李長(zhǎng)濱，吳迪，張昱航

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

生姜的新鮮根莖可用于烹飪調(diào)味，其根、莖、葉可入藥，有開(kāi)胃健脾、消毒止痛的功效，是藥食同源的典型代表[1]。生姜提取液是生姜中蛋白酶、黃酮、糖蛋白、揮發(fā)油、姜酚等物質(zhì)的總稱，在食品、醫(yī)藥和衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)生姜提取液中的生姜黃酮溶液清除自由基和單線態(tài)氧的效果顯著，提取劑中所含姜辣素和揮發(fā)油等成分能夠阻礙炎性因子的表達(dá)，降低炎性介質(zhì)的酶活，抑制幽門(mén)螺旋桿菌等細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖[2-3]。生姜提取液可有效調(diào)節(jié)脂類成分的代謝，促進(jìn)脂類的分解，起到降脂的作用，還可以提高機(jī)體免疫細(xì)胞活性從而增強(qiáng)免疫力，提高機(jī)體溶菌酶活性從而增強(qiáng)殺菌效果[4-5]。生姜提取液在食品保鮮領(lǐng)域作為一種新興天然保鮮劑[6]，具有較高研究?jī)r(jià)值。

馬鈴薯為茄科茄屬作物，根部變態(tài)生長(zhǎng)膨脹成球。馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)豐富且纖維素含量較高，因此食用后飽腹感較強(qiáng)可作為日常主糧[7]。鮮切馬鈴薯是餐飲業(yè)可直接使用的半成品原料。但馬鈴薯經(jīng)切割后由于呼吸作用和創(chuàng)傷面過(guò)大易造成口感不佳甚至無(wú)法食用[8-9]。

目前在食品防腐領(lǐng)域，化學(xué)型防腐劑和生物型防腐劑是鮮切果蔬保鮮劑的兩個(gè)主要來(lái)源[10]。盡管化學(xué)防腐劑中多種化學(xué)有機(jī)物對(duì)人體健康存在潛在危害，但由于其使用劑量低、防腐期長(zhǎng)、價(jià)格經(jīng)濟(jì)，因而得到廣泛使用[11]。植物提取物以其高效環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害等特點(diǎn)，在果蔬保鮮和品質(zhì)控制等方面具有越來(lái)越高的應(yīng)用價(jià)值和前景[12-13]。

本研究以馬鈴薯為例，探究不同提取條件下的生姜提取液對(duì)鮮切馬鈴薯冷藏過(guò)程中淀粉含量、粗蛋白含量、粗纖維含量的變化，確定生姜提取液的最優(yōu)提取方案并對(duì)馬鈴薯中營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行應(yīng)用研究，為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化加工及運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、銷售過(guò)程中質(zhì)控管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮馬鈴薯、新鮮生姜：市售；鹽酸、硫酸、硼酸、亞鐵氰化鉀（分析純）：天津恒興化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉、氫氧化鉀（分析純）：天津德恩化學(xué)試劑制造有限公司；乙醇（分析純）：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；醋酸鋅（分析純）：無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司；甲基紅指示劑、溴甲酚綠指示劑（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平（BAS224S）：德國(guó)Sartorius公司；石墨消解儀（SH220N）、半自動(dòng)凱氏定氮儀（K9840）：上海Hanon儀器科技有限公司；旋光儀（SGW-2）：上海儀電物光科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

生姜洗凈晾至微干，于烘箱45℃烘干，磨粉。稱取生姜粉經(jīng)乙醇溶液超聲輔助提取，過(guò)濾，旋蒸分離乙醇后用蒸餾水配制成750 mL的生姜提取液[14]。

馬鈴薯洗凈切片，于（25±2）℃條件下浸泡在生姜提取液中30 min。取出瀝干后密封，于4℃冰箱中保存。將冷藏存放的樣品，烘干磨粉后進(jìn)行相關(guān)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)1.3.1試驗(yàn)方法，考察超聲功率、超聲時(shí)間、提取劑濃度和料液比對(duì)鮮切馬鈴薯中粗蛋白、淀粉和粗纖維含量的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，各因素的考察范圍分別為提取劑濃度60%、70%、80%；料液比1∶10.0、1∶15.0、1∶20.0（g/mL）；超聲功率 350、450、550 W；超聲時(shí)間5.0、10.0、15.0 min。具體方案如表1所示。

