基于響應面法的姜辣素提取工藝優化研究

李楠 李雅萍

（運城學院生命科學系，山西運城044000）

基于響應面法的姜辣素提取工藝優化研究

李楠*李雅萍

（運城學院生命科學系，山西運城044000）

姜（Zingiberofficinale Roscoe）是多年生姜科姜屬草本植物，其根莖是一種重要的調味品，也是我國傳統的藥食同源植物。姜辣素是使姜呈現辣味的主要物質，主要包括姜酚類、姜烯酚類、姜酮、姜二酮、姜二醇等。有研究表明，姜辣素具有抗氧化、抑菌、抗炎、抗腫瘤、降低膽固醇等作用。目前提取生姜中姜辣素的方法主要有蒸餾法、溶劑浸提法、壓榨法、超聲波法和超臨界CO2萃取法。其中，超聲波提取技術具有提取速度快、選擇性好、操作方便及有利于活性成分的保留等特點。響應面法（RSM）是一種應用較廣的試驗設計方法，適宜于解決非線性數據處理的相關問題，試驗結果能給出直觀的圖形，有利于快速確定多因子系統的最優條件。

目前，利用響應面法優化超聲波輔助提取生姜中姜辣素的報道并不多見。因此，本研究采用超聲波輔助提取生姜中的姜辣素，選用乙醇為提取溶劑，以乙醇體積濃度、液料比和提取時間作為影響因子，姜辣素得率為響應值，利用響應面試驗優化提取工藝條件，以期為姜辣素的工業化提取與開發提供一定的理論與實踐參考。

1 材料與方法

1.1 原料及試劑

生姜，市售，洗凈后切成5 mm的薄片，60℃條件下干燥，再經中藥粉碎機粉碎后過60目篩，備用。

香草醛標準品，天津市耀華化工廠公司；無水乙醇，市售，分析純。

1.2 儀器及設備

UV-6紫外-可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；FA1604電子天平，上海舜宇恒平科學儀器公司；KQ-500DE數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 標準曲線的繪制

參照孔繁東、李鳳華等的方法，以香草醛作為標準對照。分別配制質量濃度為2 μg/mL、4 μg/mL、6 μg/mL、8 μg/mL、10 μg/mL、12 μg/mL的香草醛乙醇溶液。以無水乙醇為參比，在280 nm處測定吸光度值。利用線性回歸方程得到標準曲線方程為y= 0.0501x＋0.0153，相關系數R2=0.9955，在香草醛質量濃度0 μg/mL～12 μg/mL范圍內，線性關系良好。

圖1 香草醛標準曲線

1.3.2 姜辣素的超聲波提取

準確稱取生姜粉1.00 g，倒入錐形瓶中，按一定液料比加入不同體積濃度的乙醇，在超聲波功率200 W、溫度40℃條件下浸提一定時間，將提取液抽濾后移入50 mL容量瓶中定容，得樣品液。

1.3.3 姜辣素含量的測定

參照楊小敏等的方法，并稍作修改。精確吸取樣品液0.2 mL于10 mL容量瓶中，用無水乙醇定容。在280 nm波長處，以無水乙醇為空白測定吸光度。通過標準曲線及下列公式可求得姜辣素得率。

式中：Y——姜辣素得率，mg/g；

M——生姜粉質量，g；

2.001 ——香草醛換算成姜辣素系數；

C——根據標準曲線得出的樣品液中香草醛質量濃度，μg/mL；

N——稀釋倍數；

V0——樣品液總體積，mL。

1.3.4 單因素試驗

通過改變乙醇體積濃度、液料比、提取時間來探討超聲波輔助提取生姜中姜辣素的較優工藝條件。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 乙醇體積濃度對姜辣素得率的影響

精確稱取生姜粉5份，每份1.00 g，分別加入10 mL體積濃度為60%、70%、80%、90%、100%的乙醇，按1.3.2中方法提取10 min，結果見圖2。

圖2 乙醇體積濃度對姜辣素得率的影響

由圖2可以看出，乙醇體積濃度為80%時，姜辣素得率最高。當乙醇體積濃度小于80%時，隨著乙醇體積濃度增加，姜辣素與乙醇的接觸機會增加，有利于姜辣素的溶出；而當乙醇體積濃度超過80%后，生姜細胞中的色素、雜質等脂溶性成分的溶出量也會增加，導致姜辣素的得率有所下降。因此選擇乙醇體積濃度80%為宜。

2.1.2 液料比對姜辣素得率的影響

精確稱取生姜粉5份，每份1.00 g，分別加入10 mL、11 mL、12 mL、13 mL、14 mL體積濃度80%的乙醇，按1.3.2中方法提取10 min，結果見下頁圖3。

由圖3可以看出，姜辣素得率隨液料比的增大先升高后下降，液料比為13 mL/g時，得率最高。當液料比較小時，隨著提取溶劑用量增加，姜辣素更易溶出；當液料比超過13 mL/g時，溶出率接近飽和，而且一些雜質的溶出會使姜辣素的溶出率降低。因此選取液料比13 mL/g為宜。

圖3 液料比對姜辣素得率的影響

2.1.3 提取時間對姜辣素得率的影響

精確稱取生姜粉5份，每份1.00 g，分別加入13 mL體積濃度80%的乙醇，在超聲波功率200 W，溫度40℃條件下分別提取15 min、20 min、25 min、30 min、35 min，結果見圖4。

