姜油樹脂提取新工藝集成研究

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(1.萊蕪職業技術學院 生物教研室,山東 萊蕪 271199;2.山東省康福德實業有限公司，山東 萊蕪 271100)

1 擬解決的關鍵問題

我國生姜栽培面積大、生產總量多。我國生姜出口產品主要以保鮮姜為主，由于生姜易腐爛變質、不易儲存,造成了生姜資源的極大浪費。因此對生姜進行精深加工,提高其利用附加值,具有重要的實際意義和應用價值。 姜油樹脂為生姜中提取的含有姜精油與姜辣素的混合物，姜的香氣取決于姜精油，其特征性辛辣風味主要來自于姜辣素[1,2]。研究表明姜油樹脂具有抗氧化、抑菌、調節血脂、預防血栓形成和抗動脈粥樣硬化等作用[3-7]，因此，將生姜油樹脂等附加值高的產品作為開發利用的重點，開發以生姜油樹脂為原料的生姜終端消費品具有廣闊的市場前景。

本研究通過技術研發、技術集成，將生姜油樹脂提取、轉化核心技術進行熟化和集成，形成高效標準化生姜油樹脂提取技術規程，以期提高生姜精加工產品的水平和技術含量，增加生姜的附加值，加大生姜產業精深加工產品的開發力度。

2 技術研究和集成方法

姜油樹脂的提取方式主要有超臨界CO2萃取和溶劑萃取[8,9]。亞臨界流體萃取是以亞臨界狀態的流體為溶媒，從天然產物中提取目標組分的一種新型萃取分離技術[10,11]，已在特種植物油、色素、中藥、羊毛脂、植物精油和動物油(如魚油)等的提取中廣泛應用[12-17]，與超臨界流體萃取法相比，亞臨界流體萃取過程中所需溫度及壓力的條件較為溫和，不會對物料中的熱敏性成分造成損害，成本更低，易于實現工業化生產[18,19]。微波真空干燥是隨著微波干燥技術發展起來的一項新的組合干燥技術，它可以在較低的溫度下對物料進行干燥，較好地保持物料的營養成分及改善產品的干燥品質，克服常規熱風干燥時間長的問題，并能提高生產效率，明顯減少能耗,較好地保留食品的色澤、香氣、風味、熱敏性營養成分，具有生物活性成分，最終得到較好的干燥品質[20-22]。

本研究以萊蕪生姜為原料，采用微波真空干燥、亞臨界流體丁烷低溫萃取技術和超臨界流體二氧化碳液液精制技術，實現生姜油樹脂的精制生產，達到干姜收率20%，生姜油樹脂萃取率97%以上，溶劑殘留達到未檢出水平。技術路線見圖1。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

3 主要技術成果

3.1 微波真空干燥制備干姜

3.1.1 微波真空干燥制備干姜的工藝流程

鮮姜原料→清洗→切片→微波真空干燥→包裝。將鮮老姜洗凈，去除霉爛部分，切片后置于微波真空干燥箱，姜片厚度大約在3～5 mm左右，調節溫控于干燥室溫度50 ℃，真空度保持在0.075 MPa，微波干燥頻率(2450±50) MHz進行干燥。

在取樣前將稱量皿烘干，置于干燥器中冷卻至室溫，稱重(W0)。取樣，蓋上皿蓋，稱重(W1)。將取樣后的稱量皿開蓋置于已調節到60 ℃的烘箱內，常壓烘制一定時間，然后取出稱量皿，在干燥器內冷卻到室溫以后再稱重，直到干燥至恒重(W2)。烘干前后的重量差即為水分含量。

