姜辣素的超声波法提取及其抑菌活性研究

李萍，舒展，胡矗垚，闫静坤，汪青青

（天津农学院基础科学学院，天津 300384）

姜辣素的超声波法提取及其抑菌活性研究

李萍，舒展，胡矗垚，闫静坤，汪青青

（天津农学院基础科学学院，天津 300384）

以生姜为原料，用超声波法提取姜辣素。利用正交试验优化提取工艺并采用琼脂-孔洞扩散法测定姜辣素的抑菌活性。结果表明：最佳提取工艺条件为物料粉碎度60～80目、超声时间15 min、超声功率231 W、料液比1∶25（g／m L）、超声温度80℃，在此条件下姜辣素的含量达到6.896%。影响姜辣素提取的因素次序为：料液比＞超声功率＞物料粉碎度＞超声温度＞超声时间。抑菌活性试验表明：在试验浓度范围内，姜辣素对细菌有一定程度的抑制活性，抑菌效果属于中度敏感，对啤酒酵母、酿酒酵母、青霉和黑曲霉没有抑制效果。综上所述，超声波法操作简单，是提取姜辣素的可行方法，姜辣素作为植物源防腐剂具有一定的参考价值。

姜辣素；超声波提取；工艺优化；抑菌活性

生姜是一种重要的香辛料，主要活性成分是挥发性的姜精油和非挥发性的姜辣素。姜辣素是生姜体现辛辣味的重要原因，包括姜酚、姜烯酚、姜酮、姜醇类物质［1］。研究表明：姜辣素具有抗菌［2］、抗氧化［3］、驱虫［4］和抗癌［5］等活性，在食品和医药领域应用广泛。

姜辣素的提取方法有：溶剂浸提法、酶法、超临界流体萃取法和超声波法等［6－9］。溶剂浸提法操作简单，但时间长，能耗大，产物杂质较多；超临界流体萃取法条件温和，不使用有机溶剂，但操作成本昂贵；酶法是提取姜辣素的较新方法，但成本较高，且酶的活性受提取温度的影响较大；近年来，超声波法由于具有操作简单、能耗低、产率高等优点，在天然产物提取方面得到广泛应用［10－12］。如刘伟等［13］用超声波法萃取生姜中的姜辣素并优化了萃取工艺；李小龙等［14］报道了超声波辅助纤维素酶法提取泡姜中姜辣素的最佳工艺条件；唐仕荣等［15］研究了超声波法提取姜辣素的工艺条件及姜辣素的抗氧化活性。国内关于超声波法提取姜辣素的报道大多只停留在对提取工艺的探讨，缺乏对姜辣素抑菌活性的研究，国外文献也鲜见关于姜辣素抑菌活性方面的报道。因此，本试验采用超声波法提取生姜中的姜辣素，在单因素试验基础上，利用正交试验优化提取工艺并对姜辣素的抑菌活性进行研究，旨在为姜辣素的超声波法提取及其作为植物源食品保鲜剂的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与菌种

生姜：购于超市；微生物：大肠杆菌、产气肠杆菌、嗜水气单胞菌、恶臭假单胞菌、枯草芽孢杆菌、啤酒酵母、酿酒酵母、青霉和黑曲霉，均由我校农学与资源环境学院微生物实验室提供。

1.2 药品与仪器

香草醛（纯度99.0%）、无水乙醇、乙酸乙酯、石油醚（60～90℃）、环己烷、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）：均为国产分析纯。粉碎机：北京燕山正德机械设备有限公司；Elmasonic P180H超声波清洗器：德国Elma公司；1800型紫外-可见分光光度计：日本岛津公司；R-215型旋转蒸发仪：瑞士Buchi公司；DX-35BI型立式压力蒸汽灭菌锅：上海博迅实业有限公司；生物安全柜：德国Thermo Fisher Scientific公司；LRH-250-S型恒温培养箱：广东省医疗器械厂。

