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(1.萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物教研室,山東 萊蕪 271199;2.山東省康福德實(shí)業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271100)

1 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

我國(guó)生姜栽培面積大、生產(chǎn)總量多。我國(guó)生姜出口產(chǎn)品主要以保鮮姜為主，由于生姜易腐爛變質(zhì)、不易儲(chǔ)存,造成了生姜資源的極大浪費(fèi)。因此對(duì)生姜進(jìn)行精深加工,提高其利用附加值,具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。 姜油樹(shù)脂為生姜中提取的含有姜精油與姜辣素的混合物，姜的香氣取決于姜精油，其特征性辛辣風(fēng)味主要來(lái)自于姜辣素[1,2]。研究表明姜油樹(shù)脂具有抗氧化、抑菌、調(diào)節(jié)血脂、預(yù)防血栓形成和抗動(dòng)脈粥樣硬化等作用[3-7]，因此，將生姜油樹(shù)脂等附加值高的產(chǎn)品作為開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)以生姜油樹(shù)脂為原料的生姜終端消費(fèi)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。

本研究通過(guò)技術(shù)研發(fā)、技術(shù)集成，將生姜油樹(shù)脂提取、轉(zhuǎn)化核心技術(shù)進(jìn)行熟化和集成，形成高效標(biāo)準(zhǔn)化生姜油樹(shù)脂提取技術(shù)規(guī)程，以期提高生姜精加工產(chǎn)品的水平和技術(shù)含量，增加生姜的附加值，加大生姜產(chǎn)業(yè)精深加工產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)力度。

2 技術(shù)研究和集成方法

姜油樹(shù)脂的提取方式主要有超臨界CO2萃取和溶劑萃取[8,9]。亞臨界流體萃取是以亞臨界狀態(tài)的流體為溶媒，從天然產(chǎn)物中提取目標(biāo)組分的一種新型萃取分離技術(shù)[10,11]，已在特種植物油、色素、中藥、羊毛脂、植物精油和動(dòng)物油(如魚(yú)油)等的提取中廣泛應(yīng)用[12-17]，與超臨界流體萃取法相比，亞臨界流體萃取過(guò)程中所需溫度及壓力的條件較為溫和，不會(huì)對(duì)物料中的熱敏性成分造成損害，成本更低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[18,19]。微波真空干燥是隨著微波干燥技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的組合干燥技術(shù)，它可以在較低的溫度下對(duì)物料進(jìn)行干燥，較好地保持物料的營(yíng)養(yǎng)成分及改善產(chǎn)品的干燥品質(zhì)，克服常規(guī)熱風(fēng)干燥時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，并能提高生產(chǎn)效率，明顯減少能耗,較好地保留食品的色澤、香氣、風(fēng)味、熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分，具有生物活性成分，最終得到較好的干燥品質(zhì)[20-22]。

本研究以萊蕪生姜為原料，采用微波真空干燥、亞臨界流體丁烷低溫萃取技術(shù)和超臨界流體二氧化碳液液精制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生姜油樹(shù)脂的精制生產(chǎn)，達(dá)到干姜收率20%，生姜油樹(shù)脂萃取率97%以上，溶劑殘留達(dá)到未檢出水平。技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)Fig.1 Technical route

3 主要技術(shù)成果

3.1 微波真空干燥制備干姜

3.1.1 微波真空干燥制備干姜的工藝流程

鮮姜原料→清洗→切片→微波真空干燥→包裝。將鮮老姜洗凈，去除霉?fàn)€部分，切片后置于微波真空干燥箱，姜片厚度大約在3～5 mm左右，調(diào)節(jié)溫控于干燥室溫度50 ℃，真空度保持在0.075 MPa，微波干燥頻率(2450±50) MHz進(jìn)行干燥。

在取樣前將稱(chēng)量皿烘干，置于干燥器中冷卻至室溫，稱(chēng)重(W0)。取樣，蓋上皿蓋，稱(chēng)重(W1)。將取樣后的稱(chēng)量皿開(kāi)蓋置于已調(diào)節(jié)到60 ℃的烘箱內(nèi)，常壓烘制一定時(shí)間，然后取出稱(chēng)量皿，在干燥器內(nèi)冷卻到室溫以后再稱(chēng)重，直到干燥至恒重(W2)。烘干前后的重量差即為水分含量。

姜粉水分含量(%)=(W1-W2)/(W1-W0)×100。

式中：W0為稱(chēng)量皿重(g)；W1為濕樣品及稱(chēng)量皿重(g)；W2為干樣品及稱(chēng)量皿重(g)。

3.1.2 結(jié)果與分析

圖2 干燥時(shí)間與含水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between drying timeand water content

