超聲浸取紫甘藍色素及異味物質(zhì)的研究

黃璐璐，曹雁平，2，*，肖俊松，2，張 婷，王 瑩

（1．北京工商大學(xué)食品學(xué)院，北京100048；2．食品添加劑與配料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京100048）

超聲浸取紫甘藍色素及異味物質(zhì)的研究

黃璐璐1，曹雁平1，2，*，肖俊松1，2，張 婷1，王 瑩1

（1．北京工商大學(xué)食品學(xué)院，北京100048；2．食品添加劑與配料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京100048）

研究酸度調(diào)節(jié)劑、乙醇濃度、pH、料液比、時間、溫度、超聲功率和頻率對紫甘藍色素超聲浸取的影響，確定檸檬酸為酸度調(diào)節(jié)劑，pH2、10%的乙醇溶液作為浸取劑，超聲（40kHz，0.25W·cm-2）浸取率比非超聲提高了55.88%。均勻設(shè)計實驗確定一次超聲浸取最優(yōu)條件為料液比1∶60g/mL，超聲頻率135kHz，超聲功率0.45W·cm-2，溫度60℃，時間15min，浸取率53.37%。發(fā)現(xiàn)非超聲水浸取時浸取液中異硫氰酸酯含量為0.17%，在10%乙醇超聲（28kHz，0.25W·cm2）浸取液中含量最高為0.47%，且隨著超聲頻率增加而減少。

紫甘藍色素，超聲，異硫氰酸酯

紫甘藍又稱紅甘藍、赤甘藍，屬于十字花科、蕓苔屬甘藍種中的一個變種，是結(jié)球甘藍中的一個類型。紫甘藍中豐富的花色苷類色素使其成為天然抗氧化劑，這些抗氧化成分能夠保護人體免受自由基氧化的損傷，同時也能夠有助于細胞的更新[1-3]。天然色素的研究近年來受到了國內(nèi)外許多專家的關(guān)注，紫甘藍的浸取方法的研究正逐步得到重視，傳統(tǒng)水浴浸取紫甘藍色素，浸取時間長，生產(chǎn)效率較低，且熱溶劑容易造成花色苷降解及生理活性的降低[4-8]。目前，超聲波浸取的方法在生物活性物質(zhì)的浸取中得到廣泛應(yīng)用，宋曉秋[9]采用傳統(tǒng)水浴浸取法、超聲波輔助浸取法和微波浸取法對紫甘藍天然色素的浸取工藝條件進行研究比較，其中超聲和微波浸取效果基本一致并優(yōu)于傳統(tǒng)水浴浸取法，明顯提高了其浸取率。但是在浸取紫甘藍色素時，存在一個顯著缺點，即色素浸取物存在明顯的異味。由于硫代葡萄糖苷廣泛存在于十字花科植物中[10]，其可以通過酶降解、熱降解和化學(xué)降解3種降解途徑生成具有鮮香沖辣風(fēng)味的物質(zhì)[11-12]，從而賦予食物具有辛辣刺激的口感和特殊的風(fēng)味，紫甘藍色素存在的異味成分之一就是硫苷降解產(chǎn)物異硫氰酸酯。

本實驗根據(jù)紫甘藍色素及超聲的特性，首先篩選浸取溶劑，全面探討紫甘藍色素浸取特性，通過均勻設(shè)計實驗優(yōu)化超聲浸取紫甘藍色素的最優(yōu)條件；其次從浸取方法和溶劑選擇兩方面入手，初步探討不同浸取對紫甘藍色素浸取液中異硫氰酸酯含量的影響，為進一步確定工業(yè)化超聲浸取紫甘藍色素奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘藍 購于超市；檸檬酸、氯化鉀、無水乙醇、鹽酸、冰乙酸、磷酸 均為分析純，國藥集團試劑有限公司。

JXD-02型超聲裝置（28、40、50、135kHz） 北京金星超聲設(shè)備技術(shù)有限公司；DCW-3506型低溫恒溫循環(huán)水浴槽 寧波新芝生物科技股份有限公司；Uvmini-1240型紫外分光光度計 日本島津。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫甘藍色素浸取工藝流程 新鮮紫甘藍→洗凈→切碎→干燥→粉碎→超聲浸取→過濾。

