三相分离法提取生姜油的研究

＊陈嫘 贾瑞 张慧云 沈琪 魏胜华

（安徽工程大学生物与食品工程学院 安徽 241000）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）为姜科单子叶植物的块茎，作为一种常见的草本植物，因其具有辛辣口感和芳香的气味，是人们日常生活中的主要调味品之一[1]。生姜中含有多种有功效的生理活性物质，赋予其具有消炎、杀菌和抗氧化等作用[2]。生姜油是生姜块茎中含有的挥发性成分，其外观是淡黄色澄清透明的液体，是生姜产生风味和具有活性功能的物质基础之一[3]。

生姜油常规的提取方法一般采用水蒸气蒸馏、有机溶剂浸提和二氧化碳超临界萃取等方法，水蒸气蒸馏和有机溶剂浸提的效率较低，超临界萃取对设备的要求较高[4-6]。三相分离法是近年来发展起来的一种较新的提取生物活性成分的方法，通过将盐和有机溶剂加入到含有目标物的提取液中，混匀，静置后分层形成三相，其中上相为有机溶剂（包含非极性化合物），中间相为酶蛋白的固体层，下相为水相（包含极性化合物），通过三相分离可以获得不同目标的产物，该方法其具有简单、快速和易于放大的优点，在蛋白、油脂以及多糖的分离提取中应用广泛[7-9]。

我国虽然是生姜生产大国，但是生姜制品多是生姜片、生姜粉和生姜汁等初级加工的产品，其附加值不高，开发生姜中姜油相关制品是提高生姜产品价值的有效途径之一，针对目前在生姜油提取中存在的问题，本文研究采用三相法从生姜中提取生姜油，考察了有机溶剂的用量、硫酸铵的浓度、提取pH和提取温度等因素的影响，并通过正交实验获得了最佳提取工艺，为高效提取生姜油提供了新方法。

1.材料与方法

(1)材料与仪器

生姜，购自当地农贸市场；硫酸铵、叔丁醇、盐酸、氢氧化钠等化学试剂购自国药集团上海化学试剂公司，均为分析纯。

64R台式高速离心机，美国贝克曼公司；FA-1004精密电子天平，天津天马恒基仪器有限公司；JJ-665小型研磨机，浙江永康金味电器有限公司；SK-1快速混匀器，浙江金坛杰瑞尔电器有限公司；RE-201D旋转蒸发器，上海力辰仪器科技有限公司；PHS-25酸度计，上海雷磁仪器有限公司。

(2)三相法分离

将生姜搅碎成浆，加入20mL浓度为40%(w/v)的硫酸铵溶液中，快速混匀器上处理5min，使之完全混合，然后调节pH值为7.0后加入等体积的叔丁醇。以上的混合物在35℃振荡水浴锅中充分振荡60min，然后4000r/min的条件下离心10min使三相分层明显，用注射器吸取上层的有机溶剂，放入旋转蒸发器减压蒸发，收集瓶中所得到的液体即为生姜油，将收集瓶称重，通过前后的重量差别得到生姜油的质量。

在以上初始条件的情况上，进行单因素优化，然后在此基础上选取叔丁醇的用量、硫酸铵浓度、pH值和温度这4个因素，每个因素考察3个水平，以生姜油的提取率为指标，进行正交实验，获得最佳提取工艺。

2.结果与分析

(1)单因素实验

①叔丁醇用量对提取的影响

叔丁醇相比较其他溶剂，其挥发性比较小，容易成相，是三相分离中最常用的有机溶剂。另外，叔丁醇的熔点较低，在低温下就可以凝固，因此在油脂的提取中后期可以采用低温凝固的方法实现叔丁醇与油脂的快速分离，很适合油脂的大规模的提取，这也是三相法提取油脂的一个优点[10]。固定提取液的体积，改变叔丁醇的用量考察其对提取的影响，实验结果如图1所示，从图中可以看出，随着叔丁醇用量的增加，生姜油的提取率越来越高，当提取液与叔丁醇的比例达到1.0:1.5的时候，基本达到平衡，这说明叔丁醇的量已经达到足够能够把生姜油从植物组织的间隙以及油水界面提取到有机相中，进一步提高叔丁醇的用量会造成成本的增加。

图1 叔丁醇用量对提取的影响

②硫酸铵浓度对提取的影响

图2 硫酸铵浓度对提取的影响

图3 pH值对提取的影响

一定浓度的硫酸铵可以使原本互溶的叔丁醇和水互不相溶，在成相的过程中起着重要的作用，图2显示了不同硫酸氨浓度下的提取情况，看出在一定范围内，随着硫酸氨浓度的增加生姜油的提取率也随之增加，浓度过低，三相无法形成；但是浓度过高反而会使提取率下降，可能是高浓度的硫酸铵使生姜中的蛋白质发生了变性，变性的蛋白结构比较紧密，聚集在中间层或者粘附在生姜组织间隙，抑制了生姜油向叔丁醇的有效扩散，因此当硫酸铵的浓度为45%时是最佳。

③pH对提取的影响

pH值是三相分离中的重要参数，不同的pH值条件下生物大分子的带电状态不同，从而影响其在不同相中的分配系数，在生姜油的提取过程中，应当尽量使蛋白从植物组织中游离出来从而有利于油脂的释放，图3显示了不同pH条件下对提取的影响，由图可以看出在pH6.0的条件下，提取率最高，这可能是这是生姜中多数蛋白的等电点，在等电点附近蛋白容易在中间相积累。

④温度对提取的影响

在三相分离过程中，温度将三相体系的传质效率有很大的影响。温度较低时，传质效率会变低，特别是叔丁醇的熔点较低，低温下其流动性较差，导致形成三相时间过长；温度较高虽然可以提高三相体系的传质效率，但可以使生姜中的蛋白质变性失活，从而影响生姜油的提取。图4显示了在不同温度下的提取情况，由图可以看出在40℃的情况下，生姜油的提取效果最好。

图4 温度对提取的影响

(2)正交试验

表1 正交实验因素与水平

在以上单因素实验的基础上，采用L9（34）的正交实验，其具体数据如表1所示，实验结果如表2所示。

表2 正交实验结果

由表2可知，最优组合水平为A2、B3、C3、D2，即料液与叔丁醇比为1:1.5（w/w），硫酸铵的量为50%，pH值为7.0，提取温度为40℃。在最佳提取条件下，其提取率为3.56%。提取的效果如图5所示，其中上相为含有生姜油的有机相，中间的固相层含有蛋白（一般为生姜蛋白酶）以及生姜的粗纤维，下相一般为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，能够同时获得蛋白、多糖以及淀粉，达到一步提取可以得到多种有效成分的目的，实现生姜的综合利用，其效益远远优于其他的提取方法。

图5 三相法提取生姜油

3.结论

采用三相法提取生姜油，当料液与叔丁醇比为1:1.5（w/w），硫酸铵的量为50%，pH值为7.0，提取温度为40℃时，提取效果最好，提取率可以达到3.56%。该方法简单、高效，为生姜的深加工提供了一个新方法。