超聲波輔助法提取姜黃素工藝優(yōu)化研究

金 杰，王秀杰，王 季，孫 蓓

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校，江蘇徐州221116）

姜黃（Curcuma longa L.）是多年生草本植物，姜科姜黃屬，叢生，根粗壯，末端膨大成塊根，葉基生，穗狀花序[1]。姜黃的根莖是傳統(tǒng)中藥材，性熱、味辛，入脾、肝經(jīng)，具有破血行氣、通經(jīng)止血的功效，也有防腐殺菌和保健的作用，主要用于現(xiàn)代中藥領(lǐng)域的制劑生產(chǎn)與食品領(lǐng)域的染色和調(diào)味。姜黃在熱帶與亞熱帶地區(qū)，特別是在東亞和東南亞被廣泛栽培，如印度、緬甸等國(guó)，我國(guó)主要集中在福建、廣東、云南、四川、西藏及臺(tái)灣等地[2]。姜黃的主要活性成分為姜黃素類化合物和姜黃揮發(fā)油，還含有糖類、多肽類、烯酸類、甾醇類、脂肪酸及微量元素等[3-5]。其中，姜黃素類化合物具有降血脂、抗炎抑菌、抗氧化、抗腫瘤、抗癌、抗病毒、利膽等作用[6-13]，目前臨床應(yīng)用廣泛，姜黃揮發(fā)油主要起消炎、抑菌、止咳等作用[14-20]。

以姜黃作為原料，以超聲波輔助法作為關(guān)鍵技術(shù)提取姜黃中的姜黃素，研究將超聲波輔助技術(shù)應(yīng)用到姜黃素的提取工藝中，并對(duì)姜黃中的姜黃素含量進(jìn)行測(cè)定。以姜黃素提取率為考查指標(biāo)，對(duì)超聲波輔助提取姜黃素的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，從而建立一個(gè)安全、簡(jiǎn)捷、高效的提取姜黃素的新型潔凈工藝，為姜黃素的綜合開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

姜黃粉，徐州益豐大藥房提供；姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品，阿達(dá)瑪斯試劑（上海）有限公司提供；丙酮、無(wú)水甲醇、異丙醇、乙醇（95%）、乙酸乙酯、冰醋酸等常規(guī)試劑，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AR1140型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；202-3BC型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司產(chǎn)品；UV-7504型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海棱光技術(shù)有限公司產(chǎn)品；其他常規(guī)玻璃儀器，江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心提供。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

原輔料稱量（姜黃粉1 g，95%乙醇備用）→混合（姜黃粉∶溶劑=1∶40）→超聲波處理（溫度、功率、時(shí)間、濃度）→靜置（8～10 h）→稀釋（100倍）→測(cè)吸光度（波長(zhǎng)430 nm）→計(jì)算提取率。

1.3.2 試驗(yàn)方法

（1）姜黃素最大吸收波長(zhǎng)的測(cè)定。將配置好的姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品乙醇溶液，用分光光度計(jì)于波長(zhǎng)400～500 nm范圍內(nèi)每5 nm測(cè)定一次吸光度，并在最大吸收波長(zhǎng)處每2 nm測(cè)定一次吸光度，以此確定姜黃素測(cè)定的最大吸收波長(zhǎng)。

（2）姜黃素提取溶劑種類的測(cè)定。根據(jù)料液比1∶40的無(wú)水甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、丙酮和乙酸異丙酯進(jìn)行提取研究，從而確定最佳溶劑種類。

（3）姜黃素提取工藝優(yōu)化。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取4個(gè)因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L9（34）對(duì)姜黃素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

（4）姜黃素提取率計(jì)算。

式中：A——試樣的吸光度；

F——料液比倍數(shù)；

100——容量的換算系數(shù)；

m——試驗(yàn)用姜黃素試樣的質(zhì)量，g。

（5）姜黃素質(zhì)量指標(biāo)檢驗(yàn)。對(duì)最佳工藝條件下得到的姜黃素成品的主要指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，并與姜黃素國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較[21]，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 姜黃素最大吸收波長(zhǎng)的確定

