三相分離法提取生姜油的研究

＊陳嫘 賈瑞 張慧云 沈琪 魏勝華

（安徽工程大學(xué)生物與食品工程學(xué)院 安徽 241000）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）為姜科單子葉植物的塊莖，作為一種常見(jiàn)的草本植物，因其具有辛辣口感和芳香的氣味，是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕{(diào)味品之一[1]。生姜中含有多種有功效的生理活性物質(zhì)，賦予其具有消炎、殺菌和抗氧化等作用[2]。生姜油是生姜塊莖中含有的揮發(fā)性成分，其外觀(guān)是淡黃色澄清透明的液體，是生姜產(chǎn)生風(fēng)味和具有活性功能的物質(zhì)基礎(chǔ)之一[3]。

生姜油常規(guī)的提取方法一般采用水蒸氣蒸餾、有機(jī)溶劑浸提和二氧化碳超臨界萃取等方法，水蒸氣蒸餾和有機(jī)溶劑浸提的效率較低，超臨界萃取對(duì)設(shè)備的要求較高[4-6]。三相分離法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較新的提取生物活性成分的方法，通過(guò)將鹽和有機(jī)溶劑加入到含有目標(biāo)物的提取液中，混勻，靜置后分層形成三相，其中上相為有機(jī)溶劑（包含非極性化合物），中間相為酶蛋白的固體層，下相為水相（包含極性化合物），通過(guò)三相分離可以獲得不同目標(biāo)的產(chǎn)物，該方法其具有簡(jiǎn)單、快速和易于放大的優(yōu)點(diǎn)，在蛋白、油脂以及多糖的分離提取中應(yīng)用廣泛[7-9]。

我國(guó)雖然是生姜生產(chǎn)大國(guó)，但是生姜制品多是生姜片、生姜粉和生姜汁等初級(jí)加工的產(chǎn)品，其附加值不高，開(kāi)發(fā)生姜中姜油相關(guān)制品是提高生姜產(chǎn)品價(jià)值的有效途徑之一，針對(duì)目前在生姜油提取中存在的問(wèn)題，本文研究采用三相法從生姜中提取生姜油，考察了有機(jī)溶劑的用量、硫酸銨的濃度、提取pH和提取溫度等因素的影響，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)獲得了最佳提取工藝，為高效提取生姜油提供了新方法。

1.材料與方法

(1)材料與儀器

生姜，購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；硫酸銨、叔丁醇、鹽酸、氫氧化鈉等化學(xué)試劑購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司，均為分析純。

64R臺(tái)式高速離心機(jī)，美國(guó)貝克曼公司；FA-1004精密電子天平，天津天馬恒基儀器有限公司；JJ-665小型研磨機(jī)，浙江永康金味電器有限公司；SK-1快速混勻器，浙江金壇杰瑞爾電器有限公司；RE-201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海力辰儀器科技有限公司；PHS-25酸度計(jì)，上海雷磁儀器有限公司。

(2)三相法分離

將生姜攪碎成漿，加入20mL濃度為40%(w/v)的硫酸銨溶液中，快速混勻器上處理5min，使之完全混合，然后調(diào)節(jié)pH值為7.0后加入等體積的叔丁醇。以上的混合物在35℃振蕩水浴鍋中充分振蕩60min，然后4000r/min的條件下離心10min使三相分層明顯，用注射器吸取上層的有機(jī)溶劑，放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓蒸發(fā)，收集瓶中所得到的液體即為生姜油，將收集瓶稱(chēng)重，通過(guò)前后的重量差別得到生姜油的質(zhì)量。

在以上初始條件的情況上，進(jìn)行單因素優(yōu)化，然后在此基礎(chǔ)上選取叔丁醇的用量、硫酸銨濃度、pH值和溫度這4個(gè)因素，每個(gè)因素考察3個(gè)水平，以生姜油的提取率為指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，獲得最佳提取工藝。

2.結(jié)果與分析

(1)單因素實(shí)驗(yàn)

