基于響應(yīng)面法的姜辣素提取工藝優(yōu)化研究

李楠 李雅萍

（運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系，山西運(yùn)城044000）

基于響應(yīng)面法的姜辣素提取工藝優(yōu)化研究

李楠*李雅萍

（運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系，山西運(yùn)城044000）

姜（Zingiberofficinale Roscoe）是多年生姜科姜屬草本植物，其根莖是一種重要的調(diào)味品，也是我國傳統(tǒng)的藥食同源植物。姜辣素是使姜呈現(xiàn)辣味的主要物質(zhì)，主要包括姜酚類、姜烯酚類、姜酮、姜二酮、姜二醇等。有研究表明，姜辣素具有抗氧化、抑菌、抗炎、抗腫瘤、降低膽固醇等作用。目前提取生姜中姜辣素的方法主要有蒸餾法、溶劑浸提法、壓榨法、超聲波法和超臨界CO2萃取法。其中，超聲波提取技術(shù)具有提取速度快、選擇性好、操作方便及有利于活性成分的保留等特點(diǎn)。響應(yīng)面法（RSM）是一種應(yīng)用較廣的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，適宜于解決非線性數(shù)據(jù)處理的相關(guān)問題，試驗(yàn)結(jié)果能給出直觀的圖形，有利于快速確定多因子系統(tǒng)的最優(yōu)條件。

目前，利用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取生姜中姜辣素的報(bào)道并不多見。因此，本研究采用超聲波輔助提取生姜中的姜辣素，選用乙醇為提取溶劑，以乙醇體積濃度、液料比和提取時(shí)間作為影響因子，姜辣素得率為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝條件，以期為姜辣素的工業(yè)化提取與開發(fā)提供一定的理論與實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 原料及試劑

生姜，市售，洗凈后切成5 mm的薄片，60℃條件下干燥，再經(jīng)中藥粉碎機(jī)粉碎后過60目篩，備用。

香草醛標(biāo)準(zhǔn)品，天津市耀華化工廠公司；無水乙醇，市售，分析純。

1.2 儀器及設(shè)備

UV-6紫外-可見分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；FA1604電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器公司；KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

參照孔繁東、李鳳華等的方法，以香草醛作為標(biāo)準(zhǔn)對照。分別配制質(zhì)量濃度為2 μg/mL、4 μg/mL、6 μg/mL、8 μg/mL、10 μg/mL、12 μg/mL的香草醛乙醇溶液。以無水乙醇為參比，在280 nm處測定吸光度值。利用線性回歸方程得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y= 0.0501x＋0.0153，相關(guān)系數(shù)R2=0.9955，在香草醛質(zhì)量濃度0 μg/mL～12 μg/mL范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好。

圖1 香草醛標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.3.2 姜辣素的超聲波提取

準(zhǔn)確稱取生姜粉1.00 g，倒入錐形瓶中，按一定液料比加入不同體積濃度的乙醇，在超聲波功率200 W、溫度40℃條件下浸提一定時(shí)間，將提取液抽濾后移入50 mL容量瓶中定容，得樣品液。

1.3.3 姜辣素含量的測定

參照楊小敏等的方法，并稍作修改。精確吸取樣品液0.2 mL于10 mL容量瓶中，用無水乙醇定容。在280 nm波長處，以無水乙醇為空白測定吸光度。通過標(biāo)準(zhǔn)曲線及下列公式可求得姜辣素得率。

式中：Y——姜辣素得率，mg/g；

M——生姜粉質(zhì)量，g；

2.001 ——香草醛換算成姜辣素系數(shù)；

C——根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得出的樣品液中香草醛質(zhì)量濃度，μg/mL；

N——稀釋倍數(shù)；

V0——樣品液總體積，mL。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

通過改變乙醇體積濃度、液料比、提取時(shí)間來探討超聲波輔助提取生姜中姜辣素的較優(yōu)工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 乙醇體積濃度對姜辣素得率的影響

精確稱取生姜粉5份，每份1.00 g，分別加入10 mL體積濃度為60%、70%、80%、90%、100%的乙醇，按1.3.2中方法提取10 min，結(jié)果見圖2。

圖2 乙醇體積濃度對姜辣素得率的影響

由圖2可以看出，乙醇體積濃度為80%時(shí)，姜辣素得率最高。當(dāng)乙醇體積濃度小于80%時(shí)，隨著乙醇體積濃度增加，姜辣素與乙醇的接觸機(jī)會增加，有利于姜辣素的溶出；而當(dāng)乙醇體積濃度超過80%后，生姜細(xì)胞中的色素、雜質(zhì)等脂溶性成分的溶出量也會增加，導(dǎo)致姜辣素的得率有所下降。因此選擇乙醇體積濃度80%為宜。

