超濾分離生姜多酚類物質的工藝研究

劉軍偉，李嘯晨，侯嬰惠，王蕓，宋榮珍，唐曉珍

(山東農業大學 食品科學與工程學院，山東 泰安 271018)

超濾分離生姜多酚類物質的工藝研究

劉軍偉，李嘯晨，侯嬰惠，王蕓，宋榮珍，唐曉珍*

(山東農業大學 食品科學與工程學院，山東 泰安 271018)

以生姜為原料，采用超濾技術分離生姜多酚。通過單因素實驗分析了溫度、壓力、濃度對超濾過程膜通量的影響。并在單因素實驗的基礎上，通過正交實驗優化了分離的最佳工藝條件。實驗結果表明：生姜中多酚類物質的超濾分離條件為使用50 kD膜，溫度為30 ℃，壓力為0.15 MPa，濃度為0.5 mg/mL，膜通量為33.34 mL/m2·s，在此條件下，生姜多酚的膜截留率為95.2%。該研究結果為生姜的開發利用提供了實驗依據。

生姜；超濾；多酚

多酚是多羥基酚類化合物的總稱，主要存在于植物體的果實、皮、根和葉中[1]。植物組織中的多酚類物質，其種類和含量因外界條件不同而表現出很大的差異[2]。植物多酚根據其功能特性具有抗氧化[3]、抗炎[4]、抗糖尿病[5]、抗肥胖以及抗心腦血管疾病等生物學作用[6，7]。

生姜為常見的藥食兩用植物，分布廣泛，而含有酚羥基的生姜多酚是其主要成分，近年來國內外的研究表明：生姜多酚可能有較好的降糖、降血脂、抗炎、抗氧化等功能性質[8-10]。目前，關于通過超濾分離的生姜中多酚類物質的文獻報道較少。

超濾是以膜兩側不同的壓力差為傳質動力，使溶液中不同分子量的各組分實現分離的非均相物系分離的體系[11]，具有操作簡便、無化學變化、能量消耗低、占地小等優點。

基于上述研究現狀，本文采用單因素和正交實驗方法優化生姜中多酚類物質的分離工藝，為生姜多酚的開發與應用提供了實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮生姜：江海食品有限公司。

1.2 實驗試劑

無水乙醇、95%乙醇：天津凱通化學試劑有限公司；香草醛：天津市百世化工有限公司。

1.3 主要儀器

RE52CS 旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠；HH-6數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；TDL-5-A離心機 上海安亭科學儀器廠；萬分之一天平 上海上平電子儀器有限公司；UV-725型紫外可見型分光光度計 上海元析儀器有限公司；超濾裝置、超濾膜 賽多利斯公司。

1.4 實驗方法

1.4.1 標準曲線的繪制

參照黃雪松等[12]的實驗方法，得出的標準曲線方程是y=0.1373x-0.129，R2=0.9962。

1.4.2 膜通量及衰減率的計算

膜通量(Jw)，是以單位膜面積、單位時間的透過液流量為度量的[13]：

Jw=V/Smt。

式中：V為透過液總體積，Sm為膜有效面積，t為過濾時間。

1.4.3 多酚的制備

取100 g生姜切絲，加入200 mL 80%乙醇打漿，浸提2 h，4500 r/min離心5 min，抽濾，收集上清液。抽濾液減壓濃縮。

1.4.4 超濾分離條件的確定

1.4.4.1 分離條件的確定

將1.4.3得到的提取液進行預處理，選擇不同截留分子量的超濾膜進行超濾，考察不同規格的膜、溫度、壓力、料液濃度對膜通量及衰減率的影響。

1.4.4.2 正交實驗設計

根據單因素實驗結果，選取4個因素，采用L9(43)正交表設計正交實驗，優化分離條件。

1.4.5 超濾對多酚截留率的影響

測定不同膜對多酚的截留率。

2 結果與分析

2.1 溫度對膜通量和衰減率的影響

溫度能加快超濾過程中料液傳遞效率，減少膜表面凝膠層的阻力[14]。影響表面上是針對料液本身，實際上是對膜兩側濃差極化的影響。實驗中保持壓力和濃度不變，分別測定20，30，40 ℃下的膜通量。

