微波輔助乙醇提取姜辣素及其對(duì)油脂的抗氧化性研究

陳莉華，左林艷，唐玉堅(jiān)

微波輔助乙醇提取姜辣素及其對(duì)油脂的抗氧化性研究

陳莉華，左林艷，唐玉堅(jiān)

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)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：通過單因素和正交試驗(yàn)研究溶劑種類、乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率、微波處理時(shí)間、料液比因素對(duì)提取效果的影響，考察姜辣素在不同作用時(shí)間、不同溫度下對(duì)油脂的抗氧化性能，并與一些天然抗氧化劑作比較。結(jié)果：當(dāng)以66%乙醇為溶劑、料液比1:16(g/mL)、微波300W、微波協(xié)同處理70s作為提取姜辣素的最佳工藝條件時(shí)，姜辣素的提取率達(dá)到1.76%，該生姜提取物能增加植物油和動(dòng)物油的抗氧化能力，在相同條件下生姜提取物對(duì)油脂的抗氧化效果強(qiáng)于檸檬酸而弱于鞣酸。結(jié)論：姜辣素可作為油脂中的抗氧化劑使用。

姜辣素；提取；微波；油脂；抗氧化性

姜不僅作為一種香辛調(diào)味料，同時(shí)也是傳統(tǒng)中醫(yī)常用的藥材，姜辣素是姜中的辛辣成分，由姜醇、姜烯酚、姜酮等多種物質(zhì)構(gòu)成[1]，也是生姜呈多種藥理作用的主要功能因子[2]。姜辣素具有多種藥理作用，能清除自由基、抗氧化、抗突變、抗腫瘤、抗菌、抗病毒和調(diào)節(jié)免疫等功能[3-4]，在調(diào)味品、食品、藥品、化妝品等行業(yè)廣泛應(yīng)用。油脂氧化使食品變質(zhì)，不僅降低了食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還具有致毒性及其他副作用，食品工業(yè)中常通過在油脂類食品中添加抗氧化劑以有效地預(yù)防或抑制氧化反應(yīng)的發(fā)生。近年利用生姜提取物作為品質(zhì)優(yōu)良、安全的天然食品抗氧化劑的研究及應(yīng)用方興未艾。

姜辣素的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑浸提法、壓榨法和超臨界CO2萃取法[5-6]。近年來，微波因具有高效性、強(qiáng)選擇性、產(chǎn)物易提純等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用[7-8]。本實(shí)驗(yàn)研究微波輔助乙醇提取姜辣素的工藝條件及其影響因素，在最佳工藝條件下提取姜辣素并進(jìn)一步考察提取物對(duì)動(dòng)物油和植物油的抗氧化性。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

生姜 吉首農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；動(dòng)物油(新鮮豬板油) 市售；植物油 吉首本地超市。無水乙醇、鞣酸、檸檬酸、碘化鉀、冰醋酸、三氯甲烷、淀粉、碘、香草醛等均為分析純。

微型植物粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司；NJL07-3型實(shí)驗(yàn)專用微波爐 中國(guó)南京杰全微波設(shè)備有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵、K-201B-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；Gzx-9070MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱；LG4-2A型高速離心機(jī)；UV75TCRT紫外分光光度計(jì)；恒溫水浴鍋。

1.2 方法

1.2.1 姜辣素含量的測(cè)定

[9-11]的方法，配制200μg/mL香草醛標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別吸取不同量的香草醛標(biāo)準(zhǔn)溶液配制標(biāo)準(zhǔn)系列，以無水乙醇為空白，波長(zhǎng)278nm處測(cè)量吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。線性回歸得香草醛的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程A=0.0678C-0.0211，相關(guān)系數(shù)R2=0.9968，在香草醛質(zhì)量濃度2～12μg/mL范圍內(nèi)該方法線性關(guān)系良好。

