生姜多糖提取技术工艺优化及效益分析

任昌娟，朱云龙

(1.江苏省滨海中等专业学校，江苏 滨海 224500; 2.扬州大学 旅游烹饪学院，江苏 扬州 225009)

1 概述

姜(Zingiberofficinale)，俗名为白姜和均姜等[1-2]，属于多年生草本植物的根茎[3]，姜在世界范围内被广泛栽培，是一种根茎类的香辛调味品[4]，也被广泛用于药品、食品和化妆品中。生姜作为一种传统的药物，在中国乃至整个亚洲被作为药物使用，其栽培历史已经超过了2000年[5-6]。

生姜作为食药兼用的资源[7]，富含生姜油、精油树脂、膳食纤维和矿物质元素，其中含水量占总量的40%～55%、酯类物质占6%～15%、多糖成分占2%～5%、纤维素成分占5%～6%、粗蛋白占7%～10%和淀粉成分占6%～8%[8]。

生姜多糖是由多个单糖单位聚合成的糖类物质，相对分子量大，属于生物大分子，在自然界中分布广泛。除此之外，多糖是组成细胞膜和抗体的主要成分，在机体免疫系统中起着不可忽略的作用[9-10]。随着科技的发展，目前已经有上百种植物多糖被成功地分离[11]，这些多糖生物活性功能多种多样，有抗氧化、抗肿瘤、抗病毒、抗炎、降血糖和免疫调节等作用，所以，生姜多糖活性成分的研究也成为21世纪生命科学研究的重要组成部分[12]。

我国生姜多糖提取技术工艺目前仅仅在起步阶段，本试验主要从超声波功率、超声波时间、料液比和超声波温度4个方面对生姜多糖的加工工艺进行优化，同时使用响应面法对试验结果进行验证，旨在为生姜多糖的提取技术提供理论基础和降低其加工成本。

2 材料与方法

2.1 试验材料与仪器

生姜：购于当地菜市场；恒温干燥箱、分光光度计、细胞破碎仪、蒸发仪、粉碎机、电子天平、恒温水浴锅、离心机、冷冻干燥箱。

2.2 主要试剂

苯酚、硫酸、无水乙醇和葡萄糖。

2.3 生姜多糖提取技术工艺

称取5 g生姜粉，加入1000 mL浓度为90%的乙醇，在20 ℃的恒温箱中浸泡120 min，浸泡后，使用离心机6000 r/min进行离心[13]。去除上清液，按照超声波功率200～600 W、料液比1∶10～1∶50、超声时间5～25 min、超声温度50～90 ℃进行生姜多糖的萃取。提取完后，取萃取液5 mL，使用离心机6000 r/min离心10 min，取出上清液，用0.50 μm的滤膜进行过滤，将滤液压缩至原来体积的1/3，使用磁力搅拌器搅拌30 min，离心(5 mL，10 min)重复3次，取上层清液，加入2倍等体积的无水乙醇，放置在2 ℃的冰箱中，低温析出多糖，12 h后，取出溶液进行离心，去除上清液，烘干沉淀物即是生姜多糖[14-15]。

生姜多糖得率/%=生姜多糖的干重/生姜粉重×100%。

2.4 单因素试验设计

称取5 g生姜粉，放入超声波反应仪器中，设置超声温度为70 ℃、料液比为1∶30、超声时间为15 min，分析超声波功率(200，300，400，500，600 W)对生姜多糖提取率的影响；在超声波功率为400 W、超声时间为15 min、超声温度为70 ℃的条件下，分析料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)对生姜多糖提取率的影响；在超声波功率为400 W、料液比为1∶30、超声波温度为70 ℃的条件下，分析超声时间为5，10，15，20，25 min对生姜多糖提取率的影响；在超声功率为400 W、料液比为1∶30、超声时间为15 min的条件下，分析超声温度50，60，70，80，90 ℃对生姜多糖提取率的影响[16]。

3 结果与讨论

3.1 超声波功率对生姜多糖得率的影响

超声波功率对生姜多糖提取率的影响见图1。

图1 超声波功率对生姜多糖得率的影响Fig.1 The effect of ultrasonic power on the yield of ginger polysaccharides

由图1可知，多糖得率的变化范围为4.01%～4.59%，当超声波功率小于400 W时，多糖提取率随着超声波功率的增加而加大。当超声波功率超过400 W时，生姜多糖的提取率随着超声波功率的增大而减小。这是由于超声波功率超过400 W时，破坏了生姜中已经提取的多糖结构，导致生姜中的多糖得率下降。所以，本试验选择400 W作为最佳的生姜多糖提取超声波功率[17-18]。