按照1.3.2（1）試驗(yàn)操作方法將姜黃素標(biāo)準(zhǔn)品乙醇溶液于波長(zhǎng)400～500 nm的范圍內(nèi)每隔5 nm測(cè)定一次。

姜黃素標(biāo)準(zhǔn)吸收曲線圖見(jiàn)圖1。

圖1 姜黃素標(biāo)準(zhǔn)吸收曲線圖

由圖1可知，姜黃素對(duì)照品在430 nm處有最大吸收波長(zhǎng)，由此可以確定姜黃素的最大吸收波長(zhǎng)為430 nm。

2.2 姜黃素提取溶劑種類的確定

按照1.3.2（2）試驗(yàn)操作方法用電子天平稱量6份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶40加入40 mL的乙酸、乙酸乙酯、95%乙醇、丙酮、異丙醇、甲醇溶液進(jìn)行超聲波處理，靜置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波長(zhǎng)430 nm處測(cè)定提取液的吸光度，計(jì)算不同溶劑類型對(duì)姜黃素提取率的影響。

不同種類提取溶劑對(duì)姜黃素提取率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同種類提取溶劑對(duì)姜黃素提取率的影響

由圖2可知，用95%乙醇作為提取劑姜黃素提取率最高，其次是乙酸、無(wú)水甲醇、乙酸乙酯、異丙醇，丙酮溶液的提取率最低，所以提取姜黃素的溶劑種類確定為95%乙醇。

2.3 姜黃素提取的單因素試驗(yàn)

2.3.1 料液比對(duì)提取姜黃素的影響

按照1.3.2（3）試驗(yàn)操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，根據(jù)1∶30，1∶40，1∶50，1∶60，1∶70，原料配比95%乙醇溶液加入超聲處理，然后取上清液1 mL，定容100 mL容量瓶，于波長(zhǎng)430 nm處測(cè)定提取液吸光度，計(jì)算提取率，考查不同料液比對(duì)姜黃素提取率的影響。

料液比對(duì)姜黃素提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 料液比對(duì)姜黃素提取率的影響

由圖3可知，姜黃素的提取率隨著料液比的增大先上升后降低，在料液比為1∶50時(shí)，姜黃素的提取率達(dá)到最大值，由此確定超聲波輔助乙醇提取姜黃色素的最佳料液比為1∶50。

2.3.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取姜黃素的影響

按照1.3.2（3）試驗(yàn)操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶50加入95%，85%，75%，65%，55%乙醇溶液進(jìn)行超聲波處理，靜置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波長(zhǎng)430 nm處測(cè)定提取液吸光度，計(jì)算提取率，考查不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)姜黃素提取率的影響。

乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)姜黃素提取率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)姜黃素提取率的影響

由圖4可知，在超聲輔助條件下，姜黃素的提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而變化。85%時(shí)姜黃素的提取率最高，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過(guò)85%時(shí)，姜黃素的提取率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)果表明，超聲波處理?xiàng)l件下最佳的乙醇體積分?jǐn)?shù)為85%。

2.3.3 功率對(duì)姜黃素提取率的影響

按照1.3.2（3）試驗(yàn)操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶50加入85%乙醇水溶液50 mL，分別于180，210，240，270，300 W功率下進(jìn)行超聲波處理，靜置后取上清液1 mL定容至100 mL容量瓶，于波長(zhǎng)430 nm處測(cè)得定提取液吸光度，計(jì)算提取率，考查不同超聲波功率對(duì)姜黃素提取率的影響。

超聲功率對(duì)姜黃素提取率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 超聲功率對(duì)姜黃素提取率的影響

由圖5可知，隨著超聲波功率的變化，姜黃素的提取率也隨之產(chǎn)生了改變。在超聲處理的條件下，姜黃素的提取率達(dá)到了240 W的最高水平。當(dāng)超聲功率大于240 W時(shí)，姜黃素的提取率開(kāi)始緩慢下降，這可能是由于過(guò)量的能量足以摧毀姜黃素本身的結(jié)構(gòu)。因此，超聲波處理?xiàng)l件下提取姜黃素最適合功率為240 W。

