超声波辅助提取紫甘蓝色素及稳定性研究

刘伟，刘军海，何敏

(1.陕西理工大学 化学与环境科学学院，陕西 汉中 723000；2.陕西理工大学陕西省催化基础与应用重点实验室，陕西 汉中 723000)

紫甘蓝(Capitatarubra)，为十字花科、芸苔变种而来，与结球甘蓝属于同类，在我国南北各地均有种植。紫甘蓝别名为红甘蓝，又称紫包菜，是一类可食用的健康纯天然蔬菜，含有多酚、花苷类色素、纤维素等多种活性物质[1]。紫甘蓝中的花苷类色素具有较强的抗氧化、抗病毒、抗肿瘤、抑制细菌等多种生理功效[2-3]。因此，被广泛应用于食品行业中[4]，如葡萄饮料加工、吐司面包、肉羊的肉色和肉质改善、食品防腐、食品着色、乳制品、果酱、酒精饮品添加剂等[5-9]。目前紫甘蓝色素的提取方法主要有溶剂提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、醇酶复合法、果胶酶法、水浴法等[10-13]。超声波辅助提取工艺具有提取成本低、提取时间短、工业技术化成熟等优点[14-15]。本研究在已有方法的基础上，以紫甘蓝鲜叶为原料提取紫甘蓝色素，根据单因素试验和正交试验优化提取条件，进一步探究温度、光照、蔗糖、食盐、金属离子、防腐剂等对紫甘蓝色素稳定性的影响，从而为紫甘蓝色素在食用调味品中的利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜紫甘蓝：市售；无水乙醇、丙酮、乙酸乙酯、冰醋酸、氢氧化钠、苯甲酸钠、硫酸铜、氯化铁、硫酸镁、硫酸锌、碳酸钾(均为分析纯)：天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

BSA224S-CW型分析天平 北京赛多利斯科学仪器有限公司；BCD-218ZM2D型冰箱 合肥美菱股份有限公司；GW1030型超声波清洗机 深圳市洁盟清洗设备有限公司；WGLL-230BE型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；H1850型低速离心机 北京京立离心机有限公司；MT-5000型pH计 上海亚荣生化仪器厂；DF-101S型恒温水浴锅 郑州长城科工贸有限公司；Cary 50型紫外分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司。

1.3 紫甘蓝色素的提取与测定方法

1.3.1 原料的预处理

新鲜的紫甘蓝叶经蒸馏水清洗晾干以后，将其切碎得到碎鲜叶末，放入干燥烧杯中备用。

1.3.2 紫甘蓝色素最佳提取剂的选择

称取5份10.0 g紫甘蓝碎鲜叶于干燥烧杯中，分别加入50 mL的无水乙醇、冰醋酸、丙酮、蒸馏水以及乙酸乙酯浸泡4 h，观察其颜色，根据颜色判断浸提情况，从而确定最适浸提剂。

1.3.3 紫甘蓝色素的提取及检测

称取10.0 g紫甘蓝碎鲜叶于干燥烧杯中，加入50 mL蒸馏水进行浸泡，用保鲜膜密封后，在室温及超声波功率为80 W的条件下，超声辅助提取30 min后离心30 min(5000 r/min)，经过滤得到色素提取液,密封保存，备用。

根据紫甘蓝色素的最大吸收波长调整紫外分光光度计的波长为550 nm，取25 mL色素提取液稀释于50 mL容量瓶中，加蒸馏水至刻度线并充分摇匀，然后采用紫外分光光度计测定其吸光度值。

1.4 超声波辅助提取紫甘蓝色素的单因素试验

取10.0 g紫甘蓝碎鲜叶于干燥烧杯中，加入50 mL蒸馏水进行浸泡，然后在室温条件下超声辅助提取30 min，经离心、过滤得到滤液，储存备用。取上述色素提取液25 mL，加入蒸馏水定容至50 mL，最后利用紫外分光光度计测定其吸光度值。在上述工艺的基础上，分别改变提取温度、料液比、超声时间、提取液pH值进行单因素试验，探究这4个因素对紫甘蓝色素提取的影响。

