超声波辅助法提取姜黄素工艺优化研究

金 杰，王秀杰，王 季，孙 蓓

（江苏省徐州医药高等职业学校，江苏徐州221116）

姜黄（Curcuma longa L.）是多年生草本植物，姜科姜黄属，丛生，根粗壮，末端膨大成块根，叶基生，穗状花序[1]。姜黄的根茎是传统中药材，性热、味辛，入脾、肝经，具有破血行气、通经止血的功效，也有防腐杀菌和保健的作用，主要用于现代中药领域的制剂生产与食品领域的染色和调味。姜黄在热带与亚热带地区，特别是在东亚和东南亚被广泛栽培，如印度、缅甸等国，我国主要集中在福建、广东、云南、四川、西藏及台湾等地[2]。姜黄的主要活性成分为姜黄素类化合物和姜黄挥发油，还含有糖类、多肽类、烯酸类、甾醇类、脂肪酸及微量元素等[3-5]。其中，姜黄素类化合物具有降血脂、抗炎抑菌、抗氧化、抗肿瘤、抗癌、抗病毒、利胆等作用[6-13]，目前临床应用广泛，姜黄挥发油主要起消炎、抑菌、止咳等作用[14-20]。

以姜黄作为原料，以超声波辅助法作为关键技术提取姜黄中的姜黄素，研究将超声波辅助技术应用到姜黄素的提取工艺中，并对姜黄中的姜黄素含量进行测定。以姜黄素提取率为考查指标，对超声波辅助提取姜黄素的工艺条件进行优化，从而建立一个安全、简捷、高效的提取姜黄素的新型洁净工艺，为姜黄素的综合开发利用提供科学的试验依据。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

姜黄粉，徐州益丰大药房提供；姜黄素标准品，阿达玛斯试剂（上海）有限公司提供；丙酮、无水甲醇、异丙醇、乙醇（95%）、乙酸乙酯、冰醋酸等常规试剂，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AR1140型电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司产品；KQ-300DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；202-3BC型电热恒温鼓风干燥箱，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司产品；UV-7504型紫外可见分光光度计，上海棱光技术有限公司产品；其他常规玻璃仪器，江苏省徐州医药高等职业学校实训中心提供。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

原辅料称量（姜黄粉1 g，95%乙醇备用）→混合（姜黄粉∶溶剂=1∶40）→超声波处理（温度、功率、时间、浓度）→静置（8～10 h）→稀释（100倍）→测吸光度（波长430 nm）→计算提取率。

1.3.2 试验方法

（1）姜黄素最大吸收波长的测定。将配置好的姜黄素标准品乙醇溶液，用分光光度计于波长400～500 nm范围内每5 nm测定一次吸光度，并在最大吸收波长处每2 nm测定一次吸光度，以此确定姜黄素测定的最大吸收波长。

（2）姜黄素提取溶剂种类的测定。根据料液比1∶40的无水甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、丙酮和乙酸异丙酯进行提取研究，从而确定最佳溶剂种类。

（3）姜黄素提取工艺优化。根据单因素试验结果，选取4个因素设计正交试验设计L9（34）对姜黄素提取工艺进行优化。

（4）姜黄素提取率计算。

式中：A——试样的吸光度；

F——料液比倍数；

100——容量的换算系数；

m——试验用姜黄素试样的质量，g。

（5）姜黄素质量指标检验。对最佳工艺条件下得到的姜黄素成品的主要指标进行检验，并与姜黄素国家标准进行比较[21]，对其进行质量评价。

2 结果与分析

2.1 姜黄素最大吸收波长的确定

按照1.3.2（1）试验操作方法将姜黄素标准品乙醇溶液于波长400～500 nm的范围内每隔5 nm测定一次。

姜黄素标准吸收曲线图见图1。

图1 姜黄素标准吸收曲线图

由图1可知，姜黄素对照品在430 nm处有最大吸收波长，由此可以确定姜黄素的最大吸收波长为430 nm。

2.2 姜黄素提取溶剂种类的确定

按照1.3.2（2）试验操作方法用电子天平称量6份1.0 g姜黄粉末，分别按照料液比1∶40加入40 mL的乙酸、乙酸乙酯、95%乙醇、丙酮、异丙醇、甲醇溶液进行超声波处理，静置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波长430 nm处测定提取液的吸光度，计算不同溶剂类型对姜黄素提取率的影响。

不同种类提取溶剂对姜黄素提取率的影响见图2。

图2 不同种类提取溶剂对姜黄素提取率的影响

由图2可知，用95%乙醇作为提取剂姜黄素提取率最高，其次是乙酸、无水甲醇、乙酸乙酯、异丙醇，丙酮溶液的提取率最低，所以提取姜黄素的溶剂种类确定为95%乙醇。

2.3 姜黄素提取的单因素试验

2.3.1 料液比对提取姜黄素的影响

按照1.3.2（3）试验操作方法称取5份1.0 g姜黄粉末，根据1∶30，1∶40，1∶50，1∶60，1∶70，原料配比95%乙醇溶液加入超声处理，然后取上清液1 mL，定容100 mL容量瓶，于波长430 nm处测定提取液吸光度，计算提取率，考查不同料液比对姜黄素提取率的影响。