2.3.4 提取溫度對(duì)姜黃素提取率的影響

按照1.3.2（3）試驗(yàn)操作方法稱取5份1.0 g姜黃粉末，分別按照料液比1∶50加入85%乙醇水溶液50 mL，提取溫度依次為30，35，40，45，50℃下開(kāi)始超聲波處理，靜置后取上清液1 mL，定容至體積為100 mL容量瓶?jī)?nèi)，于波長(zhǎng)430 nm處測(cè)得定提取液吸光度，計(jì)算提取率，考查不同溫度對(duì)姜黃素提取率的影響。

提取溫度對(duì)姜黃素提取率的影響見(jiàn)圖6。

圖6 提取溫度對(duì)姜黃素提取率的影響

由圖6可知，姜黃素的提取率隨溫度變化先增大再減小，在35℃時(shí)提取率達(dá)到最大值，這可能是因?yàn)橐掖既芤焊菀诐B透進(jìn)姜黃細(xì)胞體內(nèi)，加快姜黃素的析出，從而進(jìn)一步提高姜黃素的提取率，而大于35℃后，姜黃素的提取率緩慢減小，是因?yàn)橐掖挤悬c(diǎn)較低在溫度過(guò)高時(shí)會(huì)部分揮發(fā)，使得姜黃素的提取率降低。因此，確定最佳提取溫度為35℃。

2.4 姜黃素提取的正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，單因素試驗(yàn)中對(duì)姜黃素提取率影響大小分別為超聲波功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、提取溫度，選定這4個(gè)因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L9（34），并對(duì)姜黃素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在超聲波輔助法提取姜黃素的正交試驗(yàn)中第4組A2B1C2D3處理提取率最高達(dá)到了68.3%；根據(jù)極差分析的結(jié)果，影響因素的順序?yàn)橐掖俭w積分?jǐn)?shù)＞提取溫度＞超聲功率＞料液比。

而根據(jù)K因素表可知姜黃素提取最佳組合為A2B1C1D3，核對(duì)正交試驗(yàn)表1中沒(méi)有符合的試驗(yàn)號(hào)，因此有必要在4號(hào)試驗(yàn)組最高提取率組合A2B1C2D3做驗(yàn)證測(cè)試。

對(duì)比驗(yàn)證見(jiàn)表2。

表2 對(duì)比驗(yàn)證

由表2可知，K最佳組合比4號(hào)方案的提取率更高，所以選擇姜黃素優(yōu)化最佳組合為A2B1C2D3，即溫度35℃，功率210 W，乙醇體積分?jǐn)?shù)75%，料液比1∶60。

2.5 姜黃素成品質(zhì)量指標(biāo)檢驗(yàn)

對(duì)最佳工藝條件下得到的姜黃素成品的主要指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，并與GB 1886.76—2015食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑姜黃素[21]進(jìn)行對(duì)照進(jìn)行評(píng)價(jià)質(zhì)量。

姜黃素國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 姜黃素國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

試驗(yàn)確定了姜黃素測(cè)定的最大吸收波長(zhǎng)是430 nm，確定了姜黃素提取最佳溶劑是乙醇溶液，確定了影響姜黃素提取因素為乙醇體積分?jǐn)?shù)＞提取溫度＞超聲波功率＞料液比。姜黃素提取最佳工藝是溫度35℃，功率210 W，乙醇體積分?jǐn)?shù)75%，料液比1∶60。

試驗(yàn)采用超聲波輔助的方法與溶劑浸提法相結(jié)合的方式從姜黃中獲取姜黃素，并對(duì)最佳工藝條件下得到的姜黃素成品的主要指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，并與GB 1886.76—2015食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 姜黃素進(jìn)行對(duì)照，均符合國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)姜黃素功能食品奠定基礎(chǔ)。