精密吸取樣品提取液0.1mL于10mL容量瓶中，無水乙醇稀釋至刻度，搖勻。以無水乙醇為空白，波長(zhǎng)278nm處測(cè)量，并計(jì)算姜辣素提取率。

式中：2.003為香草醛換算姜辣素的系數(shù)；Y為與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)應(yīng)的質(zhì)量/μg；V0為提取液總體積/mL；m為樣品量/g；V為測(cè)吸光度時(shí)吸取溶液量/mL。

1.2.2 微波輔助乙醇提取姜辣素單因素及正交試驗(yàn)

新鮮生姜洗凈切片，在60℃溫度條件于數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱中烘干。用微型植物粉碎機(jī)粉碎，過100目篩得生姜粉末。稱取生姜粉5g于250mL錐形瓶中，加入50mL乙醇溶液，200W微波處理60s，以1000r/min離心0.5min，得到粗液。濾取清液，濾渣繼續(xù)用乙醇溶液浸泡并協(xié)同微波提取兩次，合并清液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去乙醇，得到深棕色浸膏狀提取物姜辣素。通過改變?nèi)軇╊愋?、乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率、微波處理時(shí)間及料液比因素來研究微波輔助乙醇提取技術(shù)對(duì)姜辣素提取率的影響。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)。

1.2.3 抗氧化性分析

1.2.3.1 碘含量檢測(cè)方法及樣品中碘含量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.1g單質(zhì)碘，配制成200μg/mL碘-淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別吸取適量200μg/mL碘-淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液配成標(biāo)準(zhǔn)系列，以蒸餾水為空白，波長(zhǎng)270nm處測(cè)量吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。線性回歸得碘-淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程A=0.005C＋0.002，相關(guān)系數(shù)R2=1，在碘-淀粉質(zhì)量濃度2～12μg/mL范圍內(nèi)該方法線性關(guān)系良好。

精密吸取樣品液0.1mL于10mL容量瓶中，蒸餾水稀釋至刻度，搖勻。蒸餾水為空白，270nm處測(cè)量，由回歸方程得碘含量 。

1.2.3.2 過氧化值的測(cè)定

姜辣素對(duì)油脂的抗氧化性采用國(guó)際上通用的烘箱強(qiáng)化貯存法[12-13]：用適量質(zhì)量濃度的姜辣素提取溶液加到溫?zé)嶝i油與植物油中，攪勻，在4℃培養(yǎng)箱中強(qiáng)化保存，以不加任何抗氧化劑作對(duì)照組，于不同時(shí)間取樣測(cè)定豬油與植物油的過氧化值(過氧化值的測(cè)定按GB/T 5009.37—1996《食用植物油殘留溶劑測(cè)定》進(jìn)行)。另分別用鞣酸溶液和檸檬酸溶液按上述方法測(cè)定過氧化值，比較各種抗氧化劑的抗氧化能力。

在100mL三角瓶中加入油-姜辣素溶液(5:1，V/V)的油液溶液24mL。在一定條件下反應(yīng)，間隔1h取待測(cè)樣品2mL，加入4.00mL氯仿-冰醋酸溶解后，加入1.00mL 10% KI溶液，加蓋搖勻30s，并置于暗處反應(yīng)5min。取出后立即用水稀釋并加入1.00mL 1%淀粉溶液，以后操作同標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)吸光度和標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出碘生成物質(zhì)的量，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)，按下式計(jì)算過氧化值(POV)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)確定姜辣素提取工藝條件

2.1.1 溶劑對(duì)姜辣素提取率的影響

姜辣素主要由姜酚和姜烯酚組成，易溶于醚、甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑，不溶于水和酸，微溶于堿中[14]。本試驗(yàn)選取85%乙醇、無水乙醇、無水甲醇、石油醚、無水正丁醇為溶劑，探討溶劑種類對(duì)姜辣素提取率的影響。稱取生姜粉5g，分別加入50mL不同溶劑，200W微波協(xié)同處理60s，離心，取上清液測(cè)定姜辣素含量及并計(jì)算提取率，結(jié)果見圖1。

