超聲波輔助法提取姜黃素工藝優化研究

金 杰，王秀杰，王 季，孫 蓓

（江蘇省徐州醫藥高等職業學校，江蘇徐州221116）

姜黃（Curcuma longa L.）是多年生草本植物，姜科姜黃屬，叢生，根粗壯，末端膨大成塊根，葉基生，穗狀花序[1]。姜黃的根莖是傳統中藥材，性熱、味辛，入脾、肝經，具有破血行氣、通經止血的功效，也有防腐殺菌和保健的作用，主要用于現代中藥領域的制劑生產與食品領域的染色和調味。姜黃在熱帶與亞熱帶地區，特別是在東亞和東南亞被廣泛栽培，如印度、緬甸等國，我國主要集中在福建、廣東、云南、四川、西藏及臺灣等地[2]。姜黃的主要活性成分為姜黃素類化合物和姜黃揮發油，還含有糖類、多肽類、烯酸類、甾醇類、脂肪酸及微量元素等[3-5]。其中，姜黃素類化合物具有降血脂、抗炎抑菌、抗氧化、抗腫瘤、抗癌、抗病毒、利膽等作用[6-13]，目前臨床應用廣泛，姜黃揮發油主要起消炎、抑菌、止咳等作用[14-20]。

以姜黃作為原料，以超聲波輔助法作為關鍵技術提取姜黃中的姜黃素，研究將超聲波輔助技術應用到姜黃素的提取工藝中，并對姜黃中的姜黃素含量進行測定。以姜黃素提取率為考查指標，對超聲波輔助提取姜黃素的工藝條件進行優化，從而建立一個安全、簡捷、高效的提取姜黃素的新型潔凈工藝，為姜黃素的綜合開發利用提供科學的試驗依據。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

姜黃粉，徐州益豐大藥房提供；姜黃素標準品，阿達瑪斯試劑（上海）有限公司提供；丙酮、無水甲醇、異丙醇、乙醇（95%）、乙酸乙酯、冰醋酸等常規試劑，均為分析純。

1.2 儀器與設備

AR1140型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產品；KQ-300DE型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；202-3BC型電熱恒溫鼓風干燥箱，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司產品；UV-7504型紫外可見分光光度計，上海棱光技術有限公司產品；其他常規玻璃儀器，江蘇省徐州醫藥高等職業學校實訓中心提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

原輔料稱量（姜黃粉1 g，95%乙醇備用）→混合（姜黃粉∶溶劑=1∶40）→超聲波處理（溫度、功率、時間、濃度）→靜置（8～10 h）→稀釋（100倍）→測吸光度（波長430 nm）→計算提取率。

1.3.2 試驗方法

（1）姜黃素最大吸收波長的測定。將配置好的姜黃素標準品乙醇溶液，用分光光度計于波長400～500 nm范圍內每5 nm測定一次吸光度，并在最大吸收波長處每2 nm測定一次吸光度，以此確定姜黃素測定的最大吸收波長。

（2）姜黃素提取溶劑種類的測定。根據料液比1∶40的無水甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、丙酮和乙酸異丙酯進行提取研究，從而確定最佳溶劑種類。

（3）姜黃素提取工藝優化。根據單因素試驗結果，選取4個因素設計正交試驗設計L9（34）對姜黃素提取工藝進行優化。

（4）姜黃素提取率計算。

式中：A——試樣的吸光度；

F——料液比倍數；

100——容量的換算系數；

m——試驗用姜黃素試樣的質量，g。

（5）姜黃素質量指標檢驗。對最佳工藝條件下得到的姜黃素成品的主要指標進行檢驗，并與姜黃素國家標準進行比較[21]，對其進行質量評價。

2 結果與分析

2.1 姜黃素最大吸收波長的確定

按照1.3.2（1）試驗操作方法將姜黃素標準品乙醇溶液于波長400～500 nm的范圍內每隔5 nm測定一次。

姜黃素標準吸收曲線圖見圖1。

圖1 姜黃素標準吸收曲線圖

由圖1可知，姜黃素對照品在430 nm處有最大吸收波長，由此可以確定姜黃素的最大吸收波長為430 nm。

2.2 姜黃素提取溶劑種類的確定

按照1.3.2（2）試驗操作方法用電子天平稱量6份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶40加入40 mL的乙酸、乙酸乙酯、95%乙醇、丙酮、異丙醇、甲醇溶液進行超聲波處理，靜置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波長430 nm處測定提取液的吸光度，計算不同溶劑類型對姜黃素提取率的影響。

不同種類提取溶劑對姜黃素提取率的影響見圖2。

圖2 不同種類提取溶劑對姜黃素提取率的影響

由圖2可知，用95%乙醇作為提取劑姜黃素提取率最高，其次是乙酸、無水甲醇、乙酸乙酯、異丙醇，丙酮溶液的提取率最低，所以提取姜黃素的溶劑種類確定為95%乙醇。

2.3 姜黃素提取的單因素試驗

2.3.1 料液比對提取姜黃素的影響

按照1.3.2（3）試驗操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，根據1∶30，1∶40，1∶50，1∶60，1∶70，原料配比95%乙醇溶液加入超聲處理，然后取上清液1 mL，定容100 mL容量瓶，于波長430 nm處測定提取液吸光度，計算提取率，考查不同料液比對姜黃素提取率的影響。

