生姜中姜酚的提取工藝研究

Extraction Technology of Gingerol from Ginger

JIANG Yuan （YongzhouVocationalTechnicalCollege，Yongzhou 4251oo，China）

Abstract： This article studies the processconditions for ultrasound assisted extraction of gingerol from ginger. Through single factor experiments and orthogonal experimental designs，theefects of ethanol concentration，liquidsolid ratio，ultrasound time，and extraction temperature on the extraction rate of gingerol were systematically investigated.The results showed that the optimalextraction conditions for gingerol were ethanol concentration of 75% liquid-solid ratio of 20：1 （mL：g） ，ultrasound time of 30min ， and extraction temperature of 50^°C .Under these conditions，the extraction rate of gingerol can reach 5.82mg^.g^-1 ， with a relative standard deviation of 1.85% ） This proces is easy to operate，efcient，and suitable forlaboratory research and industrial production of gingerol.

Keywords： ginger; gingerol; ultrasonic-assisted extraction; orthogonal test; extraction technology

生姜（ZingiberofficinaleRoscoe）是姜科姜屬多年生草本植物，廣泛應(yīng)用于食品調(diào)味、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域。姜酚是生姜中主要的辛辣成分和藥效成分，具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤和保護(hù)心血管系統(tǒng)等多種生物活性[1]。姜酚化學(xué)結(jié)構(gòu)為4-（4-羥基-3-甲氧基苯基）-2-丁酮，是一種不穩(wěn)定的天然酚類化合物，易受光、熱、氧化等因素影響而降解。目前，姜酚的提取方法主要包括溶劑浸提法、水蒸氣蒸餾法、超臨界 CO₂ 萃取法等。傳統(tǒng)溶劑浸提法操作簡(jiǎn)便，但提取時(shí)間長(zhǎng)、溶劑消耗大且效率較低；水蒸氣蒸餾法適用于揮發(fā)油成分提取，但高溫容易導(dǎo)致姜酚降解；超臨界 CO₂ 萃取法雖然選擇性好，但設(shè)備投資成本高。近年來(lái)，超聲波輔助提取因其高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，在天然產(chǎn)物有效成分提取領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2。基于此，本研究采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探討超聲波輔助提取生姜中姜酚的最佳工藝條件，旨在為姜酚的高效提取和工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮生姜，購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，經(jīng)鑒定為姜科姜屬植物生姜的新鮮根莖。

姜酚標(biāo)準(zhǔn)品（純度 ?98% ），上海源葉生物科技有限公司；甲醇、乙醇（色譜純），上海安納達(dá)化學(xué)試劑有限公司；乙酸、磷酸、醋酸銨（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電阻率 ?18.2MΩ?cm ）。

1.2儀器與設(shè)備

KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器；Waters2695-

2998高效液相色譜儀（配備二極管陣列檢測(cè)器）；AL204電子天平（精度 0.0001g ）；DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；TGL-16G臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)；FW177型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)；SHZ-D（II）循環(huán)水式真空泵。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

將新鮮生姜洗凈后切成厚度為 2～3mm 的薄片， 置于 50^qC 鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，隨后進(jìn)行粉碎 并過(guò)60目篩，于 -20^°C 條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 超聲波輔助提取工藝

稱取 1.0g 生姜粉末置于 50mL 離心管中，加入一定量乙醇水溶液，將離心管置于數(shù)控超聲波清洗器中（ 300W 40kHz ），在設(shè)定溫度下提取一定時(shí)間。提取完成后，以 6000rmin^-1 離心 10min ，收集上清液。殘?jiān)褂孟嗤w積溶劑重復(fù)提取1次，合并兩次所得上清液。隨后，對(duì)合并后的上清液進(jìn)行減壓蒸發(fā)處理，并用 0.45μm 濾膜過(guò)濾，最終定容至25mL ，作為高效液相色譜（High-PerformanceLiquidChromatography，HPLC）分析樣品

1.3.3 單因素試驗(yàn)

在其他條件固定的情況下，分別考察乙醇濃度（ 50% 、 70% 、 75% 、 80% 和 90% ）、液固比（ 10：1 15：1 、 20：1 、 25：1 、 30：1 ， mL：g ）、超聲時(shí)間（10、20、30、 40min 和 50min ）以及提取溫度（30、40、50、 60°C 和 70% ）4個(gè)因素對(duì)姜酚提取率的影響，每組試驗(yàn)均重復(fù)3次取平均值。

