生姜副產物高效提取姜辣素及包埋穩態化研究

中圖分類號：TS221 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2025）07-0014-06

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2025.07.003

Study on the Efficient Extraction of Gingerol from Ginger Residue andItsEncapsulation Stabilization

FANQi'，ZHANGBohua1， ZHANG Ming1，WANG Chongdui'，WANGLi'，WANG Bin1， MENGXiaofeng1，PANJianhe2，MAChaol* （1. Jinan Fruit Research Institute，All China Federation of Supply and Marketing Co-operatives， Jinan，China;2.AnqiuLinfu Food Co.，Ltd.，Weifang ，China）

Abstract： In order to improve the comprehensive utilization of ginger by-products，ginger residue after juicing was used as the raw material to study the optimal process for gingerol using water bath oscilation method by single-factor experiment and orthogonal experimental design.The results showed that the highest yield of gingerol （4.63 % ） was achieved when the material-to-liquid ratio was 1：5O， the extraction temperature was 80‰ ， and the extraction time was1OO minutes.To overcome the instability and poor water solubilityof gingerol， whey protein isolate was used as the emulsifier and medium-chain triglycerides as the oil phase to prepare a gingerol-whey protein nanoemulsion. The encapsulation efficiency of gingerol reached up to 94% ，and the prepared emulsion exhibited good centrifugation stability and particle size distribution.Additionaly，it successfully masked the pungent odor of gingerol， offering a pleasant taste for consumption.

Keywords：Ginger residue; gingerol; nanoemulsion; encapsulation; sensory evaluation

生姜屬于多年生草本植物，性喜溫，含有豐富的生姜油、姜辣素、膳食纖維和礦物質元素等，具有發汗解表、化痰止咳等功效，在食品、醫藥和化妝品方面應用廣泛。我國的生姜目前主要作為調味品使用，初加工產品少，綜合利用效率低。隨著我國食品加工技術的發展，近些年我國姜汁的產量明顯提高，但是榨汁后殘留的姜渣未得到有效合理的應用，不僅浪費資源，而且污染環境。

姜辣素不僅是生姜辣味的主要呈味物質，也是生姜多種功能活性的主要功能因子，在抗氧化、抗癌、抗炎和降血脂等方面的作用受到了廣泛關注5。因此，關于生姜廢棄物高效提取姜辣素的研究有廣闊的科研前景。姜辣素在酸性條件下性質較為穩定，但在中性和堿性條件下易被分解。姜辣素水溶性低、遇熱不穩定、在胃腸道中穩定性差、口服生物利用度低，這些不利因素限制了姜辣素在功能性食品和營養制劑中的應用[6-7。姜辣素本身帶有刺激性氣味，以姜辣素為原料開發的飲品口感很難被消費者接受8-9。生產上多采用包埋方式來掩蓋其氣味。乳狀液對于生物活性成分的包埋具有良好的效果，通過改變乳狀液的結構成分和制備工藝，可以制備具有不同特性功能的乳狀液載體體系[。乳清分離蛋白是從牛奶分離提取出來的珍貴蛋白質，其純度高、吸收率好、氨基酸組成合理，具有“蛋白之王\"的美譽，是公認的人體優質蛋白質補充劑之一II-2I，具有乳化、凝膠、配體結合等多種功能特性，可以用作構建生物活性成分的理想載體，在生物活性成分的包埋和保護方面具有廣泛的應用[3-14。

本研究以榨汁處理后的姜渣副產物為原料，通過改變提取溫度、提取時間和料液比來研究水浴振蕩法提取姜辣素的最佳工藝，從而實現副產物的最大化利用。將提取得到的姜辣素，以乳清分離蛋白為乳化劑，通過高壓均質方法將其包埋在中鏈甘油三酯中，改善姜辣素的風味、穩定性和生物利用度，通過探究乳清蛋白濃度確定制備姜辣素/乳清蛋白納米乳化體系的最佳工藝參數，對于擴展姜辣素在功能性食品和營養制劑中的應用具有重要意義。

1材料與方法

1.1材料與儀器

生姜品種為‘小黃姜’，購于。

無水乙醇、姜黃素、1，1-二苯基-2-苦基肼自由基、二甲基亞砜、香草醛，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；乳清分離蛋白，純度 92% ，美國Davisco食品國際公司；阿拉伯膠，美國Sigma-Aldrich公司；中鏈甘油三酯，河北鵬宇生物科技有限公司。

