生姜中姜黄素的提取工艺研究.docx

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生姜中姜黄素的提取工艺研究

生姜中姜黄素的提取工艺研究

[摘要]运用超声波协同双水相的方法研究姜黄素的萃取条件。

通过单因素实验考查不同有机溶剂体积、无机盐的质量、固液比、超声波功率、超声波时间及提取温度对姜黄素提取的影响。

在单因素试验的基础上采用三因素三水平的响应面分析法，根据回归分析确定各工艺条件的影响因子，以上相提取率为响应值作响应面和等值线图。

结果表明，姜黄素萃取的最佳工艺条件为：

固定液体加入量20mL，固液比0.1:

20、K2HPO46g、超声提取功率150w、超声提取时间为30.2min、乙醇体积9.86mL、提取温度56.6℃，浸提1h时，姜黄素的收率Yt为98.9%，有机相中提取率为0.054%。

对比乙醇-K2HPO4双水相提取率0.05%，收率为97.7%，提取率提高了8%；而直接用乙醇浸提，提取率为0.024%。

[关键词]姜黄素，超声波，双水相，响应面

AStudyonExtractionProcessofCurcumininGinger

AbstractUsingthemethodofultrasonicsynergyaqueoustwo-phaseresearchesextractionconditionsofcurcumin.Throughthesinglefactorexperiment examineddifferentorganicsolventvolume,thequalityoftheinorganicsalt,solid-liquidratio,ultrasonicpower,ultrasonictimeandextractiontemperatureontheextractioneffectofcurcumin.Onthebasisofsinglefactorexperimentusingthreefactorsandthreelevelsofresponsesurfaceanalysis,accordingtotheregressionanalysistodeterminetheeffectsofprocessconditionsfactor,thetopphaseofextractionrateasresponsevaluesfortheresponsesurfaceandcontourmap.Theresultsshowedthattheoptimumprocessconditionsofcurcuminextractionis:

whenthefixedliquidaddingamountof20mL，ratioofsolidtoliquid0.1∶20,K2HPO46g,ultrasonicextractionpower150w,ultrasonicextractiontime30.2min,volumeof9.86mLofethanol,extractiontemperature56.6℃,extracting1h,Ytyieldofcurcuminwas98.9%,theorganicphaseofextractionrate0.054%.ComparisonofK2HPO4ethanol-aqueoustwo-phaseextractionrateby0.05%,theyieldwas97.7%,extractionyieldincreasedby8%;andthedirectuseofethanolextraction,extractionratewas0.024%.

KeyWordscurcumin,ultrasonic,aqueoustwo-phase,responsesurface

生姜中姜黄素的提取工艺研究

1前言

1.1生姜与姜黄素

生姜指姜属植物的块根茎,性温，其特有的“姜辣素”能刺激胃肠黏膜，使胃肠道充血，消化能力增强，能有效地治疗吃寒凉食物过多而引起的腹胀、腹痛、腹泻、呕吐等。

吃过生姜后，人会有身体发热的感觉，这是因为它能使血管扩张，血液循环加快，促使身上的毛孔张开，这样不但能把多余的热带走，同时还把体内的病菌、寒气一同带出。

当身体吃了寒凉之物，受了雨淋或在空调房间里呆久后，吃生姜就能及时消除因肌体寒重造成的各种不适。

姜黄色素通常称为姜黄素，是植物界很稀少的具有二酮的色素，为二酮类化合物。

姜黄素为橙黄色结晶粉末，味稍苦，溶于甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、四氢呋喃、碱、醋酸、丙酮和氯仿等有机溶剂，不溶于水，在碱性时呈红褐色，在中性、酸性时呈黄色。