2.1.2 液料比對姜辣素得率的影響

精確稱取生姜粉5份，每份1.00 g，分別加入10 mL、11 mL、12 mL、13 mL、14 mL體積濃度80%的乙醇，按1.3.2中方法提取10 min，結(jié)果見下頁圖3。

由圖3可以看出，姜辣素得率隨液料比的增大先升高后下降，液料比為13 mL/g時(shí)，得率最高。當(dāng)液料比較小時(shí)，隨著提取溶劑用量增加，姜辣素更易溶出；當(dāng)液料比超過13 mL/g時(shí)，溶出率接近飽和，而且一些雜質(zhì)的溶出會使姜辣素的溶出率降低。因此選取液料比13 mL/g為宜。

圖3 液料比對姜辣素得率的影響

2.1.3 提取時(shí)間對姜辣素得率的影響

精確稱取生姜粉5份，每份1.00 g，分別加入13 mL體積濃度80%的乙醇，在超聲波功率200 W，溫度40℃條件下分別提取15 min、20 min、25 min、30 min、35 min，結(jié)果見圖4。

圖4 提取時(shí)間對姜辣素得率的影響

由圖4可以看出，隨著提取時(shí)間的延長，姜辣素得率先升高后降低，當(dāng)時(shí)間為25 min時(shí)，得率最高。提取時(shí)間小于25 min時(shí)，提取液中姜辣素未飽和，延長提取時(shí)間有利于姜辣素的溶出；而時(shí)間超過25 min后，生姜中一些雜質(zhì)的溶出會阻礙姜辣素的溶出，同時(shí)超聲波的高能作用也會破壞姜辣素中的不穩(wěn)定成分。因此選擇提取時(shí)間25 min為宜。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)分析

根據(jù)響應(yīng)面法的Box-beknhen試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理和單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇乙醇體積濃度、液料比和提取時(shí)間作為影響姜辣素得率的3個(gè)主要因素。響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平見表1。

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2，響應(yīng)面回歸模型方差分析見表3。

表1 因素與水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 響應(yīng)面回歸模型方差分析

通過數(shù)據(jù)專家軟件8.0.6對表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，得到3個(gè)單因素與姜辣素得率Y之間的二次多項(xiàng)式方程：Y=10.39-0.24A+0.09B+ 0.26C-0.14AB-0.27AC+0.49BC-1.38A2-1.24B2-1.02C2，式中Y代表姜辣素得率，A代表乙醇體積濃度，B代表料液比，C代表提取時(shí)間。

由表3可以看出，回歸模型的P值小于0.0001，說明該模型具有極顯著性；校正系數(shù)R2Adj=0.968 1，表明96.81%的姜辣素得率的變化由所選變量引起，該模型可用于預(yù)測姜辣素的理論得率和最優(yōu)提取工藝。回歸模型方差分析結(jié)果表明，一次項(xiàng)中的A乙醇體積濃度、B液料比、C提取時(shí)間對姜辣素得率有顯著影響；交互項(xiàng)中BC對得率有極顯著影響，AC影響顯著，AB影響不顯著；二次項(xiàng)A2、B2、C2影響極顯著；各因素對得率的影響大小為提取時(shí)間＞乙醇體積濃度＞液料比。變異系數(shù)（CV）反映回歸模型的可信程度，CV值越小，試驗(yàn)穩(wěn)定性越好，可信度越高。本試驗(yàn)的變異系數(shù)為2.51%，可信度較高。

2.2.2 響應(yīng)曲面圖及等高線圖分析

使用數(shù)據(jù)專家軟件繪制三維曲面圖和等高線圖，研究A、B、C 3個(gè)因素的交互作用對姜辣素得率的影響。下頁圖5為任意兩個(gè)因素的響應(yīng)曲面圖及其等高線圖。

等高線性狀如果接近圓形，則兩個(gè)自變量交互作用較弱；若接近橢圓形，則交互作用較強(qiáng)。圖5a是乙醇體積濃度和液料比交互作用對姜辣素得率的影響，從圖中可以看出，等高線接近圓形，說明乙醇體積濃度和液料比對姜辣素得率的影響不顯著。圖5b、5c分別為乙醇體積濃度和提取時(shí)間、液料比和提取時(shí)間的交互作用，由圖可知，響應(yīng)曲面傾斜度較高，坡度較陡，等高線為橢圓形，說明其交互作用對姜辣素得率的影響顯著，且液料比和提取時(shí)間的交互作用達(dá)到極顯著水平。等高線圖的結(jié)果和方差分析表的結(jié)果一致。