ME-104電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；SHA-B雙功能水浴恒溫振蕩器，江蘇杰瑞爾電器有限公司；DHG-9075AE電熱鼓風干燥箱，上海捷呈實驗儀器有限公司；UV1000紫外分光光度計，上海天美科學儀器有限公司；RE-501旋轉蒸發儀，上海越眾儀器設備有限公司；TGL-10B高速臺式離心機，上海安亭科學儀器有限公司；RH-600A高速粉碎機，浙江榮浩工貿有限公司；AH-BASIC30高壓均質機，安拓思納米技術（蘇州）有限公司；NanoBrook 0mi 粒徑分析儀，美國布魯克海文儀器公司。

1.2 姜渣的預處理

將生姜洗凈后榨汁，收集姜渣，置于電熱鼓風干燥箱中，風速設置為 2m/s ，溫度 60^°C ，干燥至質量恒定，將干燥后的姜渣用粉碎機粉碎，過60目篩備用。

1.3姜辣素的提取

準確稱取 2g 姜渣，加入 95% 乙醇溶液，按照料液比1：40Q/mL ，在 60^°C 提取 60min，3 000r/min 離心 5min 取上清液，過濾后濃縮至 20mL ，獲得姜辣素提取液。

1.4 姜辣素含量的測定

準確稱取 0.1g 香草醛標準品，用無水乙醇定容至

50mL 容量瓶中，吸取 0.5mL 至 50mL 容量瓶中，用無水乙醇定容，即得到 20.0mg/mL 的香草醛標準溶液。吸取濃度為 20.0μg/mL 的香草醛標準溶液 1、2、3、4、5、6、7mL 分別置于 10mL 容量瓶中，定容，得到濃度為2、4、6、8、10.12.14mg/mL 香草醛系列標準溶液，搖勻，在 280nm 測吸光度，以香草醛溶液的濃度為橫坐標，吸光度 A 為縱坐標，繪制標準曲線[。以無水乙醇為空白，按照公式（1）計算姜辣素提取率。

姜辣素提取率

式中， c 為標準曲線對應的濃度， mg/mL V 為樣品溶液體積， mL;m 為姜粉質量， g;n 為稀釋倍數。

1.5 單因素實驗

單因素實驗固定料液比 1：40‰ ，提取溫度 60^°C 提取時間為 60min ，設定料液比為 1：20.1：30.1：40. （2041：50.1：60（g/mL） ，提取溫度為 40，50，60，70，80^°C ，提取時間為 20?40?60?80?100min， 按照1.4的方法測定姜辣素含量。

1.6 正交實驗

在單因素實驗的基礎上進行正交實驗，對料液比、提取溫度和提取時間三個因素進行優化，以姜辣素的得率作為評價指標，進行 L₉（3³） 正交實驗設計（見表1）。

表1正交實驗因素水平表

Table1 Factorsand levelstableof orthogonalexperiment

1.7姜辣素/乳清蛋白納米乳狀液的制備

乳清分離蛋白溶解于水中，室溫下緩慢攪拌1h，使蛋白質充分溶解，將 pH 值調節至7.0，配制質量分數為4% 的乳清分離蛋白母液，放入 4^°C 冰箱保存備用。稱取姜辣素提取溶液與中鏈甘油三酯混合，使中鏈甘油三酯的濃度為 1.0% 。將 4% 乳清分離蛋白母液稀釋為 0.1% 、0.2%，0.5%，1.0%，2.0% ，然后與上述姜辣素中鏈甘油三酯溶液混合，使整體體系達到 100g 。通過高速剪切乳化均質儀以 5000r/min 的轉速剪切 1min 制成粗乳液，再用高壓均質機在 500bar?4^°C 條件下均質3次制備乳狀液。

1.8測定指標與方法

1.8.1 粒徑的測定

采用動態光散射法（dynamic lightscattering，DLS）表征姜辣素/乳清蛋白納米乳狀液。取 20μL 乳狀液樣品，用緩沖液稀釋100倍，在 25°C 下，激光衍射角為 173^° 折射指數為1.450，測定樣品的粒徑分布。

