利用亞臨界萃取技術(shù)提取生姜中的姜油

常大偉 孫嬌嬌 劉樹興

（陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

生姜（ginger）又名地辛、百辣云，是姜科植物姜（zingiber officinale）的根莖，屬多年生草本宿根植物，藥食兩用。原產(chǎn)于中國(guó)，在中國(guó)中部、東南部及西南部廣為栽培，資源豐富，現(xiàn)作為一種香料廣泛應(yīng)用于各種食品和飲料中。生姜油是存在于生姜體中的一類可隨水蒸氣蒸餾、具有一定香味的揮發(fā)性油狀液體的總稱，是生姜呈味及發(fā)揮功效的主要成分，具有重要的食用和藥用性能［1－4］。研究［5－8］表明，生姜油具有抗氧化、抑菌、抗凝血及防血栓、調(diào)節(jié)血脂和防治動(dòng)脈硬化、健胃止嘔、保肝利膽、消炎、鎮(zhèn)痛、活血去寒以及避腥臭等生理功能。

生姜油的主要提取方法有溶劑萃取法、壓榨法、水蒸氣蒸餾法，也可用微波輔助萃取、超聲波輔助萃取、超臨界CO2流體萃取、亞臨界水萃取等［9－12］。亞臨界流體提取是以亞臨界狀態(tài)的流體為溶媒，從天然產(chǎn)物中提取目標(biāo)組分的一種新技術(shù)，具有提取效率高、易于分離、非熱加工、節(jié)能、成本低等優(yōu)點(diǎn)［13］。

本研究旨在以生姜為原料，比較亞臨界萃取與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾提取方法對(duì)生姜油提取率的影響，并用GC—MS對(duì)所得生姜油進(jìn)行組分分析對(duì)比，為今后的生姜油工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮生姜：產(chǎn)地為山東昌邑；

1，1，1，2-四氟乙烷：質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.95%，浙江中龍制冷劑公司；

乙醚：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

亞臨界工藝技術(shù)裝置：HA-131-2.5-2型，常州市特威電氣自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司；

GC—MS設(shè)備：6892N/5975I型，美國(guó)Agilent科技有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：RE-52A型，上海亞榮生化儀器廠；

搖擺式粉碎機(jī)：HK-06B型，廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.2 新鮮生姜的預(yù)處理

選擇新鮮的完好生姜，采用自然晾干方法對(duì)生姜進(jìn)行前處理。將生姜切成3～5mm的薄片，平鋪在盤子中，得到干燥后的生姜片。接著將干燥后的生姜片粉碎，過篩，稱量，密封儲(chǔ)存。

1.3 水蒸氣蒸餾法提取姜油的工藝流程

采用文獻(xiàn)［14］得出的最佳提取工藝參數(shù)，將預(yù)處理所得姜粉常溫浸泡3h，水蒸氣蒸餾5h，再用乙醚進(jìn)行萃取，分離出乙醚和油的混合物，最后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去油中的乙醚，收集生姜油，稱量并計(jì)算出油率。

1.4 亞臨界萃取姜油的工藝流程

稱取一定量的姜粉，裝入萃取罐。通過水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)萃取罐進(jìn)行加熱至所需溫度時(shí)，利用真空循環(huán)系統(tǒng)對(duì)萃取罐和分離罐抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到－0.08MPa時(shí)，關(guān)閉閥門和真空泵。然后向萃取罐中泵入萃取劑，至萃取劑可以淹沒姜粉。設(shè)置萃取溫度、壓力后計(jì)時(shí)，萃取一定時(shí)間后，回收萃取劑。最后從分離罐中得到萃取的生姜油。稱重，計(jì)算姜油的出油率。出油率為提取的油重量與姜粉重量的比值（g/g）。

1.5 不同因素對(duì)姜油提取影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5.1 原料顆粒度 選用萃取溫度40～50℃，萃取壓力1.5～1.7MPa，萃取時(shí)間1.5h的條件，比較過20，40，60，80目篩后的不同原料顆粒度對(duì)生姜油提取的影響。

1.5.2 萃取時(shí)間 選用原料顆粒度為20目、萃取溫度50～60℃，萃取壓力1.9～2.2MPa的條件，比較0.5，1.0，1.5，2.0h對(duì)生姜油提取的影響。

1.5.3 萃取溫度 選用原料顆粒度為40目、萃取時(shí)間為1.5h的條件，比較20～30，30～40，40～50，50～60℃的溫度范圍對(duì)生姜油提取的影響。

1.6 生姜油化學(xué)組成的測(cè)定

采用GC—MS對(duì)生姜油的化學(xué)組分進(jìn)行分析。

（1）色譜條件：毛細(xì)管色譜柱 HP5（30m×0.25mm×0.25μm）；固定相：5%苯基，95%二甲基聚硅氧烷；

（2）程序升溫：柱溫60℃，以8℃/min升溫至100℃，以4℃/min升溫至160℃，維持2min，以15℃/min升溫至220℃；運(yùn)行時(shí)間為34min，氣化室溫度為260℃，GC—MS接口溫度為230℃。載氣為氦氣，流速：45mL/min，進(jìn)樣量：1μL，不分流。