圖4 提取時間對姜辣素得率的影響

由圖4可以看出，隨著提取時間的延長，姜辣素得率先升高后降低，當時間為25 min時，得率最高。提取時間小于25 min時，提取液中姜辣素未飽和，延長提取時間有利于姜辣素的溶出；而時間超過25 min后，生姜中一些雜質的溶出會阻礙姜辣素的溶出，同時超聲波的高能作用也會破壞姜辣素中的不穩定成分。因此選擇提取時間25 min為宜。

2.2 響應面試驗分析

根據響應面法的Box-beknhen試驗設計原理和單因素試驗結果，選擇乙醇體積濃度、液料比和提取時間作為影響姜辣素得率的3個主要因素。響應面試驗因素及水平見表1。

2.2.1 響應面優化試驗設計與結果分析

響應面優化試驗設計與結果見表2，響應面回歸模型方差分析見表3。

表1 因素與水平

表2 響應面試驗設計與結果

表3 響應面回歸模型方差分析

通過數據專家軟件8.0.6對表2中試驗結果進行多元回歸分析，得到3個單因素與姜辣素得率Y之間的二次多項式方程：Y=10.39-0.24A+0.09B+ 0.26C-0.14AB-0.27AC+0.49BC-1.38A2-1.24B2-1.02C2，式中Y代表姜辣素得率，A代表乙醇體積濃度，B代表料液比，C代表提取時間。

由表3可以看出，回歸模型的P值小于0.0001，說明該模型具有極顯著性；校正系數R2Adj=0.968 1，表明96.81%的姜辣素得率的變化由所選變量引起，該模型可用于預測姜辣素的理論得率和最優提取工藝。回歸模型方差分析結果表明，一次項中的A乙醇體積濃度、B液料比、C提取時間對姜辣素得率有顯著影響；交互項中BC對得率有極顯著影響，AC影響顯著，AB影響不顯著；二次項A2、B2、C2影響極顯著；各因素對得率的影響大小為提取時間＞乙醇體積濃度＞液料比。變異系數（CV）反映回歸模型的可信程度，CV值越小，試驗穩定性越好，可信度越高。本試驗的變異系數為2.51%，可信度較高。

2.2.2 響應曲面圖及等高線圖分析

使用數據專家軟件繪制三維曲面圖和等高線圖，研究A、B、C 3個因素的交互作用對姜辣素得率的影響。下頁圖5為任意兩個因素的響應曲面圖及其等高線圖。

等高線性狀如果接近圓形，則兩個自變量交互作用較弱；若接近橢圓形，則交互作用較強。圖5a是乙醇體積濃度和液料比交互作用對姜辣素得率的影響，從圖中可以看出，等高線接近圓形，說明乙醇體積濃度和液料比對姜辣素得率的影響不顯著。圖5b、5c分別為乙醇體積濃度和提取時間、液料比和提取時間的交互作用，由圖可知，響應曲面傾斜度較高，坡度較陡，等高線為橢圓形，說明其交互作用對姜辣素得率的影響顯著，且液料比和提取時間的交互作用達到極顯著水平。等高線圖的結果和方差分析表的結果一致。

2.2.3 提取工藝優化及驗證試驗

通過上述軟件對試驗數據進行分析，得到姜辣素的最佳提取工藝條件為：乙醇體積濃度78.95%，液料比13.07∶1（mL∶g），提取時間25.80 min，此工藝條件下姜辣素得率的預測值為10.43 mg/g。結合工業化生產中實際操作的可行性，將工藝參數修正為：乙醇體積濃度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取時間26 min；在該條件下進行3次重復試驗，姜辣素得率的平均值為10.42 mg/g，實測值比理論值低0.01 mg/g，說明該模型與實際情況有較好的擬合性。

3 結論

采用超聲波輔助，乙醇作為提取溶劑，在單因素試驗基礎上，利用響應面試驗得到提取生姜中姜辣素的最佳提取工藝條件為：乙醇體積濃度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取時間26 min，此時姜辣素得率為10.42 mg/g。

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Optim ization of extraction process of gingerol by response surface methodology

LI Nan*LI Yaping
（Department of life science，Yuncheng university，Shanxi Yuncheng 044000，China）

在單因素試驗基礎上，選取乙醇體積濃度、液料比和提取時間為影響因子，以姜辣素得率為響應值，利用響應面法對生姜中姜辣素的提取工藝進行優化。結果表明，生姜中姜辣素的最優提取工藝條件為：乙醇體積濃度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取時間26 min，此工藝條件下姜辣素得率為10.42 mg/g。

姜辣素；響應面；提取工藝；生姜

Response surface methodology（RSM）was used tooptimize the extraction condition ofgingerol.On the basis ofsingle factor tests,ethanol concentration,liquid-solid ratioand extraction time were selected as impact factors,and then the RSM was used to optimize the extraction technology of gingerol.Results indicated that the optimum extraction conditions were ethanol concentration 79%,liquid-solid ratio13:1(mL:g),extraction time 26 min.The yield of gingerol under these conditions could reach up to10.42 mg/g.

ginger；gingerol；response surface methodology；extraction

圖5 響應曲面圖及其等高線圖

TS217.2

A

1673-6044（2016）04-0033-05

10.3969/j.issn.1673-6044.2016.04.009

*李楠，女，1986年出生，2014年畢業于西北農林科技大學食品科學與工程學院，碩士，助教。

2016-10-22