生姜多糖提取技術工藝優化及效益分析

任昌娟，朱云龍

(1.江蘇省濱海中等專業學校，江蘇 濱海 224500; 2.揚州大學 旅游烹飪學院，江蘇 揚州 225009)

1 概述

姜(Zingiberofficinale)，俗名為白姜和均姜等[1-2]，屬于多年生草本植物的根莖[3]，姜在世界范圍內被廣泛栽培，是一種根莖類的香辛調味品[4]，也被廣泛用于藥品、食品和化妝品中。生姜作為一種傳統的藥物，在中國乃至整個亞洲被作為藥物使用，其栽培歷史已經超過了2000年[5-6]。

生姜作為食藥兼用的資源[7]，富含生姜油、精油樹脂、膳食纖維和礦物質元素，其中含水量占總量的40%～55%、酯類物質占6%～15%、多糖成分占2%～5%、纖維素成分占5%～6%、粗蛋白占7%～10%和淀粉成分占6%～8%[8]。

生姜多糖是由多個單糖單位聚合成的糖類物質，相對分子量大，屬于生物大分子，在自然界中分布廣泛。除此之外，多糖是組成細胞膜和抗體的主要成分，在機體免疫系統中起著不可忽略的作用[9-10]。隨著科技的發展，目前已經有上百種植物多糖被成功地分離[11]，這些多糖生物活性功能多種多樣，有抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗炎、降血糖和免疫調節等作用，所以，生姜多糖活性成分的研究也成為21世紀生命科學研究的重要組成部分[12]。

我國生姜多糖提取技術工藝目前僅僅在起步階段，本試驗主要從超聲波功率、超聲波時間、料液比和超聲波溫度4個方面對生姜多糖的加工工藝進行優化，同時使用響應面法對試驗結果進行驗證，旨在為生姜多糖的提取技術提供理論基礎和降低其加工成本。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與儀器

生姜：購于當地菜市場；恒溫干燥箱、分光光度計、細胞破碎儀、蒸發儀、粉碎機、電子天平、恒溫水浴鍋、離心機、冷凍干燥箱。

2.2 主要試劑

苯酚、硫酸、無水乙醇和葡萄糖。

2.3 生姜多糖提取技術工藝

稱取5 g生姜粉，加入1000 mL濃度為90%的乙醇，在20 ℃的恒溫箱中浸泡120 min，浸泡后，使用離心機6000 r/min進行離心[13]。去除上清液，按照超聲波功率200～600 W、料液比1∶10～1∶50、超聲時間5～25 min、超聲溫度50～90 ℃進行生姜多糖的萃取。提取完后，取萃取液5 mL，使用離心機6000 r/min離心10 min，取出上清液，用0.50 μm的濾膜進行過濾，將濾液壓縮至原來體積的1/3，使用磁力攪拌器攪拌30 min，離心(5 mL，10 min)重復3次，取上層清液，加入2倍等體積的無水乙醇，放置在2 ℃的冰箱中，低溫析出多糖，12 h后，取出溶液進行離心，去除上清液，烘干沉淀物即是生姜多糖[14-15]。

生姜多糖得率/%=生姜多糖的干重/生姜粉重×100%。

2.4 單因素試驗設計

稱取5 g生姜粉，放入超聲波反應儀器中，設置超聲溫度為70 ℃、料液比為1∶30、超聲時間為15 min，分析超聲波功率(200，300，400，500，600 W)對生姜多糖提取率的影響；在超聲波功率為400 W、超聲時間為15 min、超聲溫度為70 ℃的條件下，分析料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)對生姜多糖提取率的影響；在超聲波功率為400 W、料液比為1∶30、超聲波溫度為70 ℃的條件下，分析超聲時間為5，10，15，20，25 min對生姜多糖提取率的影響；在超聲功率為400 W、料液比為1∶30、超聲時間為15 min的條件下，分析超聲溫度50，60，70，80，90 ℃對生姜多糖提取率的影響[16]。

3 結果與討論

3.1 超聲波功率對生姜多糖得率的影響

超聲波功率對生姜多糖提取率的影響見圖1。

圖1 超聲波功率對生姜多糖得率的影響Fig.1 The effect of ultrasonic power on the yield of ginger polysaccharides

由圖1可知，多糖得率的變化范圍為4.01%～4.59%，當超聲波功率小于400 W時，多糖提取率隨著超聲波功率的增加而加大。當超聲波功率超過400 W時，生姜多糖的提取率隨著超聲波功率的增大而減小。這是由于超聲波功率超過400 W時，破壞了生姜中已經提取的多糖結構，導致生姜中的多糖得率下降。所以，本試驗選擇400 W作為最佳的生姜多糖提取超聲波功率[17-18]。

