全 文 : 文章编号:1674-148X(2014)01-0054-05
紫玉兰色素超声结合酶法提取工艺及其稳定性研究
孙 萍,王凤舞,王成荣
收稿日期:2013-10-30
基金项目:山东省现代蔬菜产业技术体系(SDSXDSCCYJSTX)
作者简介:孙萍(1969-),女,高级实验师,主要研究方向:食品营养与检测
通讯作者:王成荣,E-mail:qauwcr@126.com
(青岛农业大学食品科学与工程学院,山东青岛266109)
摘要:本文以紫玉兰为材料,采用超声波结合酶法提取紫玉兰色素,采用单因素和正交实验研究不同酶用量、酶解
时间、酶解温度、乙醇体积分数、超声时间、料液比等条件对色素提取的影响,并确定最佳的提取工艺。同时研究光
照、pH值、不同浓度NaCl、碳水化合物和金属离子对紫玉兰色素稳定性的影响。结果表明:紫玉兰色素提取的最
佳工艺参数为纤维素酶用量4mg/g(花瓣湿重),按1∶15的料液比加入60%的乙醇溶液,在50℃ 酶解80min,超声
辅助提取10min。该色素对强碱和光照不稳定,NaCl和碳水化合物对其有护色作用,Fe3+和Cu2+离子对色素稳定
性影响较大。
关键词:紫玉兰;色素;纤维素酶;超声;稳定性
中图分类号:TS255.1 文献标识码:A DOI:10.3969/J.ISSN.1674-148X.2014.01.013
Study on the Optimization of Ultrasonic-assisted Enzymatic Extraction of
Pigment from Magnolia Liliflora and its Stability
SUN Ping,WANG Fengwu,WANG Chengrong
(Colege of Food Science and Engineering,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)
Abstract:In this paper,the pigment was extracted by the ultrasonic-assisted enzymatic method.The ex-
traction conditions were optimized through the single factor and orthogonal tests.The effects of the dosage
of enzyme,the concentration of extracting agent,enzymolysis time,temperature,ultrasound time and the
material/liquid ratio on pigment were studied in this paper.The optimum conditions were as folows:en-
zyme dosage 4mg/g(petal weight),60%ethanol,soaking for 80min at 50℃ with the material/liquid ratio
of 1:15,ultrasonic extraction of 15min.The stability experimental results showed that the pigment from
magnolia liliiflora was applicable in acidic conditions.The NaCl and some carbohydrates had the effect of
color-protecting.But the pigment was unstable against light,alkaline environment and some metal ions
such as Fe3+and Cu2+.
Key words:magnolia liliiflora;pigment;enzyme;ultrasonic-assisted;stability
