基于正交試驗和響應(yīng)面法優(yōu)化生姜中姜辣素提取技術(shù)工藝

程園園,何軍波,李斌

(1.鄭州科技學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450064;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,鄭州 450046)

生姜,屬于姜科植物的根莖,廣泛種植于我國東南和中東地區(qū),栽培品種超過14個[1-2]。我國是生姜生產(chǎn)和出口大國,相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明[3],我國生姜生產(chǎn)量和出口量一直穩(wěn)居世界前列[4]。

生姜中被提取和純化的化合物種類超過400種[5],這些成分主要包括姜辣素、生姜精油和烷烴類[6-7]。姜辣素是生姜中主要的辣味成分,包括姜酚(gingerols)、姜酮(zingerones)和姜烯酚(shogaols)等混合物,大量相關(guān)研究報道[8-10],姜酮和姜烯酚含量隨生姜栽培時間的增長而增高,是生姜中主要的抗氧化物質(zhì)。

生姜中常用于提取姜辣素的技術(shù)工藝包括有機(jī)溶劑提取法、超臨界流體萃取法、酶輔助提取法、微波輔助提取法和超聲輔助提取法。有機(jī)溶劑提取法[11]通過使用乙醇、乙酸乙酯和甲醇等有機(jī)溶劑來提取姜辣素,該方法操作簡便、設(shè)備簡單、提取成本低,適合于規(guī)模化生產(chǎn)姜辣素。超臨界流體萃取法[12]一般使用CO2作為萃取劑,采用該方法提取辣姜素工作效率高、提取時間快,但提取成本高,一般僅用于試驗研究,不能獲得經(jīng)濟(jì)效益。酶輔助提取法[13]是通過使用酶類物質(zhì)破壞植物細(xì)胞壁,進(jìn)而提取生物活性物質(zhì)的一種方法,將該方法與溶劑提取法相結(jié)合,提取速度更快,生物利用率更高。微波輔助提取法[14]是利用機(jī)械性能破壞植物細(xì)胞壁,從而快速獲得生物活性物質(zhì)的一種方法,消耗的溶劑少和時間短。超聲輔助提取法[15]是一種利用超聲波破壞植物細(xì)胞壁的方式,該方式可以有效提取植物中的活性物質(zhì),適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備操作簡單。

辣姜素常常被作為食品添加劑,用于減緩脂質(zhì)類食品的氧化[16]。劉克武等[17]研究不同加工方式的生姜對DPPH自由基的清除能力,研究結(jié)果表明姜辣素含量越高,DPPH自由基清除能力越強(qiáng)。

我國作為生姜生產(chǎn)大國,生姜深加工技術(shù)卻較為落后,生姜中姜辣素提取率低。隨著人們對天然植物中化合物的重視度越來越高,生姜中的活性成分應(yīng)用范圍不斷增大(除用作調(diào)味品外,還用于化妝品、醫(yī)藥產(chǎn)品和建筑材料方面)[18-19],目前深加工產(chǎn)品的量已經(jīng)不能滿足時代需求。本研究基于此,以單因素試驗、正交試驗和響應(yīng)面法對超聲輔助法提取生姜中辣姜素加工工藝進(jìn)行研究和優(yōu)化,旨在為生姜中姜辣素加工和資源開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

生姜:購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場;香草醛:上海生物科技有限公司;無水乙醇:杭州化學(xué)生物藥劑有限公司;蒸餾水:自制。

1.2 試驗儀器

電子天平 梅特勒-托利多公司;超聲波振蕩儀 常州易晨儀器制造有限公司;真空泵 浙江真空設(shè)備集團(tuán)有限公司;粉碎機(jī) 上海機(jī)械設(shè)備有限公司;恒溫烘箱 上海雋思實驗儀器有限公司;紫外分光光度計 上海美析儀器有限公司;磁力攪拌器 廣東佛衡儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 生姜原料處理

