微波辅助乙醇提取姜辣素及其对油脂的抗氧化性研究

陈莉华，左林艳，唐玉坚

微波辅助乙醇提取姜辣素及其对油脂的抗氧化性研究

陈莉华，左林艳，唐玉坚

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首 416000)

目的：研究姜辣素的提取方法及其抗氧化性。方法：通过单因素和正交试验研究溶剂种类、乙醇体积分数、微波功率、微波处理时间、料液比因素对提取效果的影响，考察姜辣素在不同作用时间、不同温度下对油脂的抗氧化性能，并与一些天然抗氧化剂作比较。结果：当以66%乙醇为溶剂、料液比1:16(g/mL)、微波300W、微波协同处理70s作为提取姜辣素的最佳工艺条件时，姜辣素的提取率达到1.76%，该生姜提取物能增加植物油和动物油的抗氧化能力，在相同条件下生姜提取物对油脂的抗氧化效果强于柠檬酸而弱于鞣酸。结论：姜辣素可作为油脂中的抗氧化剂使用。

姜辣素；提取；微波；油脂；抗氧化性

姜不仅作为一种香辛调味料，同时也是传统中医常用的药材，姜辣素是姜中的辛辣成分，由姜醇、姜烯酚、姜酮等多种物质构成[1]，也是生姜呈多种药理作用的主要功能因子[2]。姜辣素具有多种药理作用，能清除自由基、抗氧化、抗突变、抗肿瘤、抗菌、抗病毒和调节免疫等功能[3-4]，在调味品、食品、药品、化妆品等行业广泛应用。油脂氧化使食品变质，不仅降低了食品的营养价值，还具有致毒性及其他副作用，食品工业中常通过在油脂类食品中添加抗氧化剂以有效地预防或抑制氧化反应的发生。近年利用生姜提取物作为品质优良、安全的天然食品抗氧化剂的研究及应用方兴未艾。

姜辣素的提取方法主要有水蒸气蒸馏法、溶剂浸提法、压榨法和超临界CO2萃取法[5-6]。近年来，微波因具有高效性、强选择性、产物易提纯等优点得到广泛的应用[7-8]。本实验研究微波辅助乙醇提取姜辣素的工艺条件及其影响因素，在最佳工艺条件下提取姜辣素并进一步考察提取物对动物油和植物油的抗氧化性。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

生姜 吉首农贸市场；动物油(新鲜猪板油) 市售；植物油 吉首本地超市。无水乙醇、鞣酸、柠檬酸、碘化钾、冰醋酸、三氯甲烷、淀粉、碘、香草醛等均为分析纯。

微型植物粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；NJL07-3型实验专用微波炉 中国南京杰全微波设备有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵、K-201B-Ⅱ型旋转蒸发器 郑州长城科工贸有限公司；Gzx-9070MBE型数显鼓风干燥箱；LG4-2A型高速离心机；UV75TCRT紫外分光光度计；恒温水浴锅。

1.2 方法

1.2.1 姜辣素含量的测定

[9-11]的方法，配制200μg/mL香草醛标准溶液，分别吸取不同量的香草醛标准溶液配制标准系列，以无水乙醇为空白，波长278nm处测量吸光度，绘制标准曲线。线性回归得香草醛的标准曲线方程A=0.0678C-0.0211，相关系数R2=0.9968，在香草醛质量浓度2～12μg/mL范围内该方法线性关系良好。

精密吸取样品提取液0.1mL于10mL容量瓶中，无水乙醇稀释至刻度，摇匀。以无水乙醇为空白，波长278nm处测量，并计算姜辣素提取率。

式中：2.003为香草醛换算姜辣素的系数；Y为与标准曲线对应的质量/μg；V0为提取液总体积/mL；m为样品量/g；V为测吸光度时吸取溶液量/mL。

1.2.2 微波辅助乙醇提取姜辣素单因素及正交试验

新鲜生姜洗净切片，在60℃温度条件于数显鼓风干燥箱中烘干。用微型植物粉碎机粉碎，过100目筛得生姜粉末。称取生姜粉5g于250mL锥形瓶中，加入50mL乙醇溶液，200W微波处理60s，以1000r/min离心0.5min，得到粗液。滤取清液，滤渣继续用乙醇溶液浸泡并协同微波提取两次，合并清液，旋转蒸发除去乙醇，得到深棕色浸膏状提取物姜辣素。通过改变溶剂类型、乙醇体积分数、微波功率、微波处理时间及料液比因素来研究微波辅助乙醇提取技术对姜辣素提取率的影响。