1.3 试验方法

1.3.1 姜辣素的提取

材料预处理：生姜洗净、切片，自然风干，粉碎，过筛，备用。姜辣素的提取：称取1 g姜粉（精确至0.0001 g），按照一定料液比加入溶剂，混匀，超声提取，所得混合物冷却至室温，4000 r／min离心15 min，记录上清液体积并测定其中的姜辣素含量。

1.3.2 姜辣素含量的测定

采用紫外-可见分光光度法测定姜辣素含量。由于姜辣素没有标准品，香草醛和姜辣素基本母核相似，因此采用香草醛溶液绘制姜辣素测定用的标准曲线。测定波长的选择：香草醛不同溶剂的溶液和姜辣素不同溶剂的超声波提取液进行波长扫描。结果表明（见表2）：香草醛无水乙醇溶液和姜辣素无水乙醇超声波提取液最大吸收波长一致，因此选择香草醛无水乙醇溶液绘制标准曲线。

标准曲线的制作：吸取浓度为20.0μg／m L的香草醛无水乙醇溶液1，2，3，4，5，6，7 m L分别置于10 m L容量瓶中，无水乙醇定容，摇匀，以无水乙醇为空白，在最大吸收波长处测定吸光度，绘制标准曲线，吸光度A与浓度C（单位：μg／m L）的线性回归方程为A＝0.0539C＋0.015，R2＝0.9993。

姜辣素含量的测定［16］：吸取适量姜辣素超声波提取、离心后的上清液，用无水乙醇稀释，定容，最大吸收波长处测定吸光度，按下式计算上清液中的姜辣素含量。

式中：N为由回归方程计算得到的香草醛浓度，μg／mL；V为上清液体积，mL；M为姜粉质量，换算成μg；2.003为香草醛换算成姜辣素的系数。

1.3.3 姜辣素提取的单因素试验

1.3.3.1 物料粉碎度对姜辣素提取的影响

6份姜粉（＜20，20～40，40～60，60～80，80～100，＞100目）按料液比1∶30（g／m L）加入无水乙醇，超声条件：30 min，330 W，50℃，按1.3.1项下方法提取姜辣素，按1.3.2项下方法测定姜辣素含量。

1.3.3.2 超声时间对姜辣素提取的影响

7份姜粉（60～80目）按料液比1∶30（g／m L）加入无水乙醇，超声条件：330 W，50℃，时间分别为5，10，15，20，25，30，35 min，按1.3.1项下方法提取姜辣素，按1.3.2项下方法测定姜辣素含量。

1.3.3.3 超声功率对姜辣素提取的影响

7份姜粉（60～80目）按料液比1∶30（g／m L）加入无水乙醇，超声条件：20 min，50℃，功率分别为132，165，198，231，264，297，330 W，按1.3.1项下方法提取姜辣素，按1.3.2项下方法测定姜辣素含量。

1.3.3.4 料液比对姜辣素提取的影响

7份姜粉（60～80目）分别按照料液比1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40（g／mL）加入无水乙醇，超声条件：20 min，198 W，50℃，按1.3.1项下方法提取姜辣素，按1.3.2项下方法测定姜辣素含量。

1.3.3.5 超声温度对姜辣素提取的影响

6份姜粉（60～80目）按料液比1∶20（g／m L）加入无水乙醇，超声条件：20 min，198 W，超声温度分别为30，40，50，60，70，80℃，按1.3.1项下方法提取姜辣素，按1.3.2项下方法测定姜辣素含量。

1.3.4 姜辣素提取的正交试验

在单因素试验基础上，以姜辣素的含量为评价指标，用L18（37）正交表安排试验，优化提取工艺条件，因素及水平设计见表1。

表1 正交试验因素及水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.5 姜辣素抑菌活性的测定

1.3.5.1 菌悬液的制备

细菌用平板计数法测定菌落数［17］，酵母用血球计数法计算菌落数。将细菌和酵母菌用无菌水稀释，分别制成含菌数为107cfu／m L的菌悬液。霉菌用无菌水冲洗并收集孢子，配成孢子数为107个／m L的菌悬液。

