, ,,

(1.莱芜职业技术学院 生物教研室,山东 莱芜 271199;2.山东省康福德实业有限公司，山东 莱芜 271100)

1 拟解决的关键问题

我国生姜栽培面积大、生产总量多。我国生姜出口产品主要以保鲜姜为主，由于生姜易腐烂变质、不易储存,造成了生姜资源的极大浪费。因此对生姜进行精深加工,提高其利用附加值,具有重要的实际意义和应用价值。 姜油树脂为生姜中提取的含有姜精油与姜辣素的混合物，姜的香气取决于姜精油，其特征性辛辣风味主要来自于姜辣素[1,2]。研究表明姜油树脂具有抗氧化、抑菌、调节血脂、预防血栓形成和抗动脉粥样硬化等作用[3-7]，因此，将生姜油树脂等附加值高的产品作为开发利用的重点，开发以生姜油树脂为原料的生姜终端消费品具有广阔的市场前景。

本研究通过技术研发、技术集成，将生姜油树脂提取、转化核心技术进行熟化和集成，形成高效标准化生姜油树脂提取技术规程，以期提高生姜精加工产品的水平和技术含量，增加生姜的附加值，加大生姜产业精深加工产品的开发力度。

2 技术研究和集成方法

姜油树脂的提取方式主要有超临界CO2萃取和溶剂萃取[8,9]。亚临界流体萃取是以亚临界状态的流体为溶媒，从天然产物中提取目标组分的一种新型萃取分离技术[10,11]，已在特种植物油、色素、中药、羊毛脂、植物精油和动物油(如鱼油)等的提取中广泛应用[12-17]，与超临界流体萃取法相比，亚临界流体萃取过程中所需温度及压力的条件较为温和，不会对物料中的热敏性成分造成损害，成本更低，易于实现工业化生产[18,19]。微波真空干燥是随着微波干燥技术发展起来的一项新的组合干燥技术，它可以在较低的温度下对物料进行干燥，较好地保持物料的营养成分及改善产品的干燥品质，克服常规热风干燥时间长的问题，并能提高生产效率，明显减少能耗,较好地保留食品的色泽、香气、风味、热敏性营养成分，具有生物活性成分，最终得到较好的干燥品质[20-22]。

本研究以莱芜生姜为原料，采用微波真空干燥、亚临界流体丁烷低温萃取技术和超临界流体二氧化碳液液精制技术，实现生姜油树脂的精制生产，达到干姜收率20%，生姜油树脂萃取率97%以上，溶剂残留达到未检出水平。技术路线见图1。

图1 技术路线Fig.1 Technical route

3 主要技术成果

3.1 微波真空干燥制备干姜

3.1.1 微波真空干燥制备干姜的工艺流程

鲜姜原料→清洗→切片→微波真空干燥→包装。将鲜老姜洗净，去除霉烂部分，切片后置于微波真空干燥箱，姜片厚度大约在3～5 mm左右，调节温控于干燥室温度50 ℃，真空度保持在0.075 MPa，微波干燥频率(2450±50) MHz进行干燥。

在取样前将称量皿烘干，置于干燥器中冷却至室温，称重(W0)。取样，盖上皿盖，称重(W1)。将取样后的称量皿开盖置于已调节到60 ℃的烘箱内，常压烘制一定时间，然后取出称量皿，在干燥器内冷却到室温以后再称重，直到干燥至恒重(W2)。烘干前后的重量差即为水分含量。

