超低溫凍融聯(lián)合超聲對(duì)生姜中姜辣素提取的影響

于博+張瑤+吳進(jìn)菊+余海忠+劉松

摘要：采用超低溫凍融聯(lián)合超聲技術(shù)提取生姜中的姜辣素，分析乙醇體積分?jǐn)?shù)、凍融次數(shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)姜辣素提取率的影響，利用響應(yīng)面法優(yōu)化超低溫凍融聯(lián)合超聲技術(shù)提取姜辣素工藝。結(jié)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(yù)測(cè)值3.05%較為接近。

關(guān)鍵詞：超低溫凍融；超聲；提?。簧?；姜辣素；提取率

中圖分類(lèi)號(hào)： TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：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(tǒng)食品中主要用于香辛調(diào)味料[1]。我國(guó)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(guó)生姜的深加工和綜合利用水平較低，產(chǎn)品主要以鮮姜、干姜、姜粉為主[2]，加工附加值相對(duì)較低，產(chǎn)業(yè)鏈亟需拓展。

姜辣素是生姜特征風(fēng)味的主要呈味物質(zhì)，是一種具有優(yōu)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(yīng)用于食品、藥品、調(diào)味品、化妝品等領(lǐng)域?，F(xiàn)代科學(xué)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(fēng)濕、抗動(dòng)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(duì)較低。超聲或微波輔助提取技術(shù)是近幾年研究的熱點(diǎn)[9-12]，提取效率優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑提取，但姜辣素的穩(wěn)定性較差，尤其在溶劑提取或受熱時(shí)下降明顯。低溫凍融是一種溫和的樣品預(yù)處理方式，可有效避免高溫對(duì)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(yù)處理技術(shù)，旨在通過(guò)反復(fù)凍融的重結(jié)晶作用，機(jī)械破壞生姜顆粒細(xì)胞結(jié)構(gòu)，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(yàn)材料

生姜，購(gòu)自湖北省襄陽(yáng)市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。無(wú)水乙醇、95%乙醇、香草醛及其他試劑，均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 試驗(yàn)儀器

GZX-9030MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠生產(chǎn)；LD-Y300A型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，上海頂帥電器有限公司生產(chǎn)；AR2130電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司生產(chǎn)；FORMA-86C ULT冰箱，美國(guó)賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)；D37520小型高速離心機(jī)，GERMANY公司生產(chǎn)；KQ-500E型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)；UV-1800PC紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美普達(dá)儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 姜辣素提取流程與含量測(cè)定[8] 生姜清洗、切片，60 ℃ 烘干；粉碎，過(guò)140目篩；準(zhǔn)確稱(chēng)取姜粉0.050 0 g，加水凍融，加醇超聲提?。浑x心，取上清液，過(guò)濾；準(zhǔn)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?jǐn)?shù)，下同）稀釋取樣定容，搖勻；以95%乙醇為空白，用1 cm比色皿測(cè)量波長(zhǎng)為 280 nm 處的吸光度；采用紫外分光光度計(jì)法，通過(guò)香草醛標(biāo)準(zhǔn)曲線來(lái)計(jì)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(shù)；C為吸光度在標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程中的香草醛質(zhì)量濃度，μg/mL；V0為樣品提取液總體積，mL；V1為測(cè)定樣品液總體積，mL；V2為測(cè)定時(shí)吸取的樣品供試液體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g；106為將克換算成微克時(shí)的換算倍數(shù)。

1.3.3 單因素試驗(yàn) 姜辣素提取與含量測(cè)定條件除某個(gè)單因素發(fā)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?jǐn)?shù)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(shù)分別為0、1、2、3、4、5、6、7次；超聲時(shí)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(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert 8.05軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，分析乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度4個(gè)因素及其交互作用對(duì)姜辣素提取率的影響，優(yōu)化姜辣素提取工藝條件，因素水平見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對(duì)姜辣素提取率的影響

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù) 由圖1可見(jiàn)，隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢(shì)，乙醇體積分?jǐn)?shù)為30%～50%時(shí)，姜辣素提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%～80%時(shí)，姜辣素提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而明顯下降；乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，姜辣素的提取率達(dá)到最大值。因此，確定姜辣素提取最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%。