1.3.5.2 供试样品溶液的配制

姜辣素超声波提取、离心后的上清液用旋转蒸发仪浓缩，按照1.3.2项下方法测定其中的姜辣素含量为7.29μg／m L，用DMF作溶剂，采用3倍连续稀释法配制不同浓度的样品溶液。参照文献［18］的方法，采用琼脂-孔洞扩散法测定姜辣素的抑菌活性。

2 结果与分析

2.1 溶剂对姜辣素提取的影响

4份姜粉（40～60目）按料液比1∶30（g／m L）分别加入无水乙醇、乙酸乙酯、石油醚、环己烷，超声条件：30 min，330 W，50℃，按1.3.1项下方法提取姜辣素。香草醛不同溶剂的溶液和姜辣素不同溶剂的超声波提取液波长扫描结果见图1。同时，绘制各溶剂的香草醛标准曲线，按1.3.2项下方法测定姜辣素含量，结果见表2。

图1 香草醛和姜辣素不同溶剂的溶液波长扫描结果Fig.1 Scanning results of solution wavelength of vanillin and gingerol

表2 不同溶剂的波长扫描和姜辣素含量的测定结果Table 2 Determination results of wavelength scanning and gingerol content of different solvents

由表2可知，香草醛无水乙醇溶液与姜辣素无水乙醇超声波提取液的最大吸收波长一致，均为280 nm，且用无水乙醇作为溶剂，姜辣素含量最高。因此，用无水乙醇作为溶剂提取姜辣素，在280 nm处测定的姜辣素含量最高。

2.2 姜辣素提取的单因素试验结果与分析

2.2.1 物料粉碎度对姜辣素提取的影响

物料粉碎度对姜辣素提取的影响结果见图2。

图2 物料粉碎度对姜辣素提取的影响Fig.2 Effect of material grinding degree on the extraction of gingerol

由图2可知，随着物料粉碎程度的增加，姜辣素含量先增大后减小，60～80目达到最大。物料粒度小，可以增加与溶剂的接触面积，利于姜辣素的溶出，但过大的粉碎度会造成物料间的粘连，不利于提取过程。因此，选择60～80目比较适宜。

2.2.2 超声时间对姜辣素提取的影响

超声时间对姜辣素提取的影响结果见图3。

图3 超声时间对姜辣素提取的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on the extraction of gingerol

由图3可知，随着超声时间的延长，姜辣素的含量增加，20 min时达到最大，此后再增加时间，姜辣素含量反而下降。因此，选择超声时间为20 min比较适宜。

2.2.3 超声功率对姜辣素提取的影响

超声功率对姜辣素提取的影响结果见图4。

图4 超声功率对姜辣素提取的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on the extraction of gingerol

由图4可知，随着超声功率的增加，姜辣素的含量增大，198 W时达到最大，此后再增大功率，姜辣素含量反而下降。因此，选择198 W为最佳超声功率。

2.2.4 料液比对姜辣素提取的影响

料液比对姜辣素提取的影响结果见图5。

图5 料液比对姜辣素提取的影响Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of gingerol

由图5可知，随着溶剂用量的增加，姜辣素含量先增大后减小，料液比为1∶20时达到最大。因此，选择1∶20为最佳料液比。

2.2.5 超声温度对姜辣素提取的影响

超声温度对姜辣素提取的影响结果见图6。

图6 超声温度对姜辣素提取的影响Fig.6 Effect of ultrasonic temperature on the extraction of gingerol

由图6可知，姜辣素的含量随着超声温度的升高先增加后减小，70℃时最高。温度升高，有利于姜辣素的溶出，但温度过高时，在超声作用下导致姜辣素损失。因此，最佳超声温度选择70℃。

