姜黃中姜黃素和姜黃油提取工藝研究

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.07.018

引文格式：任柯昱，翁翔宇，路慧，等.姜黃中姜黃素和姜黃油提取工藝研究.中國(guó)調(diào)味品，2024，49（7）：119-122.

REN K Y， WENG X Y， LU H， et al. Study on extraction technology of curcumin and turmeric oil from Curcuma longa L..China Condiment，2024，49（7）：119-122.

摘要：姜黃素和姜黃油是姜科植物中的重要生物活性成分，姜黃素具有清除機(jī)體內(nèi)自由基和抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)等多種生物活性功效，姜黃油具有抗菌和保護(hù)肝臟等生物活性功效。為了提高姜黃素的生物利用度、改善姜黃油的質(zhì)地和口感、開發(fā)姜黃素和姜黃油的新產(chǎn)品和提高姜黃素和姜黃油的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該研究采用單因素試驗(yàn)、Plackett-Burman（PB）試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)姜黃中姜黃素和姜黃油的提取工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明，姜黃素和姜黃油的最佳提取工藝為乙醇濃度60%、料液比1∶15、超聲功率210 W、超聲時(shí)間40 min和超聲溫度50 ℃。

關(guān)鍵詞：姜黃素；姜黃油；PB試驗(yàn)；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TS202.3""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號(hào)：1000-9973（2024）07-0119-04

Study on Extraction Technology of Curcumin and Turmeric Oil from Curcuma longa L.

REN Ke-yu1， WENG Xiang-yu1， LU Hui2， HU Dao-wu3， TAO Ling1*

（1.School of Inspection Technology， Xinyang Vocational and Technical College， Xinyang 464000， China;

2.Laboratory of Green Agricultural Product Safety Production and Early Warning Control in Hetao

Region， Key Laboratory of Institutions of Higher Education in Inner Mongolia Autonomous

Region， Department of Agriculture， Hetao College， Bayan Nur 015000， China;

3.State Key Laboratory of Cotton Biology， Institute of Cotton Research of

Chinese Academy of Agricultural Sciences， Anyang 455000， China）

Abstract： Curcumin and turmeric oil are essential bioactive components in ginger plants. Curcumin has various bioactive effects such as scavenging free radicals in body and inhibiting the growth of tumor cells， while turmeric oil has bioactive effects such as antibiosis and liver protection. In order to improve the bioavailability of curcumin， improve the texture and taste of turmeric oil， develop new products of curcumin and turmeric oil， and increase the economic value of curcumin and turmeric oil， in this study， single factor test， Plackett-Burman（PB） test and orthogonal test are used to study the extraction technology of curcumin and and turmeric oil from Curcuma longa L..The results indicate that the optimal extraction technology of curcumin and turmeric oil are ethanol concentration of 60%， solid-liquid ratio of 1∶15， ultrasonic power of 210 W， ultrasonic time of 40 min and ultrasonic temperature of 50 ℃.

Key words： curcumin; turmeric oil; PB test; orthogonal test

收稿日期：2023-12-28

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（Y2021YJ06）

作者簡(jiǎn)介：任柯昱（1991—），女，講師，碩士，研究方向：生物化學(xué)、分子生物學(xué)。

*通信作者：陶玲（1978—），女，回族，教授，碩士，研究方向：臨床檢驗(yàn)。

姜黃素是存在于姜黃中的天然活性成分，是一種多酚類化合物，具有明亮的黃色，它是姜黃根莖的主要活性成分，也是姜黃在醫(yī)藥和食品領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的原因之一。姜黃素具有多種生物活性和藥理特性，如抗氧化和抗菌等，能夠調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、促進(jìn)消化、降低膽固醇、抗衰老等，被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代藥物研究中。除了姜黃素，姜黃油也是姜黃中的重要成分之一，姜黃油是一種富含脂肪的提取物，通常通過溶劑提取方法從姜黃中獲得，它包含多種脂肪酸、脂肪醇和其他脂質(zhì)成分，被廣泛應(yīng)用于藥物、化妝品和食品工業(yè)中，此外，姜黃油還具有調(diào)節(jié)血脂、降低血糖、抗腫瘤和改善心血管健康的潛力。

姜黃素和姜黃油具有多種藥用成分，優(yōu)化其提取工藝可以提高目標(biāo)物質(zhì)的提取效率。通過選擇合適的提取劑、優(yōu)化提取時(shí)間、溫度和濃度等參數(shù)，可以增加目標(biāo)物質(zhì)與提取劑的接觸面積和接觸時(shí)間，從而提高目標(biāo)物質(zhì)的溶解度和釋放率，最大程度地提取出姜黃素和姜黃油中的有效成分，提取工藝的合理設(shè)計(jì)和控制可以避免高溫、長(zhǎng)時(shí)間暴露、光照等因素對(duì)活性成分的損失和降解，從而保護(hù)活性成分的穩(wěn)定性和活性。