1.5 紫甘蓝色素提取的正交试验

称取10.0 g紫甘蓝碎鲜叶，选取提取温度(A)、提取时间(B)、料液比(C)、pH值(D)4个影响因素的3个水平设计正交试验，见表1。最后按照1.3.3中的方法测定其吸光度，从而选择提取紫甘蓝色素的最优条件。

表1 正交试验因素及水平设计Table 1 Design of orthogonal experimental factors and levels

1.6 紫甘蓝色素稳定性的测定

称取10.0 g紫甘蓝碎鲜叶于干燥烧杯中，加入60 mL蒸馏水进行浸泡，并调整其pH至2，再用保鲜膜密封，在50 ℃及超声波功率为80 W的条件下，超声辅助提取50 min后离心30 min(5000 r/min)，经过滤得到紫甘蓝色素提取液，并取25 mL色素溶液加蒸馏水定容至50 mL(配制多份)，密封保存，备用。在上述试验的基础上，分别探究温度、光照、蔗糖、氯化钠、金属离子以及防腐剂对紫甘蓝色素稳定性的影响。

2 结果与讨论

2.1 提取剂对紫甘蓝色素提取的影响

试验结果发现，以无水乙醇、丙酮、冰醋酸、乙酸乙酯为提取剂时，浸提结果均为无色或颜色较浅，而以蒸馏水作为提取剂时，溶液颜色为蓝紫色。因此，浸提剂应选择蒸馏水。

2.2 紫甘蓝色素提取的单因素试验

2.2.1 温度对紫甘蓝色素提取的影响

图1 提取温度对紫甘蓝色素提取的影响Fig.1 The effect of extraction temperature on the extraction of purple cabbage pigment

由图1可知，随着提取温度的升高，紫甘蓝色素的吸光度值先增加后减小，在50 ℃时达到最大值。这可能是因为提取温度过高使得紫甘蓝色素变质。因此，控制紫甘蓝色素的提取温度为50 ℃最适宜。

2.2.2 料液比对紫甘蓝色素提取的影响

由图2可知，随着料液比的增大，紫甘蓝色素的吸光度值先增加后减小，在1∶7(g/mL)时达到最大值。这可能是由于料液比增大，溶液稀释造成吸光度值减小。另外，考虑到节约成本，控制提取紫甘蓝色素的料液比为1∶7(g/mL)最适宜。

图2 料液比对紫甘蓝色素提取的影响Fig.2 The effect of solid-liquid ratio on the extraction of purple cabbage pigment

2.2.3 时间对紫甘蓝色素提取的影响

由图3可知，随着提取时间的增加，紫甘蓝色素的吸光度值持续增加。但超过40 min后，紫甘蓝色素的吸光度值趋于平缓。这可能是因为提取时间达到40 min 时，紫甘蓝色素已经充分提取。因此，从能耗与生产效率等多方面综合考虑，控制提取时间为40 min最适宜。

图3 提取时间对紫甘蓝色素提取的影响Fig.3 The effect of extraction time on the extraction of purple cabbage pigment

2.2.4 pH值对紫甘蓝色素提取的影响

由图4可知，随着pH值的增大，紫甘蓝色素的吸光度值逐渐减小。这可能是因为在酸性条件下紫甘蓝色素更易溶解出来。因此，控制提取紫甘蓝色素的pH值为2较适宜。

图4 pH值对紫甘蓝色素提取的影响Fig.4 The effect of pH value on the extraction of purple cabbage pigment

2.3 紫甘蓝色素提取的正交试验

正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal test results

续 表

由表2可知，在超声波辅助提取紫甘蓝色素的4个影响因子中，影响作用从大到小为料液比>提取时间>pH值>提取温度。而得到的最佳工艺组合为A3B2C1D1，即提取紫甘蓝色素的最优条件为：料液比1∶6 (g/mL)、pH值2、提取温度50 ℃、提取时间50 min。

2.4 紫甘蓝色素稳定性的测定

2.4.1 温度对紫甘蓝色素稳定性的影响

由图5可知，随着温度的升高，紫甘蓝色素的吸光度值随之下降。这是由于温度升高，紫甘蓝色素结构发生了改变，降低了其稳定性。因此，紫甘蓝色素应保存在常温或低温条件下。

图5 温度对紫甘蓝色素稳定性的影响Fig.5 The effect of temperature on the stability of purple cabbage pigment

