超低温冻融联合超声对生姜中姜辣素提取的影响

于博+张瑶+吴进菊+余海忠+刘松

摘要：采用超低温冻融联合超声技术提取生姜中的姜辣素，分析乙醇体积分数、冻融次数、料液比、超声时间、超声温度对姜辣素提取率的影响，利用响应面法优化超低温冻融联合超声技术提取姜辣素工艺。结果表明，姜辣素最佳提取工艺条件是60%乙醇为提取剂，冻融2次，料液比为1 g ∶ 15 mL，47 ℃超声40 min，该条件下姜辣素的提取率为298%，与模拟预测值3.05%较为接近。

关键词：超低温冻融；超声；提取；生姜；姜辣素；提取率

中图分类号： TS202.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）20-0206-03

姜是姜科姜属多年生药食同源草本植物，在传统食品中主要用于香辛调味料[1]。我国生姜资源丰富，是世界上生姜的主要种植地域，年出口量约占世界生姜总出口量的40%。但是，我国生姜的深加工和综合利用水平较低，产品主要以鲜姜、干姜、姜粉为主[2]，加工附加值相对较低，产业链亟需拓展。

姜辣素是生姜特征风味的主要呈味物质，是一种具有优良特性的天然食品添加剂，具有抗氧化、着色、呈味等多重效果，可广泛应用于食品、药品、调味品、化妆品等领域。现代科学研究表明，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、治疗糖尿病及代谢综合征、治疗肠道疾病、抗风湿、抗动脉粥样硬化等功效[3-6]，主要采用溶剂法提取[7-8]，常用的溶剂包括乙醇、丙酮等，但提取效率相对较低。超声或微波辅助提取技术是近几年研究的热点[9-12]，提取效率优于传统溶剂提取，但姜辣素的稳定性较差，尤其在溶剂提取或受热时下降明显。低温冻融是一种温和的样品预处理方式，可有效避免高温对功能性热敏因子的破坏，目前已用于植物多糖、色素、酶等提取中[13-15]。本研究采用超低温冻融预处理技术，旨在通过反复冻融的重结晶作用，机械破坏生姜颗粒细胞结构，辅以超声溶剂的萃取，以期提高姜辣素的溶出效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

生姜，购自湖北省襄阳市农贸市场。无水乙醇、95%乙醇、香草醛及其他试剂，均为国产分析纯。

1.2 试验仪器

GZX-9030MBE数显鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂生产；LD-Y300A型高速万能粉碎机，上海顶帅电器有限公司生产；AR2130电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司生产；FORMA-86C ULT冰箱，美国赛默飞世尔科技公司生产；D37520小型高速离心机，GERMANY公司生产；KQ-500E型超聲波清洗器，昆山市超声仪器有限公司生产；UV-1800PC紫外/可见分光光度计，上海美普达仪器有限公司生产。

1.3 试验方法

1.3.1 姜辣素提取流程与含量测定[8] 生姜清洗、切片，60 ℃ 烘干；粉碎，过140目筛；准确称取姜粉0.050 0 g，加水冻融，加醇超声提取；离心，取上清液，过滤；准确吸取200 μL样品供试液置于10 mL容量瓶中，用95%乙醇（体积分数，下同）稀释取样定容，摇匀；以95%乙醇为空白，用1 cm比色皿测量波长为 280 nm 处的吸光度；采用紫外分光光度计法，通过香草醛标准曲线来计算姜辣素含量，公式为：

式中：2.003为香草醛换算姜辣素的系数；C为吸光度在标准曲线回归方程中的香草醛质量浓度，μg/mL；V0为样品提取液总体积，mL；V1为测定样品液总体积，mL；V2为测定时吸取的样品供试液体积，mL；m为样品质量，g；106为将克换算成微克时的换算倍数。

1.3.3 单因素试验 姜辣素提取与含量测定条件除某个单因素发生变化外，其他提取条件不变。单因素不同提取条件有：乙醇体积分数分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%；料液比分别为1 ∶ 10、1 ∶ 15、1 ∶ 20、1 ∶ 25、1 ∶ 30（g ∶ mL）；超低温冻融次数分别为0、1、2、3、4、5、6、7次；超声时间分别为10、20、30、40、50、60 min；超声温度分别为30、40、50、60、70、80 ℃。

1.3.4 响应面试验 根据单因素试验结果，利用Design-Expert 8.05软件进行响应曲面设计，分析乙醇体积分数、料液比、超声时间、超声温度4个因素及其交互作用对姜辣素提取率的影响，优化姜辣素提取工艺条件，因素水平见表1。

