基于响应面法的姜辣素提取工艺优化研究

2017-01-19李楠李雅萍

食品工程 2016年4期

关键词：姜辣素面法液料

李楠李雅萍

（运城学院生命科学系，山西运城044000）

基于响应面法的姜辣素提取工艺优化研究

李楠*李雅萍

（运城学院生命科学系，山西运城044000）

姜（Zingiberofficinale Roscoe）是多年生姜科姜属草本植物，其根茎是一种重要的调味品，也是我国传统的药食同源植物。姜辣素是使姜呈现辣味的主要物质，主要包括姜酚类、姜烯酚类、姜酮、姜二酮、姜二醇等。有研究表明，姜辣素具有抗氧化、抑菌、抗炎、抗肿瘤、降低胆固醇等作用。目前提取生姜中姜辣素的方法主要有蒸馏法、溶剂浸提法、压榨法、超声波法和超临界CO2萃取法。其中，超声波提取技术具有提取速度快、选择性好、操作方便及有利于活性成分的保留等特点。响应面法（RSM）是一种应用较广的试验设计方法，适宜于解决非线性数据处理的相关问题，试验结果能给出直观的图形，有利于快速确定多因子系统的最优条件。

目前，利用响应面法优化超声波辅助提取生姜中姜辣素的报道并不多见。因此，本研究采用超声波辅助提取生姜中的姜辣素，选用乙醇为提取溶剂，以乙醇体积浓度、液料比和提取时间作为影响因子，姜辣素得率为响应值，利用响应面试验优化提取工艺条件，以期为姜辣素的工业化提取与开发提供一定的理论与实践参考。

1 材料与方法

1.1 原料及试剂

生姜，市售，洗净后切成5 mm的薄片，60℃条件下干燥，再经中药粉碎机粉碎后过60目筛，备用。

香草醛标准品，天津市耀华化工厂公司；无水乙醇，市售，分析纯。

1.2 仪器及设备

UV-6紫外-可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；FA1604电子天平，上海舜宇恒平科学仪器公司；KQ-500DE数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 标准曲线的绘制

参照孔繁东、李凤华等的方法，以香草醛作为标准对照。分别配制质量浓度为2 μg/mL、4 μg/mL、6 μg/mL、8 μg/mL、10 μg/mL、12 μg/mL的香草醛乙醇溶液。以无水乙醇为参比，在280 nm处测定吸光度值。利用线性回归方程得到标准曲线方程为y= 0.0501x＋0.0153，相关系数R2=0.9955，在香草醛质量浓度0 μg/mL～12 μg/mL范围内，线性关系良好。

图1 香草醛标准曲线

1.3.2 姜辣素的超声波提取

准确称取生姜粉1.00 g，倒入锥形瓶中，按一定液料比加入不同体积浓度的乙醇，在超声波功率200 W、温度40℃条件下浸提一定时间，将提取液抽滤后移入50 mL容量瓶中定容，得样品液。

1.3.3 姜辣素含量的测定

参照杨小敏等的方法，并稍作修改。精确吸取样品液0.2 mL于10 mL容量瓶中，用无水乙醇定容。在280 nm波长处，以无水乙醇为空白测定吸光度。通过标准曲线及下列公式可求得姜辣素得率。

式中：Y——姜辣素得率，mg/g；

M——生姜粉质量，g；

2.001 ——香草醛换算成姜辣素系数；

C——根据标准曲线得出的样品液中香草醛质量浓度，μg/mL；

N——稀释倍数；

V0——样品液总体积，mL。

1.3.4 单因素试验

通过改变乙醇体积浓度、液料比、提取时间来探讨超声波辅助提取生姜中姜辣素的较优工艺条件。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 乙醇体积浓度对姜辣素得率的影响

精确称取生姜粉5份，每份1.00 g，分别加入10 mL体积浓度为60%、70%、80%、90%、100%的乙醇，按1.3.2中方法提取10 min，结果见图2。

图2 乙醇体积浓度对姜辣素得率的影响

由图2可以看出，乙醇体积浓度为80%时，姜辣素得率最高。当乙醇体积浓度小于80%时，随着乙醇体积浓度增加，姜辣素与乙醇的接触机会增加，有利于姜辣素的溶出；而当乙醇体积浓度超过80%后，生姜细胞中的色素、杂质等脂溶性成分的溶出量也会增加，导致姜辣素的得率有所下降。因此选择乙醇体积浓度80%为宜。

2.1.2 液料比对姜辣素得率的影响

精确称取生姜粉5份，每份1.00 g，分别加入10 mL、11 mL、12 mL、13 mL、14 mL体积浓度80%的乙醇，按1.3.2中方法提取10 min，结果见下页图3。

由图3可以看出，姜辣素得率随液料比的增大先升高后下降，液料比为13 mL/g时，得率最高。当液料比较小时，随着提取溶剂用量增加，姜辣素更易溶出；当液料比超过13 mL/g时，溶出率接近饱和，而且一些杂质的溶出会使姜辣素的溶出率降低。因此选取液料比13 mL/g为宜。