姜黃素和姜黃油提取工藝的優(yōu)化和合理設(shè)計(jì)對(duì)于提高提取效率、保護(hù)活性成分、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義，有助于實(shí)現(xiàn)姜黃素和姜黃油的高效提取和廣泛應(yīng)用。

1" 材料與方法

1.1" 試驗(yàn)材料與試劑

姜黃、無水乙醇、無水甲醇、姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品、乙酸、乙腈、超純水、蛋白胨、磷酸、乙酸乙酯、DPPH、牛肉膏、瓊脂、氯化鈉、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌。

1.2" 試驗(yàn)儀器

水浴鍋、振蕩儀、電子天平、離心機(jī)、清洗機(jī)、干燥機(jī)、分光光度計(jì)、加熱攪拌器、蒸發(fā)儀、GC-MS、氣相色譜儀、烘箱、恒溫振蕩儀、保存箱、滅菌器、超凈工作臺(tái)。

1.3" 試驗(yàn)方法

1.3.1" 單因素試驗(yàn)

固定影響因素乙醇濃度70%、料液比1∶15、超聲功率210 W、超聲時(shí)間40 min和超聲溫度50 ℃，分別研究不同乙醇濃度（50%、60%、70%、80%、90%、100%）、不同料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35）、不同超聲功率（150，180，210，240，270，300 W）、不同超聲時(shí)間（10，20，30，40，50，60 min）和不同超聲溫度（20，30，40，50，60，70 ℃）對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響。

1.3.2" PB試驗(yàn)因素水平

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用PB試驗(yàn)確定主要影響因素，利用Minitab 19軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表1。

1.3.3" 正交試驗(yàn)

根據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)姜黃素和姜黃油提取工藝影響最明顯的3個(gè)影響因素乙醇濃度、料液比和超聲功率進(jìn)行正交試驗(yàn)，見表2。

1.3.4" 姜黃素提取率和姜黃油提取率的計(jì)算

姜黃素提取率（%）=姜黃素提取質(zhì)量（g）/原料質(zhì)量（g）。

姜黃油提取率（%）=（原料質(zhì)量（g）－提取后的干重（g））/原料質(zhì)量（g）。

2" 結(jié)果和討論

2.1" 超聲輔助法單因素提取試驗(yàn)

2.1.1" 乙醇濃度對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響

由圖1可知，當(dāng)乙醇濃度為70%時(shí)，姜黃素提取率最高；當(dāng)乙醇濃度小于或者大于70%時(shí)，姜黃素提取率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著乙醇濃度持續(xù)增加，姜黃油提取率呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢(shì)。當(dāng)乙醇濃度超過90%時(shí)，乙醇濃度開始對(duì)姜黃油提取率產(chǎn)生不利影響。當(dāng)乙醇濃度持續(xù)增加時(shí)，也可能會(huì)導(dǎo)致一些非目標(biāo)化合物的析出，包括一些雜質(zhì)，從而降低姜黃素和姜黃油的純度和提取率。

姜黃素和姜黃油的溶解度通常隨著乙醇濃度的增加而增加，高濃度的乙醇可以促進(jìn)姜黃素和姜黃油與植物材料中的溶質(zhì)發(fā)生萃取反應(yīng)，更有效地將姜黃素和姜黃油從姜黃中提取出來，從而提高提取率。

2.1.2" 料液比對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響

料液比是指固體物質(zhì)與提取劑之間的質(zhì)量比例，其對(duì)姜黃素和姜黃油的提取率有一定程度的影響。由圖2可知，當(dāng)料液比小于1∶15時(shí)，姜黃素提取率隨著料液比的增加而不斷增加，這是由于隨著料液比的增加，提供了更多的接觸面積和更充分的溶劑浸潤(rùn)固體樣品，從而促進(jìn)姜黃素的釋放和溶解。當(dāng)料液比超過1∶20時(shí)，姜黃素和姜黃油的提取率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于過高的料液比使得提取液渾濁，姜黃素和姜黃油分離和純化變得困難，過高的料液比也使得提取劑被過度稀釋，從而降低了姜黃素和姜黃油的提取率。