对还原剂的稳定性较强，着色性强（不是对蛋白质），一经着色后就不易退色，但对光、热、铁离子敏感，耐光性、耐热性、耐铁离子性较差。

1.2姜黄素的生理活性

姜黄素主要来源于姜科姜黄属植物的根茎，是其主要活性成分，姜黄素为略带酸性物质，是姜黄素、去甲氧基姜黄素、双去甲氧基姜黄素的混合体。

姜黄根茎中姜黄素含量约为3%～6%，明显高于其他抗癌、抗突变物质，已有人将姜黄用于AIDS患者及HIV感染者的治疗。

最近，国内外许多文献相继报道了姜黄素的降血脂、抗突变、抗癌、抗氧化、清除自由基等生理功能和作用机理[1]。

姜黄素的染色力大于其他天然色素和合成柠檬黄等，尤其是对蛋白质等有很强的染色能力。

由于安全无毒、无副作用，因而WHO与FDA批准姜黄为天然食品添加剂。

1.3姜黄素研究目的及国内外研究状况

姜黄素是联合国粮农组织食品法典委员会批准的食品添加剂（FAO/WHO-1995），是我国《食品添加剂使用卫生标准》（GB2760-1981）中最早颁布的，允许在食品中使用的九种天然色素之一。

在食品生产中主要用于肠类制品、罐头、酱卤制品等产品的着色。

新颁布的《食品添加剂使用标准》（GB2760-2011）规定，冷冻饮品，可可制品、巧克力和巧克力制品以及糖果，胶基糖果，装饰糖果、顶饰和甜汁，面糊、裹粉和煎炸粉，方便米面制品，调味糖浆，复合调味料，碳酸饮料和果冻中姜黄素的最大使用量分别为0.15、0.01、0.7、0.5、0.3、0.5、0.5、0.1、0.01、0.01g/kg，人造黄油及其类似制品、熟制坚果与籽类、粮食制品馅料和膨化食品中可按生产需要适量使用[2]。

此外，姜黄素还具有防腐作用。

美国卫生部门拟在最新版《美国药典》中收载姜黄提取物等二十余种植物制剂的质量标准，高纯度姜黄素的国际市场价约为120～180美元/kg。

姜黄素是天然色素中极具开发前景的黄色素之一。

我国于上世纪80年代中后期开始研究和应用姜黄色素，90年代初发展到最高峰，但由于产品质量原因，市场化程度不高[3]。

目前国内已开发出可与国外相媲美的水溶性和油溶性姜黄色素产品，通过复配生产出多种色调的姜黄素，已广泛应用于面食、饮料、果酒、糖果、糕点、罐头、果汁及烹饪菜肴[4~6]。

姜黄素是一种常见的药，有多种药理作用，如：

抗炎、抗氧化、抗诱变、抗凝、降血脂、抗动脉硬化等。

临床上曾用于外科线治永瘘管，可使伤口逐渐愈合；用姜黄素糊剂治疗慢性溃疡和疤疹，治愈率达97%；姜黄素为睾丸-5a还原酶抑制剂，可预防和治疗前列腺肥大。

姜黄素能活血通经止痛，一切癖血所致痛经、经闭、产后癖滞腹痛，均可随证配伍用之，在治疗妇科痛经、经闭等疾病方面也有显著疗效。

研究中发现，它的主要成分姜黄素（Cur）在体外可抑制多种肿瘤的生长，在体内能抑制实验动物皮癌、胃癌、结肠癌及乳癌的发生[7]，Cur来源广泛，价格低廉，几乎无毒副作用，因而成为目前肿瘤化疗预防和治疗的热点。

Cur的抗肿瘤机制可能是：

诱导恶性肿瘤细胞分化，促进细胞凋亡，对肿瘤的抑制作用及抗突变作用等。

有报道指出，姜黄素在治疗心脑血管疾病方面也有很好的效果[8,9]。

近来又发现姜黄素具有抗HIV病毒的作用，将姜黄素用于AIDS患者及HIV感染者治疗。

近年临床上多选择用于降血脂、治疗忧郁症等方面[10]。

在治疗癌症方面国内外进行了大量的临床试验，被公认治癌疗效好，无毒副作用，价格低廉。

姜黄素的制剂学研究已经越来越广泛，目前国外已经有从中药姜黄中提取的姜黄素粗提物制成胶囊上市，用作营养药和非甾体抗炎药物。

姜黄素由于其本身的理化性质不稳定，使之所做剂型有限。

与传统剂型相比，滴丸具有表面积大、溶出速度快、剂量准确、生物利用度高、服用方便等特点。

滴丸的制备方法是固体分散制备中的熔融法，故药物在基质中以微细状态存在，因而有利于药物溶出和吸收[11]。

我国饲料资源短缺，要进一步发展饲料业就必须开发非常规饲料资源。

目前我国对姜黄粉作为饲料原料的研究已经起步并到得了一定的成绩，姜黄粉及类似资源的开发利用可以在一定程度上缓解饲料资源短缺的压力，并且可以带动相关产业的发展，具有广泛的社会效益。