假設兩個觀測點的位置分別為r1、r2，這時頻率域的波動場用u（r1，ω）、u（r2，ω）表示。這兩點的波動場的標準化交叉譜C1，2（r，ω）可定義如下：

圖1 溫度對膜通量的影響Fig.1 Effect of temperature on membrane flux

由圖1可知，膜通量隨溫度升高而升高，當溫度為40 ℃時，膜通量最大，可能由于溫度升高使料液粘度降低，擴散系數增加,加速了物質的通過，減少了濃差極化的影響。

圖2 溫度對衰減率的影響Fig.2 Effect of temperature on decay rate

由圖2可知，隨著溫度升高，衰減緩慢，進一步說明40 ℃為最佳溫度。

2.2 壓力對膜通量和衰減率的影響

超濾過程中，壓力與濃差極化有關，壓力增大，膜兩側壓力差越大，膜通量也隨之增大，同時隨著時間的進行，超濾膜表面形成的濃差極化現象越嚴重，膜表面形成的凝膠層越厚，料液傳輸的阻力越大，膜通量會趨于減小[15]。因此，壓力過大時，除了能量消耗增加外，超濾效率降低，超濾膜污染嚴重。但壓力過低會造成初始膜通量較低，從而導致整個超濾過程效率低下。故本實驗中保持溫度和濃度不變，分別測定0.05，0.1，0.15 MPa下的膜通量。

圖3 壓力對膜通量的影響Fig.3 Effect of pressure on membrane flux

由圖3可知，隨著壓力增大，膜通量增大，前7 min，0.15 MPa下，膜通量較大，隨著時間延長，0.1 MPa的膜通量高于0.15 MPa的膜通量?？赡茉蚴橇弦喝苜|在膜表面形成積累，形成濃差極化現象，使膜的通量降低。

圖4 壓力對衰減率的影響Fig.4 Effect of pressure on decay rate

由圖4可知，隨著壓力的增大，衰減率隨之增大，綜合以上因素，選擇壓力為0.1 MPa進行后續實驗。

2.3 濃度對膜通量和衰減率的影響

膜的濃差極化現象以及表面凝膠層的形成是料液濃度對超濾的主要影響因素。選擇合適的料液濃度，可以在相對適合的傳質阻力下，盡可能地透過更多的需要物質，從而提高超濾實驗的總體效率[16]。所以本實驗中保持溫度和壓力不變，分別測定0.5，1，1.5 mg/mL下的膜通量。

圖5 濃度對膜通量的影響Fig.5 Effect of concentration on membrane flux

由圖5可知，濃度為1.5 mg/mL時，膜通量最低，前6 min，濃度為1 mg/mL的膜通量比0.5 mg/mL的膜通量高，超過這個時間后，0.5 mg/mL比1 mg/mL的膜通量高?？赡茉蚴橇弦簼舛雀?，膜表面形成的凝膠層會加快，導致膜通量下降較快。1 mg/mL的料液濃度適中，起初膜通量較大，隨著時間延長，膜表面開始形成凝膠層，濃差極化嚴重，導致膜通量衰減。0.5 mg/mL的料液濃度較小，與1 mg/mL的料液濃度相比膜通量相差不大， 濃度較低，膜表面形成濃差極化較慢。

圖6 濃度對衰減率的影響Fig.6 Effect of concentration on decay rate

由圖6可知，0.5 mg/mL料液膜的衰減率減低，較1 mg/mL的小，因此選擇料液濃度為0.5 mg/mL。

2.4 正交實驗優化分離工藝

以膜通量為指標，正交實驗的因素和水平見表1，正交實驗結果見表2，方差分析見表3。

表1 生姜超濾正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 L9(34)正交實驗設計及結果Table 2 L9(34)Orthogonal test design and results

由表2可知，各個因素對膜通量的影響大小順序為： C>B>A ，最優組合是A2B3C1，即：溫度為30 ℃，壓力為0.15 MPa，濃度為0.5 mg/mL，膜通量為33.34 mL/m2·s。

表3 方差分析表Table 3 Table of variance analysis

由表3可知，方差分析的結果F(C)>F(B)>F(A)，濃度對超濾效果的影響最大，且具有顯著性差異(p<0.05)。

2.5 超濾對多酚截留率的影響

表4 超濾的截留率表Table 4 Table of rejection rate of ultrafiltration

由表 4可知，超濾原液中分子量小于50 kD 的組分占 95.2%，分子量在30～50 kD的組分占13.2%；分子量在10～30 kD的組分占13.2%，分子量小于10 kD的組分占56.6%。由此可見，超濾膜對多酚有一定的富集作用，故選擇50 kD的超濾膜。

