離子液體［Em im］OAc環(huán)境提取生姜精油的研究

劉輝鴻，胡　飛，*，李平凡

（1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640；2.廣東高校特色調(diào)味品工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東廣州510300）

離子液體［Em im］OAc環(huán)境提取生姜精油的研究

劉輝鴻1，胡飛1，*，李平凡2

（1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640；2.廣東高校特色調(diào)味品工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東廣州510300）

以離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽（［Emim］OAc）作為生物催化介質(zhì)和萃取劑，采用酶解超聲輔助技術(shù)萃取生姜中的精油，結(jié)果顯示在含有15%［Emim］OAc的催化體系中，酶解速度加快，酶對(duì)高溫變性作用的抵抗力增強(qiáng)，但若離子液體濃度過(guò)高則會(huì)對(duì)酶的作用發(fā)生阻礙。考察超聲功率、超聲時(shí)間、液料比等因素對(duì)姜精油提取率的影響，結(jié)果表明在以15%［Emim］OAc作為萃取劑萃取精油的過(guò)程中，酶解液料比為15∶1，超聲功率為200W和超聲時(shí)間20min時(shí)生姜精油的提取率高達(dá)1.39%。

離子液體，酶解，超聲，生姜精油

生姜屬姜科，是我國(guó)的一種傳統(tǒng)農(nóng)作物，也是一種藥食兩用的植物［1］。姜精油是指從生姜根莖中得到的揮發(fā)性油份，是一種棕色油狀澄明液體［2］，主要成分為倍半菇烯類(lèi)碳水化合物、氧化倍半菇烯化合物、單菇烯類(lèi)碳水化合物和氧化單菇烯類(lèi)化合物［3］，具有濃郁的芳香氣味。研究表明生姜精油具有抗凝血及防血栓，調(diào)節(jié)血脂和防治動(dòng)脈粥樣硬化的作用，也具有抗氧化、抑菌的作用［4］，同時(shí)還可以用于食品原料的加香和護(hù)膚美容品中［5］。如何高效的從生姜中提取生姜精油一直成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。目前，生姜精油的提取方法有很多，其中水汽蒸餾法提取生姜精油的最常見(jiàn)的一種方法，其他方法如溶劑法［6］、壓榨法、超臨界CO2萃取法［7］等。水汽蒸餾法操作簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是蒸餾時(shí)間長(zhǎng)，一般需要7h左右，能耗大；溶劑法需要使用大量的有機(jī)溶劑如乙醚、石油醚等，這樣會(huì)使提取的生姜精油殘留大量的有機(jī)試劑；超臨界CO2萃取法是以CO2為流體，在超臨界狀態(tài)下把姜油萃取出來(lái)，對(duì)反應(yīng)的條件要求比較苛刻，成本高。酶解輔助提取精油是一種新型的提取方法，相關(guān)報(bào)道較少，與其他方法相比，具有提取時(shí)間短、有效成分破壞少等優(yōu)點(diǎn)。

室溫離子液體通常簡(jiǎn)稱為離子液體，它由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子構(gòu)成，具有揮發(fā)性小、蒸汽壓低、液態(tài)范圍寬、溶解能力低、萃取能力好的獨(dú)特物理性質(zhì)，在有機(jī)合成、催化、萃取等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［8-11］，作為生物催化介質(zhì)，離子液體能提高酶的活性加快酶解速率［12］，作為萃取劑與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑相比，不僅對(duì)環(huán)境友好，而且能提高選擇性，具有熱穩(wěn)定性好、不易燃燒、不爆炸、不揮發(fā)、便于重復(fù)利用的特點(diǎn)［13-14］。因此，本研究以酶解法提取生姜精油，以離子液體既作為酶解反應(yīng)的催化介質(zhì)，又作為生姜精油的萃取溶劑，采用超聲輔助萃取生姜中的精油，研究離子液體體系下生姜精油提取的影響，以期為生姜精油的提取提供一種新的途徑。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

生姜購(gòu)自華工后勤集團(tuán)；離子液體［Em im］OAc（1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽） 純度99%以上，購(gòu)自上海笛柏化學(xué)品技術(shù)有限公司；纖維素酶實(shí)測(cè)酶活1800U/mg，廣州齊云生物技術(shù)有限公司；醋酸-醋酸鈉緩沖液（pH=6.0） 取醋酸鈉54.6g，加1mol/L醋酸溶液20m L溶解后，加水稀釋至500m L，即得；其他試劑均為分析純。