姜粉水分含量(%)=(W1-W2)/(W1-W0)×100。

式中：W0为称量皿重(g)；W1为湿样品及称量皿重(g)；W2为干样品及称量皿重(g)。

3.1.2 结果与分析

图2 干燥时间与含水量的关系Fig.2 Relationship between drying timeand water content

由图2可知，微波真空干燥过程中，随着干燥时间的延长，干姜的水分含量呈逐渐递减的趋势。干燥8 min后，水分含量达到安全水分13%以下，但随着干燥时间延长，表面和表层水分蒸发后，组织细胞内的结合水分去除阻力较大，热阻层增厚，衰减速度放缓。干燥超过16 min后，水分含量变化不再明显。其原因可能是在干燥初期，鲜姜表面的水分在交变高频电场的作用下，在负压空间的水分快速蒸发，水分衰减较快，根据工艺要求，综合考虑，选择鲜姜微波真空干燥8 min。在此条件下, 干姜片的含水量在12.1%，干姜收率达到20%以上,鲜姜的风味和辣度品质较佳。

3.2 亚临界流体丁烷提取生姜油树脂

3.2.1 试验方法

取适量的姜粉放入亚临界装置的萃取釜中，选用丁烷为亚临界萃取剂进行萃取，得到姜油树脂。

2016年3月，全球四大会计事务所之一的德勤（Deloitte& Touche）与Kira Systems合作将人工智能引入财税审计领域，开发了德勤财务机器人“小勤人”。财务机器人的问世凭借快速阅读繁杂的基础文件、攫取关键信息、快速响应、低差错率、全年24小时不间断工作等优势，震撼全球财会领域，多家大型企业纷纷采购财务机器人，让财会人员感受到了前所未有的重大危机。会计学本科教育是培养财会人员最重要的途径之一，如何在人工智能背景下对现有会计学本科生培养模式进行调整以顺应时代变换，是高校财会领域教师值得深思的问题。

单因素试验：试验因素为压力、温度和时间。压力范围为0.25～0.45 MPa，温度范围为30～50 ℃，萃取时间分别为20,30,40,50,60 min。

正交试验：根据单因素试验结果，以萃取率作为质量指标，以压力、温度和时间进行三因素五水平正交试验。

3.2.2 结果与分析

3.2.2.1 萃取压力对萃取率的影响

根据亚临界萃取的试验经验，称取适量姜粉，在40 ℃ 的条件下，以亚临界丁烷为萃取溶剂，压力分别为0.25,0.3,0.35,0.4 MPa，萃取40 min，测定萃取率，结果见图3。

图3 萃取压力对萃取率的影响Fig.3 Effect of extraction pressure on ginger oleoresin extraction rate

由图3可知，萃取压力在0.25～0.40 MPa之间，萃取率随着萃取压力的增大而增大，当萃取压力为0.4 MPa时，萃取率可达97.2%，继续提高压力，萃取率上升不显著，达到97%以上的平稳状态，这是由于压力升高， 溶质分子内的相互作用增加，溶解度增大，故萃取率增大。当压力很高时，溶剂的黏度随之增大，阻止分子的扩散，致使萃取率增加不明显。因此，本研究选用0.4 MPa的萃取压力。

3.2.2.2 萃取温度对萃取率的影响

图4 萃取温度对萃取率的影响Fig.4 Effect of extraction temperature on ginger oleoresin extraction rate

由图4可知，在萃取压力和萃取时间恒定的条件下，随着反应温度的提高, 萃取率呈上升趋势；萃取温度在30～40 ℃时，姜油树脂的萃取率升高较快；当萃取温度超过40 ℃时，萃取率上升趋势趋于平缓。其原因是温度影响分子热运动、密度、蒸气压、溶解度等，温度升高，溶质扩散系数增大，利于姜油树脂的浸出，提高萃取率；但温度过高，萃取溶剂密度降低，影响萃取效率[23]，温度升高，不利于产品生物活性的保留，能耗增加。因此，萃取温度选择40 ℃，此时萃取率达到97%以上。

3.2.2.3 萃取时间对萃取率的影响

在萃取压力为0.4 MPa和萃取温度为45 ℃的条件下，分别萃取20,30,40,50,60 min，测定萃取率，结果见图5。

图5 萃取时间对萃取率的影响Fig.5 Effect of extraction time on ginger oleoresin extraction rate

