于博+張瑤+吳進(jìn)菊+余海忠+劉松

摘要：采用超低溫凍融聯(lián)合超聲技術(shù)提取生姜中的姜辣素，分析乙醇體積分?jǐn)?shù)、凍融次數(shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度對姜辣素提取率的影響，利用響應(yīng)面法優(yōu)化超低溫凍融聯(lián)合超聲技術(shù)提取姜辣素工藝。結(jié)果表明，姜辣素最佳提取工藝條件是60%乙醇為提取劑，凍融2次，料液比為1 g ∶ 15 mL，47 ℃超聲40 min，該條件下姜辣素的提取率為298%，與模擬預(yù)測值3.05%較為接近。

關(guān)鍵詞：超低溫凍融；超聲；提??；生姜；姜辣素；提取率

中圖分類號： TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）20-0206-03

姜是姜科姜屬多年生藥食同源草本植物，在傳統(tǒng)食品中主要用于香辛調(diào)味料[1]。我國生姜資源豐富，是世界上生姜的主要種植地域，年出口量約占世界生姜總出口量的40%。但是，我國生姜的深加工和綜合利用水平較低，產(chǎn)品主要以鮮姜、干姜、姜粉為主[2]，加工附加值相對較低，產(chǎn)業(yè)鏈亟需拓展。

姜辣素是生姜特征風(fēng)味的主要呈味物質(zhì)，是一種具有優(yōu)良特性的天然食品添加劑，具有抗氧化、著色、呈味等多重效果，可廣泛應(yīng)用于食品、藥品、調(diào)味品、化妝品等領(lǐng)域?，F(xiàn)代科學(xué)研究表明，姜辣素是生姜中重要的功能因子，具有抗菌、抗病毒、抗氧化、清除自由基、治療糖尿病及代謝綜合征、治療腸道疾病、抗風(fēng)濕、抗動脈粥樣硬化等功效[3-6]，主要采用溶劑法提取[7-8]，常用的溶劑包括乙醇、丙酮等，但提取效率相對較低。超聲或微波輔助提取技術(shù)是近幾年研究的熱點(diǎn)[9-12]，提取效率優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑提取，但姜辣素的穩(wěn)定性較差，尤其在溶劑提取或受熱時(shí)下降明顯。低溫凍融是一種溫和的樣品預(yù)處理方式，可有效避免高溫對功能性熱敏因子的破壞，目前已用于植物多糖、色素、酶等提取中[13-15]。本研究采用超低溫凍融預(yù)處理技術(shù)，旨在通過反復(fù)凍融的重結(jié)晶作用，機(jī)械破壞生姜顆粒細(xì)胞結(jié)構(gòu)，輔以超聲溶劑的萃取，以期提高姜辣素的溶出效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

生姜，購自湖北省襄陽市農(nóng)貿(mào)市場。無水乙醇、95%乙醇、香草醛及其他試劑，均為國產(chǎn)分析純。

1.2 試驗(yàn)儀器

GZX-9030MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠生產(chǎn)；LD-Y300A型高速萬能粉碎機(jī)，上海頂帥電器有限公司生產(chǎn)；AR2130電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司生產(chǎn)；FORMA-86C ULT冰箱，美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)；D37520小型高速離心機(jī)，GERMANY公司生產(chǎn)；KQ-500E型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)；UV-1800PC紫外/可見分光光度計(jì)，上海美普達(dá)儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 姜辣素提取流程與含量測定[8] 生姜清洗、切片，60 ℃ 烘干；粉碎，過140目篩；準(zhǔn)確稱取姜粉0.050 0 g，加水凍融，加醇超聲提??；離心，取上清液，過濾；準(zhǔn)確吸取200 μL樣品供試液置于10 mL容量瓶中，用95%乙醇（體積分?jǐn)?shù)，下同）稀釋取樣定容，搖勻；以95%乙醇為空白，用1 cm比色皿測量波長為 280 nm 處的吸光度；采用紫外分光光度計(jì)法，通過香草醛標(biāo)準(zhǔn)曲線來計(jì)算姜辣素含量，公式為：

式中：2.003為香草醛換算姜辣素的系數(shù)；C為吸光度在標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程中的香草醛質(zhì)量濃度，μg/mL；V0為樣品提取液總體積，mL；V1為測定樣品液總體積，mL；V2為測定時(shí)吸取的樣品供試液體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g；106為將克換算成微克時(shí)的換算倍數(shù)。

1.3.3 單因素試驗(yàn) 姜辣素提取與含量測定條件除某個(gè)單因素發(fā)生變化外，其他提取條件不變。單因素不同提取條件有：乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為30%、40%、50%、60%、70%、80%；料液比分別為1 ∶ 10、1 ∶ 15、1 ∶ 20、1 ∶ 25、1 ∶ 30（g ∶ mL）；超低溫凍融次數(shù)分別為0、1、2、3、4、5、6、7次；超聲時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60 min；超聲溫度分別為30、40、50、60、70、80 ℃。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert 8.05軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，分析乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度4個(gè)因素及其交互作用對姜辣素提取率的影響，優(yōu)化姜辣素提取工藝條件，因素水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對姜辣素提取率的影響