料液比对姜黄素提取率的影响见图3。

图3 料液比对姜黄素提取率的影响

由图3可知，姜黄素的提取率随着料液比的增大先上升后降低，在料液比为1∶50时，姜黄素的提取率达到最大值，由此确定超声波辅助乙醇提取姜黄色素的最佳料液比为1∶50。

2.3.2 乙醇体积分数对提取姜黄素的影响

按照1.3.2（3）试验操作方法称取5份1.0 g姜黄粉末，分别按照料液比1∶50加入95%，85%，75%，65%，55%乙醇溶液进行超声波处理，静置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波长430 nm处测定提取液吸光度，计算提取率，考查不同乙醇体积分数对姜黄素提取率的影响。

乙醇体积分数对姜黄素提取率的影响见图4。

图4 乙醇体积分数对姜黄素提取率的影响

由图4可知，在超声辅助条件下，姜黄素的提取率随乙醇体积分数的增加而变化。85%时姜黄素的提取率最高，当乙醇体积分数超过85%时，姜黄素的提取率总体呈现下降趋势。结果表明，超声波处理条件下最佳的乙醇体积分数为85%。

2.3.3 功率对姜黄素提取率的影响

按照1.3.2（3）试验操作方法称取5份1.0 g姜黄粉末，分别按照料液比1∶50加入85%乙醇水溶液50 mL，分别于180，210，240，270，300 W功率下进行超声波处理，静置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波长430 nm处测得定提取液吸光度，计算提取率，考查不同超声波功率对姜黄素提取率的影响。

超声功率对姜黄素提取率的影响见图5。

图5 超声功率对姜黄素提取率的影响

由图5可知，随着超声波功率的变化，姜黄素的提取率也随之产生了改变。在超声处理的条件下，姜黄素的提取率达到了240 W的最高水平。当超声功率大于240 W时，姜黄素的提取率开始缓慢下降，这可能是由于过量的能量足以摧毁姜黄素本身的结构。因此，超声波处理条件下提取姜黄素最适合功率为240 W。

2.3.4 提取温度对姜黄素提取率的影响

按照1.3.2（3）试验操作方法称取5份1.0 g姜黄粉末，分别按照料液比1∶50加入85%乙醇水溶液50 mL，提取温度依次为30，35，40，45，50℃下开始超声波处理，静置后取上清液1 mL，定容至体积为100 mL容量瓶内，于波长430 nm处测得定提取液吸光度，计算提取率，考查不同温度对姜黄素提取率的影响。

提取温度对姜黄素提取率的影响见图6。

图6 提取温度对姜黄素提取率的影响

由图6可知，姜黄素的提取率随温度变化先增大再减小，在35℃时提取率达到最大值，这可能是因为乙醇溶液更容易渗透进姜黄细胞体内，加快姜黄素的析出，从而进一步提高姜黄素的提取率，而大于35℃后，姜黄素的提取率缓慢减小，是因为乙醇沸点较低在温度过高时会部分挥发，使得姜黄素的提取率降低。因此，确定最佳提取温度为35℃。

2.4 姜黄素提取的正交试验

根据单因素试验结果分析，单因素试验中对姜黄素提取率影响大小分别为超声波功率、乙醇体积分数、料液比、提取温度，选定这4个因素设计正交试验L9（34），并对姜黄素提取工艺进行优化。

L9（34）正交试验结果见表1。

表1 L9（34）正交试验结果

由表1可知，在超声波辅助法提取姜黄素的正交试验中第4组A2B1C2D3处理提取率最高达到了68.3%；根据极差分析的结果，影响因素的顺序为乙醇体积分数＞提取温度＞超声功率＞料液比。

而根据K因素表可知姜黄素提取最佳组合为A2B1C1D3，核对正交试验表1中没有符合的试验号，因此有必要在4号试验组最高提取率组合A2B1C2D3做验证测试。

对比验证见表2。

表2 对比验证

由表2可知，K最佳组合比4号方案的提取率更高，所以选择姜黄素优化最佳组合为A2B1C2D3，即温度35℃，功率210 W，乙醇体积分数75%，料液比1∶60。

2.5 姜黄素成品质量指标检验

对最佳工艺条件下得到的姜黄素成品的主要指标进行检验，并与GB 1886.76—2015食品国家安全标准 食品添加剂姜黄素[21]进行对照进行评价质量。

姜黄素国家标准对比检验结果见表3。

表3 姜黄素国家标准对比检验结果

3 结论

试验确定了姜黄素测定的最大吸收波长是430 nm，确定了姜黄素提取最佳溶剂是乙醇溶液，确定了影响姜黄素提取因素为乙醇体积分数＞提取温度＞超声波功率＞料液比。姜黄素提取最佳工艺是温度35℃，功率210 W，乙醇体积分数75%，料液比1∶60。

试验采用超声波辅助的方法与溶剂浸提法相结合的方式从姜黄中获取姜黄素，并对最佳工艺条件下得到的姜黄素成品的主要指标进行检验，并与GB 1886.76—2015食品国家安全标准 食品添加剂 姜黄素进行对照，均符合国家产品标准要求，为进一步开发姜黄素功能食品奠定基础。