在单因素试验基础上，进行四因素三水平正交试验。

1.2.3 抗氧化性分析

1.2.3.1 碘含量检测方法及样品中碘含量的测定

准确称取0.1g单质碘，配制成200μg/mL碘-淀粉标准溶液。分别吸取适量200μg/mL碘-淀粉标准溶液配成标准系列，以蒸馏水为空白，波长270nm处测量吸光度，绘制标准曲线。线性回归得碘-淀粉标准溶液的标准曲线方程A=0.005C＋0.002，相关系数R2=1，在碘-淀粉质量浓度2～12μg/mL范围内该方法线性关系良好。

精密吸取样品液0.1mL于10mL容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度，摇匀。蒸馏水为空白，270nm处测量，由回归方程得碘含量 。

1.2.3.2 过氧化值的测定

姜辣素对油脂的抗氧化性采用国际上通用的烘箱强化贮存法[12-13]：用适量质量浓度的姜辣素提取溶液加到温热猪油与植物油中，搅匀，在4℃培养箱中强化保存，以不加任何抗氧化剂作对照组，于不同时间取样测定猪油与植物油的过氧化值(过氧化值的测定按GB/T 5009.37—1996《食用植物油残留溶剂测定》进行)。另分别用鞣酸溶液和柠檬酸溶液按上述方法测定过氧化值，比较各种抗氧化剂的抗氧化能力。

在100mL三角瓶中加入油-姜辣素溶液(5:1，V/V)的油液溶液24mL。在一定条件下反应，间隔1h取待测样品2mL，加入4.00mL氯仿-冰醋酸溶解后，加入1.00mL 10% KI溶液，加盖摇匀30s，并置于暗处反应5min。取出后立即用水稀释并加入1.00mL 1%淀粉溶液，以后操作同标准曲线。根据吸光度和标准曲线计算出碘生成物质的量，同时做空白实验，按下式计算过氧化值(POV)。

2 结果与分析

2.1 单因素试验确定姜辣素提取工艺条件

2.1.1 溶剂对姜辣素提取率的影响

姜辣素主要由姜酚和姜烯酚组成，易溶于醚、甲醇、乙醇等有机溶剂，不溶于水和酸，微溶于碱中[14]。本试验选取85%乙醇、无水乙醇、无水甲醇、石油醚、无水正丁醇为溶剂，探讨溶剂种类对姜辣素提取率的影响。称取生姜粉5g，分别加入50mL不同溶剂，200W微波协同处理60s，离心，取上清液测定姜辣素含量及并计算提取率，结果见图1。

图1 溶剂对姜辣素提取率的影响Fig.1 Effect of extraction solvents on gingerol yield

由图1可知，85%乙醇对姜辣素的提取效果最好，无水乙醇、无水甲醇次之，石油醚的效果最差。考虑到姜辣素的食用及药用功能并结合乙醇价格低廉、无毒、无腐蚀性的特点，选择乙醇作为提取溶剂。

2.1.2 乙醇体积分数对提取率的影响

图2 乙醇体积分数对姜辣素提取率的影响Fig.2 Effect of ethanol concentration on gingerol yield

提取方法同2.1.1节，由图2可以看出，姜辣素提取率随乙醇体积分数的增大先缓慢增大，在乙醇体积分数75%时达到最大，此后乙醇体积分数再增大提取率反而降低。所以选用75%乙醇溶液作为提取溶剂。

2.1.3 微波功率对姜辣素提取率的影响

姜辣素是热不稳定的酚类化合物，目前，已明确的姜酚类物质有10多种，这些成分的性质、结构类似，其分子结构中都有C3-羰基和C5-羟基(即β-羟基酮结构)，该结构特点使得姜酚的化学性质极不稳定，在加热或碱性条件下，C3和C5间的碳—碳键断裂形成姜酮和相应的醛[14]。因此微波功率过高会导致提取率降低。本试验以75%乙醇为提取剂，考察不同微波功率对姜辣素提取的影响，试验结果见图3。

图3 微波功率对姜辣素提取率的影响Fig.3 Effect of microwave output power on gingerol yield

由图3可知，姜辣素的提取率随微波功率的增加而增加，当功率达到300W时提取率达到最大，而后随功率的增加而下降。这可能是由于微波对细胞膜的破碎作用随功率增加而逐渐增强，从而有利于胞内活性成分的提取；当微波强度进一步加强时其强热效应可对姜辣素等成分产生破坏作用[15]。所以选取300W为最佳功率。

