基于正交試驗和響應面法優化生姜中姜辣素提取技術工藝

程園園,何軍波,李斌

(1.鄭州科技學院 食品科學與工程學院,鄭州 450064;2.河南牧業經濟學院食品與生物工程學院,鄭州 450046)

生姜,屬于姜科植物的根莖,廣泛種植于我國東南和中東地區,栽培品種超過14個[1-2]。我國是生姜生產和出口大國,相關數據統計表明[3],我國生姜生產量和出口量一直穩居世界前列[4]。

生姜中被提取和純化的化合物種類超過400種[5],這些成分主要包括姜辣素、生姜精油和烷烴類[6-7]。姜辣素是生姜中主要的辣味成分,包括姜酚(gingerols)、姜酮(zingerones)和姜烯酚(shogaols)等混合物,大量相關研究報道[8-10],姜酮和姜烯酚含量隨生姜栽培時間的增長而增高,是生姜中主要的抗氧化物質。

生姜中常用于提取姜辣素的技術工藝包括有機溶劑提取法、超臨界流體萃取法、酶輔助提取法、微波輔助提取法和超聲輔助提取法。有機溶劑提取法[11]通過使用乙醇、乙酸乙酯和甲醇等有機溶劑來提取姜辣素,該方法操作簡便、設備簡單、提取成本低,適合于規模化生產姜辣素。超臨界流體萃取法[12]一般使用CO2作為萃取劑,采用該方法提取辣姜素工作效率高、提取時間快,但提取成本高,一般僅用于試驗研究,不能獲得經濟效益。酶輔助提取法[13]是通過使用酶類物質破壞植物細胞壁,進而提取生物活性物質的一種方法,將該方法與溶劑提取法相結合,提取速度更快,生物利用率更高。微波輔助提取法[14]是利用機械性能破壞植物細胞壁,從而快速獲得生物活性物質的一種方法,消耗的溶劑少和時間短。超聲輔助提取法[15]是一種利用超聲波破壞植物細胞壁的方式,該方式可以有效提取植物中的活性物質,適應性強、設備操作簡單。

辣姜素常常被作為食品添加劑,用于減緩脂質類食品的氧化[16]。劉克武等[17]研究不同加工方式的生姜對DPPH自由基的清除能力,研究結果表明姜辣素含量越高,DPPH自由基清除能力越強。

我國作為生姜生產大國,生姜深加工技術卻較為落后,生姜中姜辣素提取率低。隨著人們對天然植物中化合物的重視度越來越高,生姜中的活性成分應用范圍不斷增大(除用作調味品外,還用于化妝品、醫藥產品和建筑材料方面)[18-19],目前深加工產品的量已經不能滿足時代需求。本研究基于此,以單因素試驗、正交試驗和響應面法對超聲輔助法提取生姜中辣姜素加工工藝進行研究和優化,旨在為生姜中姜辣素加工和資源開發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

生姜:購于當地農貿市場;香草醛:上海生物科技有限公司;無水乙醇:杭州化學生物藥劑有限公司;蒸餾水:自制。

1.2 試驗儀器

電子天平 梅特勒-托利多公司;超聲波振蕩儀 常州易晨儀器制造有限公司;真空泵 浙江真空設備集團有限公司;粉碎機 上海機械設備有限公司;恒溫烘箱 上海雋思實驗儀器有限公司;紫外分光光度計 上海美析儀器有限公司;磁力攪拌器 廣東佛衡儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 生姜原料處理

選取品質較好的生姜片,用粉碎機將其粉碎,之后放于恒溫烘箱中,在(45±1) ℃的條件下烘干,備用。

1.3.2 生姜中姜辣素含量測定及計算

先稀釋姜辣素提取液,在波長280 nm處測定提取液的吸光值,根據下式計算生姜中姜辣素得率。

式中:V為測定樣品的體積(mL);A為樣品的稀釋倍數;M為生姜粉末的質量(g)。

1.3.3 單因素試驗

當研究其中一個變量因子對姜辣素得率的影響時,控制其他的影響因子不變,即超聲時間為90 min,回流溫度為80 ℃,液料比例為30∶1,各個單因素試驗區間見表1。

表1 姜辣素提取單因素條件變化區間Table 1 Variation range of single factor conditions for gingerol extraction

1.3.4 響應面優化生姜提取物中辣姜素的提取工藝

根據單因素試驗結果,以超聲時間、回流溫度和液料比例作為變量因子,以辣姜素得率作為指標,進行三因素三水平試驗,響應面試驗因素水平表見表2。

表2 響應面試驗因素及水平Table 2 Factors and levels of response surface test

1.3.5 數學統計分析

每次試驗的結果均進行3次取樣測定,結果用平均值表示。使用軟件Design Expert 12.0對正交試驗數據進行響應面分析,數據統計和計算采用Excel 2010。

2 結果和討論

2.1 線性關系研究分析

由圖1可知,姜辣素的標準曲線為Y=0.05X-3E-17,相關系數為R2=0.976,R2越接近1,說明姜辣素濃度測定的標準曲線回歸關系越好,采用該方法測定姜辣素濃度具有較高的可靠性。

圖1 標準曲線Fig.1 Standard curve

2.2 單因素試驗

2.2.1 超聲時間對姜辣素得率的影響

由圖2可知,當超聲時間(30～150 min)逐漸增加時,姜辣素得率先升高后降低,當超聲時間為30 min時,姜辣素得率較低,為1.74%;當超聲時間為30～90 min時,姜辣素得率逐漸升高,在這段時間內,超聲時間的增加使得姜辣素不斷溶解到溶劑中,姜辣素得率不斷增加。當超聲時間為90～150 min時,隨著超聲時間不斷增加,姜辣素得率開始緩慢下降,這是由于超聲時間不斷增加,姜中的其他物質也不斷溶解,最終影響姜辣素得率。