圖1 溶劑對(duì)姜辣素提取率的影響Fig.1 Effect of extraction solvents on gingerol yield

由圖1可知，85%乙醇對(duì)姜辣素的提取效果最好，無水乙醇、無水甲醇次之，石油醚的效果最差。考慮到姜辣素的食用及藥用功能并結(jié)合乙醇價(jià)格低廉、無毒、無腐蝕性的特點(diǎn)，選擇乙醇作為提取溶劑。

2.1.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取率的影響

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)姜辣素提取率的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on gingerol yield

提取方法同2.1.1節(jié)，由圖2可以看出，姜辣素提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大先緩慢增大，在乙醇體積分?jǐn)?shù)75%時(shí)達(dá)到最大，此后乙醇體積分?jǐn)?shù)再增大提取率反而降低。所以選用75%乙醇溶液作為提取溶劑。

2.1.3 微波功率對(duì)姜辣素提取率的影響

姜辣素是熱不穩(wěn)定的酚類化合物，目前，已明確的姜酚類物質(zhì)有10多種，這些成分的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)類似，其分子結(jié)構(gòu)中都有C3-羰基和C5-羥基(即β-羥基酮結(jié)構(gòu))，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得姜酚的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，在加熱或堿性條件下，C3和C5間的碳—碳鍵斷裂形成姜酮和相應(yīng)的醛[14]。因此微波功率過高會(huì)導(dǎo)致提取率降低。本試驗(yàn)以75%乙醇為提取劑，考察不同微波功率對(duì)姜辣素提取的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 微波功率對(duì)姜辣素提取率的影響Fig.3 Effect of microwave output power on gingerol yield

由圖3可知，姜辣素的提取率隨微波功率的增加而增加，當(dāng)功率達(dá)到300W時(shí)提取率達(dá)到最大，而后隨功率的增加而下降。這可能是由于微波對(duì)細(xì)胞膜的破碎作用隨功率增加而逐漸增強(qiáng)，從而有利于胞內(nèi)活性成分的提?。划?dāng)微波強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)時(shí)其強(qiáng)熱效應(yīng)可對(duì)姜辣素等成分產(chǎn)生破壞作用[15]。所以選取300W為最佳功率。

2.1.4 微波處理時(shí)間對(duì)姜辣素提取率的影響

微波處理時(shí)間過長(zhǎng)將使溫度升高而破壞姜辣素的穩(wěn)定性。以75%乙醇為提取劑，考察不同微波時(shí)間對(duì)姜辣素提取率的影響，由圖4可知，在40～70s變化區(qū)間內(nèi)，姜辣素提取率隨微波處理時(shí)間的增大而增加，在70～100s的變化區(qū)間內(nèi)，當(dāng)超過70s后姜辣素提取率逐漸下降。可能是由于微波作用下分子振動(dòng)加快，摩擦增加導(dǎo)致細(xì)胞膜破碎，從而有利于提??；而當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)其強(qiáng)熱效應(yīng)又對(duì)有效成分產(chǎn)生了破壞作用[11]。因此選擇70s為最佳處理時(shí)間。

圖4 微波處理時(shí)間對(duì)姜辣素提取率的影響Fig.4 Effect of microwave treatment time on gingerol yield

2.1.5 料液比對(duì)姜辣素提取率的影響

從傳質(zhì)速率的角度，料液比主要在影響固相主體和液相主體之間的濃度差，即傳質(zhì)動(dòng)力。料液比小，兩相間的濃度差小，從而傳質(zhì)推動(dòng)力小，尤其微波輻射提取攪拌不充分的情況下，會(huì)改變表觀傳質(zhì)系數(shù)從而影響傳質(zhì)速率。料液比的增大必然會(huì)在較大的程度上提高傳質(zhì)推動(dòng)力，但也同時(shí)增大了成本以及后續(xù)處理的難度。本實(shí)驗(yàn)考察不同料液比(g/mL)對(duì)姜辣素提取的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 料液比對(duì)姜辣素提取率的影響Fig.5 Effect of material-to-liquid ratio on gingerol yield

