超低溫凍融聯合超聲對生姜中姜辣素提取的影響

于博+張瑤+吳進菊+余海忠+劉松

摘要：采用超低溫凍融聯合超聲技術提取生姜中的姜辣素，分析乙醇體積分數、凍融次數、料液比、超聲時間、超聲溫度對姜辣素提取率的影響，利用響應面法優化超低溫凍融聯合超聲技術提取姜辣素工藝。結果表明，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%，與模擬預測值3.05%較為接近。

關鍵詞：超低溫凍融；超聲；提取；生姜；姜辣素；提取率

中圖分類號： TS202.3 文獻標志碼： 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，在傳統食品中主要用于香辛調味料[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，產品主要以鮮姜、干姜、姜粉為主[2]，加工附加值相對較低，產業鏈亟需拓展。

姜辣素是生姜特征風味的主要呈味物質，是一種具有優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，可廣泛應用于食品、藥品、調味品、化妝品等領域。現代科學研究表明，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是近幾年研究的熱點[9-12]，提取效率優于傳統溶劑提取，但姜辣素的穩定性較差，尤其在溶劑提取或受熱時下降明顯。低溫凍融是一種溫和的樣品預處理方式，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處理技術，旨在通過反復凍融的重結晶作用，機械破壞生姜顆粒細胞結構，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 試驗材料

生姜，購自湖北省襄陽市農貿市場。無水乙醇、95%乙醇、香草醛及其他試劑，均為國產分析純。

1.2 試驗儀器

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

1.3 試驗方法

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；準確稱取姜粉0.050 0 g，加水凍融，加醇超聲提取；離心，取上清液，過濾；準確吸取200 μL樣品供試液置于10 mL容量瓶中，用95%乙醇（體積分數，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法，通過香草醛標準曲線來計算姜辣素含量，公式為：

式中：2.003為香草醛換算姜辣素的系數；C為吸光度在標準曲線回歸方程中的香草醛質量濃度，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為測定時吸取的樣品供試液體積，mL；m為樣品質量，g；106為將克換算成微克時的換算倍數。

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

1.3.4 響應面試驗 根據單因素試驗結果，利用Design-Expert 8.05軟件進行響應曲面設計，分析乙醇體積分數、料液比、超聲時間、超聲溫度4個因素及其交互作用對姜辣素提取率的影響，優化姜辣素提取工藝條件，因素水平見表1。

2 結果與分析

2.1 單因素對姜辣素提取率的影響

2.1.1 乙醇體積分數 由圖1可見，隨乙醇體積分數的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢，乙醇體積分數為30%～50%時，姜辣素提取率隨乙醇體積分數的增加而增加，乙醇體積分數為50%～80%時，姜辣素提取率隨乙醇體積分數的增加而明顯下降；乙醇體積分數為50%時，姜辣素的提取率達到最大值。因此，確定姜辣素提取最佳乙醇體積分數為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，姜辣素提取率處于較高水平，從節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 由圖3可見，隨凍融次數的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢；凍融次數為0～2次時，姜辣素的提取率隨凍融次數的增加而增加，凍融次數大于2次，姜辣素的提取率隨凍融次數的增加而減少，這可能是由于凍融過程會發生重結晶現象而使體積膨脹，從而對姜粉顆粒的細胞壁造成破壞，細胞內有效成分溶出，但當凍融次數過量時，這種體積膨脹效應也會對姜辣素造成破壞，使姜辣素的提取率降低；凍融次數為2次時，姜辣素的提取率相對最高，故姜辣素提取最適凍融次數為2次。

2.1.4 超聲時間 由圖4可見，隨超聲時間的增加，姜辣素的提取率呈先升后降趨勢；超聲時間為40 min時，姜辣素的提取率達到最大值，這可能是適度超聲時間，超聲波對姜粉的作用越充分，但當超聲波處理時間過長時，局部過熱可能會導致姜辣素被破壞。因此，確定姜辣素提取最適超聲時間為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，姜辣素的提取率相對最高，這可能是由于溫度升高，促進了溶劑分子和姜辣素分子之間的擴散作用，兩者間的接觸面積擴大，從而提高了姜辣素的提取率，但當溫度過高時，溶劑揮發加快，溶劑量減少，同時高溫使部分姜辣素被分解破壞，從而導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 響應面法優化姜辣素提取工藝

根據表2試驗數據，利用Design-Expert 8.05軟件得到姜辣素提取率相對應于乙醇濃度、料液比、超聲時間、超聲溫度這4個因素的二次多項回歸模型為：

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。

對該模型進行回歸方差分析及回歸模型系數顯著性檢驗。由表3可見，模型的一次項A、B、D極顯著，C不顯著；二次項C2、D2極顯著，A2顯著；交互項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系；影響姜辣素提取的因素主次順序為料液比>乙醇體積分數>超聲溫度>超聲時間；失擬項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測姜辣素的提取率。根據該數學模型，應用響應面設計法優化出姜辣素提取的最佳工藝條件為乙醇體積分數60%、料液比1 g ∶ 15 mL、超聲時間40 min、超聲溫度46.75 ℃，此時提取率響應值為3.05%。為驗證預測結果，在優化條件下試驗重復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，基于響應曲面法所得的優化工藝條件準確可靠，具有實用價值。

3 結論

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數、凍融次數、料液比、超聲時間、超聲溫度等單因素對姜辣素提取率的試驗基礎上，明確影響姜辣素提取的主次因素順序為料液比>乙醇體積分數>超聲溫度>超聲時間，響應曲面優化后的姜辣素提取工藝條件為料液比 1 g ∶ 15 mL、乙醇體積分數60%、超聲溫度47 ℃、超聲時間40 min，姜辣素的提取率為2.98%，與預測值3.05%接近，采用超低溫凍融聯合超聲技術明顯提升了姜辣素的提取率。

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