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      三相分離法提取生姜油的研究

      2022-05-28 15:20:04陳嫘賈瑞張慧云沈琪魏勝華
      當(dāng)代化工研究 2022年9期
      關(guān)鍵詞:叔丁醇有機(jī)溶劑硫酸銨

      *陳嫘 賈瑞 張慧云 沈琪 魏勝華

      (安徽工程大學(xué)生物與食品工程學(xué)院 安徽 241000)

      生姜(Zingiber officinale Roscoe)為姜科單子葉植物的塊莖,作為一種常見(jiàn)的草本植物,因其具有辛辣口感和芳香的氣味,是人們?nèi)粘I钪械闹饕{(diào)味品之一[1]。生姜中含有多種有功效的生理活性物質(zhì),賦予其具有消炎、殺菌和抗氧化等作用[2]。生姜油是生姜塊莖中含有的揮發(fā)性成分,其外觀(guān)是淡黃色澄清透明的液體,是生姜產(chǎn)生風(fēng)味和具有活性功能的物質(zhì)基礎(chǔ)之一[3]。

      生姜油常規(guī)的提取方法一般采用水蒸氣蒸餾、有機(jī)溶劑浸提和二氧化碳超臨界萃取等方法,水蒸氣蒸餾和有機(jī)溶劑浸提的效率較低,超臨界萃取對(duì)設(shè)備的要求較高[4-6]。三相分離法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較新的提取生物活性成分的方法,通過(guò)將鹽和有機(jī)溶劑加入到含有目標(biāo)物的提取液中,混勻,靜置后分層形成三相,其中上相為有機(jī)溶劑(包含非極性化合物),中間相為酶蛋白的固體層,下相為水相(包含極性化合物),通過(guò)三相分離可以獲得不同目標(biāo)的產(chǎn)物,該方法其具有簡(jiǎn)單、快速和易于放大的優(yōu)點(diǎn),在蛋白、油脂以及多糖的分離提取中應(yīng)用廣泛[7-9]。

      我國(guó)雖然是生姜生產(chǎn)大國(guó),但是生姜制品多是生姜片、生姜粉和生姜汁等初級(jí)加工的產(chǎn)品,其附加值不高,開(kāi)發(fā)生姜中姜油相關(guān)制品是提高生姜產(chǎn)品價(jià)值的有效途徑之一,針對(duì)目前在生姜油提取中存在的問(wèn)題,本文研究采用三相法從生姜中提取生姜油,考察了有機(jī)溶劑的用量、硫酸銨的濃度、提取pH和提取溫度等因素的影響,并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)獲得了最佳提取工藝,為高效提取生姜油提供了新方法。

      1.材料與方法

      (1)材料與儀器

      生姜,購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng);硫酸銨、叔丁醇、鹽酸、氫氧化鈉等化學(xué)試劑購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司,均為分析純。

      64R臺(tái)式高速離心機(jī),美國(guó)貝克曼公司;FA-1004精密電子天平,天津天馬恒基儀器有限公司;JJ-665小型研磨機(jī),浙江永康金味電器有限公司;SK-1快速混勻器,浙江金壇杰瑞爾電器有限公司;RE-201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海力辰儀器科技有限公司;PHS-25酸度計(jì),上海雷磁儀器有限公司。

      (2)三相法分離

      將生姜攪碎成漿,加入20mL濃度為40%(w/v)的硫酸銨溶液中,快速混勻器上處理5min,使之完全混合,然后調(diào)節(jié)pH值為7.0后加入等體積的叔丁醇。以上的混合物在35℃振蕩水浴鍋中充分振蕩60min,然后4000r/min的條件下離心10min使三相分層明顯,用注射器吸取上層的有機(jī)溶劑,放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓蒸發(fā),收集瓶中所得到的液體即為生姜油,將收集瓶稱(chēng)重,通過(guò)前后的重量差別得到生姜油的質(zhì)量。

      在以上初始條件的情況上,進(jìn)行單因素優(yōu)化,然后在此基礎(chǔ)上選取叔丁醇的用量、硫酸銨濃度、pH值和溫度這4個(gè)因素,每個(gè)因素考察3個(gè)水平,以生姜油的提取率為指標(biāo),進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),獲得最佳提取工藝。

      2.結(jié)果與分析

      (1)單因素實(shí)驗(yàn)