姜粉水分含量(%)=(W1-W2)/(W1-W0)×100。

式中：W0為稱量皿重(g)；W1為濕樣品及稱量皿重(g)；W2為干樣品及稱量皿重(g)。

3.1.2 結果與分析

圖2 干燥時間與含水量的關系Fig.2 Relationship between drying timeand water content

由圖2可知，微波真空干燥過程中，隨著干燥時間的延長，干姜的水分含量呈逐漸遞減的趨勢。干燥8 min后，水分含量達到安全水分13%以下，但隨著干燥時間延長，表面和表層水分蒸發后，組織細胞內的結合水分去除阻力較大，熱阻層增厚，衰減速度放緩。干燥超過16 min后，水分含量變化不再明顯。其原因可能是在干燥初期，鮮姜表面的水分在交變高頻電場的作用下，在負壓空間的水分快速蒸發，水分衰減較快，根據工藝要求，綜合考慮，選擇鮮姜微波真空干燥8 min。在此條件下, 干姜片的含水量在12.1%，干姜收率達到20%以上,鮮姜的風味和辣度品質較佳。

3.2 亞臨界流體丁烷提取生姜油樹脂

3.2.1 試驗方法

取適量的姜粉放入亞臨界裝置的萃取釜中，選用丁烷為亞臨界萃取劑進行萃取，得到姜油樹脂。

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單因素試驗：試驗因素為壓力、溫度和時間。壓力范圍為0.25～0.45 MPa，溫度范圍為30～50 ℃，萃取時間分別為20,30,40,50,60 min。

正交試驗：根據單因素試驗結果，以萃取率作為質量指標，以壓力、溫度和時間進行三因素五水平正交試驗。

3.2.2 結果與分析

3.2.2.1 萃取壓力對萃取率的影響

根據亞臨界萃取的試驗經驗，稱取適量姜粉，在40 ℃ 的條件下，以亞臨界丁烷為萃取溶劑，壓力分別為0.25,0.3,0.35,0.4 MPa，萃取40 min，測定萃取率，結果見圖3。

圖3 萃取壓力對萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction pressure on ginger oleoresin extraction rate

由圖3可知，萃取壓力在0.25～0.40 MPa之間，萃取率隨著萃取壓力的增大而增大，當萃取壓力為0.4 MPa時，萃取率可達97.2%，繼續提高壓力，萃取率上升不顯著，達到97%以上的平穩狀態，這是由于壓力升高， 溶質分子內的相互作用增加，溶解度增大，故萃取率增大。當壓力很高時，溶劑的黏度隨之增大，阻止分子的擴散，致使萃取率增加不明顯。因此，本研究選用0.4 MPa的萃取壓力。

3.2.2.2 萃取溫度對萃取率的影響

圖4 萃取溫度對萃取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on ginger oleoresin extraction rate

由圖4可知，在萃取壓力和萃取時間恒定的條件下，隨著反應溫度的提高, 萃取率呈上升趨勢；萃取溫度在30～40 ℃時，姜油樹脂的萃取率升高較快；當萃取溫度超過40 ℃時，萃取率上升趨勢趨于平緩。其原因是溫度影響分子熱運動、密度、蒸氣壓、溶解度等，溫度升高，溶質擴散系數增大，利于姜油樹脂的浸出，提高萃取率；但溫度過高，萃取溶劑密度降低，影響萃取效率[23]，溫度升高，不利于產品生物活性的保留，能耗增加。因此，萃取溫度選擇40 ℃，此時萃取率達到97%以上。

3.2.2.3 萃取時間對萃取率的影響

在萃取壓力為0.4 MPa和萃取溫度為45 ℃的條件下，分別萃取20,30,40,50,60 min，測定萃取率，結果見圖5。

圖5 萃取時間對萃取率的影響Fig.5 Effect of extraction time on ginger oleoresin extraction rate

由圖5可知，姜油樹脂的萃取率隨著萃取時間的延長而增加，當萃取時間達到40 min時，萃取率達到97.2%，此后，隨著時間延長，由于萃取罐內油脂溶解度趨于飽和，增加較緩慢, 趨于平緩，說明萃取反應已基本完成, 考慮到企業成本問題，初步確定最佳萃取時間為40 min，此時生姜油樹脂的萃取率為97%以上。