表1 生姜提取液配制方案Table 1 Ginger extract configuration scheme

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照單因素試驗(yàn)結(jié)果，選用L9（34）正交表設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平如表2所示。將粗蛋白含量、淀粉含量、粗纖維含量的保留率（指經(jīng)處理后的組分含量占未經(jīng)處理樣品組分含量的比值）分別計(jì)為100分，總分300分，以綜合評(píng)分作為正交試驗(yàn)評(píng)定的指標(biāo)[15-16]。

表2 生姜提取液優(yōu)化因素水平Table 2 Level table of ginger extract optimization factors

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Origin 2018軟件制圖，用IBM SPSS分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲時(shí)間對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)成分的影響

超聲時(shí)間對(duì)粗蛋白、淀粉和粗纖維含量的影響見(jiàn)圖1。

由圖1可知，超聲時(shí)間為10.0 min時(shí)得到的提取劑對(duì)馬鈴薯中的粗蛋白含量影響較小，但卻使馬鈴薯中淀粉和粗纖維含量下降較多；超聲時(shí)間達(dá)到15.0 min時(shí)，提取劑對(duì)馬鈴薯中淀粉和粗纖維含量影響較小?？赡茉蚴浅晻r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，提取劑提取出更多的有效組分，從而抑制了淀粉和粗纖維的減少，蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)被破壞從而導(dǎo)致粗蛋白含量降低[15]。綜合考慮正交試驗(yàn)選擇超聲時(shí)間10.0 min～15.0 min范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 超聲時(shí)間對(duì)粗蛋白、淀粉和粗纖維含量的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on crude protein，starch and crude fiber

2.1.2 料液比對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)成分的影響

料液比對(duì)粗蛋白、淀粉和粗纖維含量的影響見(jiàn)圖2。

圖2 料液比對(duì)粗蛋白、淀粉和粗纖維含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on crude protein，starch and crude fiber

由圖2可知，當(dāng)料液比為1∶20.0（g/mL）時(shí)，提取劑對(duì)馬鈴薯切片粗蛋白和粗纖維含量影響較小。料液比為1∶10.0（g/mL）時(shí)，提取劑對(duì)馬鈴薯中粗纖維含量影響較小，而對(duì)粗蛋白和淀粉含量影響較大。根據(jù)傳質(zhì)規(guī)律，料液比影響生姜和乙醇溶液之間的濃度差，隨著溶劑體積增大，生姜中的蛋白和纖維細(xì)胞得以充分的溶脹，蛋白和纖維被更多地提取出來(lái)。溶劑體積過(guò)大造成提取飽和，進(jìn)而造成乙醇的浪費(fèi)。若溶劑含量較少，造成傳質(zhì)速率較小，不能充分提取溶質(zhì)的有效成分，造成生姜粉的浪費(fèi)[16]。綜合考慮，正交試驗(yàn)選擇料液比 1∶15.0（g/mL）～1∶20.0（g/mL）進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.3 提取劑濃度對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)成分的影響

提取劑濃度對(duì)粗蛋白、淀粉和粗纖維含量的影響見(jiàn)圖3。

圖3 提取劑濃度對(duì)粗蛋白、淀粉、粗纖維、含量的影響Fig.3 Effect of extraction concentration on crude protein，starch and crude fiber

由圖3可知，當(dāng)提取劑濃度為60%和80%時(shí)，提取劑對(duì)馬鈴薯中的粗纖維含量影響較小，卻更容易引起粗蛋白和淀粉含量的降低，所以在實(shí)際保鮮過(guò)程中要減少蛋白和淀粉損失，優(yōu)先選擇濃度為70%的乙醇溶液作提取劑；如果更側(cè)重于粗纖維含量的保持，就需要優(yōu)先考慮60%的乙醇溶液作提取劑。可能原因是生姜提取物有一定的溶劑飽和度，當(dāng)溶劑濃度過(guò)高會(huì)抑制生姜中有效成分的提取[17]。綜合考慮，正交試驗(yàn)選擇60%～70%提取劑濃度進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.4 超聲功率對(duì)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)成分的影響