（3）質(zhì)譜條件：電離方式EI，電子能量70eV。質(zhì)譜掃描范圍：1.6～500amu。MS四級(jí)管溫度150℃，離子源溫度230℃，NIST08標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索。

2 結(jié)果與討論

2.1 水蒸氣蒸餾法提取姜油

在水蒸氣蒸餾試驗(yàn)中，采用文獻(xiàn)［14］獲得的優(yōu)化工藝：原料與水的比例1∶18（m∶V），浸泡3h，反應(yīng)時(shí)間5h，進(jìn)行試驗(yàn)，姜油的出油率為0.10%。

2.2 亞臨界萃取工藝單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 原料顆粒度對(duì)姜油提取的影響 由圖1可知，當(dāng)原料顆粒度從20目增大到80目時(shí)，出油率快速上升，達(dá)到最大值后，出油率呈下降趨勢(shì)，可見，原料顆粒度對(duì)出油率影響明顯，且60目時(shí)最接近最大值。原料顆粒度的大小，可以決定萃取過程中原料與萃取溶劑的接觸面積［15］。原料顆粒度大，細(xì)胞壁破碎不完全，不利于萃??；原料顆粒度小，可增加物料與溶劑接觸面積，縮短溶質(zhì)與溶劑在物料中的滲透路徑，萃取劑與物料的接觸面積增大，有利于提高萃取效率。但原料顆粒度過小，原料的堆積密度增大，增大了傳質(zhì)阻力，不僅會(huì)使原料粘結(jié)成塊，出現(xiàn)板結(jié)，阻礙流體的流通和擴(kuò)散，提取率下降，同時(shí)還容易造成萃取罐出口過濾網(wǎng)的堵塞，反而降低萃取效率，而且嚴(yán)重堵塞篩孔，在工藝上也會(huì)產(chǎn)生一些不利因素，發(fā)生危險(xiǎn)［16］。因此，原料顆粒度選擇40～60目。

2.2.2 萃取時(shí)間對(duì)姜油提取的影響 由圖2可知，當(dāng)萃取時(shí)間從0.5h增至1.5h時(shí)，出油率變化較大，呈顯著上升趨勢(shì)，當(dāng)超過1.5h后，其出油率變化趨于平緩，其原因?yàn)橛椭谳腿」迌?nèi)達(dá)到飽和，出油率變化緩慢。亞臨界萃取為間歇式萃取，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，得率不斷升高，超過一定時(shí)間后，油脂在萃取罐內(nèi)溶解度趨于飽和，出油率變化緩慢，這表明萃取時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，如只追求提高出油率而延長(zhǎng)時(shí)間，只能使能耗增加，萃取效率下降［16］。因此，萃取時(shí)間選擇1.5h。

圖1 原料顆粒度對(duì)生姜油提取的影響Figure 1 Effect of material sizes on the ginger oil extraction

圖2 萃取時(shí)間對(duì)生姜油提取的影響Figure 2 Effect of extraction time on the ginger oil extraction

2.2.3 萃取溫度對(duì)生姜油提取的影響 由圖3可知，當(dāng)萃取溫度從20℃增大到40℃時(shí)，生姜油的出油率變化比較大，且此時(shí)達(dá)到最大，當(dāng)超過40℃時(shí)，其出油率明顯降低，其原因是萃取劑在萃取釜中易氣化，萃取過程中傳質(zhì)推動(dòng)力減小，出油率降低。萃取溫度的大小會(huì)影響萃取劑的密度和油的蒸氣壓，進(jìn)而影響萃取劑對(duì)姜油的溶解能力。溫度的升高會(huì)使萃取劑的傳質(zhì)系數(shù)增加，黏度下降，有利于萃取的進(jìn)行；隨著萃取溫度的增大，萃取壓力也隨之增大，萃取效率也隨之提高。但當(dāng)溫度上升到某一程度，萃取劑在萃取釜中易氣化，萃取過程中傳質(zhì)推動(dòng)力減小，得率降低。且溫度上升，壓力增大，不僅不能提高萃取率，反而增加系統(tǒng)危險(xiǎn)性，同時(shí)也不利于產(chǎn)品生物活性的保留，能耗消耗也增加。因此，萃取溫度選擇30～40℃。

圖3 萃取溫度對(duì)生姜油提取的影響Figure 3 Effect of extraction temperature on the ginger oil extraction

2.2.4 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選用 L16（43）正交試驗(yàn)對(duì)3種影響因素按一定比例復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同效果，提高對(duì)生姜油的提取率。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見表2、3。

由表2可知，不同因素對(duì)生姜油提取率的影響順序?yàn)椋篊＞B＞A。由極差分析結(jié)果可知，最佳組合為A3B4C2，即原料顆粒度為60目、萃取時(shí)間為2h、萃取溫度為30～40℃。在該工藝條件下，生姜的出油率為3.14%，與傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法相比提高約97%。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal experimental design