紫玉兰(Magnolia liliiflora),木兰科木兰属,
又名辛夷、木兰,是中国的特有植物,分布在中国四
川、湖北、福建、云南等地,一般生长于海拔300m米
至1600m的区域[1]。紫玉兰是中国传统的花卉和
中药,已有两千多年的历史,它的叶、花蕾、树皮皆可
入药[2]。花芽中含有挥发油和多种木质素,为中药
辛夷之上品[3]。紫玉兰的花蕾,对头痛、腰痛、鼻炎
等症有一定的治疗功效,可用作镇痛剂。花中含有
天然香精,工业上提炼可用于制作化妆品[4-6]。紫
玉兰花大而艳美,观赏价值高,目前国内对其色素的
提取研究报道很少[7-8]。现在随着人们生活水平的
提高和环保意识的增强,大家对健康的重视程度也
越来越高,而其中的一些天然的植物色素因为安全、
对人身体无害、色调自然、提取方法较为简易、价格
青岛农业大学学报(自然科学版) 31(1):54~58,2014
Journal of Qingdao Agricultural University (Natural Science)
相对较低并且某些具有保健功能等优点得到人们的
关注[9],目前文献只见关于色素的乙醇传统提取的
相关报道,且提取率较低。本试验拟采用超声结合
纤维素酶的提取方法对紫玉兰色素进行提取,并研
究外界的因素对其稳定性的影响,为其今后投入生
产使用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
紫玉兰花瓣:采摘于青岛农业大学校园内。
无水乙醇、盐酸、氢氧化钠、氯化钠、硫酸钾、三
氯化铁、氯化镁、氯化铝、硫酸锌、硫酸铜等:分析纯,
莱阳市康德化工有限公司。
1.2 仪器与设备
电热恒温水浴锅;UV-2000紫外可见分光光
度计;KQ-500B型超声波仪;万分之一分析天平。
1.3 试验方法
1.3.1 紫玉兰色素的提取工艺
紫玉兰花瓣→剪碎→乙醇溶液酶解提取→超声
辅助提取→过滤→冷却→滤液测定吸光度值
称取定量紫玉兰花瓣剪碎,按照一定的料液比
加入一定浓度的乙醇及纤维素酶进行提取,在适当
的温度下酶解,后超声辅助提取,测定其吸光值,试
验三次取平均值。
1.3.2 紫玉兰色素的测定
采用色价法,中国食品添加剂标准则规定用吸
光度值表示[10-11]。
1.3.3 最大吸收波长的确定
取1g剪碎的紫玉兰花瓣加入15mL 60%的乙
醇溶液,在50℃水浴锅中浸提1h,过滤后在400nm
~590nm范围内每隔10nm测定一个吸光度值,绘
制波长-吸光度曲线,以确定紫玉兰色素的最大吸
收波长。
1.3.4紫玉兰色素提取的单因素试验
1.3.4.1 酶用量对紫玉兰色素提取效果的影响
称取5份剪碎的花瓣2.0g,分别按料液比
1∶15加入60%乙醇,纤维素酶用量分别为2、4、6、
8、10mg/g,50℃水浴加热1h,80℃水浴5min灭酶,
超声辅助提取10min,过滤后取1mL滤液稀释20
倍,测定滤液在510nm处的吸光度值。
1.3.4.2 乙醇浓度对紫玉兰色素提取效果的影响
称取5份剪碎的的花瓣2.0g,分别按料液比
1∶15加入40%、50%、60%、70%、80%、90%的乙
醇,酶用量为4mg/g,按照上述操作步骤,测定滤液
在510nm处的吸光值。
1.3.4.3 酶解时间对紫玉兰色素提取效果的影响
称取5份剪碎的花瓣2.0g,分别按料液比
1∶15加入60%乙醇,酶用量为4mg/g,50℃水浴加
热20、40、60、80、100、120min,按照上述操作步骤,
测定滤液在510nm处的吸光度值。
1.3.4.4 酶解温度对紫玉兰色素提取效果的影响
称取5份剪碎的花瓣2.0g,分别按料液比
1∶15加入60%乙醇,酶用量为4mg/g,分别在20、
30、40、50、60、70℃水浴1h,按照上述操作步骤,测
定滤液在510nm处的吸光度值。
1.3.4.5 超声时间对紫玉兰色素提取效果的影响
称取5份剪碎的花瓣2.0g,分别按料液比
1∶15加入60%乙醇,酶用量为4mg/g,50℃水浴加