2.1.3" 超聲功率對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響

由圖3可知，隨著超聲功率的增加，姜黃油提取率不斷增加，而姜黃素提取率先升高后降低。當(dāng)超聲功率小于210 W時(shí)，姜黃素提取率隨著超聲功率的增加而不斷增加，這是由于超聲波通過產(chǎn)生高頻振動(dòng)和微小氣泡的形成破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)目標(biāo)物質(zhì)的釋放和溶解。較高的超聲功率可以提供更強(qiáng)的超聲波作用，加速姜黃素和姜黃油的釋放。超聲波的傳播引起液體中的渦流和剪切力，促進(jìn)提取劑與樣品之間的混合和質(zhì)量傳遞。較高的超聲功率可以增加攪拌效應(yīng)，提高溶劑與姜黃素和姜黃油之間的接觸頻率，從而增強(qiáng)提取效果。

當(dāng)超聲功率超過210 W時(shí)，隨著超聲功率的增加，姜黃素提取率不斷降低，這是由于較高的超聲功率導(dǎo)致提取溫度升高，過高的溫度會(huì)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致其降解或損失；另外，超聲功率會(huì)引起溶劑中的氣泡形成和劇烈的液體振蕩，增加溶劑的揮發(fā)速度，導(dǎo)致溶劑的損失，從而影響了姜黃油和姜黃素的提取效果。

2.1.4" 超聲時(shí)間對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響

由圖4可知，當(dāng)超聲時(shí)間小于30 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間的增加，姜黃素和姜黃油的提取率均不斷升高，超聲波的作用可以促進(jìn)細(xì)胞破碎和溶解，從而釋放目標(biāo)物質(zhì)，適當(dāng)?shù)某晻r(shí)間可以增加樣品與提取劑之間的接觸時(shí)間，使得姜黃素和姜黃油更充分地溶解到提取劑中，超聲波的振蕩作用能夠加速物質(zhì)的傳質(zhì)過程，促進(jìn)目標(biāo)物質(zhì)從細(xì)胞內(nèi)部釋放到提取劑中，從而提高提取率。當(dāng)超聲時(shí)間超過40 min時(shí)，隨著超聲時(shí)間不斷增加，姜黃素和姜黃油的提取率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理可能導(dǎo)致樣品和提取劑的溫度升高，超過適宜的范圍，使目標(biāo)物質(zhì)熱降解或失活，另外，長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理會(huì)消耗較多的超聲能量，使得能量傳遞不均勻或能量損失增加，降低姜黃油和姜黃素的提取率。

2.1.5" 超聲溫度對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響

由圖5可知，當(dāng)超聲溫度低于50 ℃時(shí)，隨著超聲溫度的增加，姜黃素和姜黃油的提取率均不斷升高，適當(dāng)?shù)某暅囟瓤梢栽黾游镔|(zhì)的擴(kuò)散速率和分子的運(yùn)動(dòng)能量，從而促進(jìn)姜黃素和姜黃油的釋放和溶解。當(dāng)超聲溫度超過50 ℃時(shí)，隨著超聲溫度的增加，姜黃素和姜黃油的提取率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。姜黃素和姜黃油的最佳超聲溫度為40～60 ℃。

2.2" 姜黃素和姜黃油試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

2.2.1" PB試驗(yàn)顯著性分析

利用PB試驗(yàn)對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。乙醇濃度、料液比和超聲功率3個(gè)影響因素對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響最顯著，其他影響因素對(duì)姜黃素和姜黃油提取率的影響較小。

2.2.2" 正交試驗(yàn)優(yōu)化

根據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果，獲得3個(gè)對(duì)姜黃素和姜黃油提取率影響最顯著的因素，利用軟件Design-Expert 8.06進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3中的試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert 8.06軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，獲得擬合方程：R2=6.89+0.55A+0.16B+0.36C－0.76AB+0.66AC+0.45BC－0.95A2－1.03B2－1.68C2。綜合考慮，確定姜黃素和姜黃油提取的最佳加工工藝為編號(hào)14，即最佳加工工藝為乙醇濃度60%、料液比1∶15、超聲功率210 W、超聲時(shí)間40 min和超聲溫度50 ℃。

3" 小結(jié)

姜黃素和姜黃油的優(yōu)化提取工藝可以減少原材料和能源的浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。通過合理調(diào)整提取條件，可以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)的提取過程，提高姜黃素和姜黃油的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，也能提高姜黃素和姜黃油產(chǎn)品的純度和活性，去除或減少非目標(biāo)成分的干擾。通過有效的分離和純化方法，可以獲得高純度的姜黃素和姜黃油產(chǎn)品，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

本研究通過單因素試驗(yàn)、PB試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對(duì)姜黃中姜黃素和姜黃油的最佳提取工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明，最佳提取工藝為乙醇濃度60%、料液比1∶15、超聲功率210 W、超聲時(shí)間40 min和超聲溫度50 ℃。

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