3.2.2.4 正交試驗結果

在單因素基礎上,對壓力、溫度、時間這3個因素選取以下水平進行三因素五水平正交試驗，以萃取率作為質量指標，結果見表1。

表1 亞臨界流體丁烷萃取姜油樹脂正交試驗結果Table 1 Orthogonal test resultes of extraction of ginger oleoresin by subcritical fluid butane

由表1可知，影響姜油樹脂萃取率的各因素主次順序為：溫度>時間>壓力。亞臨界流體丁烷提取生姜油樹脂的最佳水平為：A5B5C5，但考慮企業成本，萃取率達到97%即可，驗證方案A4B3C3的萃取率達到97.2%，符合要求，即A4B3C3為最佳方案：萃取壓力0.40 MPa、萃取溫度40 ℃、萃取時間40 min。即以丁烷為亞臨界流體的萃取操作，生姜原料的萃取操作參數為：萃取壓力0.40 MPa、萃取溫度40 ℃、萃取時間40 min，可以實現生姜樹脂的提取率達到97%以上。

表2 亞臨界流體丁烷萃取姜油樹脂正交試驗方差分析Table 2 Orthogonal analysis of variance for subcritical fluid butane extraction of ginger oleoresin

注：F0.05(4，113)=2.45，F0.01(4，113)=3.48，“*”表示差異顯著，“**”表示差異極顯著。

由表2可知，壓力、溫度、時間對萃取率都有顯著影響。因此，在試驗過程中，嚴格控制壓力、溫度、時間是非常有必要的。

3.3 超臨界流體二氧化碳萃取精制亞臨界流體丁烷萃取的姜油樹脂

3.3.1 試驗方法

以生姜油樹脂為原料，加入超臨界的萃取釜中。45 ℃下萃取精制120 min，二氧化碳的循環流量為12～18 L/min，壓力范圍為12～20 MPa，以姜辣素含量作為質量指標，就壓力、循環流量進行二因素五水平正交試驗。

3.3.2 結果與分析

對壓力、二氧化碳的循環流量這2個因素選取以下水平進行二因素五水平正交試驗，以姜辣素含量作為質量指標，結果見表3。

表3 超臨界流體萃取姜油樹脂正交試驗結果Table 3 Orthogonal test results of supercritical fluid extraction of ginger oleoresin

續 表

由表3可知，第13，14，15，18，19，20，23，24，25號試驗姜辣素含量達到29%以上，最后分析計算結果，極差越大的因素重要程度越高，因此各因素主次順序為：壓力>循環流量。二因素五水平試驗共有上述25種方案，從成本考慮，13號試驗符合要求，即壓力16 MPa，循環流量18 L/min。

超臨界流體二氧化碳萃取精制亞臨界流體丁烷萃取的姜油樹脂，實現了姜油樹脂的分離純化，在萃取釜壓力16 MPa、溫度45 ℃條件下，萃取120 min，姜辣素含量由25.3%提高到29%以上，同時實現了溶劑殘留未檢出的安全品質。

4 結論

本研究創造性地將微波真空干燥、亞臨界流體丁烷低溫萃取技術和超臨界流體二氧化碳液液精制技術集成，探索出了生姜油樹脂提取的最佳工藝路線及工藝參數。微波真空干燥干姜的最佳工藝條件為：干燥頻率(2450±50) MHz，干燥時間8 min；亞臨界流體丁烷萃取最佳工藝條件為：萃取壓力0.40 MPa，萃取溫度40 ℃，萃取時間40 min；超臨界流體二氧化碳萃取最佳工藝條件為：萃取壓力16 MPa,萃取溫度45 ℃，二氧化碳的循環流量達到18 L/min，操作周期120 min。在此條件下，干姜片的含水量為12.1%，干姜收率達到20%以上，生姜油樹脂萃取率達97%以上，溶劑殘留達到未檢出水平。