热1h,80℃水浴5min灭酶,超声时间分别为5、10、
15、20、25、30min,过滤后取1mL滤液稀释20倍,测
定滤液在510nm处的吸光度值。
1.3.4.6 料液比对紫玉兰色素提取效果的影响
称取5份剪碎的花瓣2.0g,分别按料液比
1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30加入60%
乙醇,酶用量为4mg/g,按照上述操作步骤,测定滤
液在510nm处的吸光度值。
1.3.5 正交试验
在单因素试验基础上,设计了 L9(34)正交实
验,确定色素提取的最佳工艺。
表1 影响紫玉兰色素提取的正交试验
因素水平表水平因素A
水平
因素
A酶用量
(mg/g)
B超声时间
(min)
C酶解温度
(℃)
D料液比
1 4 10 40 1∶15
2 6 15 50 1∶20
3 8 20 60 1∶25
1.3.6 紫玉兰色素的稳定性研究
1.3.6.1 光照对紫玉兰色素稳定性的影响
取3份紫玉兰色素提取液各4mL,用60%的乙
醇溶液稀释到80mL,分别放置于室外阳光直射处、
室内以及室内避光处,时间为5h,期间每隔1h测定
一次吸光值。
1.3.6.2 pH值对紫玉兰色素稳定性的影响
取7份紫玉兰色素提取液各1mL,用60%乙醇
溶液 为 稀 释 到 20mL,用 1mol/L HCl、1mol/L
NaOH、10%HCl、10%NaOH将其pH分别调为1、
3、5、7、9、11、13,于室温下放置2h,观察不同pH值
55 1期 孙 萍,等:紫玉兰色素超声结合酶法提取工艺及其稳定性研究
的色素提取液的颜色变化并测其吸光度值。
1.3.6.3 NaCl浓度对紫玉兰色素稳定性的影响
取6份紫玉兰提取液各4mL,分别加入76mL
NaCl溶液,使其终浓度分别为5%、10%、15%、
20%、30%,对照组加等量的蒸馏水,于室温下放置
2.5h,期间每隔30min测定一次吸光度值。
1.3.6.4 碳水化合物种类对紫玉兰色素稳定性的
影响
取6份紫玉兰提取液各4mL,分别加入76mL
终浓度为20%蔗糖、淀粉、葡萄糖、乳糖、果糖溶液,
对照组加等量的蒸馏水,于室温下放置2.5h,期间
每隔30min测定一次吸光度值。
1.3.6.5 金属离子对紫玉兰色素稳定性的影响
取8份紫玉兰提取液各1mL,分别加入配制好
的0.0005mol/L的CuSO4、CaCl2、ZnSO4、K2SO4、
FeCl3、MgCl2、AlCl3 溶液19mL,对照组为相应的同
等浓度的金属离子,于室温下放置2h后测其吸光
度值。
2 结果与分析
2.1 最大吸收波长的确定
图1为紫玉兰色素的60%乙醇提取液在紫外
-可见分光光度计上400nm~590nm范围内的吸
光度值。由图1可知,紫玉兰色素在510nm处有最
大吸收值,因此确定其最大吸收波长为510nm。
图1 紫玉兰色素吸光度曲线
2.2 单因素试验结果
2.2.1 酶用量对紫玉兰色素提取效果的影响
不同酶用量对色素的提取效果如图2所示。纤
维素酶用量在2mg/g~4mg/g之间时,吸光值随着
酶用量的增大而增大,当酶用量超过4mg/g时,吸
光值出现略下降的趋势,这可能是由于底物量不足,
浓度不能对酶达到饱和,导致酶的作用受到一定程
度的抑制,造成吸光值减小[12]。因此在本实验中,
选择酶的添加量为4mg/g。
2.2.2 乙醇浓度对紫玉兰色素提取效果的影响
提取液的浓度对紫玉兰色素的影响结果如图3
所示,随着乙醇浓度的增大,色素的吸光值出现先升
高后下降的变化趋势,随着乙醇浓度的升高,吸光值
出现逐渐增大的趋势,当乙醇溶液浓度为60%时吸
光值最大,因此本实验选取60%的乙醇溶液作为提
取剂。
图2 酶用量对紫玉兰色素提取效果的影响
图3 提取液浓度对紫玉兰色素提取效果的影响
2.2.3 酶解时间对紫玉兰色素提取效果的影响
不同的酶解时间对紫玉兰色素提取效果的影响
如图4所示。随着酶解时间的延长,酶与底物充分接
触,吸光值不断增加;当酶解时间大于80min时,吸光