1.8.2 離心穩定性的測定

在 2mL 離心管中加入 2mL 乳狀液，經 800r/min 離心 10min ，在距離心管底部 1cm 處取樣 30μL ，加入5mL0.1% 的 SDS 溶液中，混勻后在 500nm 下測定吸光度，每個樣品重復測定3次，結果取平均值。乳狀液離心穩定性根據公式（2）計算。

離心穩定性

式中， A₀ 為離心前乳狀液的吸光度； A_t 為離心后乳狀液的吸光度。

1.8.3姜辣素包埋率的測定

取制備的乳狀液按照1.4的方法測定乳狀液中姜辣素的總含量 c₀ ，將乳狀液在 10 000r/min 條件下離心30min 后，取上清液按照1.4的方法測定上清液中姜辣素的含量 σ_c1， 按照公式（3）計算姜辣素包埋率。

姜辣素包埋率

1.9姜辣素/乳清蛋白納米乳狀液感官評價

準備不同蛋白濃度姜辣素/乳清蛋白納米乳狀液的樣品，每份樣品 10g ，選取10名經過專業訓練的感官評價人員，從外觀、氣味、口感、風味協調性4個方面對各樣品進行感官評價，滿分40分，評價標準見表2。

1.10 數據處理

數據用 0rigin9.0 繪圖，SPSS25.0進行顯著性分析，正交實驗采用正交設計助手Ⅱ進行分析處理。

2結果與分析

2.1 標準曲線的繪制

在 280nm 波長處測定香草醛吸光度，所得標準曲線方程為 y=178x-0.003 ，相關系數 R²=0.998 3 ，線性關系良好，可用來計算生姜廢棄物中的姜辣素含量。

表2感官評價標準表

Table2Standardtableofsensoryevaluation

2.2 單因素實驗

2.2.1料液比對姜辣素得率的影響

如圖1所示，隨著料液比的減少，姜辣素得率先升高后降低。當料液比為 1：40（g/mL） 時，姜辣素得率最大，為 3.60% 。因此，最佳料液比為 1：40（g/mL） 。

圖1料液比對姜辣素得率的影響

Fig.1Effect of solid-liquid ratio on gingerol yield

2.2.2 提取溫度對姜辣素得率的影響

由圖2知，隨著提取溫度的提高，姜辣素提取得率先升高后持續不變。當提取溫度為 70% 時，姜辣素提取得率最高，為 4.54% 。因此，最佳提取溫度選擇 70% 。

圖2提取溫度對姜辣素得率的影響

2.2.3提取時間對姜辣素得率的影響

由圖3知，隨著提取時間的延長，姜辣素得率先升高后降低。當提取時間為 60min 時，提取得率顯著提升為3.49% ，當提取時間為 80min 時，姜辣素提取得率進一步提升至 4.24% ，繼續延長提取時間，姜辣素的提取得率呈下降趨勢，這可能是因為加熱時間過長，導致姜辣素成分氧化分解，因此選擇提取時間為 80min 。

圖3提取時間對姜辣素得率的影響

Fig.3Effect of extraction time on gingerol yield

2.3 正交實驗

由表3可得，對姜辣素得率影響最大的因素是提取溫度，提取時間影響最小。最佳工藝條件為 A₃B₃C₃ ，即料液比 1：50（g/mL） 、提取溫度 80^8C. 提取時間 100min 。經驗證實驗，在此條件下姜辣素得率為 （4.63±0.35）% 。

表3正交實驗結果

Table3 Results of orthogonal experiment

2.4姜辣素包埋

2.4.1姜辣素乳狀液的離心穩定性

離心穩定性是評價乳狀液體系物理穩定性的重要指標之一。由圖4可知，當蛋白濃度為 0.1% 時，離心穩定性僅為 35% ，這可能是因為蛋白濃度太低，不足以維持乳狀液界面張力，制備的乳狀液容易產生分層。當蛋白濃度為 0.2% 時，乳狀液的離心穩定性顯著提高為 58% ；當蛋白濃度為 1.0% 時，乳狀液的離心穩定性最大，達到 81% ；繼續提高蛋白濃度，乳狀液離心穩定性呈下降趨勢，可能是蛋白濃度過高產生了絮凝，導致穩定性下降。