L-550型臺(tái)式低速離心機(jī)湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；PHS-25型酸度計(jì)上海虹益儀器儀表有限公司；水浴恒溫振蕩器江蘇省金壇市宏華儀器廠；FW-100型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)北京市永光明醫(yī)療儀器廠；KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗器昆山超聲儀器有限公司；721型可見(jiàn)分光光度計(jì)上海菁華科技儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1生姜預(yù)處理將生姜清洗干凈后自然陰干，切成薄片，并在60℃恒溫烘箱烘干8～10h后進(jìn)行粉碎，過(guò)60目篩子，貯于干燥室溫環(huán)境中備用。

1.2.2離子液體超聲協(xié)同輔助制取生姜精油稱取適量姜粉，加入含離子液體［Emim］OAc的醋酸-醋酸鈉緩沖液混勻，加入2%的纖維素酶，置于45℃的恒溫?fù)u床中酶解一段時(shí)間，然后超聲萃取，再用4層紗布過(guò)濾，離心（4000r/m in，15m in），去渣，取清液靜置，分層后取下層離子液體旋蒸（溫度45℃，真空度為-0.08MPa），收集有濃郁香味油狀物，用無(wú)水硫酸鈉干燥，即得生姜精油。將旋蒸后余下的黃色粘稠狀液體收集合并，即為回收離子液體［Em im］OAc，可循環(huán)使用。生姜提取率（%）=提取所得生姜精油質(zhì)量（g）/原料質(zhì)量（g）×100。

1.2.3葡萄糖含量的測(cè)定反應(yīng)體系中葡萄糖含量的測(cè)定采用DNS法［15］。

1．2.4單因素實(shí)驗(yàn)根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用單因素輪換實(shí)驗(yàn)考察在離子液體體系下液料比、超聲功率、超聲時(shí)間對(duì)生姜精油提取率的影響。

料液比對(duì)姜精油提取率的影響：選取酶解液料比分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1，按1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，得到的酶解液在200W的超聲功率下提取15m in，測(cè)定生姜精油的提取率，確定最佳的料液比。

超聲功率對(duì)姜精油提取率提取率的影響：選取超聲功率分別為100、125、150、175、200、225、250W，按1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，在確定的最佳液料下進(jìn)行酶解，得到的酶解液在不同的超聲功率下超聲提取15min，測(cè)定生姜精油的提取率，確定最佳的超聲功率。

超聲時(shí)間對(duì)姜精油提取率的影響：選取超聲時(shí)間分別為5、10、15、20、25m in，按1.2.2的實(shí)驗(yàn)方法，在確定的液料比下進(jìn)行酶解，得到的酶解液在確定的超聲功率下提取不同的時(shí)間，測(cè)定生姜精油的提取率，確定最佳的超聲提取時(shí)間。

1.3數(shù)據(jù)處理

用軟件SPSS 19.0、Excel 2010處理數(shù)據(jù)并畫(huà)圖。

2　結(jié)果與討論

2.1［Em im］OAc濃度對(duì)酶解速度的影響

纖維素酶能特異性地作用于生姜細(xì)胞壁中的纖維素，促使其轉(zhuǎn)化為葡萄糖及其他還原糖，酶解速度越快體系中的葡萄糖含量越高。因此，可以測(cè)定體系中的葡萄糖的含量來(lái)表征纖維素酶的酶解速度。按1.2.2的方法進(jìn)行酶解，改變離子液體［Em im］OAc的濃度，測(cè)定反應(yīng)平衡后體系中的葡萄糖濃度，結(jié)果如圖1所示?？疾觳煌碾x子濃度對(duì)反應(yīng)體系酶解速度的影響，定時(shí)取樣測(cè)定反應(yīng)體系中的葡萄糖含量，得到圖2。

