基于正交试验和响应面法优化生姜中姜辣素提取技术工艺

程园园,何军波,李斌

(1.郑州科技学院 食品科学与工程学院,郑州 450064;2.河南牧业经济学院食品与生物工程学院,郑州 450046)

生姜,属于姜科植物的根茎,广泛种植于我国东南和中东地区,栽培品种超过14个[1-2]。我国是生姜生产和出口大国,相关数据统计表明[3],我国生姜生产量和出口量一直稳居世界前列[4]。

生姜中被提取和纯化的化合物种类超过400种[5],这些成分主要包括姜辣素、生姜精油和烷烃类[6-7]。姜辣素是生姜中主要的辣味成分,包括姜酚(gingerols)、姜酮(zingerones)和姜烯酚(shogaols)等混合物,大量相关研究报道[8-10],姜酮和姜烯酚含量随生姜栽培时间的增长而增高,是生姜中主要的抗氧化物质。

生姜中常用于提取姜辣素的技术工艺包括有机溶剂提取法、超临界流体萃取法、酶辅助提取法、微波辅助提取法和超声辅助提取法。有机溶剂提取法[11]通过使用乙醇、乙酸乙酯和甲醇等有机溶剂来提取姜辣素,该方法操作简便、设备简单、提取成本低,适合于规模化生产姜辣素。超临界流体萃取法[12]一般使用CO2作为萃取剂,采用该方法提取辣姜素工作效率高、提取时间快,但提取成本高,一般仅用于试验研究,不能获得经济效益。酶辅助提取法[13]是通过使用酶类物质破坏植物细胞壁,进而提取生物活性物质的一种方法,将该方法与溶剂提取法相结合,提取速度更快,生物利用率更高。微波辅助提取法[14]是利用机械性能破坏植物细胞壁,从而快速获得生物活性物质的一种方法,消耗的溶剂少和时间短。超声辅助提取法[15]是一种利用超声波破坏植物细胞壁的方式,该方式可以有效提取植物中的活性物质,适应性强、设备操作简单。

辣姜素常常被作为食品添加剂,用于减缓脂质类食品的氧化[16]。刘克武等[17]研究不同加工方式的生姜对DPPH自由基的清除能力,研究结果表明姜辣素含量越高,DPPH自由基清除能力越强。

我国作为生姜生产大国,生姜深加工技术却较为落后,生姜中姜辣素提取率低。随着人们对天然植物中化合物的重视度越来越高,生姜中的活性成分应用范围不断增大(除用作调味品外,还用于化妆品、医药产品和建筑材料方面)[18-19],目前深加工产品的量已经不能满足时代需求。本研究基于此,以单因素试验、正交试验和响应面法对超声辅助法提取生姜中辣姜素加工工艺进行研究和优化,旨在为生姜中姜辣素加工和资源开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

生姜:购于当地农贸市场;香草醛:上海生物科技有限公司;无水乙醇:杭州化学生物药剂有限公司;蒸馏水:自制。

1.2 试验仪器

电子天平 梅特勒-托利多公司;超声波振荡仪 常州易晨仪器制造有限公司;真空泵 浙江真空设备集团有限公司;粉碎机 上海机械设备有限公司;恒温烘箱 上海隽思实验仪器有限公司;紫外分光光度计 上海美析仪器有限公司;磁力搅拌器 广东佛衡仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 生姜原料处理

选取品质较好的生姜片,用粉碎机将其粉碎,之后放于恒温烘箱中,在(45±1) ℃的条件下烘干,备用。

1.3.2 生姜中姜辣素含量测定及计算

先稀释姜辣素提取液,在波长280 nm处测定提取液的吸光值,根据下式计算生姜中姜辣素得率。

式中:V为测定样品的体积(mL);A为样品的稀释倍数;M为生姜粉末的质量(g)。

1.3.3 单因素试验

当研究其中一个变量因子对姜辣素得率的影响时,控制其他的影响因子不变,即超声时间为90 min,回流温度为80 ℃,液料比例为30∶1,各个单因素试验区间见表1。

表1 姜辣素提取单因素条件变化区间Table 1 Variation range of single factor conditions for gingerol extraction

1.3.4 响应面优化生姜提取物中辣姜素的提取工艺

根据单因素试验结果,以超声时间、回流温度和液料比例作为变量因子,以辣姜素得率作为指标,进行三因素三水平试验,响应面试验因素水平表见表2。

表2 响应面试验因素及水平Table 2 Factors and levels of response surface test

1.3.5 数学统计分析

每次试验的结果均进行3次取样测定,结果用平均值表示。使用软件Design Expert 12.0对正交试验数据进行响应面分析,数据统计和计算采用Excel 2010。

2 结果和讨论

2.1 线性关系研究分析

由图1可知,姜辣素的标准曲线为Y=0.05X-3E-17,相关系数为R2=0.976,R2越接近1,说明姜辣素浓度测定的标准曲线回归关系越好,采用该方法测定姜辣素浓度具有较高的可靠性。

图1 标准曲线Fig.1 Standard curve

2.2 单因素试验

2.2.1 超声时间对姜辣素得率的影响

由图2可知,当超声时间(30～150 min)逐渐增加时,姜辣素得率先升高后降低,当超声时间为30 min时,姜辣素得率较低,为1.74%;当超声时间为30～90 min时,姜辣素得率逐渐升高,在这段时间内,超声时间的增加使得姜辣素不断溶解到溶剂中,姜辣素得率不断增加。当超声时间为90～150 min时,随着超声时间不断增加,姜辣素得率开始缓慢下降,这是由于超声时间不断增加,姜中的其他物质也不断溶解,最终影响姜辣素得率。