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù) 由圖1可見，隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢，乙醇體積分?jǐn)?shù)為30%～50%時(shí)，姜辣素提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%～80%時(shí)，姜辣素提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而明顯下降；乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，姜辣素的提取率達(dá)到最大值。因此，確定姜辣素提取最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%。

2.1.2 料液比 由圖2可見，隨溶劑量的增加，姜辣素提取率呈先上后降趨勢；料液比為1 g ∶ 15 mL～1 g ∶ 30 mL時(shí)，姜辣素提取率處于較高水平，從節(jié)約試劑和姜辣素提取效果考慮，選擇適合的料液比為1 g ∶ 20 mL。

2.1.3 凍融次數(shù) 由圖3可見，隨凍融次數(shù)的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢；凍融次數(shù)為0～2次時(shí)，姜辣素的提取率隨凍融次數(shù)的增加而增加，凍融次數(shù)大于2次，姜辣素的提取率隨凍融次數(shù)的增加而減少，這可能是由于凍融過程會發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象而使體積膨脹，從而對姜粉顆粒的細(xì)胞壁造成破壞，細(xì)胞內(nèi)有效成分溶出，但當(dāng)凍融次數(shù)過量時(shí)，這種體積膨脹效應(yīng)也會對姜辣素造成破壞，使姜辣素的提取率降低；凍融次數(shù)為2次時(shí)，姜辣素的提取率相對最高，故姜辣素提取最適凍融次數(shù)為2次。

2.1.4 超聲時(shí)間 由圖4可見，隨超聲時(shí)間的增加，姜辣素的提取率呈先升后降趨勢；超聲時(shí)間為40 min時(shí)，姜辣素的提取率達(dá)到最大值，這可能是適度超聲時(shí)間，超聲波對姜粉的作用越充分，但當(dāng)超聲波處理時(shí)間過長時(shí)，局部過熱可能會導(dǎo)致姜辣素被破壞。因此，確定姜辣素提取最適超聲時(shí)間為40 min。endprint

2.1.5 超聲溫度 由圖5可見，隨超聲溫度的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢；超聲溫度為60 ℃時(shí)，姜辣素的提取率相對最高，這可能是由于溫度升高，促進(jìn)了溶劑分子和姜辣素分子之間的擴(kuò)散作用，兩者間的接觸面積擴(kuò)大，從而提高了姜辣素的提取率，但當(dāng)溫度過高時(shí)，溶劑揮發(fā)加快，溶劑量減少，同時(shí)高溫使部分姜辣素被分解破壞，從而導(dǎo)致姜辣素的提取率下降。因此，姜辣素提取的適宜超聲溫度為60 ℃。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化姜辣素提取工藝

根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 8.05軟件得到姜辣素提取率相對應(yīng)于乙醇濃度、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度這4個(gè)因素的二次多項(xiàng)回歸模型為：

Y=2.20+0.13A-0.45B+0.005C-0.057D-0.17AB+0.13AC-0.080AD-0.080BC+0.015BD+0.000CD-0.052A2+0.028B2-0.11C2-0.23D2。

對該模型進(jìn)行回歸方差分析及回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。由表3可見，模型的一次項(xiàng)A、B、D極顯著，C不顯著；二次項(xiàng)C2、D2極顯著，A2顯著；交互項(xiàng)AB、AC、AD、BC極顯著，BD、CD不顯著，各種影響因素對姜辣素提取率的影響不是簡單的線性關(guān)系；影響姜辣素提取的因素主次順序?yàn)榱弦罕?乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲溫度>超聲時(shí)間；失擬項(xiàng)P值為 0.791 9，不顯著，R2為0.993 8，說明模型擬合程度良好，可用此模型來分析和預(yù)測姜辣素的提取率。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化出姜辣素提取的最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、料液比1 g ∶ 15 mL、超聲時(shí)間40 min、超聲溫度46.75 ℃，此時(shí)提取率響應(yīng)值為3.05%。為驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果，在優(yōu)化條件下試驗(yàn)重復(fù)3次，考慮到溫度控制，將溫度確定為47 ℃，得到姜辣素的平均提取率為2.98%，與理論值較為接近，因此，基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化工藝條件準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

張魯明等采用乙醇提取姜辣素的工藝條件下對姜辣素的提取率為1.61%[16]，陳莉華等采用微波輔助乙醇提取姜辣素的條件下對姜辣素的提取率為1.76%[17]，而本研究在考察乙醇體積分?jǐn)?shù)、凍融次數(shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度等單因素對姜辣素提取率的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，明確影響姜辣素提取的主次因素順序?yàn)榱弦罕?乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲溫度>超聲時(shí)間，響應(yīng)曲面優(yōu)化后的姜辣素提取工藝條件為料液比 1 g ∶ 15 mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、超聲溫度47 ℃、超聲時(shí)間40 min，姜辣素的提取率為2.98%，與預(yù)測值3.05%接近，采用超低溫凍融聯(lián)合超聲技術(shù)明顯提升了姜辣素的提取率。

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