姜黄在促进鱼生长和鱼病防治也有很多用途：

饲料中添加3%的姜黄粉可以显著提高草鱼肠道中蛋白酶和淀粉酶的活力，促进了鱼体对营养物质消化的吸收。

在鱼饲料中添加2%～6%的姜黄粉对草鱼生长具有明显的促进作用，可提高饲料利用率。

在饲料中添加4%～6%的姜黄粉能够预防鱼肠炎病、小瓜虫病、赤皮病、细菌性烂鳃病、白嘴病和出血病等疾病[12,13]。

在饲料科学中，经物理加工的姜黄粉是一种很有开发利用价值的非常规饲料资源，它是一种绿色、环保、无公害的纯天然型饲料原料，对畜禽及鱼类也具有一定的保健防病功能，除含有姜油酮、姜酚等生理活性物质外，还含有蛋白质、多糖、维生素和多种微量元素。

1.4姜黄素的提取方法

本文主要研究姜黄素提取工艺的优化，提高姜黄素的提取率。

提取姜黄素的方法很多，在工艺流程上各有特色，但都有提取和精制两大步骤。

常用的方法有有机溶剂提取法，分为先脱油再分离姜黄素、先提取浸膏再分离姜黄油和姜黄素两种，还有一种为碱水萃取法。

近年来，不少新技术和工艺也应用于姜黄素的提取及精制。

1.4.1醇提法

在常温或中高温的条件下，用不同浓度的乙醇（常用70%~80%）提取姜黄素，即采用浸提法、渗漉法等，并可使用超声波、微波、表面活性剂等辅助萃取。

醇提法提取率较高，工艺简单，反应条件易于控制，容易在生产中推广应用。

1.4.2酸碱法

宋长生（2006）利用姜黄素中含有酚羟基易溶于碱的原理，用一定浓度的氢氧化钠溶液提取姜黄素，然后用稀盐酸调节pH，使姜黄素析出，得姜黄素粗品。

这种方法得到的姜黄素粗品易于干燥，但姜黄素易于在碱性条件下分解，分解速度从pH值7.45开始随着碱性的增强急剧上升，到pH值10.2时最大，所得的姜黄素产品性质不稳定，并且碱提取过程中会溶出大量淀粉，影响下一步的精制过程，酸碱法姜黄素收率较低。

1.4.3酶法

董海丽（2000）应用纤维素酶、果胶酶组成的复合酶对姜黄细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质降解，引起细胞壁及细胞间质结构发生局部疏松、膨胀、崩溃等变化，从而提高姜黄素提取率,然后升温，用碱水提取。

但酶的反应条件及碱提取条件控制都使得本法难以在生产中推广应用。

1.4.4水杨酸钠法

刘新桥（2004）考察了酸碱法、活性碳吸附法、水杨酸钠法，优选水杨酸钠法提取纯化姜黄素。

水杨酸钠法操作简单，所得产品纯度高，达92.5%。

水杨酸钠可以重复利用，但总转移率在30%以下，难以达到工业化生产的要求。

1.4.5超临界CO2萃取法

姜黄素具有一定的极性，采用超临界CO2萃取时必须加入夹带剂，添加适量夹带剂乙醇后,可以将姜黄素萃取出来，当夹带剂用量为35%以下时，姜黄素提取率很低，在20%以下。

