姜辣素的超聲波法提取及其抑菌活性研究

李萍，舒展，胡矗垚，閆靜坤，汪青青

（天津農學院基礎科學學院，天津 300384）

姜辣素的超聲波法提取及其抑菌活性研究

李萍，舒展，胡矗垚，閆靜坤，汪青青

（天津農學院基礎科學學院，天津 300384）

以生姜為原料，用超聲波法提取姜辣素。利用正交試驗優化提取工藝并采用瓊脂-孔洞擴散法測定姜辣素的抑菌活性。結果表明：最佳提取工藝條件為物料粉碎度60～80目、超聲時間15 min、超聲功率231 W、料液比1∶25（g／m L）、超聲溫度80℃，在此條件下姜辣素的含量達到6.896%。影響姜辣素提取的因素次序為：料液比＞超聲功率＞物料粉碎度＞超聲溫度＞超聲時間。抑菌活性試驗表明：在試驗濃度范圍內，姜辣素對細菌有一定程度的抑制活性，抑菌效果屬于中度敏感，對啤酒酵母、釀酒酵母、青霉和黑曲霉沒有抑制效果。綜上所述，超聲波法操作簡單，是提取姜辣素的可行方法，姜辣素作為植物源防腐劑具有一定的參考價值。

姜辣素；超聲波提??；工藝優化；抑菌活性

生姜是一種重要的香辛料，主要活性成分是揮發性的姜精油和非揮發性的姜辣素。姜辣素是生姜體現辛辣味的重要原因，包括姜酚、姜烯酚、姜酮、姜醇類物質［1］。研究表明：姜辣素具有抗菌［2］、抗氧化［3］、驅蟲［4］和抗癌［5］等活性，在食品和醫藥領域應用廣泛。

姜辣素的提取方法有：溶劑浸提法、酶法、超臨界流體萃取法和超聲波法等［6－9］。溶劑浸提法操作簡單，但時間長，能耗大，產物雜質較多；超臨界流體萃取法條件溫和，不使用有機溶劑，但操作成本昂貴；酶法是提取姜辣素的較新方法，但成本較高，且酶的活性受提取溫度的影響較大；近年來，超聲波法由于具有操作簡單、能耗低、產率高等優點，在天然產物提取方面得到廣泛應用［10－12］。如劉偉等［13］用超聲波法萃取生姜中的姜辣素并優化了萃取工藝；李小龍等［14］報道了超聲波輔助纖維素酶法提取泡姜中姜辣素的最佳工藝條件；唐仕榮等［15］研究了超聲波法提取姜辣素的工藝條件及姜辣素的抗氧化活性。國內關于超聲波法提取姜辣素的報道大多只停留在對提取工藝的探討，缺乏對姜辣素抑菌活性的研究，國外文獻也鮮見關于姜辣素抑菌活性方面的報道。因此，本試驗采用超聲波法提取生姜中的姜辣素，在單因素試驗基礎上，利用正交試驗優化提取工藝并對姜辣素的抑菌活性進行研究，旨在為姜辣素的超聲波法提取及其作為植物源食品保鮮劑的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與菌種

生姜：購于超市；微生物：大腸桿菌、產氣腸桿菌、嗜水氣單胞菌、惡臭假單胞菌、枯草芽孢桿菌、啤酒酵母、釀酒酵母、青霉和黑曲霉，均由我校農學與資源環境學院微生物實驗室提供。

1.2 藥品與儀器

香草醛（純度99.0%）、無水乙醇、乙酸乙酯、石油醚（60～90℃）、環己烷、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）：均為國產分析純。粉碎機：北京燕山正德機械設備有限公司；Elmasonic P180H超聲波清洗器：德國Elma公司；1800型紫外-可見分光光度計：日本島津公司；R-215型旋轉蒸發儀：瑞士Buchi公司；DX-35BI型立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海博迅實業有限公司；生物安全柜：德國Thermo Fisher Scientific公司；LRH-250-S型恒溫培養箱：廣東省醫療器械廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 姜辣素的提取