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Results of orthogonal experiment

表3 正交試驗(yàn)方差分析表Table 3 Analysis of variance table of orthogonal experiment

表3 正交試驗(yàn)方差分析表Table 3 Analysis of variance table of orthogonal experiment

R2＝0.967，調(diào)整R2＝0.918。

變異來源 平方和 df 均方 F Sig.校正模型 2.153 9 0.239 19.664 0.001截距 97.961 1 97.961 8 052.927 0.000 A 0.358 3 0.119 9.815 0.010 B 0.712 3 0.237 19.509 0.002 C 1.083 3 0.361 29.667 0.001誤差2.226 15 0.073 6 0.012總計(jì) 100.186 16校正的總計(jì)

由表3可知，原料顆粒度、萃取時(shí)間、萃取溫度對(duì)出油率的影響都很顯著。因此，在試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制原料顆粒度、萃取時(shí)間、萃取溫度這3個(gè)因素是非常有必要的。

2.2.5 兩種方法得到的姜油感官分析 利用水蒸氣蒸餾法和亞臨界萃取技術(shù)來提取生姜油，其差別不僅僅在于提取率，提取方法對(duì)生姜油的品質(zhì)也有很大影響，由表4可知，亞臨界萃取技術(shù)能夠更好地保留生姜的營(yíng)養(yǎng)成分，所得到的生姜油具有生姜典型的色澤、透明度和氣味等特征，效果更好，更易被人們接受。

表4 兩種方法得到的姜油感官分析Table 4 Sensory analysis of ginger oil from two methods

2.2.6 姜油GC—MS組分分析比較 圖4為亞臨界萃取提取所得姜油的組分譜圖，圖5為水蒸氣蒸餾提取所得姜油的組分譜圖。通過解析圖4及圖5，可以獲得兩種提取方法所得姜油中的化學(xué)組分及其相對(duì)含量，解析結(jié)果見表5。

圖4 亞臨界萃取技術(shù)提取姜油的組分譜圖Figure 4 Component spectrum of ginger oil from subcritical extraction technology

表5 亞臨界萃取技術(shù)與水蒸氣蒸餾提取姜油組分及含量比較Table 5 Comparison of composition and content of ginger oil from subcritical extraction technology and hydro-distillation

表5 亞臨界萃取技術(shù)與水蒸氣蒸餾提取姜油組分及含量比較Table 5 Comparison of composition and content of ginger oil from subcritical extraction technology and hydro-distillation

“—”表示未測(cè)出；“1”表示水蒸氣蒸餾方法的保留時(shí)間；“2”表示亞臨界萃取方法的保留時(shí)間。

圖5 水蒸氣蒸餾提取姜油的組分譜圖Figure 5 Component spectrum of ginger oil from hydro-distillation

由表5可知，亞臨界萃取技術(shù)共檢測(cè)出29種化學(xué)成分，水蒸氣蒸餾檢測(cè)出19種化學(xué)成分，分析其組分：在兩種方法中，1，3-環(huán)己二烯、α－姜黃烯、姜烯的相對(duì)含量比較高，亞臨界萃取技術(shù)的分別為20.26%，16.39%，27.59%，水蒸氣蒸餾的分別為18.56%，13.13%，26.86%。α－姜黃烯和姜烯是姜油的主要成分，相比較而言，亞臨界萃取技術(shù)得到的姜油組分比較純。從姜油的組分圖譜來看，亞臨界萃取技術(shù)在15～20min出峰比較多，而水蒸氣蒸餾幾乎沒有，水蒸氣蒸餾這一階段的姜油組分大多為醇類和醛類，說明水蒸氣蒸餾中醇類及醛類物質(zhì)在高溫反應(yīng)中損失了，這與S.Balachandran等［11］的研究結(jié)果是一致的，亞臨界萃取能夠更好地獲得生姜中的天然風(fēng)味物質(zhì)。綜上所述，亞臨界萃取技術(shù)得到的姜油不管從主要成分的含量，還是組分的構(gòu)成來看，都比水蒸氣蒸餾的效果好。

3 結(jié)論

本研究在自然干燥獲得生姜粉的基礎(chǔ)上，就亞臨界流體萃取技術(shù)應(yīng)用于生姜中姜油的提取進(jìn)行了探討，并與水蒸氣蒸餾法進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，以1，1，1，2-四氟乙烷為萃取劑，最佳工藝條件為：原料顆粒度60目，萃取時(shí)間1.5h，萃取溫度30～40℃。在該工藝條件下，生姜的出油率為3.14%。GC—MS分析表明，亞臨界流體萃取得到的姜油主要組分為α－姜黃烯和姜烯，含量分別為16.39%及27.59%，而水蒸氣蒸餾所得姜油的α－姜黃烯和姜烯的含量分別為13.13%，26.86%。由此可見，亞臨界流體萃取能夠有效提高萃取率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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