值不再上升并出现下降的趋势,原因可能是紫玉兰色
素不稳定,提取时间过长导致了部分色素的降解。因
此本实验选择80min作为最佳的酶解时间。
图4 酶解时间对紫玉兰色素提取效果的影响
2.2.4 酶解温度对紫玉兰色素提取效果的影响
酶解温度对色素的影响结果如图5所示。在小
于50℃时,吸光值随温度升高而增大,在50℃时达
到纤维素酶的最适反应温度,吸光值最大,超过
50℃后,纤维素酶的活性可能被破坏,从而影响提取
效果,吸光值下降明显,所以在提取紫玉兰色素的时
65 青岛农业大学学报(自然科学版) 31卷
候温度不宜过高。本实验选择50℃作为最佳的酶
解时间。
图5 酶解温度对紫玉兰色素提取效果的影响
2.2.5 超声时间对紫玉兰色素提取效果的影响
超声辅助提取时间对色素提取率的影响如图6
所示。当超声时间为10min时色素的吸光值最大,
对紫玉兰色素辅助提取的效果最明显,时间较短,超
声没有起到相应的效果;时间较长,超声空化效应可
能会破坏部分色素。因此本实验选择10min最为
最佳的超声提取时间。
图6 超声时间对紫玉兰色素提取效果的影响
2.2.6 料液比对紫玉兰色素提取效果的影响
料液比对色素提取率的影响见图7,当料液比
小于1∶15时,吸光值随着提取溶液的增多而增大,
但超过1∶15后吸光值会有所下降,而且造成资源
的浪费,故本实验选择最佳的料液比为1∶15。
图7 料液比对紫玉兰色素提取效果的影响
2.3 紫玉兰色素提取的正交试验
通过对影响紫玉兰色素提取的单因素试验结果
进行分析,确定了酶用量、超声时间、酶解温度、料液
比四个单因素进行正交试验,结果见表2。
经正交试验结果(见表2)极差分析可知,上述
四种因素对紫玉兰色素提取的影响顺序为D>A>
C>B,即料液比>酶用量>酶解温度>超声时间。
由 K 值分析可知,四因素的最优水平组合为
A1B1C2D1,即按酶用量为 4mg/g,超 声 时 间 为
10min,酶解温度为50℃,料液比为1∶15的条件提
取紫玉兰色素。由于最佳组合A1B1C2D1 在表2中
没有给出,所以需要验证试验,经过由A1B1C2D1 方
案所得出的结果,即吸光值为0.645,高于表2中吸
表2 正交试验结果试验号
试验号
因素
酶用量A 超声时间B 酶解温度C 料液比 D
吸光值(A)
1 1(4mg/g) 1(10min) 1(40℃) 1(1∶15) 0.614
2 1 2(15min) 2(50℃) 2(1∶20) 0.552
3 1 3(20min) 3(60℃) 3(1∶25) 0.537
4 2(6mg/g) 1 2 3 0.522
5 2 2 3 1 0.584
6 2 3 1 2 0.496
7 3(8mg/g) 1 3 2 0.540
8 3 2 1 3 0.512
9 3 3 2 1 0.623
K1 1.703 1.676 1.622 1.821 T=4.98
K2 1.602 1.648 1.697 1.588
K3 1.675 1.656 1.661 1.571
k1 0.568 0.559 0.541 0.607
k2 0.534 0.549 0.566 0.529
k3 0.558 0.552 0.554 0.524
R 0.034 0.010 0.025 0.083
75 1期 孙 萍,等:紫玉兰色素超声结合酶法提取工艺及其稳定性研究
光值最大的试验9,所以证明A1B1C2D1 为紫玉兰色
素提取的最佳方案。
2.4 紫玉兰色素的稳定性试验
2.4.1 光照对紫玉兰色素的影响
由图8可知,室外阳光直射对紫玉兰色素的破
坏最大,随着时间的延长吸光值下降很明显;室内自
然光对色素也有一定的破坏性,在1h以后吸光值下
降比较明显。在避光处放置的样品相对比较稳定,
吸光值下降的趋势比较平缓。说明紫玉兰色素对光
不太稳定,在处理时应注意避免阳光照射,尽量在避
光处进行。
图8 光照对色素稳定性的影响
2.4.2 pH值对紫玉兰色素的影响
由表3可知,在pH<7时,紫玉兰色素的红色
相对较深,并且随着pH值的减小,红色有逐渐变深