材料預處理：生姜洗凈、切片，自然風干，粉碎，過篩，備用。姜辣素的提?。悍Q取1 g姜粉（精確至0.0001 g），按照一定料液比加入溶劑，混勻，超聲提取，所得混合物冷卻至室溫，4000 r／min離心15 min，記錄上清液體積并測定其中的姜辣素含量。

1.3.2 姜辣素含量的測定

采用紫外-可見分光光度法測定姜辣素含量。由于姜辣素沒有標準品，香草醛和姜辣素基本母核相似，因此采用香草醛溶液繪制姜辣素測定用的標準曲線。測定波長的選擇：香草醛不同溶劑的溶液和姜辣素不同溶劑的超聲波提取液進行波長掃描。結果表明（見表2）：香草醛無水乙醇溶液和姜辣素無水乙醇超聲波提取液最大吸收波長一致，因此選擇香草醛無水乙醇溶液繪制標準曲線。

標準曲線的制作：吸取濃度為20.0μg／m L的香草醛無水乙醇溶液1，2，3，4，5，6，7 m L分別置于10 m L容量瓶中，無水乙醇定容，搖勻，以無水乙醇為空白，在最大吸收波長處測定吸光度，繪制標準曲線，吸光度A與濃度C（單位：μg／m L）的線性回歸方程為A＝0.0539C＋0.015，R2＝0.9993。

姜辣素含量的測定［16］：吸取適量姜辣素超聲波提取、離心后的上清液，用無水乙醇稀釋，定容，最大吸收波長處測定吸光度，按下式計算上清液中的姜辣素含量。

式中：N為由回歸方程計算得到的香草醛濃度，μg／mL；V為上清液體積，mL；M為姜粉質量，換算成μg；2.003為香草醛換算成姜辣素的系數。

1.3.3 姜辣素提取的單因素試驗

1.3.3.1 物料粉碎度對姜辣素提取的影響

6份姜粉（＜20，20～40，40～60，60～80，80～100，＞100目）按料液比1∶30（g／m L）加入無水乙醇，超聲條件：30 min，330 W，50℃，按1.3.1項下方法提取姜辣素，按1.3.2項下方法測定姜辣素含量。

1.3.3.2 超聲時間對姜辣素提取的影響

7份姜粉（60～80目）按料液比1∶30（g／m L）加入無水乙醇，超聲條件：330 W，50℃，時間分別為5，10，15，20，25，30，35 min，按1.3.1項下方法提取姜辣素，按1.3.2項下方法測定姜辣素含量。

1.3.3.3 超聲功率對姜辣素提取的影響

7份姜粉（60～80目）按料液比1∶30（g／m L）加入無水乙醇，超聲條件：20 min，50℃，功率分別為132，165，198，231，264，297，330 W，按1.3.1項下方法提取姜辣素，按1.3.2項下方法測定姜辣素含量。

1.3.3.4 料液比對姜辣素提取的影響

7份姜粉（60～80目）分別按照料液比1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40（g／mL）加入無水乙醇，超聲條件：20 min，198 W，50℃，按1.3.1項下方法提取姜辣素，按1.3.2項下方法測定姜辣素含量。

1.3.3.5 超聲溫度對姜辣素提取的影響

6份姜粉（60～80目）按料液比1∶20（g／m L）加入無水乙醇，超聲條件：20 min，198 W，超聲溫度分別為30，40，50，60，70，80℃，按1.3.1項下方法提取姜辣素，按1.3.2項下方法測定姜辣素含量。

1.3.4 姜辣素提取的正交試驗

在單因素試驗基礎上，以姜辣素的含量為評價指標，用L18（37）正交表安排試驗，優化提取工藝條件，因素及水平設計見表1。

表1 正交試驗因素及水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.5 姜辣素抑菌活性的測定

1.3.5.1 菌懸液的制備

細菌用平板計數法測定菌落數［17］，酵母用血球計數法計算菌落數。將細菌和酵母菌用無菌水稀釋，分別制成含菌數為107cfu／m L的菌懸液。霉菌用無菌水沖洗并收集孢子，配成孢子數為107個／m L的菌懸液。