超聲功率對(duì)粗蛋白、淀粉、粗纖維含量的影響見(jiàn)圖4。

圖4 超聲功率對(duì)粗蛋白、淀粉、粗纖維含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on crude protein，starch and crude fiber

由圖4可知，超聲功率為350 W時(shí)，提取液對(duì)馬鈴薯中的粗蛋白含量影響較小而對(duì)淀粉含量和粗纖維含量影響較大。超聲功率為450 W時(shí)，提取液對(duì)淀粉含量影響較小。超聲功率為550 W時(shí)，提取液能更好地保持粗蛋白含量不受損失。生姜中的有效成分多為姜酚、姜酮，富含羰基和羥基，是對(duì)熱不穩(wěn)定的有機(jī)化合物，在50℃的超聲輔助提取時(shí)，個(gè)別基團(tuán)會(huì)斷裂[18]。因此，超聲功率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致生姜中的有效成分改變?cè)斐稍薪Y(jié)構(gòu)活性喪失，超聲功率過(guò)低則導(dǎo)致生姜中有效物質(zhì)提取不完全，綜合考慮選擇450 W～550 W進(jìn)行正交優(yōu)化。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)采用綜合分析法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)定，以綜合評(píng)分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 生姜提取優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of the optimization scheme and test results of ginger extraction

續(xù)表3 生姜提取優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果分析Continue table 3 Analysis of the optimization scheme and test results of ginger extraction

由表3可知，本試驗(yàn)探究的4個(gè)影響生姜提取物保鮮效果的因素中對(duì)馬鈴薯的3個(gè)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)綜合評(píng)分，影響主次順序?yàn)榱弦罕?提取劑濃度>超聲功率>超聲時(shí)間。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，得出生姜提取物最佳制備方案為 C3D2M2N1，即料液比 1∶15.0（g/mL），提取劑濃度65%，超聲功率500 W，超聲時(shí)間15.0 min。此時(shí)綜合評(píng)分為292.5分，高于正交試驗(yàn)組合中的任一組。因此確定最優(yōu)方方案為料液比1∶15.0（g/mL），提取劑濃度65%，超聲功率500 W，超聲時(shí)間15.0 min。

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)影響生姜提取液的提取劑濃度、料液比、超聲功率、超聲時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，探究生姜提取液對(duì)鮮切馬鈴薯的粗蛋白含量、淀粉含量和粗纖維含量等指標(biāo)的影響。通過(guò)連續(xù)測(cè)定鮮切馬鈴薯各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，生姜提取液處理過(guò)的鮮切馬鈴薯貯藏5 d之內(nèi)3種指標(biāo)含量基本都保持在80%以上。正交試驗(yàn)表明：影響馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)因素順序?yàn)榱弦罕?提取劑濃度>超聲功率>超聲時(shí)間，在料液比1∶15.0（g/mL），65%乙醇作提取劑，超聲功率 500 W，超聲時(shí)間15.0 min條件下得到的提取劑對(duì)馬鈴薯的保鮮效果最好。本研究得到的生姜提取液可最大程度減緩粗蛋白含量和粗纖維含量損失，延緩淀粉含量變化，對(duì)鮮切馬鈴薯起保鮮作用。生姜提取物中主要包括姜辣素、姜黃素、二苯基庚烷、姜酚等幾十種有效成分。姜辣素和二苯基庚烷主要通過(guò)改變微生物細(xì)胞膜以及細(xì)胞壁通透性，干擾細(xì)胞內(nèi)酶的活性，破壞細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，殺滅食品中的微生物，進(jìn)而延緩食品營(yíng)養(yǎng)成分流失和變質(zhì)；姜黃素通過(guò)調(diào)節(jié)吞噬細(xì)胞的活動(dòng)性，抑制大腸桿菌、玫瑰毛蘚菌、紅色毛蘚菌等菌類的繁殖和生長(zhǎng)從而達(dá)到抑菌保鮮的效果[21-22]。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)分離生姜中有效活性物質(zhì)以及生姜與其他保鮮劑的復(fù)配具有重要的指導(dǎo)意義。