1.2.2 超聲輔助浸取紫甘藍色素的單因素實驗

1.2.2.1 酸度調(diào)節(jié)劑對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40分別加入pH2檸檬酸、乙酸、鹽酸、磷酸溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲浸取25min。

1.2.2.2 pH對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40分別加入pH為2、3、4、5、6、7檸檬酸調(diào)酸的浸取溶劑，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲浸取25min。

1.2.2.3 乙醇濃度對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40分別加入pH2體積分數(shù)為0、5%、10%、15%、20%、25%的乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲浸取25min。

1.2.2.4 料液比對紫甘藍色素浸取率的影響 分別按料液比1∶20、1∶40、1∶60、1∶80、1∶100加入檸檬酸調(diào)酸至pH2的10%乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲浸取25min。

1.2.2.5 時間對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40加入pH2 10%的乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲中，時間為15、25、35、45、55min分別進行浸取。

1.2.2.6 溫度對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40加入pH2 10%的乙醇溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2超聲中，溫度為30、40、50、60、70℃分別進行浸取25min。

1.2.2.7 超聲功率對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40加入pH2 10%的乙醇溶液，放入50kHz、50℃超聲中，功率為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45W·cm-2分別進行浸取25min。

1.2.2.8 超聲頻率對紫甘藍色素浸取率的影響 按料液比1∶40加入pH=2 10%的乙醇溶液，放入0.25W·cm-2、50℃超聲中，頻率為28、40、50、135kHz分別進行浸取25min。

1.2.3 超聲浸取紫甘藍色素的條件優(yōu)化 選取料液比、浸取時間、浸取溫度、超聲功率、超聲頻率五個因素，利用DPS軟件設(shè)計混合水平均勻?qū)嶒瀮?yōu)化超聲輔助浸取紫甘藍色素的條件，實驗設(shè)計見表1。

表1 超聲浸取紫甘藍色素工藝優(yōu)化的條件選擇Table.1 Optimizing ultrasonic conditions to extract red cabbage pigment

1.2.4 浸取方法對紫甘藍色素浸取液中異味物質(zhì)的影響

1.2.4.1 乙醇對異硫氰酸酯含量的影響 按料液比1∶40分別加入檸檬酸調(diào)酸至pH2的10%乙醇溶液和pH2檸檬酸溶液，放入50kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲及非超聲浸取25min。

1.2.4.2 超聲頻率對異硫氰酸酯含量的影響 按料液比1∶40加入檸檬酸調(diào)酸至pH2的10%乙醇溶液，放入28、40、50、135kHz、0.25W·cm-2、50℃超聲浸取25min。

1.3 檢測與評價方法

1.3.1 紫甘藍色素浸取率的測定 采用pH示差法對紫甘藍色素進行定量分析：Osawa等[13]選擇1.0和4.5兩個pH對花色苷進行了定量分析。其原理為當(dāng)溶液為pH1.0時，花色苷在510nm處有最大光吸收，而當(dāng)溶液pH為4.5時，花色苷轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色查爾酮形式，在510nm處無吸收[14]，因而可以用示差法計算溶液中總花色苷含量，進一步計算可得浸取率，計算公式如下：

式中：ApH1.0、ApH4.5分別為溶液在pH1.0和4.5時的最大吸光度；M為Cyanidin-3-glucoside的分子量，其值為449；ε為cyanidin-3-glucoside的消光系數(shù)，其值為29600；Df為稀釋因子；V為浸取的最終體積；W為原料中紫甘藍色素含量mg/g。

1.3.2 異硫氰酸酯含量的測定 采用嗎啉滴定法[15]。

圖1 酸度調(diào)節(jié)劑對色素浸取效果的影響Fig.1 Effect of acidity regulator on extraction of red cabbage pigment

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1 酸度調(diào)節(jié)劑對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖1可知，四種不同種類的酸度調(diào)節(jié)劑對紫甘藍色素的浸取率有著一定的影響，其中檸檬酸的浸取率最高，可能是由于在浸取過程中，鹽酸使?；幕ㄇ嗨氐乃?，從而影響紫甘藍色素的浸取效率[16]，且也有研究表明，檸檬酸對紫甘藍花色苷具有明顯的護色、增色作用[17]，故在接下來的實驗中，選用檸檬酸作為酸度調(diào)節(jié)劑。