2.3 姜辣素提取的正交试验结果与分析

2.3.1 正交试验结果

姜辣素的超声波法提取工艺条件的正交试验优化结果见表3。

表3 正交试验结果Table 3 Results of the orthogonal test

续 表

由表3可知，姜辣素提取的最佳工艺条件为：A2B1C3D3E3，即物料粉碎度60～80目、超声时间15 min、超声功率231 W、料液比1∶25（g／m L）、超声温度80℃。极差分析表明：影响姜辣素提取的因素次序为D＞C＞A＞E＞B，即料液比＞超声功率＞物料粉碎度＞超声温度＞超声时间。

2.3.2 验证试验

对最佳工艺条件进行5次验证，姜辣素平均含量为6.896%，RSD为0.46%，表明最佳工艺条件正确、稳定。此外，我们采用超声波法提取姜辣素的含量与项敏等［19］和李晓安［20］报道的结果一致，而高于唐仕荣等［21］、雍其欢等报道的结果。

2.4 姜辣素抑菌活性的测定结果

姜辣素对供试微生物的抑制效果见表4。

表4 姜辣素对供试微生物的抑菌圈直径（mm）Table 4 The inhibition zone diameter（mm）of gingerol against tested microorganisms

抑菌效果评定标准：抑菌圈直径＞15 mm为高度敏感，10～15 mm为中度敏感，7～9 mm为低度敏感，没有抑菌圈为不敏感［22］。由表4可知，在试验浓度范围内，姜辣素对供试革兰氏阴性菌和阳性菌有一定程度的抑菌活性，但抑菌效果属于中度敏感，这与Gao等［23］的研究结果一致，且抑菌活性随着姜辣素浓度的降低而下降，姜辣素对啤酒酵母、酿酒酵母、黑曲霉和青霉没有抑制效果。

3 结论

采用超声波法提取生姜中的姜辣素，最佳工艺条件为：物料粉碎度60～80目、超声时间15 min、超声功率231 W、料液比1∶25（g／m L）、超声温度80℃，在此条件下姜辣素的含量达到6.896%。影响姜辣素提取的因素次序为：料液比＞超声功率＞物料粉碎度＞超声温度＞超声时间。在试验浓度范围内，姜辣素对细菌有一定程度的抑制活性，抑菌效果属于中度敏感，对啤酒酵母、酿酒酵母、黑曲霉和青霉没有抑制效果。综上所述，超声波法操作简单、能耗低，是提取姜辣素的可行方法，姜辣素作为植物源防腐剂具有一定的参考价值。

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Ultrasonic Extraction of Gingerol and lts Antibacterial Activity

LI Ping，SHU Zhan，HU Chu-yao，YAN Jing-kun，WANG Qing-qing
（College of Basic Science，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China）

Ultrasonic extraction technology is employed to extract gingerol from ginger.Orthogonal tests are used to optimize the extraction conditions and the antibacterial activity of gingerol is also investigated by agar-hole diffusion assay.The results show that the optimal extraction conditions are as follows：grinding degree of the material is 60～80 mesh，ultrasonic timeis 15 min，ultrasonic power is 231 W，solid-liquid ratio is 1∶25（g／m L），ultrasonic temperature is 80℃，under such conditions，the content of gingerol could reach 6.896%.The factors affecting the extraction of gingerol are in the order of solid-liquid ratio＞ultrasonic power＞grinding degree of the material＞ultrasonic temperature＞ultrasonic time.The antibacterial activity assay shows that gingerol has some degree of inhibitory effect on bacteria and the inhibitory effect is moderately sensitive，but it has no inhibitory activity against yeast and mold，including Beer yeast，Saccharomyces cerevisiae，PenicilliumandAspergillus nigerin the range of experimental concentration.In conclusion，ultrasonic extraction is a feasible method for the extraction of gingerol from ginger with simple operation and gingerol has a certain reference value as a plant source preservative.

gingerol；ultrasonic extraction；process optimization；antibacterial activity

TS207.3

A

10.3969／j.issn.1000-9973.2017.10.035

1000-9973（2017）10-0160-05

2017－04－20

李萍（1979－），女，讲师，硕士，主要从事天然产物有效成分的提取和应用方面的研究。