2.2.3 提取工藝優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

通過上述軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到姜辣素的最佳提取工藝條件為：乙醇體積濃度78.95%，液料比13.07∶1（mL∶g），提取時(shí)間25.80 min，此工藝條件下姜辣素得率的預(yù)測值為10.43 mg/g。結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)中實(shí)際操作的可行性，將工藝參數(shù)修正為：乙醇體積濃度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取時(shí)間26 min；在該條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，姜辣素得率的平均值為10.42 mg/g，實(shí)測值比理論值低0.01 mg/g，說明該模型與實(shí)際情況有較好的擬合性。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助，乙醇作為提取溶劑，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面試驗(yàn)得到提取生姜中姜辣素的最佳提取工藝條件為：乙醇體積濃度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取時(shí)間26 min，此時(shí)姜辣素得率為10.42 mg/g。

［1］盧傳堅(jiān)，歐明，王寧生.姜的化學(xué)成分分析研究概述［J］.中藥新藥與臨床藥理，2003，14（3）：215-217.

［2］姜子濤，李榮.姜辣素化學(xué)及其研究進(jìn)展［J］.食品研究與開發(fā)，1998，19（1）：7-11.

［3］國家藥典委員會.中華人民共和國藥典（一部）［M］.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2015：264.

［4］湯秀華，周鄭紅.微波輔助萃取法從生姜中提取姜辣素的工藝［J］.食品研究與開發(fā)，2012，33（8）：88-91.

［5］張魯明，王龍厚，周崢嶸，等.乙醇提取姜辣素的工藝條件研究［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（19）：58-61.

［6］趙晉.生姜姜辣素的提取及其功能性質(zhì)研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2008：1-40.

［7］李樂.姜辣素的抗氧化性能研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2004：1-53.

［8］謝志剛，唐德容，李樂.姜辣素的提制及抗氧化性能的研究［J］.食品與機(jī)械，2006，22（5）：52-54.

［9］陳琳莉.姜皮中姜辣素的提取工藝優(yōu)化及功能性質(zhì)的研究［D］.重慶：重慶工商大學(xué)，2013：1-49.

［10］STOILOVA I，KRASTANOV A，STOYANOVA A，et al. Antioxidant activity of a ginger extract（Zingiberoffici nale）［J］.Food Chemistry，2007，102（3）：764-770.

［11］侯學(xué)敏，李林霞，張直峰，等.響應(yīng)面法優(yōu)化薄荷葉總黃酮提取工藝及抗氧化活性［J］.食品科學(xué)，2013，34（6）：124-128.

［12］孔繁東，王戀峰，祖國仁，等.超聲波輔助提取姜渣中姜辣素工藝研究［J］.中國釀造，2010（1）：102-104.

［13］李鳳華，張利民，孫淑華，等.生姜中姜辣素的提取及測定的研究［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38（6）：746-749.

［14］楊小敏，劉建平，李倩倩，等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取姜辣素的工藝［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（5）：1 012-1 016.

［15］弓威，顧豐穎，賀凡，等.山楂葉有效成分提取工藝優(yōu)化及抗氧化活性研究［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2015，29（8）：1 547-1 558.

［16］駱海林，陸寧.響應(yīng)面法優(yōu)化生姜中姜辣素的超聲波提取工藝［J］.包裝與食品機(jī)械，2009，27（6）：54-58.

［17］張黎明，李瑞超，郝利民，等.響應(yīng)面法優(yōu)化瑪咖葉總黃酮提取工藝及其抗氧化活性研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2014，30（4）：233-239.

Optim ization of extraction process of gingerol by response surface methodology

LI Nan*LI Yaping
（Department of life science，Yuncheng university，Shanxi Yuncheng 044000，China）

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取乙醇體積濃度、液料比和提取時(shí)間為影響因子，以姜辣素得率為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面法對生姜中姜辣素的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，生姜中姜辣素的最優(yōu)提取工藝條件為：乙醇體積濃度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取時(shí)間26 min，此工藝條件下姜辣素得率為10.42 mg/g。

姜辣素；響應(yīng)面；提取工藝；生姜

Response surface methodology（RSM）was used tooptimize the extraction condition ofgingerol.On the basis ofsingle factor tests,ethanol concentration,liquid-solid ratioand extraction time were selected as impact factors,and then the RSM was used to optimize the extraction technology of gingerol.Results indicated that the optimum extraction conditions were ethanol concentration 79%,liquid-solid ratio13:1(mL:g),extraction time 26 min.The yield of gingerol under these conditions could reach up to10.42 mg/g.

ginger；gingerol；response surface methodology；extraction

圖5 響應(yīng)曲面圖及其等高線圖

TS217.2

A

1673-6044（2016）04-0033-05

10.3969/j.issn.1673-6044.2016.04.009

*李楠，女，1986年出生，2014年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，碩士，助教。

2016-10-22