由图5可知，姜油树脂的萃取率随着萃取时间的延长而增加，当萃取时间达到40 min时，萃取率达到97.2%，此后，随着时间延长，由于萃取罐内油脂溶解度趋于饱和，增加较缓慢, 趋于平缓，说明萃取反应已基本完成, 考虑到企业成本问题，初步确定最佳萃取时间为40 min，此时生姜油树脂的萃取率为97%以上。

3.2.2.4 正交试验结果

在单因素基础上,对压力、温度、时间这3个因素选取以下水平进行三因素五水平正交试验，以萃取率作为质量指标，结果见表1。

表1 亚临界流体丁烷萃取姜油树脂正交试验结果Table 1 Orthogonal test resultes of extraction of ginger oleoresin by subcritical fluid butane

由表1可知，影响姜油树脂萃取率的各因素主次顺序为：温度>时间>压力。亚临界流体丁烷提取生姜油树脂的最佳水平为：A5B5C5，但考虑企业成本，萃取率达到97%即可，验证方案A4B3C3的萃取率达到97.2%，符合要求，即A4B3C3为最佳方案：萃取压力0.40 MPa、萃取温度40 ℃、萃取时间40 min。即以丁烷为亚临界流体的萃取操作，生姜原料的萃取操作参数为：萃取压力0.40 MPa、萃取温度40 ℃、萃取时间40 min，可以实现生姜树脂的提取率达到97%以上。

表2 亚临界流体丁烷萃取姜油树脂正交试验方差分析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，“*”表示差异显著，“**”表示差异极显著。

由表2可知，压力、温度、时间对萃取率都有显著影响。因此，在试验过程中，严格控制压力、温度、时间是非常有必要的。

3.3 超临界流体二氧化碳萃取精制亚临界流体丁烷萃取的姜油树脂

3.3.1 试验方法

以生姜油树脂为原料，加入超临界的萃取釜中。45 ℃下萃取精制120 min，二氧化碳的循环流量为12～18 L/min，压力范围为12～20 MPa，以姜辣素含量作为质量指标，就压力、循环流量进行二因素五水平正交试验。

3.3.2 结果与分析

对压力、二氧化碳的循环流量这2个因素选取以下水平进行二因素五水平正交试验，以姜辣素含量作为质量指标，结果见表3。

表3 超临界流体萃取姜油树脂正交试验结果Table 3 Orthogonal test results of supercritical fluid extraction of ginger oleoresin

续 表

由表3可知，第13，14，15，18，19，20，23，24，25号试验姜辣素含量达到29%以上，最后分析计算结果，极差越大的因素重要程度越高，因此各因素主次顺序为：压力>循环流量。二因素五水平试验共有上述25种方案，从成本考虑，13号试验符合要求，即压力16 MPa，循环流量18 L/min。

超临界流体二氧化碳萃取精制亚临界流体丁烷萃取的姜油树脂，实现了姜油树脂的分离纯化，在萃取釜压力16 MPa、温度45 ℃条件下，萃取120 min，姜辣素含量由25.3%提高到29%以上，同时实现了溶剂残留未检出的安全品质。

4 结论

本研究创造性地将微波真空干燥、亚临界流体丁烷低温萃取技术和超临界流体二氧化碳液液精制技术集成，探索出了生姜油树脂提取的最佳工艺路线及工艺参数。微波真空干燥干姜的最佳工艺条件为：干燥频率(2450±50) MHz，干燥时间8 min；亚临界流体丁烷萃取最佳工艺条件为：萃取压力0.40 MPa，萃取温度40 ℃，萃取时间40 min；超临界流体二氧化碳萃取最佳工艺条件为：萃取压力16 MPa,萃取温度45 ℃，二氧化碳的循环流量达到18 L/min，操作周期120 min。在此条件下，干姜片的含水量为12.1%，干姜收率达到20%以上，生姜油树脂萃取率达97%以上，溶剂残留达到未检出水平。