1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇乙醇濃度（A）、液固比 、超聲時(shí)間（ c ）和提取溫度 （D）4 個(gè)因素進(jìn)行4因素3水平 L₉（3⁴） 正交試驗(yàn)，并通過(guò)方差分析和極差確定各因素影響程度和最佳工藝[3。正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1。

1.3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用優(yōu)化后的最佳工藝條件進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算平均提取率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RelativeStandardDeviation，RSD），以驗(yàn)證優(yōu)化工藝的可靠性和穩(wěn)定性。

1.3.6姜酚含量測(cè)定

（1）姜酚標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立。準(zhǔn)確稱取姜酚標(biāo)準(zhǔn)品10.0mg ，置于 10mL 容量瓶中，用甲醇溶解并定容，配制成 1.0mg?mL^-1 的姜酚標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。取適量標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用甲醇稀釋，配制成濃度為5.0、10.0、20.0、40.0、 60.0μg?mL^-1 和 80.0μg?mL^-1 的系列標(biāo)準(zhǔn)工作液。

（2）高效液相色譜條件。色譜柱為Waters C₁₈ 柱（ 4.6mm×250mm ， 5μm ）；流動(dòng)相為甲醇 -0.1% 乙酸水溶液（ 75：25 ， V/V ）；流速為 1.0mL?min^-1 柱溫為 30^qC ；檢測(cè)波長(zhǎng)為 282nm ；進(jìn)樣量為 10μL □

（3）姜酚定量分析。姜酚含量測(cè)定采用外標(biāo)法，并依據(jù)HPLC條件進(jìn)行分析。姜酚提取率計(jì)算公式為

提取率=CxV

式中： C 為樣品溶液中姜酚濃度， mg?mL^-1 ； V 為樣品定容體積， mL ; m 為生姜粉末質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1姜酚標(biāo)準(zhǔn)曲線

將系列標(biāo)準(zhǔn)工作液注入HPLC，記錄保留時(shí)間和峰面積。以姜酚濃度為橫坐標(biāo)，以峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，姜酚標(biāo)準(zhǔn)品在 282nm 波長(zhǎng)下具有最大吸收峰，在HPLC分析中其保留時(shí)間約為 8.5min 。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為 A=25 648C-3 256.2 （ R²=0.9998 ， n=6 ），線性范圍在 5.0～80.0μg?mL^-1 檢出限和定量限分別為 0.65μg?mL^-1 和 2.15μg?mL^-1 號(hào)通過(guò)高效液相色譜法分析生姜提取物，其色譜圖在8.5min 處出現(xiàn)與姜酚標(biāo)準(zhǔn)品保留時(shí)間一致的峰，經(jīng)光譜比對(duì)和加標(biāo)回收確認(rèn)為姜酚。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1不同乙醇濃度對(duì)姜酚提取率的影響

由圖1可知，隨著乙醇濃度的增加，姜酚提取率呈先升高后降低的趨勢(shì)。在 75% 時(shí)，提取率最高；

當(dāng)乙醇濃度超過(guò) 75% 時(shí)，提取率逐漸下降。由于姜酚屬于中等極性化合物，適宜極性的溶劑體系有利于其溶解，且適量水分能夠促進(jìn)植物組織膨脹并增加細(xì)胞壁通透性[4]。因此，選擇 70% 、 75% 和 80% 這3個(gè)乙醇濃度水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2.2不同液固比對(duì)姜酚提取率的影響

由圖2可知，姜酚提取率隨液固比的增加而提高。當(dāng)液固比從 10：1（mL：g） 增至 20：1（mL：g 時(shí)，提取率明顯提高；然而，當(dāng)液固比超過(guò)20： 時(shí)，提取率增長(zhǎng)趨緩。這是因?yàn)檩^大的液固比可增加溶質(zhì)與溶劑的接觸面積，提高傳質(zhì)效率，但過(guò)大則會(huì)增加溶劑消耗。因此，選擇15：1，20：1，25：1（mL：g） 這3個(gè)液固比水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2.3 不同超聲時(shí)間對(duì)姜酚提取率的影響

