘蓝中花青素的最佳工艺条件，试验结果如表5所示。

表4　紫甘蓝花青素的超声波提取工艺正交试验因素水平Table 4Factors and standards of orthogonal test of ultrasonic wave auxiliary technology of purple cabbage anthocyanidins

由正交试验极差分析可知，4个影响因素对花青素提取率的影响顺序是提取温度>提取时间>超声波功率>液料比。四个影响因素对花青素的提取有显著影响。最优因素水平组合为A2B4C3D2，即液料比为5∶1（mL/g）、提取温度为65℃，提取时间40 min，超声波功率200 W。

2.2.3微波辅助提取法

微波辅助提取法单因素试验分别选择液料比、微波时间以及微波功率作为考察的影响因素，单因素试验优化结果3种条件分别为5∶1（mL/g）、4 min和600 W。在此基础上选择选择L9（33）正交试验。因素数和水平数如表6所示，试验结果如表7所示。

表6　紫甘蓝花青素的微波提取工艺正交试验因素水平Table 6Factors and standards of orthogonal test of microwave auxiliary technology of purple cabbage anthocyanidins

表7　紫甘蓝花青素的微波提取工艺正交试验结果Table 7Results of orthogonal test of microwave auxiliary technology of purple cabbage anthocyanidins

由正交试验极差分析可知，3种影响因素对花青素提取率的影响顺序是液料比>微波功率>微波时间。液料比对花青素的提取有显著影响。最优因素水平组合为A1B3C3，即液料比为3∶1（mL/g）、微波时间5 min，微波功率700 W。

3结论

对比3种提取工艺的试验结果，水浴提取法提取紫甘蓝花青素最佳条件为液料比为10∶1（mL/g），提取温度为40℃，提取时间为4 h。超声波辅助提取法的最佳条件为液料比5∶1（mL/g），提取温度为65℃，提取时间50 min，超声波功率200 W。微波辅助提取工艺则为液料比3∶1（m/Lg），提取时间5 min，微波功率700 W。从中可以看出，微波辅助提取法耗时短，能耗低，溶剂消耗量小，综合效果最好。在资金及设备条件允许的情况下，应当为首选的提取工艺方法。

［1］De Pascual-Teresa Sonia，Moreno Diego A，Garcia-Viguera Cristina.Flavanols and anthocyanins in cardiovascular health：A Review of Current Evidence［J］.International Journal of Molecular Science，2010，32（10）：1679-1703

［2］刘学铭，廖森泰，肖更生，等.花青素的吸收与代谢研究进展［J］.中草药，2007，38（6）：953-957

［3］E Nicole Bridgers，Mari S Chinn，Van-Den Truong.Extraction of anthocyanins from industrial purple-fleshed sweet potatoes and enzymatic hydrolysis of residues for fermentable sugars［J］.Industrial Crops and Products，2010，32（5）：613-620

［4］刘颖，李连之.紫甘蓝色素性质的研究［J］.聊城师范学院学报（自然科学版），1996（4）：126-154

［5］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

［6］王欢.紫甘蓝色素最佳提取工艺条件的研究［J］.食品研究与开发，2011，32（12）：229-233

［7］Raymond Brouillard，Bernard Delaporte.Chemistry of anthocyanin pigments.2.*kinetic and thermodynamic study of proton transfer，hydration，and tautomeric reactions of malvidin 3-glucoside［J］. Journal of the American Chemical Society，1977，21：8461-8468

Comparative Study on Three Extraction Technologies of Anthocyanidins from Purple Cabbage

GAO Pan-feng1，HOU Jin-li2，FU Hai-yan1，WEN Xiao-juan1，ZHENG Jin-juan1
（1.School of Environment Science and Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，Fujian，China；2.Department of Grain Engineering，Henan Industry and Trade Vocational College，Zhengzhou 451191，Henan，China）

Three extraction technologies of anthocyanidins from purple cabbage were investigated，including conventional water bath extraction，ultrasonic wave extraction and microwave-assisted extraction.The results showed that the optimum extraction technology parameters by conventional water bath extraction as follows：solvent-material ratio10∶1（mL/g），extraction temperature 40℃and extraction time 4 h.The optimum conditions of ultrasonic wave extraction were solvent-material ratio 5∶1（mL/g），extraction temperature 65℃and extraction time 40 min，ultrasonic wave power 200 W.For microwave-assisted extraction，the optimum conditions were 3∶1（solvent-material ratio，mL/g），700 W（microwave wave power）and 5 min（radiation time）.It could find that the microwave-assisted extraction technology was the best technology for the preparing of anthocyanins from purple cabbage.

anthocyanidins；extraction technologies；purple cabbage

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.12.009

2014-05-20

厦门理工学院高层次人才项目（YKJ12015R）

高攀峰（1977—）男（汉），讲师，博士，研究方向：复杂体系有机物的分离分析。