生姜中姜黄素的匀浆结合有机溶剂法提取工艺优化

2018-07-17蔡婧婧唐晓珍位思清孙彩翼王雪孙静雯李宁阳

中国调味品 2018年7期

蔡婧婧，唐晓珍，位思清，孙彩翼，王雪，孙静雯，李宁阳＊

（1.山东农业大学，山东泰安 271018；2.山东省外贸职业学院，山东泰安 271000）

姜黄素是联合国粮农组织食品法典委员会批准的食品添加剂（FAO/WHO，1995），主要用于罐头、肠类、酱卤制品、糕点、饮料等的染色［1］。医学研究证实，姜黄素具有保肝利胆、降血脂、抗癌、消炎杀菌、抗氧化、防止衰老等多方面药理作用［2－8］。由于姜黄素在食品和医疗领域的功效，市场上对姜黄素的需求日益扩增，根据Grand市场研究公司最新的研究证实，欧洲作为姜黄素的主要消费区，预计姜黄素市场从2015年～2022年将以每年超过17%的年增长率增长，全球姜黄素市场预计到2022年将达到9430万美元［9－11］。

中国是世界生姜生产大国，生姜总种植面积为25.65万公顷，总产量为580万吨，占世界总产量的38.32%［12］。姜黄作为提取姜黄素的主要原料之一，含量为0.55%～4.90%［13－15］，生姜中也含有大量姜黄素，含量为0.39%～3.35%［16－18］，接近姜黄中姜黄素，资料显示二者姜黄素组分类似［19］。姜黄亩产约为1000kg［20］，而生姜亩产约为5000～7500kg，是姜黄产量的5～8倍，若能用生姜中姜黄素代替姜黄中姜黄素，经济效益十分显著。

目前姜黄素常见的提取方法有有机溶剂提取法、酸碱提取法、超临界CO2萃取法、水杨酸钠法、酶提取法［21－25］。有机溶剂提取法设备简单、操作方便，为姜黄素的常用提取方法；匀浆法具有提取速度快、温度低、能耗低、目的成分含量高等优点［26］，且鲜物料匀浆法特别适合于热敏性物质的提取。二者结合具有提取速度快，能耗低，在常温下均能对干物料和湿物料进行提取，目的成分稳定性较好，目的成分高等优点，经常作为初级提取方法，得到粗提物后进行后续提取纯化。为此，本试验以山东安丘大姜为研究对象，利用响应面分析法优化匀浆法提取生姜的条件，采用分光光度法测定姜黄素的含量，以期为生姜中姜黄素资源的开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

山东安丘生姜：2016年4月份采收；无水乙醇：天津凯通有限公司。

1.2 试验仪器

电子天平上海上平仪器有限公司；国华JJ－1数显精密增力电动搅拌器常州国华电器有限公司；离心机上海安亭科学仪器厂；真空泵巩义市予华仪器有限公司；分光光度计上海元析仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 姜黄素标准曲线的确定

据参考文献［18］绘制得到标准曲线方程为：

式中：x为样品的吸光度值（425nm）；y为姜黄素的含量（mg/g）。

1.3.2 单因素试验

取生姜5份，每份100g。固定料液比1∶4（g/mL）、匀浆时间3min、搅拌时间30min，考察乙醇体积分数60%，70%，80%，90%，100%对含量的影响。然后将优选的最佳乙醇体积分数作为固定数值，考察料液比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5（g/mL）、搅拌时间0，10，20，30，40min、匀浆时间0，1，2，3，4min对含量的影响，逐次筛选各因素的最佳条件。

1.3.3 响应面试验

利用Design Expert软件进行优化设计，得到最佳试验条件并对其进行分析。

1.3.4 姜黄素含量的确定

参照参考文献［26］，公式如下：

式中：Y为姜黄素的含量（mg/g），C为姜黄素的浓度（mg/mL），V为用乙醇提取的姜黄素的体积（mL），M 为生姜的质量（mg）。

2 结果与分析

2.1 乙醇体积分数的选择

图1 乙醇体积分数对姜黄素含量的影响Fig.1Effect of ethanol volume fraction on curcumin content

由图1可知，随着乙醇体积分数的增大，60%～90%呈显著性增长（p＜0.05），90%～100%增长不显著（p＞0.05）。这说明乙醇体积分数为90%时，姜黄素已经被充分提取，因此确定最佳体积分数为90%。

2.2 匀浆时间的选择

图2 匀浆时间对姜黄素含量的影响Fig.2Effect of homogenization time on curcumin content

由图2可知，0～3min时，姜黄素含量随着时间的增长呈显著性增长（p＜0.05），3min时姜黄素含量达到最大值2.23%，块状生姜在匀浆机的剪切作用下进一步破碎，形成了大量的组织团块、细胞团块和破损细胞，随着匀浆时间的增长，细胞破碎度越大，提高了细胞内姜黄素向提取介质乙醇扩散的效率，从而提高了姜黄素的溶出率［27］。3min之后显著性下降（p＜0.05），此时生姜粉碎过细，匀浆液呈糊状，反而降低了姜黄素的传质速度，因此确定最佳匀浆时间为3min。