3.2 料液比對生姜多糖得率的影響

料液比對生姜多糖得率的影響見圖2。

圖2 料液比對生姜多糖得率的影響Fig.2 The effect of the ratio of solid to liquid on the yield of ginger polysaccharides

由圖2可知，當料液比為1∶40時，生姜多糖的提取率最大，為4.61%；當料液比為1∶10時，生姜多糖的提取率最小，為3.91%。當料液比小于1∶40時，生姜多糖的提取率隨著料液比的增大而增大，當料液比大于1∶50時，生姜多糖的提取率隨著料液比的增加而減小。當料液比過大時，反應體系中溶質有一種傳質動力的作用，當溶劑用量越多時，傳質動力越大，進而使溶質中的多糖溶解出來；但是隨著料液比一直升高，造成空化效應，超聲波大部分作用于溶劑，而不是作用于溶質，從而使生姜中的多糖提取率降低。

3.3 超聲時間對生姜多糖得率的影響

超聲時間對生姜中多糖得率的影響見圖3。

圖3 超聲時間對生姜多糖得率的影響Fig.3 The effect of ultrasonic time on the yield of ginger polysaccharides

由圖3可知，生姜多糖的提取率隨著超聲波時間的變化而變化，當超聲波時間為15 min時，生姜多糖的提取率最高，為4.59%，當超聲波時間為5 min時，超聲波提取多糖的提取率最低，為3.89%。當超聲時間低于15 min時，生姜多糖的提取率隨著超聲波時間的增加而增高，當超聲時間超過15 min時，生姜多糖的提取率隨著超聲波時間的增加而降低。這是由于15 min時，生姜中的大部分多糖已經被提取出來，但是，由于時間的增加，導致已經提取出來的生姜多糖結構遭到了破壞，所以本試驗選取超聲時間為15 min為生姜多糖提取的最佳超聲時間。

3.4 超聲溫度對生姜多糖得率的影響

超聲溫度對生姜多糖得率的影響見圖4。

圖4 超聲溫度對生姜多糖得率的影響Fig.4 The effect of ultrasonic temperature on the yield of ginger polysaccharides

生姜多糖的提取率隨著超聲波溫度的變化而變化，當超聲溫度為70 ℃時，生姜多糖的得率最高，為4.50%；當超聲波溫度為50 ℃時，生姜多糖的得率最低，為3.70%。當超聲波溫度低于70 ℃時，生姜多糖的提取率隨著超聲溫度的增高而增大，當超聲波溫度高于70 ℃時，生姜多糖的提取率隨著溫度的升高而降低。生姜中多糖的提取率隨著溫度的升高而升高，是由于溫度升高，加速了生姜中多糖的運動，從而提高了多糖的析出速度。當溫度超過70 ℃時，生姜中的其他物質也溶解到溶劑中，或者破壞了生姜中多糖結構，導致生姜多糖的提取率下降。

3.5 生姜多糖的響應面提取工藝優化

根據上述單因子試驗結果，通過使用響應面法中的Box-Behnken優化生姜多糖的提取工藝。設計四因素三水平試驗水平方案，見表1。料液比、超聲波時間、超聲波溫度和超聲波功率4個因素的36組試驗的組合條件，響應曲面的響應值見表2。通過使用Design-Expert軟件分析響應值和被檢測變量之間的邏輯關系。通過分析獲得生姜多糖得率的多元二次方程為：多糖得率/%=4.69+0.12X+0.086Y+0.32Z+0.11γ+0.076XY-0.13XZ-0.022Zγ+0.12YZ-0.057Yγ-0.07Zγ-0.39X2-0.58Y2-0.28Z2-0.078γ2。

表1 Box-Behnken試驗設計各因素的試驗水平Table 1 The factors and levesl of Box-Behnken experimental design

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken test design and results

續 表

回歸模型方差及顯著性檢測見表3和表4。

表3 回歸方程的方差及顯著性檢驗Table 3 Variance and significance test of regression equation

表4 回歸模型方差分析表Table 4 Analysis of variance of regression model

回歸模型分析結果顯著，F檢驗表明有很高的F值(109.57)，P檢驗表明有很低的P值(P<0.0001)，本研究的決定系數為R2=0.9982，結果表明該模型方程達到了極為顯著的水平，該模型的擬合程度較好，誤差小。

4 結論

隨著人們對生姜認識的加深，生姜多糖不斷得到了人們的重視。生姜多糖的提取是近些年的研究重點，但是我國生姜多糖的提取率一直落后于很多發達國家，導致生產優質生姜多糖的成本增加，效益降低。本研究主要對生姜提取技術工藝進行優化，旨在為生姜多糖提取工藝優化和效益提高提供理論基礎[19]。