3 結論

生姜中多酚類物質的超濾分離條件為料液溫度30 ℃，壓力0.15 MPa，濃度0.5 mg/mL，膜通量33.34 mL/m2·s，在此條件下，生姜多酚的膜截留率為95.2%。本研究結果為生姜的開發利用提供了實驗依據。

[1]Danielle Ryan，Kevin Robards，Paul Prenzler，et al.Applications of mass spectrometry to plant phenols[J].Trends in Analytical Chemistry，1999，18(5)：362-372.

[2]T Shoji，Akazome Y，Kanda T,et al.The toxicology and safety of apple polyphenol extract[J].Food and Chemical Toxicology，2004，42(6)：959-967.

[3]李建科，李國秀，趙艷紅，等.石榴皮多酚組成分析及其抗氧化活性[J].中國農業科學， 2009，42(11)：4035-4041.

[4]Leiro J M,Varela M,Piazzon M C,et al.The anti-inflammatory activity of the polyphenol resveratrol may be partially related to inhibition of tumour necrosis factor-α(TNF-α) pre-m RNA splicing[J].Molecular Immunology，2010，47(5)：1114-1120.

[5]Fuhrman B，Volkova N，Aviram M，et al. Pomegranate juice polyphenols increase recombinant paraoxonase-1 binding to high-density lipoprotein: studies in vitro and in diabetic patients[J].Nutrition，2010，26(4)：359-366.

[6]Almuammar M，Khan F.Obesity：the preventive role of the pomegranate (Punicagranatum)[J].Nutrition，2012，28(6)：595-604.

[7]Yanagi S，Matsumura K，Marui A，et al.Oral pretreatment with a green tea polyphenol for cardioprotection against ischemia-reperfusion injury in an isolated rat heart model[J].Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery，2011，141(2)：511-517.

[8]Nicoll R，Henein M Y. Ginger (ZingiberofficinaleRoscoe)：a hot remedy for cardiovascular disease[J].Int J Cardiol，2007，31(3)：408-409.

[9]李大峰，賈冬英，姚開，等.生姜及其提取物在食品加工中的應用[J].中國調味品，2011，36(2)：20-23．

[10]胡偉彥，張榮平，唐麗萍，等.生姜化學和藥理研究進展[J].中國民族民間醫藥，2008(9)：10-14.

[11]鄧成萍，薛文通，孫曉琳，等.超濾在大豆多肽分離純化中的應用[J].食品科學，2006,27(2):192-195.

[12]黃雪松，王建華，路福綏.姜酚的提取、分離和鑒定[J].山東農業大學學報,1998(4):511-514.

[13]王學松.膜分離技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2000.

[14]王甚.膜分離技術基礎[M].北京：科學出版社，1994:26-30.

[15]江連洲，黃莉，朱秀清，等.大豆肽超濾分離過程膜清洗的研究[J].中國油脂，2004，29(8):45-46.

[16]蔣菁莉，任發政，蔡華偉，等.牛乳酪蛋白降血壓肽的超濾分離[J].食品科學，2006，27(7):124-128.

Study on Separation of Polyphenols from Ginger with Ultrafiltration Technology

LIU Jun-wei, LI Xiao-chen, HOU Ying-hui, WANG Yun, SONG Rong-zhen, TANG Xiao-zhen*

(College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China)

With ginger as raw material, the separation of polyphenols from ginger is adopted by ultrafiltration technology. The effects of temperature, pressure and concentration are analyzed by single factor experiment. On the basis of single factor experiment, the optimal process conditions for polyphenols extraction from ginger are obtained by orthogonal experiment. The results show that the optimum separation conditions are as follows:50 kD membrane, temperature is 30 ℃, pressure is 0.15 MPa, material-liquid concentration is 0.5 mg/mL and membrane flux is 33.34 mL/m2·s. Under these conditions, the membrane retention rate of ginger polyphenols is 95.2%.The results could provide experimental data for the development and utilization of ginger.

ginger；ultrafiltration；polyphenol

2017-03-18 *通訊作者

劉軍偉(1990-)，男，山東煙臺人，碩士，主要從事功能食品方面的研究。

TS201.56

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.09.003

1000-9973(2017)09-0010-04