超声波辅助醇碱提取法提取生姜多糖工艺研究

李立恒 刘明新 胡超 兰时乐

摘 要：以生姜粉为原料，采用超声波辅助醇碱提取法进行料液比、提取乙醇添加量、碱浓度、提取温度和时间的单因素试验，然后在此基础上选取影响比较显著的提取乙醇添加量、碱浓度、提取温度和时间采用四因素三水平的正交试验对提取条件进行优化。结果表明：生姜多糖提取的最优工艺参数为：料液比1︰20，碱浓度0.001 mol·L-1，乙醇添加量5%，温度80 ℃，时间2.0 h。在最佳工艺参数条件下生姜多糖提取率为33.06%。

关键词：生姜;多糖;超声波;醇碱

Abstract：The single test was carried on the material to liquid， ethanol addition， alkali content， temperature and time through ultrasonic assisted alcohol and alkali extraction using ginger powder as raw material. The conditions for extraction of polysaccharides were optimized through orthogonal experiment of 4 factors and 3 levels on the ethanol addition， alkali content， temperature and time. The results showed that the optimal process parameters on the extraction of ginger polysaccharide was 1∶20 of material to liquid， 0.001 mol·L-1 of alkili content， 5% of ethanol addition， 80 ℃ of temperature and 2.0 h of time.The extraction rate of ginger polysaccharide reached 33.06% on the optimum process parameters.

Key words：Ginger; Polysaccharide; Ultrasonic; Alcohol and alkili

生姜，是姜科植物姜（Zingiber officinale Rosc.）的新鮮根茎。生姜中含有多种活性物质，如姜精油（0.15%～0.17%）、多糖类（5.97%）、烯类（61.41%）和黄酮类（2.63%），此外还有甾醇类、姜油树脂，姜黄素，姜辣素等[1]。研究表明，生姜有明显的抗菌、抗炎、抗氧化、抗溃疡、抗衰老、清除自由基、降血脂、治疗心脑血管疾病等药用保健功能，同时还具有抗血小板凝集、保护胃黏膜、保肝利胆和抗过敏、抗肿瘤、止呕吐、抗5-HT3等功效[2];因此生姜多糖具有广泛的药用价值。本文通过单因素试验和正交试验，对生姜多糖的提取工艺进行探讨，为生姜多糖提取的工业化生产提供了重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料。生姜粉：市购新鲜生姜，洗净后切片，60 ℃烘箱中干燥24 h，取出后磨成细粉，密封后保存待用。

仪器。KM3200DE台式超声波清洗器（超声功率150 W，超声频率40 KHz）;Himac CR21G型高速冷冻离心机（Hitachi）;722型分光光度计（上海光谱仪器有限公司）;试剂均为国产分析纯。

1.2 方法

1.2.1 生姜多糖提取的单因素试验

基本提取条件为料液比1∶15，碱浓度0.003 mol·L-1，提取乙醇添加量15%，温度80 ℃，时间1.0 h，醇沉乙醇添加量3.0倍。具体操作步骤为：①脱脂。准确称取1.0 g生姜粉末，按1︰15（W/V）加入石油醚振荡脱脂6.0 h，过滤[2]得滤渣。②提取。过滤后的生姜粉末，添加含碱和乙醇的溶液，超声波水浴提取，过滤得滤液。③脱蛋白。向滤液中添加鞣酸至1.0%，煮沸15 min，冷却后静置12.0 h进行脱蛋白[3]。④脱色。向溶液中加过氧化氢至7.0%，55 ℃条件下水浴3.0 h脱色。过滤得滤液[4]。⑤醇沉。滤液添加3倍95%的乙醇醇沉过夜。10 000 r·min-1离心10 min，弃上清液。⑥测定。沉淀溶解后定容至1 000 mL，取0.2 mL用硫酸-蒽酮法测定多糖含量y[5]，计算多糖提取率。提取率=y×5 000×0.9/1 000/生姜重量×100%在基本提取条件基础上，分别改变料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30和1∶35）、碱浓度（0.001、0.003、0.005、0.007、0.009 mol·L-1和0.011 mol·L-1）、提取乙醇添加量（5.0%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%和30.0%）、温度（55、60、65、70、75 ℃和80 ℃）和提取时间（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h、3.0 h和3.5 h），在基本提取条件下提取，测定多糖提取率，根据测定的结果确定最佳料液比、碱浓度、提取乙醇添加量、温度和时间。

1.2.2 生姜多糖的正交提取试验设计[6]

在单因素试验的基础上，选取影响比较显著的碱浓度、提取乙醇添加量、温度和时间采用L9（34）进行正交试验（表1），利用正交试验设计软件通过极差分析，优选出生姜多糖提取的最佳工艺参数。