      ①叔丁醇用量對(duì)提取的影響

      叔丁醇相比較其他溶劑,其揮發(fā)性比較小,容易成相,是三相分離中最常用的有機(jī)溶劑。另外,叔丁醇的熔點(diǎn)較低,在低溫下就可以凝固,因此在油脂的提取中后期可以采用低溫凝固的方法實(shí)現(xiàn)叔丁醇與油脂的快速分離,很適合油脂的大規(guī)模的提取,這也是三相法提取油脂的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)[10]。固定提取液的體積,改變叔丁醇的用量考察其對(duì)提取的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,從圖中可以看出,隨著叔丁醇用量的增加,生姜油的提取率越來(lái)越高,當(dāng)提取液與叔丁醇的比例達(dá)到1.0:1.5的時(shí)候,基本達(dá)到平衡,這說(shuō)明叔丁醇的量已經(jīng)達(dá)到足夠能夠把生姜油從植物組織的間隙以及油水界面提取到有機(jī)相中,進(jìn)一步提高叔丁醇的用量會(huì)造成成本的增加。

      圖1 叔丁醇用量對(duì)提取的影響

      ②硫酸銨濃度對(duì)提取的影響

      圖2 硫酸銨濃度對(duì)提取的影響

      圖3 pH值對(duì)提取的影響

      一定濃度的硫酸銨可以使原本互溶的叔丁醇和水互不相溶,在成相的過(guò)程中起著重要的作用,圖2顯示了不同硫酸氨濃度下的提取情況,看出在一定范圍內(nèi),隨著硫酸氨濃度的增加生姜油的提取率也隨之增加,濃度過(guò)低,三相無(wú)法形成;但是濃度過(guò)高反而會(huì)使提取率下降,可能是高濃度的硫酸銨使生姜中的蛋白質(zhì)發(fā)生了變性,變性的蛋白結(jié)構(gòu)比較緊密,聚集在中間層或者粘附在生姜組織間隙,抑制了生姜油向叔丁醇的有效擴(kuò)散,因此當(dāng)硫酸銨的濃度為45%時(shí)是最佳。

      ③pH對(duì)提取的影響

      pH值是三相分離中的重要參數(shù),不同的pH值條件下生物大分子的帶電狀態(tài)不同,從而影響其在不同相中的分配系數(shù),在生姜油的提取過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)盡量使蛋白從植物組織中游離出來(lái)從而有利于油脂的釋放,圖3顯示了不同pH條件下對(duì)提取的影響,由圖可以看出在pH6.0的條件下,提取率最高,這可能是這是生姜中多數(shù)蛋白的等電點(diǎn),在等電點(diǎn)附近蛋白容易在中間相積累。

      ④溫度對(duì)提取的影響

      在三相分離過(guò)程中,溫度將三相體系的傳質(zhì)效率有很大的影響。溫度較低時(shí),傳質(zhì)效率會(huì)變低,特別是叔丁醇的熔點(diǎn)較低,低溫下其流動(dòng)性較差,導(dǎo)致形成三相時(shí)間過(guò)長(zhǎng);溫度較高雖然可以提高三相體系的傳質(zhì)效率,但可以使生姜中的蛋白質(zhì)變性失活,從而影響生姜油的提取。圖4顯示了在不同溫度下的提取情況,由圖可以看出在40℃的情況下,生姜油的提取效果最好。

      圖4 溫度對(duì)提取的影響

      (2)正交試驗(yàn)

      表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

      在以上單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用L9(34)的正交實(shí)驗(yàn),其具體數(shù)據(jù)如表1所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

      表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      由表2可知,最優(yōu)組合水平為A2、B3、C3、D2,即料液與叔丁醇比為1:1.5(w/w),硫酸銨的量為50%,pH值為7.0,提取溫度為40℃。在最佳提取條件下,其提取率為3.56%。提取的效果如圖5所示,其中上相為含有生姜油的有機(jī)相,中間的固相層含有蛋白(一般為生姜蛋白酶)以及生姜的粗纖維,下相一般為生姜多糖以及含有少量的生姜淀粉的沉淀。由此可以看出,采用三相法提取生姜油,能夠同時(shí)獲得蛋白、多糖以及淀粉,達(dá)到一步提取可以得到多種有效成分的目的,實(shí)現(xiàn)生姜的綜合利用,其效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他的提取方法。

      圖5 三相法提取生姜油

      3.結(jié)論

      采用三相法提取生姜油,當(dāng)料液與叔丁醇比為1:1.5(w/w),硫酸銨的量為50%,pH值為7.0,提取溫度為40℃時(shí),提取效果最好,提取率可以達(dá)到3.56%。該方法簡(jiǎn)單、高效,為生姜的深加工提供了一個(gè)新方法。

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