2.1.4 微波处理时间对姜辣素提取率的影响

微波处理时间过长将使温度升高而破坏姜辣素的稳定性。以75%乙醇为提取剂，考察不同微波时间对姜辣素提取率的影响，由图4可知，在40～70s变化区间内，姜辣素提取率随微波处理时间的增大而增加，在70～100s的变化区间内，当超过70s后姜辣素提取率逐渐下降。可能是由于微波作用下分子振动加快，摩擦增加导致细胞膜破碎，从而有利于提取；而当时间延长时其强热效应又对有效成分产生了破坏作用[11]。因此选择70s为最佳处理时间。

图4 微波处理时间对姜辣素提取率的影响Fig.4 Effect of microwave treatment time on gingerol yield

2.1.5 料液比对姜辣素提取率的影响

从传质速率的角度，料液比主要在影响固相主体和液相主体之间的浓度差，即传质动力。料液比小，两相间的浓度差小，从而传质推动力小，尤其微波辐射提取搅拌不充分的情况下，会改变表观传质系数从而影响传质速率。料液比的增大必然会在较大的程度上提高传质推动力，但也同时增大了成本以及后续处理的难度。本实验考察不同料液比(g/mL)对姜辣素提取的影响，结果见图5。

图5 料液比对姜辣素提取率的影响Fig.5 Effect of material-to-liquid ratio on gingerol yield

由图5可知，随着料液比的增大姜辣素的提取率也逐渐上升，当上升到1:14后，提取率趋于平稳。为减少生产成本以及后续处理的难度，选用1:14的料液比进行提取。

2.2 微波辅助乙醇提取姜辣素正交试验

在单因素试验基础上，以不同微波功率、微波时间、料液比为影响因素，选用L9(34)正交表进行试验，因素水平表如表1所示，结果如表2所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and their coded levels in orthogonal array design

表2 正交试验结果与分析Table 2 Scheme and experimental results of orthogonal array design

由表2可知，微波辅助提取各因素对生姜中姜辣素提取率影响的主次顺序为：D＞B＞A＞C，即料液比影响最大，其他3因素均相当。为了减少生产成本，将乙醇体积分数定为66%。由此得出微波技术提取生姜中姜辣素的最佳工艺方案为A2B2C1D3，即乙醇体积分数66%、料液比1:16(g/mL)、微波功率300W、微波处理时间70s。

2.3 最佳工艺条件验证

采用正交试验中的最佳工艺条件验证实验：称取生姜粉5g，分别加入80mL 66%乙醇溶液，300W微波协同处理70s，离心，取上清液测定姜辣素含量及提取率，平行提取3次，提取率分别为1.763%、1.764%、1.763%。

2.4 姜辣素抗氧化性研究

式中：η为姜辣素对油脂的保护率；POV初为未对油脂进行强化氧化时的过氧化值；POV末1为添加姜辣素溶液的油脂强化氧化后的过氧化值；POV末2为未添加姜辣素溶液的油脂强化氧化后的过氧化值。

2.4.1 姜辣素对油脂的抗氧化性

40℃条件下，研究姜辣素在不同时间段对植物油及动物油的抗氧化性，表3结果表明，添加姜辣素后，植物油及动物油的过氧化值均比未添加姜辣素之前降低，这表明姜辣素能增加油脂的抗氧化能力；对植物油来说，姜辣素随时间延长抗氧化能力增强，在4h时达到较大值，过氧化值降低率为27.3%，在放置时间为7h时，过氧化值降低率最大，为36.3%；对动物油来说，2h时过氧化值降低率就能达到最大值23.1%，其后随时间延长反而抗氧化能力缓慢降低；在相同条件下，姜辣素对植物油的抗氧化性强于对猪油的抗氧化性，在相同时间内，两者的过氧化值降低率相差值最小的有1.9%，最大的甚至达到20.0%。

表3 姜辣素对油脂的抗氧化性比较Table 3 Change in peroxidation value of vegetable oil and lard with and without the addition of gingerol during storage

2.4.2 温度对姜辣素抗植物油氧化效果的影响

图6 姜辣素对植物油的保护率与温度的关系Fig.6 Anti-lipid peroxidation effect of gingerol on vegetable oil stored at various temperatures