2 结果与分析

2.1 料液比对生姜多糖提取率的影响

由图1知，料液比为1∶20时，多糖提取率最高。溶剂太少时生姜原料中的多糖不能很好的溶解于提取液中，大部分多糖仍存留在料渣中;当料液增加时，随着水含量的增加，在醇沉时，部分多糖可能未能沉淀下来，致使提取率下降;因此料液比为1∶20时对生姜多糖提取最为适宜。

2.2 提取乙醇添加量对生姜多糖提取率的影响

由图2知，提取乙醇添加量为10%时，生姜多糖的提取率最高。说明适量的乙醇添加有助于水溶性多糖的溶解;但是乙醇添加量过大，水溶解的多糖又会沉淀在过滤残渣中，从而导致多糖提取率下降。因此提取乙醇添加量10%时生姜多糖提取最为适宜。

2.3 碱浓度对生姜多糖提取率的影响

由图3可知，料液碱浓度为0.003 mol·L-1时，提取时生姜多糖的提取率最高，为32.03%。在碱性环境下，细胞更容易被破坏，将细胞内的物质溶解出来;但是碱浓度过大，强碱性环境下，多糖的结构极易被破坏，而且容易发生皂化反应，使提取液黏度过大，生姜多糖不能及时溶解于料液中，致使多糖提取率下降，因此料液碱浓度为0.003 mol·L-1时生姜多糖提取最适宜。

2.4 提取温度对生姜多糖提取率的影响

由图4可知，温度低于75 ℃时，生姜多糖的提取率随着提取温度的增加而呈现上升的趋势;当温度超过75 ℃后，多糖提取率反而下降，说明超过一定温度，多糖结构易被破坏分解。在低温时随着温度上升，分子热运动速度加快，多糖溶解速度加快;但是温度超过一定值时，分子热运动达到平衡，多糖的溶解速度达到最高值，相反随着温度的升高，多糖分解速率增大，导致提取率下降。因此75 ℃为生姜多糖的最适提取温度。

2.5 提取时间对生姜多糖提取率的影响

由图5可知，提取时间不能超过2.5 h，随着时间延长，多糖分子扩散变得更充分，生姜多糖的提取率增大;超过2.5 h，多糖已基本溶出，多糖结构破坏，多糖提取率下降。因此提取时间为2.5 h时生姜多糖提取最为适宜。

2.6 生姜多糖提取的正交试验

根据单因素试验结果，综合各元素相互作用对生姜多糖提取得率的影响，采用L9（34）正交设计对生姜多糖提取的工艺参数进行了优化。正交试验的结果及极差分析见表2。

由表2极差分析结果可知，影响生姜多糖提取率的各因素主次关系为：D（时间）>C（温度）>A（碱浓度）>B（乙醇添加量），由k值得，生姜多糖提取的最优工艺参数为A1B1C3D1，由正交试验表得最优组合为A1B3C3D3，最优组合不在正交试验表中，需进行验证试验。

从表3验证实验可以看出，优化组生姜多糖提取率比正交试验设计表中多糖提取率最高的3组提高了2.54个百分点，说明碱浓度0.001 mol·L-1，乙醇添加量5%，温度80 ℃，时间2.0 h是生姜多糖提取的最优工艺参数。与多糖在最基本条件下提取相比提取率提高了16.19个百分点。

3 讨论

目前植物多糖的提取主要采取溶剂提取、超声波與微波辅助提取和酶法提取共3种方法。溶剂提取、超声波与微波辅助提取和酶法提取文献报道较多，但超声波辅助醇碱提取鲜有报道。本文采用超声波辅助醇碱提取法，通过单因素和正交试验，对生姜多糖的提取工艺进行了研究，获得了最优工艺参数，多糖提取率达到了33.06%，与传统溶剂提取法[2]相比，多糖提取率提高了4倍;与复合酶法[7]相比，提高近2倍;与超声波-微波协同萃取法[8]相比较提高了50%，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]Chrubasik S，Pittler M H，Roufogalis B D.Zingiberis rhizoma：a comprehensive review on the ginger effect and efficacy profiles[J].Phytomedicine ： international journal of phytotherapy and phytopharmacology，2005，12（9）：684-701.

[2]侯英梅，吴少福，沈勇根.生姜多糖的提取工艺研究[J].江西农业大学学报，2007（3）：466-469.

[3]王 珊，黄胜阳.植物多糖提取液脱蛋白方法的研究进展[J].食品科技，2012，37（9）：188-191.

[4]陈 健，耿安静，俆晓飞.香菇多糖的过氧化氢脱色工艺研究[J].食品工业科技，2010，31（3）：293-295.

[5]张惟杰.复合多糖生化研究技术（第一版）[M].上海：科学技术出版社，1987.

[6]明道绪.生物统计附试验设计[M].北京：中国农业出版社，2002.

[7]马利华，秦卫东，贺菊萍，等.复合酶法提取多糖[J].食品科学，2008（8）：369-371.

[8]刘全德，唐仕荣，王卫东，等.响应曲面法优化超声波-微波协同萃取多糖工艺[J].食品科学，2010，31（18）：124-128.