姚煜东（2007）在1L的萃取釜中使用了3000mL的夹带剂，即夹带剂量为原料7~10倍时，获得了98%的提取率。

由于超临界萃取设备昂贵，加上使用夹带剂量较大，因此采用超临界CO2萃取姜黄素的方法在生产中推广应用还应综合考虑其经济性。

1.4.6活性炭柱层析法

王贤纯（2007）将乙醇提取液直接流经活性炭层析柱后，用碱性丙酮洗脱，姜黄素的收率为2.36%，纯度为92.33，色素总收率79.62%。

乙醇提取液直接流经活性炭柱时，色素迅速被活性炭吸附，从而使传统工艺中蒸发浓缩提取液的成本大大下降，同时柱层析除去姜黄素中脂类杂质更彻底，提高了产品的纯度，使产品易于干燥。

本文运用超声波协同双水相的方法来提取姜黄素,用响应面分析法优化提取条件。

秦炜等[14]考察了超声场对姜黄素提取的影响，超声场的介入显著缩短了浸提时间，明显加快传质速率，提高了姜黄素的浸出率，同时保证了姜黄素的稳定性。

利用超声场实现过程强化是开拓高效、节能、降耗工艺过程的主要途径之一。

双水相萃取是通过溶质在两水相之间分配系数的差异而进行萃取的技术，其应用于蛋白质的分离纯化有以下优势：

体系含水量高，达80%以上，萃取环境和操作条件温和，蛋白质在其中不易失活；界面张力远远低于水-有机溶剂两相体系的界面张力，有助于强化相际间的质量传递；易于按比例放大和进行连续性操作等[15]。

近年来，双

水相萃取技术的分离对象进一步扩大，已包括了多肽、氨基酸、植物有效成分、重金属离子和抗生素等。

自20世纪80年代初期起，双水相萃取技术开始应用于工业生产，国内也开展了相关研究[16]。

双水相体系分为高聚物-高聚物双水相体系、高聚物-无机盐双水相体系、低分子有机物-无机盐双水相体系、表面活性剂双水相体系；本文使用的是低分子-无机盐双水相体系，由于水溶性高聚物难以挥发，使反萃取必不可少，且盐进入反萃取剂中，对随后的分析测定带来很大的影响，另外水溶性高聚物大多黏度较大，不易定量操作；与水互溶的有机溶剂和盐水相的双水相萃取体系具有价廉、低毒、较易挥发而无需反萃取和避免使用黏稠水溶性高聚物等特点。

响应面分析法（RSM）系采用多元二次回归方法作为函数估计的工具，将多因子实验中因素与指标的相互关系用多项式近似拟合，依此可对函数的响应面和等高线进行分析，研究因子与响应面之间、因子与因子之间的相互关系。

它与“正交实验设计法”不同，具有实验周期短，求得的回归方程精度高，能研究几种因素间交互作用等优点，由于其合理的设计和优良的结果，已被越来越多的食品行业工作者采用[17~19]。