由圖5可知，隨著料液比的增大姜辣素的提取率也逐漸上升，當(dāng)上升到1:14后，提取率趨于平穩(wěn)。為減少生產(chǎn)成本以及后續(xù)處理的難度，選用1:14的料液比進(jìn)行提取。

2.2 微波輔助乙醇提取姜辣素正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以不同微波功率、微波時(shí)間、料液比為影響因素，選用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平表如表1所示，結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and their coded levels in orthogonal array design

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Scheme and experimental results of orthogonal array design

由表2可知，微波輔助提取各因素對(duì)生姜中姜辣素提取率影響的主次順序?yàn)椋篋＞B＞A＞C，即料液比影響最大，其他3因素均相當(dāng)。為了減少生產(chǎn)成本，將乙醇體積分?jǐn)?shù)定為66%。由此得出微波技術(shù)提取生姜中姜辣素的最佳工藝方案為A2B2C1D3，即乙醇體積分?jǐn)?shù)66%、料液比1:16(g/mL)、微波功率300W、微波處理時(shí)間70s。

2.3 最佳工藝條件驗(yàn)證

采用正交試驗(yàn)中的最佳工藝條件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：稱取生姜粉5g，分別加入80mL 66%乙醇溶液，300W微波協(xié)同處理70s，離心，取上清液測(cè)定姜辣素含量及提取率，平行提取3次，提取率分別為1.763%、1.764%、1.763%。

2.4 姜辣素抗氧化性研究

式中：η為姜辣素對(duì)油脂的保護(hù)率；POV初為未對(duì)油脂進(jìn)行強(qiáng)化氧化時(shí)的過氧化值；POV末1為添加姜辣素溶液的油脂強(qiáng)化氧化后的過氧化值；POV末2為未添加姜辣素溶液的油脂強(qiáng)化氧化后的過氧化值。

2.4.1 姜辣素對(duì)油脂的抗氧化性

40℃條件下，研究姜辣素在不同時(shí)間段對(duì)植物油及動(dòng)物油的抗氧化性，表3結(jié)果表明，添加姜辣素后，植物油及動(dòng)物油的過氧化值均比未添加姜辣素之前降低，這表明姜辣素能增加油脂的抗氧化能力；對(duì)植物油來說，姜辣素隨時(shí)間延長(zhǎng)抗氧化能力增強(qiáng)，在4h時(shí)達(dá)到較大值，過氧化值降低率為27.3%，在放置時(shí)間為7h時(shí)，過氧化值降低率最大，為36.3%；對(duì)動(dòng)物油來說，2h時(shí)過氧化值降低率就能達(dá)到最大值23.1%，其后隨時(shí)間延長(zhǎng)反而抗氧化能力緩慢降低；在相同條件下，姜辣素對(duì)植物油的抗氧化性強(qiáng)于對(duì)豬油的抗氧化性，在相同時(shí)間內(nèi)，兩者的過氧化值降低率相差值最小的有1.9%，最大的甚至達(dá)到20.0%。

表3 姜辣素對(duì)油脂的抗氧化性比較Table 3 Change in peroxidation value of vegetable oil and lard with and without the addition of gingerol during storage

2.4.2 溫度對(duì)姜辣素抗植物油氧化效果的影響

圖6 姜辣素對(duì)植物油的保護(hù)率與溫度的關(guān)系Fig.6 Anti-lipid peroxidation effect of gingerol on vegetable oil stored at various temperatures

