生姜多酚的优化提取及其抗氧化性研究

256 唐仕荣,李 超,宋 慧, 徐 锦 (徐州工程学院食品工程学院,江苏徐州 221008) 摘 要:以生姜为原料, 有机溶剂浸提法提取生姜多酚。通过单因素和正交实验探讨了溶剂种类、溶剂浓度、料液比、 提取时间、提取温度以及提取次数等对生姜多酚提取率的影响。结果表明:鲜生姜 60e 以下干燥, 粉碎过 60目筛, 最 佳溶剂 75%乙醇,料液比 1B25, 70e条件下回流提取 2次,每次 215h,生姜多酚提取率最高达到 1179%。抗氧化实验表 明, 生姜多酚具有一定的清除 DPPH自由基的能力, 且清除能力与浓度呈较明显的量效关系, 气相色谱-质谱联用 ( GC-MS)分析鉴定出 35种化合物, 其中多酚类化合物 7种, 相对含量达 45102% ,表明了生姜的乙醇提取物中富含多 酚类抗氧化活性成分。 关键词:生姜多酚, 提取,优化,工艺研究,抗氧化性 Study on extraction and antioxidation of ginger polyphenols TANG Shi- rong, LIChao, SONG Hu,i XU Jin ( Schoo l o f Food Eng ineer ing, Xuzhou Institute o fTechno logy, Xuzhou 221008, Ch ina) Abstrac:t Extrac tion techno logy o f g ing er p o lyp heno ls in g ing er w as s tud ied w ith so lven t ex trac tion1Effec ts o f s o lvent spec ies, e thano l concentra tion, ra tio o f m a te ria l to liqu id, ex trac tion tmi e, ex trac tion tem pe ra tu re and ex trac tion tmi es on ex trac tion ra te o fg ing e rp o lyp heno ls w e re inves tig a ted by s ing le fac to r and o rthogona l tes t1The op tmi um ex trac tion cond itions fo r g ing e r po lyp heno ls w e re id entified as the fo llow s: the pa rtic le s ize 60 s creen m esh, 75% ethano l as so lven,t ra tio o fm a te ria l to liq u id 1B25, ex trac tion tem pe ra tu re 70e , ex trac tion tmi e 215h w ith tw o tmi es a fte r d ry ing less than 60e o f fres h g inge r1The ex trac tion ra tio o fg ing er po lyp heno ls w as up to 1179% 1The exp ermi en t o f antiox id ant ac tiv ity s how ed tha t g inge r po lyp heno ls had g ood ac tiv ity o f scaveng ing DPPH rad ica ls, and the s caveng ing ac tiv ity had ob v ious d ose- e ffec t re la tionsh ip o f concen tra tion1And the ex trac tw as ana lyzed by GC- MS 17 com p ound s m ig h t be long ed to p o lyp heno ls in the 35 com pound s id entified by GC- MS ana lys is, and re la tive con ten tw as up to 45102% 1Resu lts s how ed tha t the re w ere rich in an tiox idan t com ponen ts as p o lypheno ls in the ex trac t1 Keywords: g inge r po lyp heno ls; ex trac tion; op tmi ize; techno log ica l s tud y; antiox id a tion 中图分类号: TS20111 文献标识码: A 文 章 编 号: 1002- 0306( 2010) 04- 0256- 04 收稿日期: 2009- 06- 26 作者简介:唐仕荣 ( 1975- ) ,男, 讲师,博士,研究方向: 天然产物活性 成分研究。 