20世纪70年代初期，R.G.Henika开始把响应面方法应用于早期食品研究中。

由于他在这一领域的领袖地位，该领域的其他研究人员相继把RSM作为一种研究策。

Henika，Palmer（1976）和Henika（1982）发表的两篇文章是关于RSM在这一领域应用情况的非常有价值的参考文献，文献[22]中也有相关介绍。

本实验在单因素试验的基础上，利用响应面分析法对姜黄素提取工艺参数进行优化，得出姜黄素提取的最佳工艺条件，为姜黄素资源的开发利用提供了理论基础。

2材料与方法

2.1试验材料

2.2.1试验样品及试剂

生姜（市售）：

采购于荆州花台好邻居量贩

姜黄素标准品，无水乙醇（AR），甲醇（AR），异丙醇（AR），蒸馏水，K2HPO4（AR），NaH2PO4（AR），（NH4）2SO4（AR）

2.2.2试验主要仪器及设备

电子天平上海精密科学仪器有限公司

HH-4数显恒温水浴锅国华电器有限公司

722型可见分光光度计上海精密科学仪器有限公司

101A-1电热鼓风干燥箱上海实验仪器总厂

L4-2A台式离心机北京医用离心机厂制造

FW-80超微粉碎机金祥龙电子有限公司

JPCT300全数字超声波发生器佳姆信超声设备有限公司

2.2试验方法

2.2.1姜黄素提取工艺

双水相配置→加姜粉→水浴→超声处理→离心→分液→过滤→姜黄素提取液

2.2.2操作要点

（1）原料选择：

选择新鲜的，无霉点的，无腐烂的生姜。

（2）预处理：

先将生姜清洗干净，去皮后再清洗一遍，切片，放于烘箱中在50℃下烘干，用粉碎机粉碎，过80目筛，得生姜粉。

（3）双水相体系的配置：

控制蒸馏水与有机溶剂总量为20mL，称取一定量的无机盐，加蒸馏水溶解，再加入有机溶剂，摇匀，静置5min，得双水相体系。

（4）姜黄素提取：

称取一定量姜粉，加入双水相中在超声条件下提取，考虑有机溶剂体积、无机盐质量、固液比、超声波功率、超声时间、提取温度对得率的影响。

（5）离心：

以2000r/min离心5min，分液、过滤

2.2.3姜黄素得率的影响因素研究

（1）固液比对姜黄素提取的影响：

分别称取0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g的姜粉，加入到总量为20mL，无机盐为4g，醇水比为1∶1的双水相体系中，40℃水浴1h，150w超声提取30min，2000r/min离心5min，计算姜黄素的收率Yt及上相提取率，根据收率和姜黄素得率确定最佳固液比。

（2）无机盐的质量对姜黄素提取的影响：

在上述试验确定的固液比下，分别选取加入无机盐的质量为4g、6g、8g、10g、12g，醇水比为1∶1的体系，40℃水浴1h，150w超声提取30min，2000r/min离心5min，根据收率和姜黄素得率确定无机盐的加入量。

（3）有机溶剂体积对姜黄素提取的影响：

双水相体系总量为20mL，在上述试验确定的固液比和无机盐质量下，分别选用有机溶剂体积为6mL、7mL、8mL、9mL、10mL、11mL、12mL的萃取体系，40℃水浴1h，150w超声提取30min，2000r/min离心5min，计算收率Yt及上相提取率，根据收率和姜黄素得率确定最佳醇水比。

（4）超声波功率对姜黄素提取的影响：

双水相体系总量为20mL，在上述试验确定的工艺条件下，40℃水浴1h，控制超声波功率为30w、90w、150w、210w、270w，超声提取30min，2000r/min离心5min，根据收率和姜黄素得率确定最佳功率。

（5）超声波时间对姜黄素提取的影响：

双水相体系总量为20mL，在上述试验确定的最佳工艺下，40℃水浴1h，控制超声波提取时间为15min、30min、45min、60min、75min进行萃取，2000r/min离心5min，根据收率和得率确定最佳超声时间。

（6）提取温度对姜黄素提取的影响：

双水相体系总量为20mL，在上述试验确定工艺下，控制水浴温度20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，水浴1h，2000r/min离心5min，计算姜黄素收率Yt及上相提取率，根据收率和姜黄素得率确定最佳提取温度。

2.3生姜中姜黄素提取率测定

2.3.1姜黄素的提取：

超声波协同双水相法

原理：

姜黄素为二酮类化合物，溶于甲醇、乙醇、异丙醇、碱、醋酸、丙酮和氯仿等有机溶剂,不溶于水。

双水相萃取技术是利用被提取物质在不同的两相系统间分配行为的差异进行分离，具有较高的选择性和专一性，是一种高效而温和的分离新技术，能提取醛、酮、醇等弱极性至无极性香味成分。