由圖1可知，在離子液體體積分?jǐn)?shù)0%～20%范圍內(nèi)的醋酸-醋酸鈉催化介質(zhì)中，酶解速度隨著［Em im］OAc濃度的增大而增加，在濃度為15%和20%體積濃度時(shí)達(dá)到最大，而后又隨著濃度的增大而減小。與純緩沖液體系相比，在5%～20%［Em im］OAc催化介質(zhì)中，酶解反應(yīng)速度均明顯要高。

由圖2可知，在20%體積濃度時(shí)，酶解反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間為1.5h，少于其他離子液體濃度下酶解反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間?？赡艿脑蚴沁m量的離子液體［Em im］OAc能夠促進(jìn)底物與酶的結(jié)合，提高酶解速度，從而縮短達(dá)到反應(yīng)平衡時(shí)所需要的時(shí)間。但隨著離子液體濃度不斷升高，反應(yīng)體系黏度會(huì)隨之增大，底物的傳質(zhì)阻力也相應(yīng)增大，當(dāng)?shù)孜锱c酶活性部位的結(jié)合受到嚴(yán)重阻礙時(shí)，就會(huì)影響到酶的催化作用，從而降低酶解速度，甚至?xí)绊懛磻?yīng)的進(jìn)行。

圖1　離子液體濃度對(duì)酶解速度的影響Fig.1　Effect of［Emim］OAc concentration on enzymatic hydrolysis rate

從圖2可以看出，兩種不同體系下酶解反應(yīng)速率在0.5h時(shí)基本相同，但0.5h以后在5%～20%離子液體體系下的酶解速率明顯高于純緩沖溶液體系。這可能是由于在酶解過(guò)程的前期，酶解速率主要受溫度的影響，剛開(kāi)始由于反應(yīng)體系溫度低，未達(dá)到纖維素酶的最佳作用溫度，因此，在前期兩種體系下的酶解速率基本相同。當(dāng)溫度達(dá)到纖維素酶的最適溫度時(shí)，離子液體的傳質(zhì)作用對(duì)酶解體系的反應(yīng)速率起主要作用，從而使離子液體體系下的反應(yīng)速率高于純緩沖溶液體系。綜合考慮成本與時(shí)間等因素，選用含有離子液體體積濃度為15%的緩沖溶液體系，酶解反應(yīng)時(shí)間為2.0h。

圖2　不同離子濃度體系下的酶解過(guò)程曲線Fig.2　Process curve of enzymatic hydrolysiswith different concentration of［Emim］OAc

2.2離子液體體系下酶的熱穩(wěn)定性

將反應(yīng)體系分別為含有15%［Em im］OAc的緩沖溶液和純的緩沖溶液體系，置于不同的溫度下，按1.2.2的方法進(jìn)行酶解?？疾祀x子液體體系下酶的熱穩(wěn)定性，分別定時(shí)測(cè)量不同溫度不同時(shí)刻下的葡萄糖濃度，結(jié)果如圖3、圖4所示。適宜的溫度能促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，但是溫度過(guò)高則會(huì)加速酶變性失活。由圖3、圖4可知在45～65℃時(shí)，含有［Em im］OAc的緩沖溶液的酶能保持較高的活性，酶解速率較高，而在純的緩沖溶液體系中，當(dāng)溫度為65℃時(shí)，反應(yīng)體系中的酶活性遠(yuǎn)低于含有［Emim］OAc的緩沖溶液反應(yīng)體系。在溫度為75℃時(shí)，純的緩沖溶液體系酶在0.5h以后幾乎完全失活，而在［Em im］OAc的緩沖溶液中，在0.5～1h內(nèi)酶還有一定的活性。顯然，纖維素酶在［Em im］OAc的緩沖溶液中的熱穩(wěn)定較高，原因可能是酶在高溫的環(huán)境中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)易發(fā)生變化，而離子液體［Em im］OAc和酶分子之間能夠產(chǎn)生電荷作用，更好的維持酶的剛性而緊湊的結(jié)構(gòu)，從而提高了酶對(duì)高溫變性作用的抵抗力。

圖3　純緩沖溶液體系不同溫度下的酶解過(guò)程曲線Fig.3　Process curve of enzymatic hydrolysis in buffer reaction system with different temperature

圖4　15%［Emim］OAc緩沖溶液體系在不同溫度下的酶解過(guò)程曲線Fig.4　Process curve of enzymatic hydrolysis in 15%［Emim］OAc buffer reaction system with different temperature