1.3.5.2 供試樣品溶液的配制

姜辣素超聲波提取、離心后的上清液用旋轉蒸發儀濃縮，按照1.3.2項下方法測定其中的姜辣素含量為7.29μg／m L，用DMF作溶劑，采用3倍連續稀釋法配制不同濃度的樣品溶液。參照文獻［18］的方法，采用瓊脂-孔洞擴散法測定姜辣素的抑菌活性。

2 結果與分析

2.1 溶劑對姜辣素提取的影響

4份姜粉（40～60目）按料液比1∶30（g／m L）分別加入無水乙醇、乙酸乙酯、石油醚、環己烷，超聲條件：30 min，330 W，50℃，按1.3.1項下方法提取姜辣素。香草醛不同溶劑的溶液和姜辣素不同溶劑的超聲波提取液波長掃描結果見圖1。同時，繪制各溶劑的香草醛標準曲線，按1.3.2項下方法測定姜辣素含量，結果見表2。

圖1 香草醛和姜辣素不同溶劑的溶液波長掃描結果Fig.1 Scanning results of solution wavelength of vanillin and gingerol

表2 不同溶劑的波長掃描和姜辣素含量的測定結果Table 2 Determination results of wavelength scanning and gingerol content of different solvents

由表2可知，香草醛無水乙醇溶液與姜辣素無水乙醇超聲波提取液的最大吸收波長一致，均為280 nm，且用無水乙醇作為溶劑，姜辣素含量最高。因此，用無水乙醇作為溶劑提取姜辣素，在280 nm處測定的姜辣素含量最高。

2.2 姜辣素提取的單因素試驗結果與分析

2.2.1 物料粉碎度對姜辣素提取的影響

物料粉碎度對姜辣素提取的影響結果見圖2。

圖2 物料粉碎度對姜辣素提取的影響Fig.2 Effect of material grinding degree on the extraction of gingerol

由圖2可知，隨著物料粉碎程度的增加，姜辣素含量先增大后減小，60～80目達到最大。物料粒度小，可以增加與溶劑的接觸面積，利于姜辣素的溶出，但過大的粉碎度會造成物料間的粘連，不利于提取過程。因此，選擇60～80目比較適宜。

2.2.2 超聲時間對姜辣素提取的影響

超聲時間對姜辣素提取的影響結果見圖3。

圖3 超聲時間對姜辣素提取的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on the extraction of gingerol

由圖3可知，隨著超聲時間的延長，姜辣素的含量增加，20 min時達到最大，此后再增加時間，姜辣素含量反而下降。因此，選擇超聲時間為20 min比較適宜。

2.2.3 超聲功率對姜辣素提取的影響

超聲功率對姜辣素提取的影響結果見圖4。

圖4 超聲功率對姜辣素提取的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on the extraction of gingerol

由圖4可知，隨著超聲功率的增加，姜辣素的含量增大，198 W時達到最大，此后再增大功率，姜辣素含量反而下降。因此，選擇198 W為最佳超聲功率。

2.2.4 料液比對姜辣素提取的影響

料液比對姜辣素提取的影響結果見圖5。

圖5 料液比對姜辣素提取的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of gingerol

由圖5可知，隨著溶劑用量的增加，姜辣素含量先增大后減小，料液比為1∶20時達到最大。因此，選擇1∶20為最佳料液比。

2.2.5 超聲溫度對姜辣素提取的影響

超聲溫度對姜辣素提取的影響結果見圖6。

圖6 超聲溫度對姜辣素提取的影響Fig.6 Effect of ultrasonic temperature on the extraction of gingerol

由圖6可知，姜辣素的含量隨著超聲溫度的升高先增加后減小，70℃時最高。溫度升高，有利于姜辣素的溶出，但溫度過高時，在超聲作用下導致姜辣素損失。因此，最佳超聲溫度選擇70℃。