2.3 搅拌时间的选择

图3 搅拌时间对姜黄素含量的影响Fig.3Effect of stirring time on curcumin content

由图3可知，随着搅拌时间增长，10～30min姜黄素含量显著性提高（p＜0.05），这是因为乙醇从生姜细胞壁渗透到细胞内并完全溶解出姜黄素需要一定时间，在30min时姜黄素被充分提取，细胞内外溶液浓度达到了动态的平衡，提取液呈饱和状态。超过30min后，含量增加不显著（p＞0.05），40min后开始缓慢下降（p＜0.05），这可能是因为乙醇是易挥发物质，随着时间延长，乙醇挥发使得姜汁浓度增加，影响姜黄素含量，因此确定最佳搅拌时间为30min。

2.4 料液比的选择

图4 料液比对姜黄素含量的影响Fig.4Effect of the ratio of material to liquid on curcumin content

由图4可知，随着料液比的增加，姜黄素的含量呈显著性上升趋势（p＜0.05），当料液比达到1∶4之后增长不显著，这是因为料液比达到一定程度后，姜黄素已经基本溶解在溶剂中提取完全，因此确定最佳料液比为1∶4。

2.5 响应面试验结果与分析

2.5.1 响应面法优化试验结果

根据Box－Behnken中心组合设计原理，在单因素试验基础上，以乙醇浓度、搅拌时间、匀浆时间、料液比4个因素为自变量，以姜黄素含量为响应值，做四因素三水平的响应面分析试验，试验因素水平见表1，试验结果见表2。

表1 响应面试验因素水平表Table 1Factors and levels of response surface design

表2 响应面试验方案及结果Table 2Scheme and experimental results of response surface design

2.5.2 回归模型的建立及检验

对27个试验点进行方差分析，见表3。

表3 响应面试验结果方差分析表Table 3Response surface experimental results analysis of variance

续表

由表3可知，回归模型是极显著的（P＜0.0001），模型失拟项是表示模型预测值与实际值不符合的概率，该模型失拟项P值为0.1762，表示失拟不显著，该模型可以反映响应值的变化，对试验拟合情况好，误差小，因此可用该回归方程代替试验真实点对试验进行预测分析。

因素B、因素D的P值均小于0.0001，说明匀浆时间和料液比的影响是极显著的，同时A2，B2，C2，D2的P值均小于0.01，说明 A2，B2，C2，D2的影响是极显著的，说明C2的影响是显著的。

交互项AB的P值＜0.01，说明乙醇体积分数和匀浆时间交互项对含量有极显著影响，AD的P值＜0.05，说明乙醇体积分数和料液比之间的交互作用对含量是有显著影响的，AC，BC，BD，CD的P值均大于0.05，说明乙醇体积分数和搅拌时间、匀浆时间和搅拌时间、匀浆时间和料液比、搅拌时间和料液比之间交互项对含量是没有显著影响的。

对表3进行多元回归拟合，得到姜黄素的含量对自变量A，B，C，D的二次多项回归方程：y＝＋2.1＋0.065A＋0.31B－4.167E－003C－0.18D＋0.18AB＋0.047AC－0.12AD－0.050BC－0.11BD－0.060CD－0.23A2－0.41B2－0.15C2－0.27D2。

2.5.3 变异系数

响应面试验结果变异系数见表4。

表4 响应面试验结果变异系数Table 4Coefficient of variation of response surface experimental results

校正决定系数R2（Adj）为0.7581，变异系数C.V.（%）为6.16%，说明该模型6.16的变异不能由该模型解释，因此，该模型的拟合性较好。

2.5.4 等值线图和三维分析面图

借助Design Expert软件来绘制交互作用分析图，见图5。

图5 两因素交互作用对姜黄素含量影响的等高线和响应面Fig.5Response surface and contour plots showing two factors＇interaction effects on the yield of curcumin

从等值线图可以直观地反映出两变量交互作用的显著程度，圆形表示两因素交互作用不显著，而椭圆形与之相反。

由图5响应面立体图和等高线图可知：图5A中等高线图形趋于椭圆，乙醇体积分数和匀浆时间交互作用对含量有极显著影响；图5B中等高线图形趋于椭圆，说明乙醇体积分数和料液比之间的交互作用对含量有显著影响；图5C，5D，5E，5F中等高线图形趋于圆形，匀浆时间和搅拌时间、匀浆时间和料液比、搅拌时间和料液比、乙醇体积分数和搅拌时间交互作用不显著。

图5A（b）响应面随着匀浆时间的增加含量先增大后降低，变化幅度较小；随乙醇体积分数先增大后趋于平缓且变化幅度较大。这主要是因为乙醇体积分数越大越有利于姜黄素的溶解，在最佳乙醇体积分数时姜黄素已经得到充分提取；适当地提高匀浆时间可以提高姜黄素的含量，当匀浆时间高于最佳匀浆时间时，生姜粉碎过细，提取液呈糊状，影响了传质速度。因此提取姜黄素时要选择合适的乙醇体积分数和匀浆时间。

回归模型预测总姜黄素含量最优时的乙醇浓度为93.38%，匀浆时间为3.49min，搅拌时间为30.01min，料液比为1∶4，姜黄素含量为2.34mg/g。按照该条件进行试验验证，为方便操作，设置乙醇浓度为90%，匀浆时间为3.5min，搅拌时间为30min，料液比为1∶4，3次平行试验姜黄素的平均含量为2.27mg/g。