基金项目: 徐州工程学院 2007年度自然科学研究项目 ( XKY2007223)。 植物多酚是一大类广泛存在于植物体内的复杂 多元酚类化合物, 具有较强的供氢和清除体内有害 自由基的作用 [ 1 ]。生姜是世界范围内的一种重要的 香辛调味料, 也是亚洲传统的药食两用植物。其主 要有效成分是挥发性精油、姜辣素和黄酮等成分,其 中姜辣素和黄酮等属于多酚类化合物, 是生姜中最 重要的抗氧化等功能因子 [ 2- 4] , 在食品、医药、化妆品 和保健品等行业具有广泛的应用 [ 5- 7]。因此, 生姜多 酚的开发具有较大的研究价值和应用前景。溶剂回 流提取是目前最常用的提取方法, 广泛用于天然产 物的提取,利用溶剂的溶解和转移作用,将不同的可 溶性组分从固体内部溶解并转移到溶剂中, 其提取 效果受到溶剂类型、用量和提取温度等多种因素的 影响。本文采用单因素和正交实验方法优化生姜中 多酚类化合物的提取工艺, 运用气质联用仪对提取 物进行成分分析, 以探讨提取物的抗氧化性能与组 成之间的关系, 为生姜多酚的开发与利用提供实验 依据。 1 材料与方法 111 材料与仪器 乙醇、甲醇、丙酮等 均为市售分析纯; 没食子 酸 中国药品生物制品检定所; DPPH ( 1, 1-二苯 基- 2-苦肼基 ) S igm a公司; 生姜 购自徐州农贸 市场。 TU- 1810型紫外分光光度计 北京普析通用仪 器有限责任公司; HP 6890 /5973型 GC-M S配有电子 轰击离子源 ( E I)及 G1701DA MSD ChemStation数据 处理系统 美国惠普公司。 112 总多酚检测方法 精密称取 25mg没食子酸, 纯水溶解并定容至 257 50mL容量瓶中, 摇匀,精密吸取该溶液 1mL于 10mL 容量瓶中,定容至刻度, 即得 50Lg /mL对照品溶液。 分别吸取对照品溶液 0、014、018、112、116、210mL于 50mL容量瓶中, 依次加入 011mo l/L三氯化铁溶液、 01008mo l/L铁氰化钾溶液、011mo l/L 盐酸溶液各 1mL,纯水定容, 摇匀。以不添加没食子酸对照品的 样品为空白, 695nm处测量吸光度, 绘制曲线。 线性回归得标准曲线方程 A = 011466C- 010099, 相关 系数 R2 = 019951。在没食子酸浓度为 014~ 2Lg /mL 范围内该方法线性关系良好。 113 提取方法 取新鲜生姜洗净切片, 60e 远红外干燥。称取 粉碎过 60目筛的生姜粉 10g于 250mL圆底烧瓶中, 加入 100mL 75%乙醇溶液, 70e 水浴回流提取 2h,离 心,取上清液测定总多酚提取率。 通过改变溶剂类型、浓度、料液比、提取时间和 提取温度等因素来探讨溶剂回流法提取生姜多酚的 工艺条件。 114 DPPH自由基清除能力的测定 利用 DPPH 溶液的特征紫红色团的吸收峰, 用 分光光度法测定加抗氧化剂后在波长 517nm处的吸 光度,下降比例表示其清除能力 [ 8 ]。具体测定方法参 见文献 [ 9]。 2 结果与讨论 211 提取溶剂的选择 分别选取甲醇、乙醇、丙酮三种溶剂, 按 20%、 40%、60%、80%和 100%浓度对生姜粉末进行提取, 在其它条件完全相同条件下考察溶剂种类对多酚提 取的影响。由图 1可知, 60%的丙酮溶液提取效果 最佳, 60%的甲醇和乙醇次之, 但相差不大。但考虑 到丙酮和甲醇的毒性较大, 提取后若去除不完全会 对人体造成不良影响, 因此, 从安全、简便的角度考 虑,选用乙醇作为提取溶剂。 212 乙醇浓度的影响 由图 1可以看出, 乙醇浓度对生姜多酚的提取 有较大的影响, 不同浓度乙醇溶液作为溶剂对生姜 多酚提取的影响如图 2所示。可以看出, 生姜多酚 提取率先随浓度的增加而增大, 75%乙醇提取时多 酚提取率最高,而后逐渐下降, 故选用 75%乙醇溶液 作为提取溶剂。 图 1 溶剂对提取率的影响 213 提取时间的确定 在提取过程中, 溶剂与多酚等有效成分的接触 时间是决定多酚提取率的一个重要因素, 为实现尽 可能充分的提取需要足够的提取时间, 但过长的提 图 2 乙醇浓度对提取率的影响 取时间不利于实际生产。以 75%乙醇为溶剂, 提取 不同考察时间的影响。由图 3可以看出, 在 2h内,多 酚提取率随时间延长而增加, 当时间超过 2h后, 多 酚提取率反而有下降趋势, 这可能是由于多酚不稳 定, 易氧化分解, 长时间加热处理造成总酚含量的 下降 [ 10]。 