2 结果与分析

2.1 单因素对姜辣素提取率的影响

2.1.1 乙醇体积分数 由图1可见，随乙醇体积分数的增加，姜辣素提取率呈先升后降趋势，乙醇体积分数为30%～50%时，姜辣素提取率随乙醇体积分数的增加而增加，乙醇体积分数为50%～80%时，姜辣素提取率随乙醇体积分数的增加而明显下降；乙醇体积分数为50%时，姜辣素的提取率达到最大值。因此，确定姜辣素提取最佳乙醇体积分数为50%。

2.1.2 料液比 由图2可见，随溶剂量的增加，姜辣素提取率呈先上后降趋势；料液比为1 g ∶ 15 mL～1 g ∶ 30 mL时，姜辣素提取率处于较高水平，从节约试剂和姜辣素提取效果考虑，选择适合的料液比为1 g ∶ 20 mL。

2.1.3 冻融次数 由图3可见，随冻融次数的增加，姜辣素提取率呈先升后降趋势；冻融次数为0～2次时，姜辣素的提取率随冻融次数的增加而增加，冻融次数大于2次，姜辣素的提取率随冻融次数的增加而减少，这可能是由于冻融过程会发生重结晶现象而使体积膨胀，从而对姜粉颗粒的细胞壁造成破坏，细胞内有效成分溶出，但当冻融次数过量时，这种体积膨胀效应也会对姜辣素造成破坏，使姜辣素的提取率降低；冻融次数为2次时，姜辣素的提取率相对最高，故姜辣素提取最适冻融次数为2次。

2.1.4 超声时间 由图4可见，随超声时间的增加，姜辣素的提取率呈先升后降趋势；超声时间为40 min时，姜辣素的提取率达到最大值，这可能是适度超声时间，超声波对姜粉的作用越充分，但当超声波处理时间过长时，局部过热可能会导致姜辣素被破坏。因此，确定姜辣素提取最适超声时间为40 min。endprint

2.1.5 超声温度 由图5可见，随超声温度的增加，姜辣素提取率呈先升后降趋势；超声温度为60 ℃时，姜辣素的提取率相对最高，这可能是由于温度升高，促进了溶剂分子和姜辣素分子之间的扩散作用，两者间的接触面积扩大，从而提高了姜辣素的提取率，但当温度过高时，溶剂挥发加快，溶剂量减少，同时高温使部分姜辣素被分解破坏，从而导致姜辣素的提取率下降。因此，姜辣素提取的适宜超声温度为60 ℃。

2.2 响应面法优化姜辣素提取工艺

根据表2试验数据，利用Design-Expert 8.05软件得到姜辣素提取率相对应于乙醇浓度、料液比、超声时间、超声温度这4个因素的二次多项回归模型为：

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。

对该模型进行回归方差分析及回归模型系数显著性检验。由表3可见，模型的一次项A、B、D极显著，C不显著；二次项C2、D2极显著，A2显著；交互项AB、AC、AD、BC极显著，BD、CD不显著，各种影响因素对姜辣素提取率的影响不是简单的线性关系；影响姜辣素提取的因素主次顺序为料液比>乙醇体积分数>超声温度>超声时间；失拟项P值为 0.791 9，不显著，R2为0.993 8，说明模型拟合程度良好，可用此模型来分析和预测姜辣素的提取率。根据该数学模型，应用响应面设计法优化出姜辣素提取的最佳工艺条件为乙醇体积分数60%、料液比1 g ∶ 15 mL、超声时间40 min、超声温度46.75 ℃，此时提取率响应值为3.05%。为验证预测结果，在优化条件下试验重复3次，考虑到温度控制，将温度确定为47 ℃，得到姜辣素的平均提取率为2.98%，与理论值较为接近，因此，基于响应曲面法所得的优化工艺条件准确可靠，具有实用价值。

3 结论

张鲁明等采用乙醇提取姜辣素的工艺条件下对姜辣素的提取率为1.61%[16]，陈莉华等采用微波辅助乙醇提取姜辣素的条件下对姜辣素的提取率为1.76%[17]，而本研究在考察乙醇体积分数、冻融次数、料液比、超声时间、超声温度等单因素对姜辣素提取率的试验基础上，明确影响姜辣素提取的主次因素顺序为料液比>乙醇体积分数>超声温度>超声时间，响应曲面优化后的姜辣素提取工艺条件为料液比 1 g ∶ 15 mL、乙醇体积分数60%、超声温度47 ℃、超声时间40 min，姜辣素的提取率为2.98%，与预测值3.05%接近，采用超低温冻融联合超声技术明显提升了姜辣素的提取率。

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