由圖2可知，微波真空干燥過(guò)程中，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，干姜的水分含量呈逐漸遞減的趨勢(shì)。干燥8 min后，水分含量達(dá)到安全水分13%以下，但隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，表面和表層水分蒸發(fā)后，組織細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水分去除阻力較大，熱阻層增厚，衰減速度放緩。干燥超過(guò)16 min后，水分含量變化不再明顯。其原因可能是在干燥初期，鮮姜表面的水分在交變高頻電場(chǎng)的作用下，在負(fù)壓空間的水分快速蒸發(fā)，水分衰減較快，根據(jù)工藝要求，綜合考慮，選擇鮮姜微波真空干燥8 min。在此條件下, 干姜片的含水量在12.1%，干姜收率達(dá)到20%以上,鮮姜的風(fēng)味和辣度品質(zhì)較佳。

3.2 亞臨界流體丁烷提取生姜油樹(shù)脂

3.2.1 試驗(yàn)方法

取適量的姜粉放入亞臨界裝置的萃取釜中，選用丁烷為亞臨界萃取劑進(jìn)行萃取，得到姜油樹(shù)脂。

2016年3月，全球四大會(huì)計(jì)事務(wù)所之一的德勤（Deloitte& Touche）與Kira Systems合作將人工智能引入財(cái)稅審計(jì)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了德勤財(cái)務(wù)機(jī)器人“小勤人”。財(cái)務(wù)機(jī)器人的問(wèn)世憑借快速閱讀繁雜的基礎(chǔ)文件、攫取關(guān)鍵信息、快速響應(yīng)、低差錯(cuò)率、全年24小時(shí)不間斷工作等優(yōu)勢(shì)，震撼全球財(cái)會(huì)領(lǐng)域，多家大型企業(yè)紛紛采購(gòu)財(cái)務(wù)機(jī)器人，讓財(cái)會(huì)人員感受到了前所未有的重大危機(jī)。會(huì)計(jì)學(xué)本科教育是培養(yǎng)財(cái)會(huì)人員最重要的途徑之一，如何在人工智能背景下對(duì)現(xiàn)有會(huì)計(jì)學(xué)本科生培養(yǎng)模式進(jìn)行調(diào)整以順應(yīng)時(shí)代變換，是高校財(cái)會(huì)領(lǐng)域教師值得深思的問(wèn)題。

單因素試驗(yàn)：試驗(yàn)因素為壓力、溫度和時(shí)間。壓力范圍為0.25～0.45 MPa，溫度范圍為30～50 ℃，萃取時(shí)間分別為20,30,40,50,60 min。

正交試驗(yàn)：根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以萃取率作為質(zhì)量指標(biāo)，以壓力、溫度和時(shí)間進(jìn)行三因素五水平正交試驗(yàn)。

3.2.2 結(jié)果與分析

3.2.2.1 萃取壓力對(duì)萃取率的影響

根據(jù)亞臨界萃取的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，稱(chēng)取適量姜粉，在40 ℃ 的條件下，以亞臨界丁烷為萃取溶劑，壓力分別為0.25,0.3,0.35,0.4 MPa，萃取40 min，測(cè)定萃取率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 萃取壓力對(duì)萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction pressure on ginger oleoresin extraction rate

由圖3可知，萃取壓力在0.25～0.40 MPa之間，萃取率隨著萃取壓力的增大而增大，當(dāng)萃取壓力為0.4 MPa時(shí)，萃取率可達(dá)97.2%，繼續(xù)提高壓力，萃取率上升不顯著，達(dá)到97%以上的平穩(wěn)狀態(tài)，這是由于壓力升高， 溶質(zhì)分子內(nèi)的相互作用增加，溶解度增大，故萃取率增大。當(dāng)壓力很高時(shí)，溶劑的黏度隨之增大，阻止分子的擴(kuò)散，致使萃取率增加不明顯。因此，本研究選用0.4 MPa的萃取壓力。

3.2.2.2 萃取溫度對(duì)萃取率的影響

圖4 萃取溫度對(duì)萃取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on ginger oleoresin extraction rate

由圖4可知，在萃取壓力和萃取時(shí)間恒定的條件下，隨著反應(yīng)溫度的提高, 萃取率呈上升趨勢(shì)；萃取溫度在30～40 ℃時(shí)，姜油樹(shù)脂的萃取率升高較快；當(dāng)萃取溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，萃取率上升趨勢(shì)趨于平緩。其原因是溫度影響分子熱運(yùn)動(dòng)、密度、蒸氣壓、溶解度等，溫度升高，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)增大，利于姜油樹(shù)脂的浸出，提高萃取率；但溫度過(guò)高，萃取溶劑密度降低，影響萃取效率[23]，溫度升高，不利于產(chǎn)品生物活性的保留，能耗增加。因此，萃取溫度選擇40 ℃，此時(shí)萃取率達(dá)到97%以上。

3.2.2.3 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響

在萃取壓力為0.4 MPa和萃取溫度為45 ℃的條件下，分別萃取20,30,40,50,60 min，測(cè)定萃取率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響Fig.5 Effect of extraction time on ginger oleoresin extraction rate