表3 pH值对紫玉兰色素的影响
pH 1 3 5 7 9 11 13
A510 0.706 0.651 0.619 0.573 0.835 1.199 1.257
颜色 桃红 浅桃红 浅桃红 淡粉色 黄色 黄褐色 黄褐色
的趋势,同时吸光值逐渐变大;在pH=7时,紫玉兰
色素呈浅粉色;当pH>7时,紫玉兰色素的最大吸
收波长由原来的510nm迁移到390nm,色素提取液
的颜色由红色变成了黄色,同时随着pH值的增加,
黄色逐渐变成黄褐色,吸光值也逐渐变大。说明紫
玉兰色素在酸性的条件下相对稳定,而在碱性环境
中发生了明显的颜色变化,色素可能被破坏。
2.4.3 不同浓度的NaCl对紫玉兰色素的影响
从图9可以看出不同浓度的NaCl溶液对紫玉
兰色素的稳定性都是一定的保护作用,吸光值明显
高于对照组,并且在150min内颜色和吸光值基本
没有发生变化。其中以10%的NaCl溶液护色效果
最好,5%的NaCl溶液效果相对较差。由实验结果
可知 NaCl溶液对紫玉兰色素有增色和保护作用,
所以在实际应用中可以用 NaCl进行护色,防止色
素被破坏。
图9 NaCl对紫玉兰色素稳定性的影响
2.4.4 碳水化合物对紫玉兰色素的影响
如图10所示,碳水化合物对紫玉兰色素并没有
不良的影响,吸光值与对照组相比均有增大,其中果
糖的效果最好,并且随着时间的推移,吸光值的下降
速度也相对缓慢,说明碳水化合物对紫玉兰色素有
一定的保护作用。而其中加入淀粉的紫玉兰色素溶
液吸光值与加入其他碳水化合物相比,吸光值上升
很高,可能是由于加入淀粉后溶液变浑浊导致的,而
加入淀粉放置一段时间后吸光值下降迅速可能是由
于淀粉溶解性差,出现沉淀所致。
图10 碳水化合物对紫玉兰色素稳定性的影响
2.4.5 金属离子对紫玉兰色素的影响
由表4可知,加入Al 3+的色素溶液的吸光值明
显大于对照组,并且颜色有明显的加深,说明Al 3+对
紫玉兰色素具有一定的增色和保护作用;加入Zn2+、
Mg2+、K+和Ca2+的色素溶液的吸光值与对照组相比
并没有明显的变化,说明这几种金属离子对紫玉兰色
素的影响不大;加入Fe3+和Cu2+的色素溶液虽然吸
光值是增大的,但是颜色已经由粉红色转变为黄绿色
和淡黄色,说明这两种金属离子对紫玉兰色素有破坏
作用,因此在应用中避免二者的加入。
(下转64页)
85 青岛农业大学学报(自然科学版) 31卷
CODMn为≤3.00mg/L,对农村小型集中式供水和分
散式供水部分耗氧量限值提高到≤5.00mg/L,但以
5.00mg/L为衡量标准,上述农村地区的耗氧量超标
率依然达到39.1%,反映了青岛市农村地区水体有机
物污染状况比较严重,这与近年来青岛市主要城区污
染企业大都外迁到郊区,加剧了农村周边地区饮用水
源被污染的机率和程度有关[1]。有机物含量过高不
仅影响水的饮用品质,有致嗅、致味物,而且易引起消
化道疾病,腐殖质含量高的水样有致癌的风险[7,8]。
在同一区域各个采样点自来水中总硬度、TDS和悬浮
物差异较大,这可能与不同采样点的自来水运输管线
维护程度有关,在水线老化、积垢较多,尤其是管网有
锈蚀时,会导致水中悬浮物和TDS的增加,溶解性铁
会提高水中的总硬度含量。建议对青岛市农村地区
水质监测和水线运输管网的维护,改善水的品质,提
高农村居民的饮水质量。
参考文献:
[1]何红梅.青岛市新农村可持续发展实证研究[D].青岛:中国海洋
大学,2012
[2]明强,高宗军,赵玉祥.青岛市主要供水水源地地下水资源开采
潜力分析[J].地下水,2010,32(1):56-58
[3]中华人民共和国卫生部.国家标准化管理委员会.GB/T5750-
2006生活饮用水标准检验方法[S].北京:中国标准出版社,
2007
[4]郭春华.常用统计软件在生命科学中的应用[M].北京:科学出
版社,2011
[5]中华人民共和国卫生部.国家标准化管理委员会.GB5749-
2006生活饮用水卫生标准[S].北京:中国标准出版社,2007
[6]徐也晴,王生玲,蒲丹,等.新疆农村饮用水水质调查与分析[J].