由图6可看出，姜辣素在30℃和40℃对植物油样的保护情况相似，在同一时间段及较低温度下，姜辣素对植物油样的保护率随着温度的升高而逐渐增大，温度升至50℃，姜辣素对油样的保护率最大。此后温度升高至60℃时，姜辣素对植物油样的保护率有所下降，这可能与姜辣素的热稳定性降低有关。当姜辣素热稳定性降低时，也失去了对植物油样品的保护效果，图6显示在60℃的不同时间段姜辣素对植物油的保护率没有较大的起伏。

2.4.3 温度对姜辣素抗动物油氧化效果的影响

由图7可看出，姜辣素在30℃和40℃对油样的保护率情况在相同条件下对植物油的保护效果相似。但是，比较图6和图7可明显看出，姜辣素对植物油的保护率在40%～90%区间变化，而对动物油的保护效果在30%～70%区间变化，由此知道，在相同条件下姜辣素对植物油的保护效果大于对动物油的保护效果。

图7 姜辣素对动物油的保护率与温度的关系Fig.7 Anti-lipid peroxidation effect of gingerol on lard stored at various temperatures

2.4.4 不同抗氧化剂对油脂的抗氧化性

将食品中常用的抗氧化剂鞣酸、柠檬酸与提取物姜辣素比较，考察氧化剂种类对动物油和植物油的抗氧化效果，结果见表4、5。

表4 加入抗氧化剂前后动物油的过氧化值(POV)比较Table 4 Comparison on anti-lipid peroxidation effect of gingerol and/ or tannic acid on lard

表5 加入抗氧化剂前后植物油的过氧化值(POV)比较Table 5 Comparison on anti-lipid peroxidation effect of gingerol and/ or tannic acid on vegetable oil

比较表4、5可看出，不同种类的抗氧化剂在不同时间段对动物油和植物油的抗氧化效果不同，对动物油和植物油来说，抗氧化效果的顺序相同，均依次为鞣酸＞姜辣素＞柠檬酸。抗氧化剂中常加入金属离子作为增效剂，柠檬酸能螯合金属离子，导致抗氧化效果较低；用相同质量浓度姜辣素提取液处理后，动物油的过氧化值要大于植物油，这与植物油本身含有抗氧化活性的木酚素化合物在起稳定作用有关。同时在处理的后期动物油氧化速率比较快，这可能是由于姜辣素作用于动物油脂的过氧化物时自身被氧化，生成的氧化产物逐渐积累，从而造成抗氧化性降低。

3 结 论

选择提取液66%乙醇、料液比1:16(g/mL)、微波功率300W、微波处理时间70s时，姜辣素提取率达到1.763%，该提取物对植物油的抗氧化性要强于动物油，对油脂的抗氧化性强于常用的柠檬酸。姜辣素的天然抗氧化性的使用不仅可以延长食品的贮存期货架期，而且给消费者带来更好的安全感，可以为生姜的开发和在药物与食品添加剂的应用提供理论依据，为替代人工合成的抗氧化剂提供参考。

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Microwave-assisted Ethanol Extraction and Anti-lipid Peroxidation Activity of Gingerol

CHEN Li-hua，ZUO Lin-yan，TANG Yu-jian
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou 416000, China)

s：The process for extracting gingerol with ethanol aqueous solution under microwave assistance was optimized by evaluating the effects of extraction solvent type, ethanol concentration in water, microwave power, microwave treatment time and material-to-liquid ratio on gingerol extraction using single factor and orthogonal array design methods. The optimum conditions for gingerol extraction were found to be: ethanol concentration, 66%; material-to-liquid ratio, 1:16; microwave treatment time, 70 s; and microwave output power, 300 W. The extraction yield of gingerol was 1.76% under such conditions. Meanwhile, the anti-lipid peroxidation activity of gingerol was assessed and compared with those of two natural antioxidants, and the results revealed that the extract from ginger was able to protect vegetable oils and lard against lipid peroxidation, and that its anti-lipid peroxidation activity was superior to citric acid but inferior to tannic acid.

gingerol；extraction；microwave；fat and oil；antioxidation

R284.2

A

1002-6630(2011)04-0069-05

2010-03-29

国家科技部西部开发重大项目(2002BA901A11)

陈莉华(1961—)，女，教授，博士，主要从事天然产物提取研究。E-mail：chenlihua99@163.com