圖4乳清分離蛋白濃度對姜辣素乳狀液離心穩定性的影響Fig.4Effect ofwheyprotein isolateconcentration on thecentrifugalstabilityofgingerol emulsion

2.4.2 姜辣素乳狀液粒徑分布

由圖5可知，所有的乳狀液粒徑呈現雙峰分布，第一個峰代表乳狀液中游離蛋白的粒徑，粒徑分布在 100nm 左右，第二個峰為乳狀液顆粒。當蛋白濃度為 0.1% 時，乳狀液的兩個峰分別在 340nm 和 1400nm 處，說明在此蛋白濃度下的乳狀液穩定性欠佳，放置過夜后，乳狀液出現分層現象。當蛋白濃度增加時，乳狀液粒徑變小，乳狀液穩定性顯著提高，結合圖4，當蛋白濃度在 0.2% 以上時，離心穩定性顯著提高相對應。當蛋白濃度為0.2% 時，乳狀液兩個峰分別在 131，548nm 。當蛋白濃度為 1.0% 時，乳狀液的粒徑分布達到最小值，分別位于 112、349nm 處，繼續增大蛋白濃度，乳狀液的粒徑變化不明顯。

圖5乳清分離蛋白濃度對姜辣素乳狀液粒徑分布的影響Fig.5Effectofwheyproteinisolateconcentrationonparticlesizedistributionofgingerolemulsion

2.4.3姜辣素包埋率

乳清分離蛋白濃度對姜辣素包埋率的影響見圖 6

圖6乳清分離蛋白濃度對姜辣素包埋率的影響Fig.6Effect ofwheyprotein isolate concentrationongingerol encapsulationrate

如圖6所示，隨著蛋白濃度的提升，姜辣素的包埋率先增大后減小。當蛋白濃度為 1.0% 時，姜辣素包埋率達到最大值 （94%） 。當蛋白濃度繼續升高時，體系中可能發生蛋白分子的聚集，或因體系黏度增加導致擴散性變差，影響姜辣素與蛋白的有效結合，同時部分包埋位點可能被遮蔽或形成不利于包埋的空間構型，從而使包埋率略有下降[13]。

2.5 姜辣素乳狀液感官評定

表4為不同乳清分離蛋白濃度下，姜辣素乳狀液感官評定得分，得分最低的乳狀液為 0.1% 蛋白濃度條件，為14分，此時制備的乳狀液穩定性較差，容易出現分層，且具有刺鼻的姜辣素味道，難以下咽。當蛋白濃度為1.0% 時，乳狀液得分最高，此時的乳狀液色澤均勻、無沉淀、無雜質，較好地掩蓋了姜辣素的刺鼻味，說明此濃度條件下的蛋白對姜辣素具有良好的包埋效果，制備的乳狀液具有良好的口感。

表4姜辣素乳狀液感官評定得分

Table4 Sensoryevaluationscoresof gingerolemulsion

3小結

本研究以經榨汁處理后得到的生姜副產物為研究對象，采用單因素和正交試驗研究姜水浴震蕩提取中姜辣素的最佳工藝，通過改變提取時間、料液比、溫度等參數進行優化，以姜辣素得率為主要評價指標，得出在料液比 1：50（g/mL） 、提取溫度 80°C_? 提取時間 100min 條件下姜辣素得率為 （4.63±0.35）% 。以乳清分離蛋白為乳化劑，中鏈甘油三酯為油相，制備姜辣素/乳清蛋白納米乳狀液。通過探究乳清蛋白濃度確定制備姜辣素/乳清蛋白納米乳化體系的最佳工藝參數得出，當蛋白濃度增加時，乳狀液粒徑分布變小，乳狀液穩定性有所改善。當蛋白濃度為 1.0% 時，離心穩定性最強；隨著蛋白濃度的提升，姜辣素的包埋率呈現先增大后降低的趨勢，最大包埋率為 94% ，此時的乳狀液口感良好，感官評定得分最高。本研究結果為生姜廢棄物高效利用、姜辣素的提取工藝及姜辣素穩態的研究提供了參考價值，也為以生姜副產物開發功能性飲料提供了思路。

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