2.1.2 pH對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖2可知，在紫甘藍色素浸取的過程中，其浸取率受pH影響比較大，隨著pH的增加其浸取能力逐漸減小。其原因在于隨著pH的改變，紫甘藍花色苷的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在pH由酸性向堿性變化時，花色苷從吡喃陽離子（紅色）轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色的假堿式結(jié)構(gòu)[18]。考慮到花色苷類色素在酸性條件下較穩(wěn)定，故在本實驗中選取pH2的浸取劑，后面的均勻?qū)嶒灢辉倏疾齑艘蛩亍?/p>

圖2 pH對紫甘藍色素浸取效果的影響Fig.2 Effect of pH on extraction of red cabbage pigment

2.1.3 乙醇濃度對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖3可知，在超聲浸取時，乙醇濃度10%時效果最佳。這有兩方面的原因。a.根據(jù)相似相溶的原理，水對于極性物質(zhì)是很好的溶劑，但對于天然色素一般不用純水而常加些有機溶劑。純水作為溶劑存在以下缺點：其一許多其他極性物質(zhì)被同時浸取出來，使得提純體系變得復(fù)雜；其二水的沸點高不利于濃縮和后續(xù)處理。b.醇類是自由基捕捉劑[19]，乙醇可以將超聲空化作用產(chǎn)生的自由基湮滅，避免自由基氧化紫甘藍色素。從圖3中可以看出，乙醇濃度增加到一定程度使浸取率下降，這是由于溶液的極性降低，故選用乙醇體積分數(shù)為10%作為浸取溶劑。

圖3 乙醇濃度對色素浸取效果的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on extraction of red cabbage pigment

2.1.4 料液比對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖4可知，從浸取率角度分析：增加浸取溶劑的用量可以增加色素的浸出率，但由于色素的增加量與溶劑的增加不成線性關(guān)系，且色素增加量較少；從浸取濃度來分析，可以看出多余的浸取溶劑就會起到稀釋的作用，使得浸取的色素濃度變小。當(dāng)料液比達到1∶60后，再增加溶劑的用量浸取率增長不大，理論上溶劑用量增加會增大浸取率，但溶劑過多會造成溶劑浪費而且會給后處理帶來不方便。從浸取率與浸取濃度一起作圖分析可以看出，為保證浸取濃度和浸取率達到最好效果，同時考慮到成本因素和后續(xù)處理，故選擇料液比為1∶40比較合適。

圖4 料液比對浸取效果的影響Fig.4 Effect of liquid solid ratio on extraction ofred cabbage pigment

2.1.5 時間對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖5可知，浸取率受到浸取時間的影響不是很大，浸取率隨時間的增加有所增加，但35min后會呈減小的趨勢。由于隨著浸取時間的延長，其浸取液受熱的時間也增加，在酸性條件下加熱可以使花色苷類的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴闋柾綗o色結(jié)構(gòu)[20]，從而使其浸取率有所下降。

圖5 超聲時間對浸取效果的影響Fig.5 Effect of ultrasonic treating time on extraction of red cabbage pigment

2.1.6 溫度對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖6可知，在溫度較低時（＜50℃）時，紫甘藍色素的浸取率隨著溫度的上升而增加，并在50℃時達到最高點，之后隨著溫度的繼續(xù)升高，浸取率反而隨著溫度的上升而下降，表明50℃下浸取的紫甘藍色素溶液中，含量最高，50℃為最佳浸取溫度。由于紫甘藍色素屬于熱敏性成分，溫度升高使紫甘藍色素變性速率逐漸大于浸取速率，導(dǎo)致紫甘藍色素浸取率降低，同時會增大雜質(zhì)的溶出量，因此將浸取溫度應(yīng)控制在50℃。

圖6 超聲溫度對浸取效果的影響Fig.6 Effect ofultrasonic treating temperature on extraction of red cabbage pigment

2.1.7 超聲功率對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖7可知，浸取含量隨著超聲功率增強而增加，在0.25W· cm-2時達到最大，而大于0.25W·cm-2時，浸取含量呈下降趨勢，由于在超聲場中，隨著超聲功率的增大，會引起浸取出來的紫甘藍色素發(fā)生降解。所以，綜合考慮，選擇0.25W·cm-2為浸取紫甘藍色素的最佳浸取條件。

圖7 超聲功率對浸取效果的影響Fig.7 Effect ofultrasonic power on extraction ofred cabbage pigment