环境卫生学杂志,2012,2(1):5-8
[7]蔡祖根,丁震.安全饮用水与科学饮水[M].南京:南京大学出版
社,2010
[8]杨克敌.环境卫生学[M].6版.北京:人民卫生出版社,2007
(上接58页)
表4 金属离子对紫玉兰色素稳定性的影响
金属离子 Al 3+ Fe3+ Zn2+ Mg2+ K+ Cu2+ Ca2+ CK
吸光度/A 0.665±0.005 0.875±0.010 0.562±0.003 0.540±0.004 0.531±0.002 0.647±0.004 0.587±0.007 0.560±0.008
颜色 粉红色 黄绿色 淡红色 淡红 淡红 淡黄色 淡红 淡红
3 结 论
(1)超声结合酶法提取紫玉兰色素的最佳条件
为:酶用量为4mg/g,50℃酶解80min,提取溶剂为
60%的乙醇溶液,料液比为1∶15,超声波提取时间
为10min。
(2)紫玉兰色素的稳定性结果表明:紫玉兰色素
对光不稳定,应尽量避免阳光直射。pH 值对色素
稳定性的影响较大,紫玉兰色素适宜在酸性环境中
使用,而在碱性环境中会发生变色,由原来的粉红色
变为黄褐色;NaCl和碳水化合物(蔗糖、果糖、葡萄
糖和乳糖)均对紫玉兰色素有护色作用;金属离子例
如Fe3+对紫玉兰色素的影响较大,色素由粉红色变
为黄绿色,Cu2+也会引起色素发生变色反应,但是
不如Fe3+明显,Al 3+对紫玉兰色素有保护作用。
参考文献:
[1]中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志(30卷1分册)
[M].北京:科学出版社,1996
[2]祁承经.树木学(南方本)[M].北京:中国林业出版社,2004:88
[3]张子明,乔应常.名贵药用观赏树种-紫玉兰[J].河南农林科
技,1982,(6):32-33
[4]张卢水,吴庆贵,胡进耀,等.紫玉兰(Magnolia liliiflora Desr.)
叶绿素荧光特性研究[J].绵阳师范学院学报,2010,29(11):60
-65
[5]陈金法.辛夷及栽培技术[J].中国林副特产,2007,90(5):53-
54
[6]吴万征.辛夷挥发油成分的GC-MS分析[J].中药材,2009,23
(9):538-541
[7]王晓梅,翁俊,张忠山.紫玉兰色素的提取及其稳定性研究[J].
北方园艺,2012(8):43-45
[8]李慧,郑小江,向东山,等.辛夷色素的提取和稳定性研究[J].中
国酿造,2010,(217):130-133
[9]云智勉,杜友珍,佘琼红,等.天然多功能食用色素的研究进展
[J].广东微量元素科学,2006,13(2):12-16
[10]王清滨,陈国良.食品着色剂及其分析方法[M].北京:化学工
业出版社,2004:58-59
[11]凌关庭.食品添加剂手册[M].3版.北京:化学工业出版社,
2003:1006
[12]苏东林,单杨,等.酶法辅助提取柑橘皮总黄酮的工艺优化研究
[J].农业工程学报,2008,24(4):240-245
46 青岛农业大学学报(自然科学版) 31卷