3.2 料液比对生姜多糖得率的影响

料液比对生姜多糖得率的影响见图2。

图2 料液比对生姜多糖得率的影响Fig.2 The effect of the ratio of solid to liquid on the yield of ginger polysaccharides

由图2可知，当料液比为1∶40时，生姜多糖的提取率最大，为4.61%；当料液比为1∶10时，生姜多糖的提取率最小，为3.91%。当料液比小于1∶40时，生姜多糖的提取率随着料液比的增大而增大，当料液比大于1∶50时，生姜多糖的提取率随着料液比的增加而减小。当料液比过大时，反应体系中溶质有一种传质动力的作用，当溶剂用量越多时，传质动力越大，进而使溶质中的多糖溶解出来；但是随着料液比一直升高，造成空化效应，超声波大部分作用于溶剂，而不是作用于溶质，从而使生姜中的多糖提取率降低。

3.3 超声时间对生姜多糖得率的影响

超声时间对生姜中多糖得率的影响见图3。

图3 超声时间对生姜多糖得率的影响Fig.3 The effect of ultrasonic time on the yield of ginger polysaccharides

由图3可知，生姜多糖的提取率随着超声波时间的变化而变化，当超声波时间为15 min时，生姜多糖的提取率最高，为4.59%，当超声波时间为5 min时，超声波提取多糖的提取率最低，为3.89%。当超声时间低于15 min时，生姜多糖的提取率随着超声波时间的增加而增高，当超声时间超过15 min时，生姜多糖的提取率随着超声波时间的增加而降低。这是由于15 min时，生姜中的大部分多糖已经被提取出来，但是，由于时间的增加，导致已经提取出来的生姜多糖结构遭到了破坏，所以本试验选取超声时间为15 min为生姜多糖提取的最佳超声时间。

3.4 超声温度对生姜多糖得率的影响

超声温度对生姜多糖得率的影响见图4。

图4 超声温度对生姜多糖得率的影响Fig.4 The effect of ultrasonic temperature on the yield of ginger polysaccharides

生姜多糖的提取率随着超声波温度的变化而变化，当超声温度为70 ℃时，生姜多糖的得率最高，为4.50%；当超声波温度为50 ℃时，生姜多糖的得率最低，为3.70%。当超声波温度低于70 ℃时，生姜多糖的提取率随着超声温度的增高而增大，当超声波温度高于70 ℃时，生姜多糖的提取率随着温度的升高而降低。生姜中多糖的提取率随着温度的升高而升高，是由于温度升高，加速了生姜中多糖的运动，从而提高了多糖的析出速度。当温度超过70 ℃时，生姜中的其他物质也溶解到溶剂中，或者破坏了生姜中多糖结构，导致生姜多糖的提取率下降。

3.5 生姜多糖的响应面提取工艺优化

根据上述单因子试验结果，通过使用响应面法中的Box-Behnken优化生姜多糖的提取工艺。设计四因素三水平试验水平方案，见表1。料液比、超声波时间、超声波温度和超声波功率4个因素的36组试验的组合条件，响应曲面的响应值见表2。通过使用Design-Expert软件分析响应值和被检测变量之间的逻辑关系。通过分析获得生姜多糖得率的多元二次方程为：多糖得率/%=4.69+0.12X+0.086Y+0.32Z+0.11γ+0.076XY-0.13XZ-0.022Zγ+0.12YZ-0.057Yγ-0.07Zγ-0.39X2-0.58Y2-0.28Z2-0.078γ2。

表1 Box-Behnken试验设计各因素的试验水平Table 1 The factors and levesl of Box-Behnken experimental design

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Box-Behnken test design and results

续 表

回归模型方差及显著性检测见表3和表4。

表3 回归方程的方差及显著性检验Table 3 Variance and significance test of regression equation

表4 回归模型方差分析表Table 4 Analysis of variance of regression model

回归模型分析结果显著，F检验表明有很高的F值(109.57)，P检验表明有很低的P值(P<0.0001)，本研究的决定系数为R2=0.9982，结果表明该模型方程达到了极为显著的水平，该模型的拟合程度较好，误差小。

4 结论

随着人们对生姜认识的加深，生姜多糖不断得到了人们的重视。生姜多糖的提取是近些年的研究重点，但是我国生姜多糖的提取率一直落后于很多发达国家，导致生产优质生姜多糖的成本增加，效益降低。本研究主要对生姜提取技术工艺进行优化，旨在为生姜多糖提取工艺优化和效益提高提供理论基础[19]。