图2 超声时间对姜辣素得率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on the yield of gingerol

2.2.2 回流温度对姜辣素得率的影响

控制其他影响因子不变,当回流温度不断增加时,姜辣素得率先不断升高后缓慢降低。由图3可知,当回流温度为70～85 ℃时,姜辣素得率不断升高,这是由于回流温度不断升高,溶剂分子流速不断增加,导致姜辣素得率提高。当回流温度为85～90 ℃时,姜辣素得率开始逐渐下降,这是由于回流温度过高,姜辣素受高温的影响开始分解,导致溶液的辣姜素得率降低。

图3 回流温度对姜辣素得率的影响Fig.3 Effect of reflux temperature on the yield of gingerol

2.2.3 液料比例对姜辣素得率的影响

由图4可知,液料比例对姜辣素得率会产生影响。随着液料比例的不断增加,姜辣素得率先升高后降低。当液料比例为20∶1时,姜辣素得率为1.72%。当液料比例为20∶1～35∶1时,姜辣素得率随着液料比例的增加而升高,当液料比例为35∶1时,姜辣素得率最高,为1.76%,这是由于随着液料比例逐渐增加,生姜能够充分溶解于溶剂中,从而能够获得更多的姜辣素。当液料比例大于35∶1时,辣姜素得率开始下降,这是由于液料比例不断增加,生姜浓度开始下降,从而导致姜辣素得率下降。

图4 液料比例对姜辣素得率的影响Fig.4 Effect of the ratio of liquid to solid on the yield of gingerol

2.3 响应面试验结果优化分析

以超声时间(A)、回流温度(B)和液料比例(C)作为变量因子,以姜辣素得率(Y)作为响应值,进行三因素三水平的正交试验分析,试验设计及结果见表3。

表3 响应面试验设计及结果Table 3 Response surface test design and results

通过对表3中的数据进行拟合,获得辣姜素得率的回归方程:Y=1.86+0.078A+0.13B-0.023C+0.022AB-0.12AC+0.11BC-0.07A2-0.05B2-0.21C2。

由表3可知,超声时间(A)、回流温度(B)和液料比例(C)3个因素对姜辣素得率的影响为超声时间>液料比例>回流温度(0.32>0.19>0.01)。

2.4 模型建立和显著性检验

由表4可知,在辣姜素的回归模型中,失拟项的P=0.201 3>0.05,差异不显著,说明响应面分析没有失拟项因素,结果能够反映辣姜素提取的真实情况。

表4 响应面模型建立及显著性检验Table 4 Establishment of response surface model and significance test

2.5 响应面结果分析

由图5可知,超声时间(A)和回流温度(B)的两两交互作用获得的等高线图形为圆形。在响应面中,姜辣素得率变化幅度较小,说明超声时间(A)和回流温度(B)的交互作用对姜辣素得率的影响不大,当超声时间为92 min、回流温度为81 ℃时姜辣素得率最高。

图5 超声时间和回流温度的交互作用对姜辣素得率的影响Fig.5 Effect of interaction of ultrasonic time and reflux temperature on the yield of gingerol

由图6可知,超声时间(A)和液料比例(C)的交互作用获得的等高线图形为椭圆形,说明超声时间(A)和液料比例(C)的交互作用对姜辣素得率的影响较显著,在响应面图上可以看到明显的凸起。当超声时间(A)不变时,随着液料比例(C)的增加,姜辣素得率变化区间为1.65%～1.80%。当液料比例(C)不变时,随着超声时间的增加,姜辣素得率先升高后逐渐降低。

图6 超声时间与液料比例的交互作用对姜辣素得率的影响Fig.6 Effect of interaction of ultrasonic time and liquid-solidratio on the yield of gingerol

由图7可知回流温度(A)和液料比例(C)的交互作用对姜辣素得率的影响,等高线图形为椭圆形,响应面的凹陷比较明显,说明回流温度(A)和液料比例(C)的交互作用对姜辣素得率的影响较大。当回流温度(A)保持不变时,随着液料比例的逐渐增加,姜辣素得率先降低后升高,当液料比例为25∶1和回流温度为75 ℃时,姜辣素得率最高。

图7 回流温度和液料比例的交互作用对姜辣素得率的影响Fig.7 Effect of interaction of reflux temperature and liquid-solid ratio on the yield of gingerol

由图5～图7可知,响应面图均呈现出一定程度的弯曲,根据响应面结果分析各个因素之间的交互作用,得到姜辣素提取的最佳加工工艺为超声时间92.4 min、回流温度80.3 ℃、液料比例27.23∶1,此时姜辣素得率为2.06%。考虑到操作的简便性,修正生姜中姜辣素提取工艺为超声时间92 min、回流温度80 ℃和液料比例27∶1。

3 小结

随着社会发展,人们对天然化合物的重视程度不断增强。姜辣素是生姜中的生物活性物质,近些年在医疗和食品等多个领域被应用,但我国生姜中姜辣素提取工艺仍处于发展阶段,加工工艺中还有很多方面存在不足。本研究通过利用单因素试验、正交试验和响应面法3种方式对生姜中姜辣素提取工艺进行研究和优化,研究结果表明,生姜中姜辣素提取的最佳加工工艺为超声时间92 min、回流温度80 ℃和液料比例27∶1。