图3 液料比对姜辣素得率的影响

2.1.3 提取时间对姜辣素得率的影响

精确称取生姜粉5份，每份1.00 g，分别加入13 mL体积浓度80%的乙醇，在超声波功率200 W，温度40℃条件下分别提取15 min、20 min、25 min、30 min、35 min，结果见图4。

图4 提取时间对姜辣素得率的影响

由图4可以看出，随着提取时间的延长，姜辣素得率先升高后降低，当时间为25 min时，得率最高。提取时间小于25 min时，提取液中姜辣素未饱和，延长提取时间有利于姜辣素的溶出；而时间超过25 min后，生姜中一些杂质的溶出会阻碍姜辣素的溶出，同时超声波的高能作用也会破坏姜辣素中的不稳定成分。因此选择提取时间25 min为宜。

2.2 响应面试验分析

根据响应面法的Box-beknhen试验设计原理和单因素试验结果，选择乙醇体积浓度、液料比和提取时间作为影响姜辣素得率的3个主要因素。响应面试验因素及水平见表1。

2.2.1 响应面优化试验设计与结果分析

响应面优化试验设计与结果见表2，响应面回归模型方差分析见表3。

表1 因素与水平

表2 响应面试验设计与结果

表3 响应面回归模型方差分析

通过数据专家软件8.0.6对表2中试验结果进行多元回归分析，得到3个单因素与姜辣素得率Y之间的二次多项式方程：Y=10.39-0.24A+0.09B+ 0.26C-0.14AB-0.27AC+0.49BC-1.38A2-1.24B2-1.02C2，式中Y代表姜辣素得率，A代表乙醇体积浓度，B代表料液比，C代表提取时间。

由表3可以看出，回归模型的P值小于0.0001，说明该模型具有极显著性；校正系数R2Adj=0.968 1，表明96.81%的姜辣素得率的变化由所选变量引起，该模型可用于预测姜辣素的理论得率和最优提取工艺。回归模型方差分析结果表明，一次项中的A乙醇体积浓度、B液料比、C提取时间对姜辣素得率有显著影响；交互项中BC对得率有极显著影响，AC影响显著，AB影响不显著；二次项A2、B2、C2影响极显著；各因素对得率的影响大小为提取时间＞乙醇体积浓度＞液料比。变异系数（CV）反映回归模型的可信程度，CV值越小，试验稳定性越好，可信度越高。本试验的变异系数为2.51%，可信度较高。

2.2.2 响应曲面图及等高线图分析

使用数据专家软件绘制三维曲面图和等高线图，研究A、B、C 3个因素的交互作用对姜辣素得率的影响。下页图5为任意两个因素的响应曲面图及其等高线图。

等高线性状如果接近圆形，则两个自变量交互作用较弱；若接近椭圆形，则交互作用较强。图5a是乙醇体积浓度和液料比交互作用对姜辣素得率的影响，从图中可以看出，等高线接近圆形，说明乙醇体积浓度和液料比对姜辣素得率的影响不显著。图5b、5c分别为乙醇体积浓度和提取时间、液料比和提取时间的交互作用，由图可知，响应曲面倾斜度较高，坡度较陡，等高线为椭圆形，说明其交互作用对姜辣素得率的影响显著，且液料比和提取时间的交互作用达到极显著水平。等高线图的结果和方差分析表的结果一致。

2.2.3 提取工艺优化及验证试验

通过上述软件对试验数据进行分析，得到姜辣素的最佳提取工艺条件为：乙醇体积浓度78.95%，液料比13.07∶1（mL∶g），提取时间25.80 min，此工艺条件下姜辣素得率的预测值为10.43 mg/g。结合工业化生产中实际操作的可行性，将工艺参数修正为：乙醇体积浓度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取时间26 min；在该条件下进行3次重复试验，姜辣素得率的平均值为10.42 mg/g，实测值比理论值低0.01 mg/g，说明该模型与实际情况有较好的拟合性。

3 结论

采用超声波辅助，乙醇作为提取溶剂，在单因素试验基础上，利用响应面试验得到提取生姜中姜辣素的最佳提取工艺条件为：乙醇体积浓度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取时间26 min，此时姜辣素得率为10.42 mg/g。

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Optim ization of extraction process of gingerol by response surface methodology

LI Nan*LI Yaping
（Department of life science，Yuncheng university，Shanxi Yuncheng 044000，China）

在单因素试验基础上，选取乙醇体积浓度、液料比和提取时间为影响因子，以姜辣素得率为响应值，利用响应面法对生姜中姜辣素的提取工艺进行优化。结果表明，生姜中姜辣素的最优提取工艺条件为：乙醇体积浓度79%，液料比13∶1（mL∶g），提取时间26 min，此工艺条件下姜辣素得率为10.42 mg/g。

姜辣素；响应面；提取工艺；生姜

Response surface methodology（RSM）was used tooptimize the extraction condition ofgingerol.On the basis ofsingle factor tests,ethanol concentration,liquid-solid ratioand extraction time were selected as impact factors,and then the RSM was used to optimize the extraction technology of gingerol.Results indicated that the optimum extraction conditions were ethanol concentration 79%,liquid-solid ratio13:1(mL:g),extraction time 26 min.The yield of gingerol under these conditions could reach up to10.42 mg/g.

ginger；gingerol；response surface methodology；extraction