由圖5可知，姜油樹(shù)脂的萃取率隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)萃取時(shí)間達(dá)到40 min時(shí)，萃取率達(dá)到97.2%，此后，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，由于萃取罐內(nèi)油脂溶解度趨于飽和，增加較緩慢, 趨于平緩，說(shuō)明萃取反應(yīng)已基本完成, 考慮到企業(yè)成本問(wèn)題，初步確定最佳萃取時(shí)間為40 min，此時(shí)生姜油樹(shù)脂的萃取率為97%以上。

3.2.2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素基礎(chǔ)上,對(duì)壓力、溫度、時(shí)間這3個(gè)因素選取以下水平進(jìn)行三因素五水平正交試驗(yàn)，以萃取率作為質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 亞臨界流體丁烷萃取姜油樹(shù)脂正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Orthogonal test resultes of extraction of ginger oleoresin by subcritical fluid butane

由表1可知，影響姜油樹(shù)脂萃取率的各因素主次順序?yàn)椋簻囟?時(shí)間>壓力。亞臨界流體丁烷提取生姜油樹(shù)脂的最佳水平為：A5B5C5，但考慮企業(yè)成本，萃取率達(dá)到97%即可，驗(yàn)證方案A4B3C3的萃取率達(dá)到97.2%，符合要求，即A4B3C3為最佳方案：萃取壓力0.40 MPa、萃取溫度40 ℃、萃取時(shí)間40 min。即以丁烷為亞臨界流體的萃取操作，生姜原料的萃取操作參數(shù)為：萃取壓力0.40 MPa、萃取溫度40 ℃、萃取時(shí)間40 min，可以實(shí)現(xiàn)生姜樹(shù)脂的提取率達(dá)到97%以上。

表2 亞臨界流體丁烷萃取姜油樹(shù)脂正交試驗(yàn)方差分析Table 2 Orthogonal analysis of variance for subcritical fluid butane extraction of ginger oleoresin

注：F0.05(4，113)=2.45，F(xiàn)0.01(4，113)=3.48，“*”表示差異顯著，“**”表示差異極顯著。

由表2可知，壓力、溫度、時(shí)間對(duì)萃取率都有顯著影響。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制壓力、溫度、時(shí)間是非常有必要的。

3.3 超臨界流體二氧化碳萃取精制亞臨界流體丁烷萃取的姜油樹(shù)脂

3.3.1 試驗(yàn)方法

以生姜油樹(shù)脂為原料，加入超臨界的萃取釜中。45 ℃下萃取精制120 min，二氧化碳的循環(huán)流量為12～18 L/min，壓力范圍為12～20 MPa，以姜辣素含量作為質(zhì)量指標(biāo)，就壓力、循環(huán)流量進(jìn)行二因素五水平正交試驗(yàn)。

3.3.2 結(jié)果與分析

對(duì)壓力、二氧化碳的循環(huán)流量這2個(gè)因素選取以下水平進(jìn)行二因素五水平正交試驗(yàn)，以姜辣素含量作為質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 超臨界流體萃取姜油樹(shù)脂正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of supercritical fluid extraction of ginger oleoresin

續(xù) 表

由表3可知，第13，14，15，18，19，20，23，24，25號(hào)試驗(yàn)姜辣素含量達(dá)到29%以上，最后分析計(jì)算結(jié)果，極差越大的因素重要程度越高，因此各因素主次順序?yàn)椋簤毫?循環(huán)流量。二因素五水平試驗(yàn)共有上述25種方案，從成本考慮，13號(hào)試驗(yàn)符合要求，即壓力16 MPa，循環(huán)流量18 L/min。

超臨界流體二氧化碳萃取精制亞臨界流體丁烷萃取的姜油樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)了姜油樹(shù)脂的分離純化，在萃取釜壓力16 MPa、溫度45 ℃條件下，萃取120 min，姜辣素含量由25.3%提高到29%以上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溶劑殘留未檢出的安全品質(zhì)。

4 結(jié)論

本研究創(chuàng)造性地將微波真空干燥、亞臨界流體丁烷低溫萃取技術(shù)和超臨界流體二氧化碳液液精制技術(shù)集成，探索出了生姜油樹(shù)脂提取的最佳工藝路線(xiàn)及工藝參數(shù)。微波真空干燥干姜的最佳工藝條件為：干燥頻率(2450±50) MHz，干燥時(shí)間8 min；亞臨界流體丁烷萃取最佳工藝條件為：萃取壓力0.40 MPa，萃取溫度40 ℃，萃取時(shí)間40 min；超臨界流體二氧化碳萃取最佳工藝條件為：萃取壓力16 MPa,萃取溫度45 ℃，二氧化碳的循環(huán)流量達(dá)到18 L/min，操作周期120 min。在此條件下，干姜片的含水量為12.1%，干姜收率達(dá)到20%以上，生姜油樹(shù)脂萃取率達(dá)97%以上，溶劑殘留達(dá)到未檢出水平。