由圖6可看出，姜辣素在30℃和40℃對(duì)植物油樣的保護(hù)情況相似，在同一時(shí)間段及較低溫度下，姜辣素對(duì)植物油樣的保護(hù)率隨著溫度的升高而逐漸增大，溫度升至50℃，姜辣素對(duì)油樣的保護(hù)率最大。此后溫度升高至60℃時(shí)，姜辣素對(duì)植物油樣的保護(hù)率有所下降，這可能與姜辣素的熱穩(wěn)定性降低有關(guān)。當(dāng)姜辣素?zé)岱€(wěn)定性降低時(shí)，也失去了對(duì)植物油樣品的保護(hù)效果，圖6顯示在60℃的不同時(shí)間段姜辣素對(duì)植物油的保護(hù)率沒有較大的起伏。

2.4.3 溫度對(duì)姜辣素抗動(dòng)物油氧化效果的影響

由圖7可看出，姜辣素在30℃和40℃對(duì)油樣的保護(hù)率情況在相同條件下對(duì)植物油的保護(hù)效果相似。但是，比較圖6和圖7可明顯看出，姜辣素對(duì)植物油的保護(hù)率在40%～90%區(qū)間變化，而對(duì)動(dòng)物油的保護(hù)效果在30%～70%區(qū)間變化，由此知道，在相同條件下姜辣素對(duì)植物油的保護(hù)效果大于對(duì)動(dòng)物油的保護(hù)效果。

圖7 姜辣素對(duì)動(dòng)物油的保護(hù)率與溫度的關(guān)系Fig.7 Anti-lipid peroxidation effect of gingerol on lard stored at various temperatures

2.4.4 不同抗氧化劑對(duì)油脂的抗氧化性

將食品中常用的抗氧化劑鞣酸、檸檬酸與提取物姜辣素比較，考察氧化劑種類對(duì)動(dòng)物油和植物油的抗氧化效果，結(jié)果見表4、5。

表4 加入抗氧化劑前后動(dòng)物油的過氧化值(POV)比較Table 4 Comparison on anti-lipid peroxidation effect of gingerol and/ or tannic acid on lard

表5 加入抗氧化劑前后植物油的過氧化值(POV)比較Table 5 Comparison on anti-lipid peroxidation effect of gingerol and/ or tannic acid on vegetable oil

比較表4、5可看出，不同種類的抗氧化劑在不同時(shí)間段對(duì)動(dòng)物油和植物油的抗氧化效果不同，對(duì)動(dòng)物油和植物油來說，抗氧化效果的順序相同，均依次為鞣酸＞姜辣素＞檸檬酸?？寡趸瘎┲谐＜尤虢饘匐x子作為增效劑，檸檬酸能螯合金屬離子，導(dǎo)致抗氧化效果較低；用相同質(zhì)量濃度姜辣素提取液處理后，動(dòng)物油的過氧化值要大于植物油，這與植物油本身含有抗氧化活性的木酚素化合物在起穩(wěn)定作用有關(guān)。同時(shí)在處理的后期動(dòng)物油氧化速率比較快，這可能是由于姜辣素作用于動(dòng)物油脂的過氧化物時(shí)自身被氧化，生成的氧化產(chǎn)物逐漸積累，從而造成抗氧化性降低。

3 結(jié) 論

選擇提取液66%乙醇、料液比1:16(g/mL)、微波功率300W、微波處理時(shí)間70s時(shí)，姜辣素提取率達(dá)到1.763%，該提取物對(duì)植物油的抗氧化性要強(qiáng)于動(dòng)物油，對(duì)油脂的抗氧化性強(qiáng)于常用的檸檬酸。姜辣素的天然抗氧化性的使用不僅可以延長(zhǎng)食品的貯存期貨架期，而且給消費(fèi)者帶來更好的安全感，可以為生姜的開發(fā)和在藥物與食品添加劑的應(yīng)用提供理論依據(jù)，為替代人工合成的抗氧化劑提供參考。

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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

國(guó)家科技部西部開發(fā)重大項(xiàng)目(2002BA901A11)

陳莉華(1961—)，女，教授，博士，主要從事天然產(chǎn)物提取研究。E-mail：chenlihua99@163.com