2.4.2 光照对紫甘蓝色素稳定性的影响

由图6可知，在室内光源的照射下，紫甘蓝色素的吸光度值没有明显变化，呈平稳趋势。而在日光条件下照射后，随着时间的推移，紫甘蓝色素的吸光度值持续减小，表明日光照射对紫甘蓝稳定性有明显的影响，故紫甘蓝色素应在阴凉处保存。

图6 光照对紫甘蓝色素稳定性的影响 Fig.6 The effect of light on the stability of purple cabbage pigment

2.4.3 蔗糖对紫甘蓝色素稳定性的影响

由图7可知，不同浓度的蔗糖影响下，紫甘蓝色素的吸光度值变化不大，呈现平稳趋势。由此说明蔗糖不会影响紫甘蓝色素的稳定性，故蔗糖可以充当食品添加剂与紫甘蓝色素一同加入到食品中。

图7 蔗糖对紫甘蓝色素稳定性的影响 Fig.7 The effect of sucrose on the stability of purple cabbage pigment

2.4.4 食盐对紫甘蓝色素稳定性的影响

由图8可知，在不同浓度食盐的作用下，紫甘蓝色素的吸光度值变化不大。表明食盐对紫甘蓝色素的稳定性基本没有影响，故食盐可以与紫甘蓝色素一同使用。

图8 食盐对紫甘蓝色素稳定性的影响 Fig.8 The effect of salt on the stability of purple cabbage pigment

2.4.5 金属离子对紫甘蓝色素稳定性的影响

由图9可知，Mg2+、Cu2+对紫甘蓝色素的吸光度值均无明显影响；Fe2+、Na+、K+、Zn2+使其吸光度值都有所增加；Fe3+对紫甘蓝色素吸光度值的影响最为明显，并且使其溶液变为棕色，表明Mg2+、Cu2+对紫甘蓝色素的稳定性无明显影响，Fe2+、Na+、K+、Zn2+对紫甘蓝色素的稳定性有促进作用，而Fe3+则会降低紫甘蓝色素的稳定性。

图9 金属离子对紫甘蓝色素稳定性的影响 Fig.9 The effect of metal ions on the stability of purple cabbage pigment

2.4.6 防腐剂对紫甘蓝色素稳定性的影响

由图10可知，随着苯甲酸钠浓度的增加，紫甘蓝色素的吸光度值持续减小。说明防腐剂对紫甘蓝色素稳定性的影响较为明显，所以在对含有紫甘蓝色素的食品中使用防腐剂时，应该注意使用量，在保证不危害健康的同时，也不破坏紫甘蓝色素的稳定性。

图10 防腐剂对紫甘蓝色素稳定性的影响Fig.10 The effect of preservative on the stability of purple cabbage pigment

3 结论

以紫甘蓝鲜叶为原料，通过超声波辅助萃取紫甘蓝色素，在探究紫甘蓝色素提取的单因素试验基础上，设计正交试验寻找出紫甘蓝色素提取的最优条件，并进一步探究了温度、光照、蔗糖、食盐、金属离子以及防腐剂对紫甘蓝色素稳定性的影响。试验结果表明，紫甘蓝色素提取的最优条件为：以蒸馏水为提取剂，控制料液比为1∶6 (g/mL)，提取pH值为2，提取温度为50 ℃，提取时间为50 min，在该工艺条件下紫甘蓝色素的提取效果较为显著。紫甘蓝色素稳定性试验结果表明，在日光光照、温度过高以及添加苯甲酸钠防腐剂的条件下会破坏紫甘蓝色素的稳定性，蔗糖、食盐可以与紫甘蓝色素一同使用，对稳定性的影响不明显，金属离子Mg2+、Cu2+对紫甘蓝色素的稳定性无明显影响，Fe2+、Na+、K+、Zn2+对紫甘蓝色素的稳定性有促进作用，而Fe3+则会降低紫甘蓝色素的稳定性，并使色素溶液颜色变为棕色。该研究结果可为紫甘蓝色素在食用调味品中的利用提供理论参考。