料液比對姜黃素提取率的影響見圖3。

圖3 料液比對姜黃素提取率的影響

由圖3可知，姜黃素的提取率隨著料液比的增大先上升后降低，在料液比為1∶50時，姜黃素的提取率達到最大值，由此確定超聲波輔助乙醇提取姜黃色素的最佳料液比為1∶50。

2.3.2 乙醇體積分數對提取姜黃素的影響

按照1.3.2（3）試驗操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶50加入95%，85%，75%，65%，55%乙醇溶液進行超聲波處理，靜置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波長430 nm處測定提取液吸光度，計算提取率，考查不同乙醇體積分數對姜黃素提取率的影響。

乙醇體積分數對姜黃素提取率的影響見圖4。

圖4 乙醇體積分數對姜黃素提取率的影響

由圖4可知，在超聲輔助條件下，姜黃素的提取率隨乙醇體積分數的增加而變化。85%時姜黃素的提取率最高，當乙醇體積分數超過85%時，姜黃素的提取率總體呈現下降趨勢。結果表明，超聲波處理條件下最佳的乙醇體積分數為85%。

2.3.3 功率對姜黃素提取率的影響

按照1.3.2（3）試驗操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶50加入85%乙醇水溶液50 mL，分別于180，210，240，270，300 W功率下進行超聲波處理，靜置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波長430 nm處測得定提取液吸光度，計算提取率，考查不同超聲波功率對姜黃素提取率的影響。

超聲功率對姜黃素提取率的影響見圖5。

圖5 超聲功率對姜黃素提取率的影響

由圖5可知，隨著超聲波功率的變化，姜黃素的提取率也隨之產生了改變。在超聲處理的條件下，姜黃素的提取率達到了240 W的最高水平。當超聲功率大于240 W時，姜黃素的提取率開始緩慢下降，這可能是由于過量的能量足以摧毀姜黃素本身的結構。因此，超聲波處理條件下提取姜黃素最適合功率為240 W。

2.3.4 提取溫度對姜黃素提取率的影響

按照1.3.2（3）試驗操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶50加入85%乙醇水溶液50 mL，提取溫度依次為30，35，40，45，50℃下開始超聲波處理，靜置后取上清液1 mL，定容至體積為100 mL容量瓶內，于波長430 nm處測得定提取液吸光度，計算提取率，考查不同溫度對姜黃素提取率的影響。

提取溫度對姜黃素提取率的影響見圖6。

圖6 提取溫度對姜黃素提取率的影響

由圖6可知，姜黃素的提取率隨溫度變化先增大再減小，在35℃時提取率達到最大值，這可能是因為乙醇溶液更容易滲透進姜黃細胞體內，加快姜黃素的析出，從而進一步提高姜黃素的提取率，而大于35℃后，姜黃素的提取率緩慢減小，是因為乙醇沸點較低在溫度過高時會部分揮發，使得姜黃素的提取率降低。因此，確定最佳提取溫度為35℃。

2.4 姜黃素提取的正交試驗

根據單因素試驗結果分析，單因素試驗中對姜黃素提取率影響大小分別為超聲波功率、乙醇體積分數、料液比、提取溫度，選定這4個因素設計正交試驗L9（34），并對姜黃素提取工藝進行優化。

L9（34）正交試驗結果見表1。

表1 L9（34）正交試驗結果

由表1可知，在超聲波輔助法提取姜黃素的正交試驗中第4組A2B1C2D3處理提取率最高達到了68.3%；根據極差分析的結果，影響因素的順序為乙醇體積分數＞提取溫度＞超聲功率＞料液比。

而根據K因素表可知姜黃素提取最佳組合為A2B1C1D3，核對正交試驗表1中沒有符合的試驗號，因此有必要在4號試驗組最高提取率組合A2B1C2D3做驗證測試。

對比驗證見表2。

表2 對比驗證

由表2可知，K最佳組合比4號方案的提取率更高，所以選擇姜黃素優化最佳組合為A2B1C2D3，即溫度35℃，功率210 W，乙醇體積分數75%，料液比1∶60。

2.5 姜黃素成品質量指標檢驗

對最佳工藝條件下得到的姜黃素成品的主要指標進行檢驗，并與GB 1886.76—2015食品國家安全標準 食品添加劑姜黃素[21]進行對照進行評價質量。

姜黃素國家標準對比檢驗結果見表3。

表3 姜黃素國家標準對比檢驗結果

3 結論

試驗確定了姜黃素測定的最大吸收波長是430 nm，確定了姜黃素提取最佳溶劑是乙醇溶液，確定了影響姜黃素提取因素為乙醇體積分數＞提取溫度＞超聲波功率＞料液比。姜黃素提取最佳工藝是溫度35℃，功率210 W，乙醇體積分數75%，料液比1∶60。

試驗采用超聲波輔助的方法與溶劑浸提法相結合的方式從姜黃中獲取姜黃素，并對最佳工藝條件下得到的姜黃素成品的主要指標進行檢驗，并與GB 1886.76—2015食品國家安全標準 食品添加劑 姜黃素進行對照，均符合國家產品標準要求，為進一步開發姜黃素功能食品奠定基礎。