2.1.2 料液比 由圖2可見(jiàn)，隨溶劑量的增加，姜辣素提取率呈先上后降趨勢(shì)；料液比為1 g ∶ 15 mL～1 g ∶ 30 mL時(shí)，姜辣素提取率處于較高水平，從節(jié)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(shù) 由圖3可見(jiàn)，隨凍融次數(shù)的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢(shì)；凍融次數(shù)為0～2次時(shí)，姜辣素的提取率隨凍融次數(shù)的增加而增加，凍融次數(shù)大于2次，姜辣素的提取率隨凍融次數(shù)的增加而減少，這可能是由于凍融過(guò)程會(huì)發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象而使體積膨脹，從而對(duì)姜粉顆粒的細(xì)胞壁造成破壞，細(xì)胞內(nèi)有效成分溶出，但當(dāng)凍融次數(shù)過(guò)量時(shí)，這種體積膨脹效應(yīng)也會(huì)對(duì)姜辣素造成破壞，使姜辣素的提取率降低；凍融次數(shù)為2次時(shí)，姜辣素的提取率相對(duì)最高，故姜辣素提取最適凍融次數(shù)為2次。

2.1.4 超聲時(shí)間 由圖4可見(jiàn)，隨超聲時(shí)間的增加，姜辣素的提取率呈先升后降趨勢(shì)；超聲時(shí)間為40 min時(shí)，姜辣素的提取率達(dá)到最大值，這可能是適度超聲時(shí)間，超聲波對(duì)姜粉的作用越充分，但當(dāng)超聲波處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，局部過(guò)熱可能會(huì)導(dǎo)致姜辣素被破壞。因此，確定姜辣素提取最適超聲時(shí)間為40 min。endprint

2.1.5 超聲溫度 由圖5可見(jiàn)，隨超聲溫度的增加，姜辣素提取率呈先升后降趨勢(shì)；超聲溫度為60 ℃時(shí)，姜辣素的提取率相對(duì)最高，這可能是由于溫度升高，促進(jìn)了溶劑分子和姜辣素分子之間的擴(kuò)散作用，兩者間的接觸面積擴(kuò)大，從而提高了姜辣素的提取率，但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，溶劑揮發(fā)加快，溶劑量減少，同時(shí)高溫使部分姜辣素被分解破壞，從而導(dǎo)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(yīng)面法優(yōu)化姜辣素提取工藝

根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 8.05軟件得到姜辣素提取率相對(duì)應(yīng)于乙醇濃度、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度這4個(gè)因素的二次多項(xiàng)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(duì)該模型進(jìn)行回歸方差分析及回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。由表3可見(jiàn)，模型的一次項(xiàng)A、B、D極顯著，C不顯著；二次項(xiàng)C2、D2極顯著，A2顯著；交互項(xiàng)AB、AC、AD、BC極顯著，BD、CD不顯著，各種影響因素對(duì)姜辣素提取率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系；影響姜辣素提取的因素主次順序?yàn)榱弦罕?乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲溫度>超聲時(shí)間；失擬項(xiàng)P值為 0.791 9，不顯著，R2為0.993 8，說(shuō)明模型擬合程度良好，可用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)姜辣素的提取率。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化出姜辣素提取的最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、料液比1 g ∶ 15 mL、超聲時(shí)間40 min、超聲溫度46.75 ℃，此時(shí)提取率響應(yīng)值為3.05%。為驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，在優(yōu)化條件下試驗(yàn)重復(fù)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(yīng)曲面法所得的優(yōu)化工藝條件準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

張魯明等采用乙醇提取姜辣素的工藝條件下對(duì)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(duì)姜辣素的提取率為1.76%[17]，而本研究在考察乙醇體積分?jǐn)?shù)、凍融次數(shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度等單因素對(duì)姜辣素提取率的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，明確影響姜辣素提取的主次因素順序?yàn)榱弦罕?乙醇體積分?jǐn)?shù)>超聲溫度>超聲時(shí)間，響應(yīng)曲面優(yōu)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?jǐn)?shù)60%、超聲溫度47 ℃、超聲時(shí)間40 min，姜辣素的提取率為2.98%，與預(yù)測(cè)值3.05%接近，采用超低溫凍融聯(lián)合超聲技術(shù)明顯提升了姜辣素的提取率。

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