图 3 提取时间对提取率的影响 214 料液比的影响 溶剂用量越多,有效成分的提取就越完全,但溶 剂用量太多, 又增加后续除去溶剂的困难, 增大成 本。因此应选择合适的料液比。料液比对生姜提取 的影响如图 4所示, 溶剂量较少时多酚提取率随料 液比增大而增加,当料液比达到 1B20时,提取率趋于 平稳,表明基本达到溶解平衡, 过高料液比多酚提取 率增加有限, 反而会增加浓缩时间及费用, 因此, 最 适料液比为 1B20。 图 4 料液比对提取率的影响 215 提取温度的确定 较高温度有利于活性成分的提取, 但多酚为热 不稳定成分, 温度过高可能使多酚活性损失,因此应 确定最适提取温度。温度对多酚提取率的影响如图 5所示。由图可以看出,多酚提取率先随温度的升高 而增大, 70e 时提取率达到最大,之后随温度的升高 而降低。因此,最适提取温度为 70e 。 216 提取次数的影响 多次提取可以尽可能地将生姜中的活性成分提 取完全, 以充分利用生姜资源; 但提取次数增加会消 耗更多的溶剂及相应的成本, 所以应确定合适的提 取次数。以 75%乙醇为溶剂, 1B20料液比条件下提 258 图 5 提取温度对提取率的影响 取 2h,离心分离,残渣加 200mL 75%乙醇再提取 2h, 如此多次处理,分别测定每次提取液中多酚提取率。 实验表明, 随着次数的增加, 多酚提取率显著下降, 第 2次多酚提取率为第 1次的 50145%, 第 3次约为 第 1次的 8116% ,表明 2次提取即可将大多数多酚提 取出来,因此,提取 2次即可。 217 生姜多酚的最优工艺条件确定 在单因素实验的基础上, 选择乙醇浓度、料液 比、提取时间以及提取温度为影响因素, 选用 L9 ( 34 ) 正交表进行实验,结果见表 1。 表 1 正交实验及结果 实验号 A料液比 B提取 时间 ( h) C乙醇 浓度 ( % ) D提取 温度 ( e ) 多酚提 取率 (% ) 1 1( 1B15) 1( 115) 1( 70) 1( 60) 1139 2 1 2( 2) 2( 75) 2( 70) 1151 3 1 3( 215) 3( 80) 3( 80) 1141 4 2( 1B20) 1 2 3 1149 5 2 2 3 1 1146 6 2 3 1 2 1163 7 3( 1B25) 1 3 2 1177 8 3 2 1 3 1172 9 3 3 2 1 1175 k1 4131 4165 4174 4160 k2 4158 4169 4175 4191 k3 5124 4179 4164 4162 R 0193 0114 0111 0131 由极差分析可知, 各因素对生姜多酚提取率的 影响次序为: A > D > B > C, 即料液比 >提取温度 >提取时间 >乙醇浓度, 其最优为 A 3D2B3C2。 按优选工艺平行提取三次,平均提取率为 1179% ,表 明实验所确定的工艺为较优工艺, 即生姜粉以 75% 乙醇为溶剂、料液比 1B25、70e 回流提取 2次, 每次 215h。 218 清除 DPPH自由基能力的测定 最佳条件下提取的生姜多酚对 DPPH自由基的 清除能力如图 6所示, 清除能力随浓度的增大而增 加,表明生姜多酚对 DPPH 自由基的清除能力与浓 度呈较明显的量效关系。由插值法可得清除 DPPH 自由基的 IC50为 76173Lg /mL, 稍大于 TBHQ和 BHT 清除 DPPH自由基的 IC50值,表明了生姜多酚具有一 定的清除 DPPH自由基的能力, 可以作为天然抗氧 化剂使用。 219 生姜多酚提取物的 GC-MS分析 以最佳条件下提取的生姜多酚为原料作 GC-M S 分析, 总离子流色谱图如图 7所示。按 PBM 法与 图 6 生姜多酚对 DPPH自由基的清除结果 N IST05a谱图库化合物数据进行检索对照,根据置信 度或相似度确定化合物的结构; 对谱库难于确定的 化合物则依据 GC保留时间、主要离子峰及特征离子 峰、分子量等与文献色谱、质谱相对照进行解 析。图 7中各峰代表的化合物列于表 2中。 图 7 生姜多酚的总离子流图 生姜多酚的气质联用分析鉴定出 35种化合物, 相对含量最高的是 6- ( 3, 5-二甲基-呋喃- 2-酰 )- 6 -甲基-庚- 3-烯- 2-酮 ( 28) ,达 29188%。酚类化合 物有 7种,相对含量达 45102%,其中相对含量最高的 是 4- ( 3-羟基- 2-甲基苯基 )-丁- 2-酮 ( 17), 还直 接鉴定出 6-姜酚 ( 34)和辣椒辣素 ( 31)等酚类化合 物, 表明了生姜的乙醇提取物中富含多酚类抗氧化 活性成分,可进一步加工利用。 3 结论 通过单因素实验和正交实验探讨了溶剂浸提法 提取生姜多酚的工艺条件, 确定了最佳提取工艺参 数: 鲜生姜 60e 远红外干燥, 粉碎过 60目筛, 在料液 比 1B25、70e 条件下 75%乙醇溶液提取 2次, 每次 215h,多酚提取率为 1179%。