圖2 超聲時間對姜辣素得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on the yield of gingerol

2.2.2 回流溫度對姜辣素得率的影響

控制其他影響因子不變,當回流溫度不斷增加時,姜辣素得率先不斷升高后緩慢降低。由圖3可知,當回流溫度為70～85 ℃時,姜辣素得率不斷升高,這是由于回流溫度不斷升高,溶劑分子流速不斷增加,導致姜辣素得率提高。當回流溫度為85～90 ℃時,姜辣素得率開始逐漸下降,這是由于回流溫度過高,姜辣素受高溫的影響開始分解,導致溶液的辣姜素得率降低。

圖3 回流溫度對姜辣素得率的影響Fig.3 Effect of reflux temperature on the yield of gingerol

2.2.3 液料比例對姜辣素得率的影響

由圖4可知,液料比例對姜辣素得率會產生影響。隨著液料比例的不斷增加,姜辣素得率先升高后降低。當液料比例為20∶1時,姜辣素得率為1.72%。當液料比例為20∶1～35∶1時,姜辣素得率隨著液料比例的增加而升高,當液料比例為35∶1時,姜辣素得率最高,為1.76%,這是由于隨著液料比例逐漸增加,生姜能夠充分溶解于溶劑中,從而能夠獲得更多的姜辣素。當液料比例大于35∶1時,辣姜素得率開始下降,這是由于液料比例不斷增加,生姜濃度開始下降,從而導致姜辣素得率下降。

圖4 液料比例對姜辣素得率的影響Fig.4 Effect of the ratio of liquid to solid on the yield of gingerol

2.3 響應面試驗結果優化分析

以超聲時間(A)、回流溫度(B)和液料比例(C)作為變量因子,以姜辣素得率(Y)作為響應值,進行三因素三水平的正交試驗分析,試驗設計及結果見表3。

表3 響應面試驗設計及結果Table 3 Response surface test design and results

通過對表3中的數據進行擬合,獲得辣姜素得率的回歸方程:Y=1.86+0.078A+0.13B-0.023C+0.022AB-0.12AC+0.11BC-0.07A2-0.05B2-0.21C2。

由表3可知,超聲時間(A)、回流溫度(B)和液料比例(C)3個因素對姜辣素得率的影響為超聲時間>液料比例>回流溫度(0.32>0.19>0.01)。

2.4 模型建立和顯著性檢驗

由表4可知,在辣姜素的回歸模型中,失擬項的P=0.201 3>0.05,差異不顯著,說明響應面分析沒有失擬項因素,結果能夠反映辣姜素提取的真實情況。

表4 響應面模型建立及顯著性檢驗Table 4 Establishment of response surface model and significance test

2.5 響應面結果分析

由圖5可知,超聲時間(A)和回流溫度(B)的兩兩交互作用獲得的等高線圖形為圓形。在響應面中,姜辣素得率變化幅度較小,說明超聲時間(A)和回流溫度(B)的交互作用對姜辣素得率的影響不大,當超聲時間為92 min、回流溫度為81 ℃時姜辣素得率最高。

圖5 超聲時間和回流溫度的交互作用對姜辣素得率的影響Fig.5 Effect of interaction of ultrasonic time and reflux temperature on the yield of gingerol

由圖6可知,超聲時間(A)和液料比例(C)的交互作用獲得的等高線圖形為橢圓形,說明超聲時間(A)和液料比例(C)的交互作用對姜辣素得率的影響較顯著,在響應面圖上可以看到明顯的凸起。當超聲時間(A)不變時,隨著液料比例(C)的增加,姜辣素得率變化區間為1.65%～1.80%。當液料比例(C)不變時,隨著超聲時間的增加,姜辣素得率先升高后逐漸降低。

圖6 超聲時間與液料比例的交互作用對姜辣素得率的影響Fig.6 Effect of interaction of ultrasonic time and liquid-solidratio on the yield of gingerol

由圖7可知回流溫度(A)和液料比例(C)的交互作用對姜辣素得率的影響,等高線圖形為橢圓形,響應面的凹陷比較明顯,說明回流溫度(A)和液料比例(C)的交互作用對姜辣素得率的影響較大。當回流溫度(A)保持不變時,隨著液料比例的逐漸增加,姜辣素得率先降低后升高,當液料比例為25∶1和回流溫度為75 ℃時,姜辣素得率最高。

圖7 回流溫度和液料比例的交互作用對姜辣素得率的影響Fig.7 Effect of interaction of reflux temperature and liquid-solid ratio on the yield of gingerol

由圖5～圖7可知,響應面圖均呈現出一定程度的彎曲,根據響應面結果分析各個因素之間的交互作用,得到姜辣素提取的最佳加工工藝為超聲時間92.4 min、回流溫度80.3 ℃、液料比例27.23∶1,此時姜辣素得率為2.06%。考慮到操作的簡便性,修正生姜中姜辣素提取工藝為超聲時間92 min、回流溫度80 ℃和液料比例27∶1。

3 小結

隨著社會發展,人們對天然化合物的重視程度不斷增強。姜辣素是生姜中的生物活性物質,近些年在醫療和食品等多個領域被應用,但我國生姜中姜辣素提取工藝仍處于發展階段,加工工藝中還有很多方面存在不足。本研究通過利用單因素試驗、正交試驗和響應面法3種方式對生姜中姜辣素提取工藝進行研究和優化,研究結果表明,生姜中姜辣素提取的最佳加工工藝為超聲時間92 min、回流溫度80 ℃和液料比例27∶1。