2.1.8 超聲頻率對紫甘藍色素浸取率的影響 由圖8可知，超聲場中相對比于傳統(tǒng)的水浴浸取，浸取率在40kHz條件下提高最多，為55.88%，超聲頻率的增加會增加超聲浸取率，可以看出在135kHz條件下，浸取率相對于其他頻率的浸取率明顯降低，這是由于在高頻超聲輸入的能量高[21]，加快紫甘藍色素變性，所以浸取率也會有所下降。

圖8 超聲頻率對浸取效果的影響Fig.8 Effect ofultrasonic intensity on extraction of red cabbage pigment

2.2 超聲浸取紫甘藍色素的條件優(yōu)化

采用均勻設(shè)計實驗優(yōu)化最佳工藝條件。使用DPS軟件進行混合水平均勻?qū)嶒炘O(shè)計，目標(biāo)函數(shù)為超聲浸取紫甘藍色素的浸取率，均勻?qū)嶒灲Y(jié)果見表2。

表2 均勻?qū)嶒灲Y(jié)果Table.2 Uniform experimental results

應(yīng)用DPS軟件進行標(biāo)準(zhǔn)化回歸分析得到偏最小二乘法得回歸方程如下：

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

同時，得到單頻超聲最優(yōu)指標(biāo)為：料液比1∶60g/mL，溫度60℃，時間15min，超聲頻率135kHz，超聲功率0.45W·cm-2。對單頻超聲回歸結(jié)果在最優(yōu)超聲條件下進行驗證：理論浸取率為58.02%，實際浸取率為53.37%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.02%。

2.3 紫甘藍色素浸取中異味物質(zhì)的研究

2.3.1 乙醇對異硫氰酸酯含量的影響 由圖9可知，加入乙醇之后紫甘藍色素浸取液中的異硫氰酸酯含量明顯高于水溶液浸取液，同時，超聲浸取的紫甘藍色素浸取液中異硫氰酸酯含量明顯增加，這是由于在超聲場作用下，會加速紫甘藍中硫代葡萄糖苷的降解，從而異硫氰酸酯含量明顯增加。

圖9 浸取溶劑對異硫氰酸酯含量的影響Fig.9 Effect of leaching solvent on isothiocyanate content

2.3.2 超聲頻率對異硫氰酸酯含量的影響 由圖10可知，超聲浸取的紫甘藍色素浸取液中的異硫氰酸酯的含量明顯高于水浴中生成的含量，但是隨著超聲頻率的增加，其含量逐漸下降，可能是由于異硫氰酸酯在超聲場中穩(wěn)定性比較差，瞬時高溫高壓產(chǎn)生大量的未配對自由基可直接氧化[22]，使其快速降解，從而隨著超聲頻率的增加其含量明顯降低。在本篇論文中只做了溶劑和頻率對異硫氰酸酯含量的影響，在后續(xù)實驗中，會進一步研究超聲其他因素對異硫氰酸酯含量的影響。

圖10 超聲頻率對異硫氰酸酯含量的影響Fig.10 Effect ofultrasonic intensity on isothiocyanate content

3 結(jié)論

3.1單因素實驗結(jié)果表明：在檸檬酸作為酸度調(diào)節(jié)劑pH2、10%乙醇溶液中，紫甘藍色素浸取率比較好；隨著超聲溫度、超聲時間、超聲功率和超聲頻率的增加，浸取率會呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

3.2通過均勻?qū)嶒?，確定最優(yōu)超聲條件為料液比1∶60，超聲頻率135kHz，超聲功率0.45W·cm-2，溫度60℃，時間15min，浸取率為58.02%。驗證實驗證明在最優(yōu)超聲條件下，浸取率為53.37%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.02%。

3.3在對紫甘藍色素浸取中異味物質(zhì)的研究實驗中，可以看出，在加入10%乙醇的超聲浸取溶液中，異硫氰酸酯的含量明顯增加；但是隨著超聲頻率的增加，異硫氰酸酯含量會有所下降。

超聲浸取紫甘藍色素受溫度、時間、超聲功率和頻率等多種因素共同影響。在浸取過程中，會產(chǎn)生異味物質(zhì)，影響紫甘藍色素的品質(zhì)，對于異味物質(zhì)的脫除，提高紫甘藍色素的品質(zhì)，還有待于進一步的研究。

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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 *通訊聯(lián)系人

黃璐璐（1989-），女，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)。

國家十二五科技支撐重點課題（2011BAD23B02）。