①叔丁醇用量對(duì)提取的影響

叔丁醇相比較其他溶劑，其揮發(fā)性比較小，容易成相，是三相分離中最常用的有機(jī)溶劑。另外，叔丁醇的熔點(diǎn)較低，在低溫下就可以凝固，因此在油脂的提取中后期可以采用低溫凝固的方法實(shí)現(xiàn)叔丁醇與油脂的快速分離，很適合油脂的大規(guī)模的提取，這也是三相法提取油脂的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)[10]。固定提取液的體積，改變叔丁醇的用量考察其對(duì)提取的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出，隨著叔丁醇用量的增加，生姜油的提取率越來(lái)越高，當(dāng)提取液與叔丁醇的比例達(dá)到1.0:1.5的時(shí)候，基本達(dá)到平衡，這說(shuō)明叔丁醇的量已經(jīng)達(dá)到足夠能夠把生姜油從植物組織的間隙以及油水界面提取到有機(jī)相中，進(jìn)一步提高叔丁醇的用量會(huì)造成成本的增加。

圖1 叔丁醇用量對(duì)提取的影響

②硫酸銨濃度對(duì)提取的影響

圖2 硫酸銨濃度對(duì)提取的影響

圖3 pH值對(duì)提取的影響

一定濃度的硫酸銨可以使原本互溶的叔丁醇和水互不相溶，在成相的過(guò)程中起著重要的作用，圖2顯示了不同硫酸氨濃度下的提取情況，看出在一定范圍內(nèi)，隨著硫酸氨濃度的增加生姜油的提取率也隨之增加，濃度過(guò)低，三相無(wú)法形成；但是濃度過(guò)高反而會(huì)使提取率下降，可能是高濃度的硫酸銨使生姜中的蛋白質(zhì)發(fā)生了變性，變性的蛋白結(jié)構(gòu)比較緊密，聚集在中間層或者粘附在生姜組織間隙，抑制了生姜油向叔丁醇的有效擴(kuò)散，因此當(dāng)硫酸銨的濃度為45%時(shí)是最佳。

③pH對(duì)提取的影響

pH值是三相分離中的重要參數(shù)，不同的pH值條件下生物大分子的帶電狀態(tài)不同，從而影響其在不同相中的分配系數(shù)，在生姜油的提取過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡量使蛋白從植物組織中游離出來(lái)從而有利于油脂的釋放，圖3顯示了不同pH條件下對(duì)提取的影響，由圖可以看出在pH6.0的條件下，提取率最高，這可能是這是生姜中多數(shù)蛋白的等電點(diǎn)，在等電點(diǎn)附近蛋白容易在中間相積累。

④溫度對(duì)提取的影響

在三相分離過(guò)程中，溫度將三相體系的傳質(zhì)效率有很大的影響。溫度較低時(shí)，傳質(zhì)效率會(huì)變低，特別是叔丁醇的熔點(diǎn)較低，低溫下其流動(dòng)性較差，導(dǎo)致形成三相時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；溫度較高雖然可以提高三相體系的傳質(zhì)效率，但可以使生姜中的蛋白質(zhì)變性失活，從而影響生姜油的提取。圖4顯示了在不同溫度下的提取情況，由圖可以看出在40℃的情況下，生姜油的提取效果最好。

圖4 溫度對(duì)提取的影響

(2)正交試驗(yàn)

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

在以上單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)，其具體數(shù)據(jù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，最優(yōu)組合水平為A2、B3、C3、D2，即料液與叔丁醇比為1:1.5（w/w），硫酸銨的量為50%，pH值為7.0，提取溫度為40℃。在最佳提取條件下，其提取率為3.56%。提取的效果如圖5所示，其中上相為含有生姜油的有機(jī)相，中間的固相層含有蛋白（一般為生姜蛋白酶）以及生姜的粗纖維，下相一般為生姜多糖以及含有少量的生姜淀粉的沉淀。由此可以看出，采用三相法提取生姜油，能夠同時(shí)獲得蛋白、多糖以及淀粉，達(dá)到一步提取可以得到多種有效成分的目的，實(shí)現(xiàn)生姜的綜合利用，其效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他的提取方法。

圖5 三相法提取生姜油

3.結(jié)論

采用三相法提取生姜油，當(dāng)料液與叔丁醇比為1:1.5（w/w），硫酸銨的量為50%，pH值為7.0，提取溫度為40℃時(shí)，提取效果最好，提取率可以達(dá)到3.56%。該方法簡(jiǎn)單、高效，為生姜的深加工提供了一個(gè)新方法。