2.3 姜辣素提取的正交試驗結果與分析

2.3.1 正交試驗結果

姜辣素的超聲波法提取工藝條件的正交試驗優化結果見表3。

表3 正交試驗結果Table 3 Results of the orthogonal test

續 表

由表3可知，姜辣素提取的最佳工藝條件為：A2B1C3D3E3，即物料粉碎度60～80目、超聲時間15 min、超聲功率231 W、料液比1∶25（g／m L）、超聲溫度80℃。極差分析表明：影響姜辣素提取的因素次序為D＞C＞A＞E＞B，即料液比＞超聲功率＞物料粉碎度＞超聲溫度＞超聲時間。

2.3.2 驗證試驗

對最佳工藝條件進行5次驗證，姜辣素平均含量為6.896%，RSD為0.46%，表明最佳工藝條件正確、穩定。此外，我們采用超聲波法提取姜辣素的含量與項敏等［19］和李曉安［20］報道的結果一致，而高于唐仕榮等［21］、雍其歡等報道的結果。

2.4 姜辣素抑菌活性的測定結果

姜辣素對供試微生物的抑制效果見表4。

表4 姜辣素對供試微生物的抑菌圈直徑（mm）Table 4 The inhibition zone diameter（mm）of gingerol against tested microorganisms

抑菌效果評定標準：抑菌圈直徑＞15 mm為高度敏感，10～15 mm為中度敏感，7～9 mm為低度敏感，沒有抑菌圈為不敏感［22］。由表4可知，在試驗濃度范圍內，姜辣素對供試革蘭氏陰性菌和陽性菌有一定程度的抑菌活性，但抑菌效果屬于中度敏感，這與Gao等［23］的研究結果一致，且抑菌活性隨著姜辣素濃度的降低而下降，姜辣素對啤酒酵母、釀酒酵母、黑曲霉和青霉沒有抑制效果。

3 結論

采用超聲波法提取生姜中的姜辣素，最佳工藝條件為：物料粉碎度60～80目、超聲時間15 min、超聲功率231 W、料液比1∶25（g／m L）、超聲溫度80℃，在此條件下姜辣素的含量達到6.896%。影響姜辣素提取的因素次序為：料液比＞超聲功率＞物料粉碎度＞超聲溫度＞超聲時間。在試驗濃度范圍內，姜辣素對細菌有一定程度的抑制活性，抑菌效果屬于中度敏感，對啤酒酵母、釀酒酵母、黑曲霉和青霉沒有抑制效果。綜上所述，超聲波法操作簡單、能耗低，是提取姜辣素的可行方法，姜辣素作為植物源防腐劑具有一定的參考價值。

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Ultrasonic Extraction of Gingerol and lts Antibacterial Activity

LI Ping，SHU Zhan，HU Chu-yao，YAN Jing-kun，WANG Qing-qing
（College of Basic Science，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China）

Ultrasonic extraction technology is employed to extract gingerol from ginger.Orthogonal tests are used to optimize the extraction conditions and the antibacterial activity of gingerol is also investigated by agar-hole diffusion assay.The results show that the optimal extraction conditions are as follows：grinding degree of the material is 60～80 mesh，ultrasonic timeis 15 min，ultrasonic power is 231 W，solid-liquid ratio is 1∶25（g／m L），ultrasonic temperature is 80℃，under such conditions，the content of gingerol could reach 6.896%.The factors affecting the extraction of gingerol are in the order of solid-liquid ratio＞ultrasonic power＞grinding degree of the material＞ultrasonic temperature＞ultrasonic time.The antibacterial activity assay shows that gingerol has some degree of inhibitory effect on bacteria and the inhibitory effect is moderately sensitive，but it has no inhibitory activity against yeast and mold，including Beer yeast，Saccharomyces cerevisiae，PenicilliumandAspergillus nigerin the range of experimental concentration.In conclusion，ultrasonic extraction is a feasible method for the extraction of gingerol from ginger with simple operation and gingerol has a certain reference value as a plant source preservative.

gingerol；ultrasonic extraction；process optimization；antibacterial activity

TS207.3

A

10.3969／j.issn.1000-9973.2017.10.035

1000-9973（2017）10-0160-05

2017－04－20

李萍（1979－），女，講師，碩士，主要從事天然產物有效成分的提取和應用方面的研究。