選取品質(zhì)較好的生姜片,用粉碎機(jī)將其粉碎,之后放于恒溫烘箱中,在(45±1) ℃的條件下烘干,備用。

1.3.2 生姜中姜辣素含量測定及計算

先稀釋姜辣素提取液,在波長280 nm處測定提取液的吸光值,根據(jù)下式計算生姜中姜辣素得率。

式中:V為測定樣品的體積(mL);A為樣品的稀釋倍數(shù);M為生姜粉末的質(zhì)量(g)。

1.3.3 單因素試驗

當(dāng)研究其中一個變量因子對姜辣素得率的影響時,控制其他的影響因子不變,即超聲時間為90 min,回流溫度為80 ℃,液料比例為30∶1,各個單因素試驗區(qū)間見表1。

表1 姜辣素提取單因素條件變化區(qū)間Table 1 Variation range of single factor conditions for gingerol extraction

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化生姜提取物中辣姜素的提取工藝

根據(jù)單因素試驗結(jié)果,以超聲時間、回流溫度和液料比例作為變量因子,以辣姜素得率作為指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平試驗,響應(yīng)面試驗因素水平表見表2。

表2 響應(yīng)面試驗因素及水平Table 2 Factors and levels of response surface test

1.3.5 數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析

每次試驗的結(jié)果均進(jìn)行3次取樣測定,結(jié)果用平均值表示。使用軟件Design Expert 12.0對正交試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析,數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算采用Excel 2010。

2 結(jié)果和討論

2.1 線性關(guān)系研究分析

由圖1可知,姜辣素的標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=0.05X-3E-17,相關(guān)系數(shù)為R2=0.976,R2越接近1,說明姜辣素濃度測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸關(guān)系越好,采用該方法測定姜辣素濃度具有較高的可靠性。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve

2.2 單因素試驗

2.2.1 超聲時間對姜辣素得率的影響

由圖2可知,當(dāng)超聲時間(30～150 min)逐漸增加時,姜辣素得率先升高后降低,當(dāng)超聲時間為30 min時,姜辣素得率較低,為1.74%;當(dāng)超聲時間為30～90 min時,姜辣素得率逐漸升高,在這段時間內(nèi),超聲時間的增加使得姜辣素不斷溶解到溶劑中,姜辣素得率不斷增加。當(dāng)超聲時間為90～150 min時,隨著超聲時間不斷增加,姜辣素得率開始緩慢下降,這是由于超聲時間不斷增加,姜中的其他物質(zhì)也不斷溶解,最終影響姜辣素得率。

圖2 超聲時間對姜辣素得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on the yield of gingerol

2.2.2 回流溫度對姜辣素得率的影響

控制其他影響因子不變,當(dāng)回流溫度不斷增加時,姜辣素得率先不斷升高后緩慢降低。由圖3可知,當(dāng)回流溫度為70～85 ℃時,姜辣素得率不斷升高,這是由于回流溫度不斷升高,溶劑分子流速不斷增加,導(dǎo)致姜辣素得率提高。當(dāng)回流溫度為85～90 ℃時,姜辣素得率開始逐漸下降,這是由于回流溫度過高,姜辣素受高溫的影響開始分解,導(dǎo)致溶液的辣姜素得率降低。

圖3 回流溫度對姜辣素得率的影響Fig.3 Effect of reflux temperature on the yield of gingerol

2.2.3 液料比例對姜辣素得率的影響

由圖4可知,液料比例對姜辣素得率會產(chǎn)生影響。隨著液料比例的不斷增加,姜辣素得率先升高后降低。當(dāng)液料比例為20∶1時,姜辣素得率為1.72%。當(dāng)液料比例為20∶1～35∶1時,姜辣素得率隨著液料比例的增加而升高,當(dāng)液料比例為35∶1時,姜辣素得率最高,為1.76%,這是由于隨著液料比例逐漸增加,生姜能夠充分溶解于溶劑中,從而能夠獲得更多的姜辣素。當(dāng)液料比例大于35∶1時,辣姜素得率開始下降,這是由于液料比例不斷增加,生姜濃度開始下降,從而導(dǎo)致姜辣素得率下降。

圖4 液料比例對姜辣素得率的影響Fig.4 Effect of the ratio of liquid to solid on the yield of gingerol