超声场的介入显著缩短了浸提时间，明显加快传质速率，提高了姜黄素的浸出率，同时保证了姜黄素的稳定性。

利用超声场实现过程强化是开拓高效、节能、降耗工艺过程的主要途径之一。

2.3.2试剂配制

①双水相体系的配置：

控制蒸馏水与有机溶剂总量为20mL，称取一定量的无机盐，加蒸馏水溶解，再加入有机溶剂，摇匀，静置5min，得双水相体系。

②姜黄素标准溶液：

用电子天平精确称取取姜黄素标准品0.05g，用甲醇定容于100mL容量瓶中，得浓度为500μg/mL的姜黄素标准液。

2.3.3姜黄素标准曲线的绘制

用电子天平精确称取取姜黄素标准品0.05g，用甲醇定容于100mL容量瓶中，得浓度为500μg/mL的姜黄素标准液。

精密量取此标准液0.1mL、0.15mL、0.2mL、0.25mL、0.3mL、0.35mL、0.4mL、0.45mL、0.5mL、0.55mL,于50mL容量瓶中用甲醇稀释至刻度，摇匀，以甲醇作为空白对照，于425nm处测定吸光度（A）,以姜黄素浓度C（μg/mL）为纵坐标，吸光度A为横坐标，绘制标准曲线。

2.3.4姜黄素得率的计算

读取过滤后上下相的姜黄素提取液体积，并按测定标准曲线的方法测其吸光度值。

按下式计算姜黄素得率和收率：

R=Vt/Vb；K=Ct/Cb；

收率Yt=1/（1+1/RK）

姜黄素得率=Ct×Vt×10-6/W

式中R:

双水相体系上下相的体积比，Vt:

双水相体系上相体积（mL），Vb:

双水相体系下相体积（mL），K：

姜黄素双水相体系分配系数，Ct：

双水相系统上相姜黄素的质量浓度（μg/mL），Cb：

双水相系统下相姜黄素的质量浓度（μg/mL），Yt：

姜黄素的收率，W：

为称取姜粉粉末重量（g）。

3结果与分析

3.1姜黄素标准曲线的绘制

配置不同浓度的姜黄素溶液，于425nm测定吸光度，以姜黄素浓度C（μg/mL）为纵坐标，吸光度A为横坐标，绘制标准曲线。

得回归方程：

C=5.8019A-0.0884，相关系数r2=0.9993。

图1姜黄素溶液标准曲线

由图1可知，吸光度与姜黄素浓度在1～5.5ug/mL范围内线性关系良好。

3.2双水相体系的确定

分别选用乙醇∕K2HPO4（钾-乙）、异丙醇∕K2HPO4（钾-异）、乙醇/（NH4）2SO4（铵-乙）、乙醇/NaH2PO4（钠-乙）、异丙醇∕NaH2PO4（钠-异）作为双水相萃取体系，称取0.1g姜粉，加入无机盐的质量为4g，醇水比为1∶1，加入总量为20mL，40℃水浴1h，150w超声提取30min，2000r/min离心5min，读取上下两相溶液体积，并于425nm处测吸光度，根据分相能力、姜黄素的收率Yt及上相提取率，确定最佳萃取体系。

结果见表1：

表1双水相体系的确定

铵-乙

铵-异

钠-乙

钠-异

钾-乙

钾-异

R

7.444

1.326

7.500

1.722

3.178

2.000

K

3.268

12.867

3.550

13.801

27.099

10.217

Yt

0.961

0.945

0.964

0.960

0.989

0.953

上相提取率

0.015

0.022

0.016

0.020

0.049

0.040

K盐

97.059

150

60

125

101.163

217.500

K有机

0.34

0.22

0.50

0.24

0.43

0.20

以K盐、K有机为分相能力的判断依据，其值愈大，分相能力愈大。

由表1知，用同种有机溶剂时,在钾-乙、铵-乙、钠-乙体系和钾-异、铵-异、钠-异体系中，K钾＞K铵＞K钠，表明分相能力K2HPO4＞（NH4）2SO4＞NaH2PO4；对比K2HPO4、（NH4）2SO4、NaH2PO4的两种醇双水相体系，K乙＞K异，表明分相能力乙醇＞异丙醇；且在六种体系中，乙醇∕K2HPO4体系分配系数K、萃取姜黄素的收率和提取率最高，故选择乙醇∕K2HPO4作为萃取体系。

3.3姜黄素提取的单因素试验

3.3.1固液比对姜黄素提取的影响

分别称取0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g的姜粉，加入到总量为20mL，无机盐为4g，醇水比为1∶1的双水相体系中，40℃水浴1h，150w超声提取30min，2000r/min离心5min，将提取液分液过