抗氧化实验表明, 生姜 多酚具有一定的清除 DPPH自由基的能力, 且清除能 力与浓度呈较明显的量效关系。 GC- M S分析鉴定 出 35种化合物,多酚类化合物 45102% , 体现了生姜 多酚功能与组成间的统一性, 可进一步开发利用其 中的抗氧化性成分。 参考文献 [ 1] 王旗,刘恩岐 1植物多酚的研究现状 [ J] 1山西农业科学, 2009, 37( 1) : 92- 941 [ 2] 吴贾锋,张晓鸣 1生姜风味物质研究进展 [ J] 1食品与发酵 工业, 2005, 31( 4): 100- 1041 [ 3] 刘焕云,黄天娥,田少然 1生姜提取物抗氧化性能的研究 [ J] 1食品工业科技, 2006, 27( 7) : 96- 981 [ 4] 张敏,韩建春 ,任运宏 1超临界 CO2萃取生姜中抗氧化活 性物质的工艺研究 [ J] 1农业工程学报, 2003, 19( 6): 238- 2401 [ 5] 李素民,杨秀岭 1干姜和生姜药理研究进展 [ J] 1中草药, 1999, 30( 6) : 471- 4731 259 表 2 生姜多酚的 GC /MS分析结果 序号 保留时间 (m in) 名称 分子式 相对百分比 (% ) 1 3182 2, 3-二氢- 3, 5-二羟基- 6-甲基- 4H-吡喃- 4-酮 C6H 8O4 1143 2 4134 十一醛 C10H20O 2198 3 71502 C, 4-二甲基苯丁醛 C12H16O 1193 4 71633 5- (羟基氨甲基 )- 6- [ ( 2-甲氨 )乙基 ]- 1, 3-苯并氧杂环戊二烯 C11H14N2O 3 2120 5 71718 A-麝子油烯 C15H24 0127 6 71792 ( S)- 1-甲基- 4- ( 5-甲基- 1-次甲基- 4-己烯基 )环己烯 C15H24 0159 7 71987 3- ( 1, 5-二甲基- 4-己烯 )- 6-亚甲基-环己烯 C15H24 1159 8 81295 十二烷酸 C12H 24O2 0110 9 81332 十氢- 1, 1, 7-三甲基- 4-次甲基- 1H-环丙甘菊环 C15H24 0145 10 81383 异丁子香烯 C15H24 0124 11 81629 2, 3-二硫基- 2, 2-二甲基- 3, 7-苯并呋喃 C10H 12O3 0146 12 81759 4- ( ( 1E )- 3-羟基- 1-丙烯基 )- 2-甲氧苯酚 C10H 12O3 0149 13 81944 乙基- N- ( o-茴香烯 )甲基咪唑 C10H 13NO2 0128 14 91019 C-雪松烯 C15H24 0160 15 91205 八氢- 1, 7a-二甲基- 5- ( 1-甲基乙基 ) - 1, 2, 4-甲基- 1H-苯并环丙烯 C15H24 0148 16 91307 ( E )- 2- ( 2- (呱啶基 )乙烯基 )吡啶- 1-氧化物 C12H 16N 2O 0123 17 91461 4- ( 3-羟基- 2-甲氧苯基 )-丁- 2-酮 C11H 14O3 29130 18 91849 1, 2, 3, 4, 4a, 7-六氢- 1, 6-二甲基- 4- ( 1-甲基乙基 )-萘 C15H24 1102 19 91954 ! , A, 4-三甲基苯苯胺 C17H 19NO2 0185 20 111147 2R-二乙酸甲基- 1, 3, 3-三甲基- 4t- ( 3-甲基- 2-丁烯基 )- 1-环己醇 C17H 30O3 1120 21 111324 1S, 2S, 5R- 1, 4, 4-三甲基三环十二碳烯 C15H24 0123 22 111783 2, 8-二甲基- 7-次甲基- 1, 8-蒽二烯- 3-炔 C12H16 0140 23 121544 n-十六酸 C16H 32O2 0145 24 121839 1- ( 1, 5-二甲基- 4-己烯 )- 4-甲基-苯 C15H22 0116 25 141197 环葵丙烯 C10H18 1109 26 141438 2, 4, 4-三甲基- 3-羟甲基- 5a- ( 3-甲基-酪- 2-乙基 )-环己烯 C15H26O 0138 27 151111 1- ( 4-异丙氧基- 3-甲氧基 )-丙二酮 C13H 18O3 1161 28 15173 6- ( 3, 5-二甲基-呋喃- 2-酰 )- 6-甲基-庚- 3-烯- 2-酮 C14H 20O2 29188 29 161057 3- (环戊基氨甲基 )- 6-甲氧基-苯酚 C13H 19NO2 1110 30 161545 ( E )- 2-环己基- 4- (异亚硝基 )环己基- 2, 5-二烯酮 