2.3 響應(yīng)面試驗結(jié)果優(yōu)化分析

以超聲時間(A)、回流溫度(B)和液料比例(C)作為變量因子,以姜辣素得率(Y)作為響應(yīng)值,進(jìn)行三因素三水平的正交試驗分析,試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Response surface test design and results

通過對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得辣姜素得率的回歸方程:Y=1.86+0.078A+0.13B-0.023C+0.022AB-0.12AC+0.11BC-0.07A2-0.05B2-0.21C2。

由表3可知,超聲時間(A)、回流溫度(B)和液料比例(C)3個因素對姜辣素得率的影響為超聲時間>液料比例>回流溫度(0.32>0.19>0.01)。

2.4 模型建立和顯著性檢驗

由表4可知,在辣姜素的回歸模型中,失擬項的P=0.201 3>0.05,差異不顯著,說明響應(yīng)面分析沒有失擬項因素,結(jié)果能夠反映辣姜素提取的真實情況。

表4 響應(yīng)面模型建立及顯著性檢驗Table 4 Establishment of response surface model and significance test

2.5 響應(yīng)面結(jié)果分析

由圖5可知,超聲時間(A)和回流溫度(B)的兩兩交互作用獲得的等高線圖形為圓形。在響應(yīng)面中,姜辣素得率變化幅度較小,說明超聲時間(A)和回流溫度(B)的交互作用對姜辣素得率的影響不大,當(dāng)超聲時間為92 min、回流溫度為81 ℃時姜辣素得率最高。

圖5 超聲時間和回流溫度的交互作用對姜辣素得率的影響Fig.5 Effect of interaction of ultrasonic time and reflux temperature on the yield of gingerol

由圖6可知,超聲時間(A)和液料比例(C)的交互作用獲得的等高線圖形為橢圓形,說明超聲時間(A)和液料比例(C)的交互作用對姜辣素得率的影響較顯著,在響應(yīng)面圖上可以看到明顯的凸起。當(dāng)超聲時間(A)不變時,隨著液料比例(C)的增加,姜辣素得率變化區(qū)間為1.65%～1.80%。當(dāng)液料比例(C)不變時,隨著超聲時間的增加,姜辣素得率先升高后逐漸降低。

圖6 超聲時間與液料比例的交互作用對姜辣素得率的影響Fig.6 Effect of interaction of ultrasonic time and liquid-solidratio on the yield of gingerol

由圖7可知回流溫度(A)和液料比例(C)的交互作用對姜辣素得率的影響,等高線圖形為橢圓形,響應(yīng)面的凹陷比較明顯,說明回流溫度(A)和液料比例(C)的交互作用對姜辣素得率的影響較大。當(dāng)回流溫度(A)保持不變時,隨著液料比例的逐漸增加,姜辣素得率先降低后升高,當(dāng)液料比例為25∶1和回流溫度為75 ℃時,姜辣素得率最高。

圖7 回流溫度和液料比例的交互作用對姜辣素得率的影響Fig.7 Effect of interaction of reflux temperature and liquid-solid ratio on the yield of gingerol

由圖5～圖7可知,響應(yīng)面圖均呈現(xiàn)出一定程度的彎曲,根據(jù)響應(yīng)面結(jié)果分析各個因素之間的交互作用,得到姜辣素提取的最佳加工工藝為超聲時間92.4 min、回流溫度80.3 ℃、液料比例27.23∶1,此時姜辣素得率為2.06%?？紤]到操作的簡便性,修正生姜中姜辣素提取工藝為超聲時間92 min、回流溫度80 ℃和液料比例27∶1。

3 小結(jié)

隨著社會發(fā)展,人們對天然化合物的重視程度不斷增強(qiáng)。姜辣素是生姜中的生物活性物質(zhì),近些年在醫(yī)療和食品等多個領(lǐng)域被應(yīng)用,但我國生姜中姜辣素提取工藝仍處于發(fā)展階段,加工工藝中還有很多方面存在不足。本研究通過利用單因素試驗、正交試驗和響應(yīng)面法3種方式對生姜中姜辣素提取工藝進(jìn)行研究和優(yōu)化,研究結(jié)果表明,生姜中姜辣素提取的最佳加工工藝為超聲時間92 min、回流溫度80 ℃和液料比例27∶1。