由圖3可知，姜酚提取率隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)超聲時(shí)間在 10～ 30min 時(shí)，姜酚提取率明顯提高；但當(dāng)超聲時(shí)間超過(guò) 30min 時(shí)，提取率增長(zhǎng)不明顯甚至略有下降，這可能是因長(zhǎng)時(shí)間超聲導(dǎo)致局部高溫，從而引發(fā)姜酚降解[5]。因此，選擇20、 30min 和 40min 這3個(gè)超聲時(shí)間水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2.4不同提取溫度對(duì)姜酚提取率的影響由圖4可知，姜酚提取率隨溫度升高呈先升高后降低趨勢(shì)。在提取溫度為 30～50^°C 時(shí)，提取率隨溫度升高而增加，在 50^qC 時(shí)達(dá)到最高；當(dāng)提取溫度繼續(xù)升高時(shí)，姜酚提取率逐漸下降。這可能是因?yàn)檫m當(dāng)提高溫度可降低溶劑黏度，增強(qiáng)分子運(yùn)動(dòng)，但溫度過(guò)高會(huì)加速姜酚氧化降解。因此，選擇40、50^qC 和 60^°C 這3個(gè)提取溫度水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可知，各因素對(duì)姜酚提取率的影響順序?yàn)橐掖紳舛?gt; 液固比 gt; 提取溫度 gt; 超聲時(shí)間。最優(yōu)提取工藝組合為 A₂B₃C₂D₂ ，即乙醇濃度為 75% 、液固比為 25：1（mL：?g） 、超聲時(shí)間為 30min 、提取溫度 50^°C 。

由表3可知，乙醇濃度對(duì)姜酚提取率的影響極顯著（ Plt;0.01 ），液固比的影響顯著（ Plt;0.05 ），而超聲時(shí)間和提取溫度的影響不顯著（ Pgt;0.05 ）。綜合考慮，確定超聲波輔助提取姜酚的最佳工藝條件為乙醇濃度 75% 、液固比 20：1 （考慮到液固比25：1（mL：g） 與 20：1（mL：g） 提取效果差異不大，而 20：1（mL：g） 更節(jié)約溶劑）、超聲時(shí)間 30min 、提取溫度 50^qC 。

2.4驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果分析

因正交試驗(yàn)工藝最佳組合未出現(xiàn)在正交表中，因此對(duì)該最佳工藝條件「乙醇濃度 75% 、液固比 、超聲時(shí)間 30min 、提取溫度 50^qC 1進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)得姜酚提取率分別為5.85、5.74mg?g^-1 和 5.86mg?g^-1 ，平均值為 5.82mg?g^-1 ，高于正交試驗(yàn)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 1.85% ，表明該方法的重復(fù)性良好。

3結(jié)論

本研究采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)方法，系統(tǒng)優(yōu)化了超聲波輔助提取生姜中姜酚的工藝條件。結(jié)果表明，各因素對(duì)姜酚提取率的影響程度依次為乙醇濃度 gt; 液固比 gt; 提取溫度 gt; 超聲時(shí)間。最佳提取工藝。

注： 表示極顯著（ Plt;0.01 ； * 表示顯著 ?Plt;0.05） 0條件為乙醇濃度為 75% 、液固比為 20：1（mL：g） ，超聲時(shí)間為 30min ，提取溫度為 50% 。在此條件下提取3次，姜酚的提取率達(dá)到 5.82mg?g^-1 ，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 1.85% （ n=3 ）。本研究?jī)?yōu)化的超聲波輔助提取姜酚工藝，操作簡(jiǎn)便，重現(xiàn)性好，適用于姜酚的實(shí)實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡亞平，黨珊.生姜中姜酚的提取工藝及其生物活性研究[J].中國(guó)調(diào)味品，2024，49（9）：196-199.

[2]陳嚇悌，黃晨軒，戴麗玲，等.厚樸中厚樸酚的超聲波提取工藝優(yōu)化[J].廣州化工，2023，51（6）：76-79.

[3]朱藝佳，唐澤群，陳可可，等.不同提取工藝對(duì)生姜提取物及化學(xué)組成的影響[J]食品與發(fā)酵工業(yè)，2023，49（2）：113-119.

[4]董文南，萬(wàn)敏，李克招，等.不同產(chǎn)地生姜中姜酚類含量及最佳配比研究[J].藥品評(píng)價(jià)，2023，20（7）：803-806.

[5]李曉娟，鐘梨，彭開(kāi)鋒，等.脈沖電場(chǎng)強(qiáng)化生姜姜酚提取及工藝優(yōu)化[J].現(xiàn)代食品科技，2024，40（9）：270-277.