C12H 15NO2 3107 31 171409 辣椒辣素 C18H 27NO3 3180 32 171535 2,'4-'二羟基苯己酮 C12H 16O3 2103 33 181439 2-甲氧基- 4- ( 2-氧代丙基 )乙酸苯酯 C12H 14O4 0182 34 191005 6-姜酚 C19H 30O4 6153 35 191322 1- ( 4-乙酰基- 3-甲氧苯基 )- 2-丙酮 C12H 14O4 1177 [ 6] Lee H S, Seo E Y, Kang N E, et a l1[ 6]- G inge ro l inh ib its m etastasis o fMDA-M B- 231 hum an breast cancer ce lls[ J] 1The Journa l of Nutr itional B iochem istry, 2008, 19( 5): 313- 3191 [ 7] 杨志刚, 张燕萍 1生姜油对营养性肥胖大鼠减肥降脂作用 的研究 [ J] 1食品科学, 2007( 12) 1 [ 8] Po licegoudra R S, Ab ira j K, Gowda D C, et al1Iso la tion and characteriza tion o f antiox idant and antibacteria l com pound from mango g inge r (Curcum a amada R oxb1) rh izom e [ J] 1 Journa l o f Chrom atography B, 2007, 852( 1- 2) : 40- 481 [ 9] Sto ilova I, K rastanov A, S toyanova A, et a l1Antiox idan t activity of a g inger ex tract ( Z ing iber officinale ) [ J] 1 Food Chem istry, 2007, 102( 3) : 764- 7701 [ 10] 黄雪松 1一些加工条件对姜酚稳定性的影响 [ J] 1食品工 业科技, 2006, 27( 2): 92- 941 (上接第 255页 ) 参考文献 [ 1] Ansharullah, H our igan J A, Chesterm an C F1App lica tion o f ca rbohydrases in ex trac ting pro tein from rice bran [ J] 1Journa l o f the Sc ience o f Food and Ag ricu lture, 1997, 74: 141- 1461 [ 2] 闫莹, 梁艳晖,等 1果胶酶对香蕉汁澄清的工艺研究 [ J] 1 农产品加工学刊, 2007( 1): 59- 631 [ 3] 李春明, 管春梅 1咔唑比色法测定玉米种皮中的果胶含量 [ J] 1中国公共卫生, 2004, 20( 4): 4901 [ 4]李华, 孔新刚,王俊 1秸秆饲料中纤维素、半纤维素和木质 素的定量分析研究 [ J] 1新疆农业大学学报, 2007, 30 ( 3): 65- 681 [ 5] 武维 华 1植物 生理 学 [ M ] 1北京: 科学 出版社, 2003: 23- 251 [ 6] 王素雅,王璋 1复合酶液化香蕉浆机理探讨 [ J] 1食品与发 酵工业, 2006, 32( 8): 10- 141 [ 7] V incken J P, Be ldm an G, et a l1The e ffect of xy log lucans on the degrada tion o f ce ll w a ll embedded ce llulose by the com bined action o f ce llob iohydrolase and endog lucanase from Tr ichoderm a v iride [ J] 1P lan t Physio ,l 1994, 104: 99- 1091 [ 8] 胡谟彪,傅绍清,等 1新鲜嫩玉米中醇不溶固形物与主要 有关组分及性状相关性初探 [ J] 1西南农业学报, 1993, 6 ( 3): 47- 491 [ 9] W C Lee, S Yuso ,f et a l1Op tim izing cond itions for enzym atic c la rifica tion of banana ju ice using response sur face m ethodo logy [ J] 1Journa l of Food Eng ineer ing, 2006, 73: 55- 631