2.3離子液體體系下各提取因素對(duì)生姜精油提取率的影響

2.3.1液料比對(duì)生姜精油提取率的影響由圖5可知，當(dāng)液料比達(dá)到15∶1時(shí)，生姜精油提取率最高，而后隨著液料比不斷增大，精油提取率趨于減少?？赡苁怯捎谌軇┰龆啵磻?yīng)底物濃度降低，導(dǎo)致反應(yīng)速度降低，酶解液的水解度變小，從而精油提取率減少。離子液體作為萃取劑，由于溶劑過(guò)多，導(dǎo)致不易對(duì)浸出的精油萃取，另外，溶劑本身對(duì)超聲波也有吸收損耗，使進(jìn)入基體內(nèi)的超聲波相應(yīng)減少，萃取功率減弱，進(jìn)而使生姜精油提取率減少。

圖5　提取液料比對(duì)生姜精油提取率的影響Fig.5　Effectof liquid-material ratio on extraction of ginger oil

圖6　超聲功率對(duì)生姜精油提取率的影響Fig.6　Effectof ultrasonic power on extraction rate of ginger oil

2.3.2超聲波功率對(duì)生姜精油提取率的影響如圖6所示，隨著超聲波功率的增大，生姜精油提取率先增大后減少，在功率200W時(shí)達(dá)到最大?？赡艿脑蚴窃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，超聲波功率越大，其空化作用越強(qiáng)，空化現(xiàn)象越劇烈，固液擴(kuò)散速度也越快，有利于生姜精油的浸出，但當(dāng)超聲功率過(guò)大時(shí)，體系的溫度也會(huì)升高的很快，導(dǎo)致精油的揮發(fā)損失。

2.3.3超聲時(shí)間對(duì)生姜精油提取率的影響如圖7所示，隨著超聲波萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，生姜精油提取率也隨之迅速上升，20m in時(shí)達(dá)到最大，而后隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，由于揮發(fā)損失，導(dǎo)致生姜精油提取率逐漸減少?？赡艿脑蚴钱?dāng)離子液體萃取到一定的時(shí)間后，達(dá)到其最大的萃取量，再延長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)增加生姜精油的萃取量，但由于精油是一種易揮發(fā)的液體，隨著時(shí)間延長(zhǎng)精油會(huì)揮發(fā)造成損失，導(dǎo)致提取率下降。

圖7　超聲提取時(shí)間對(duì)生姜精油提取率的影響Fig.7　Effectof ultrasonic time on extraction of ginger oil

2.4方法的驗(yàn)證

在超聲功率200W，液料比15∶1，超聲時(shí)間20m in時(shí)，得到精油提取率為1.39%。

本文所建立的離子液體超聲協(xié)同提取生姜精油法與傳統(tǒng)的水汽蒸餾提取法相比，提取時(shí)間更短，耗能少；與超臨界CO2萃取法相比，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件要求低。因此，運(yùn)用離子液體超聲協(xié)同提取法提取生姜精油是一種可行的提取方法。

3　結(jié)論

離子液體作為生物反應(yīng)的催化介質(zhì)時(shí)，與傳統(tǒng)的純緩沖溶液體系相比，能提高酶的熱穩(wěn)定性，加快酶解反應(yīng)的進(jìn)行，且隨著離子液體濃度的增加酶解反應(yīng)速度先升高后降低，在體積濃度為15%和20%時(shí)，酶解反應(yīng)速度最大。適宜的濃度的離子液體，能減少酶解反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。

離子液體作為提取生姜精油的萃取劑時(shí)，在超聲協(xié)同的作用下能有效的從體系中提取出生姜精油，并且提取率的高低與超聲功率、超聲時(shí)間以及液料比有關(guān)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在超聲功率為200W，液料比為15∶1，超聲時(shí)間為20m in時(shí)，生姜精油的提取率達(dá)1.39%。采用離子液體超聲輔助法提取生姜精油具有提取時(shí)間短，所用離子液體可以回收利用，可降低實(shí)驗(yàn)成本，且不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用離子液體超聲輔助法提取生姜精油是一種可行有效的提取方法。

［1］國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典［M］.北京：中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，2010：176.

［2］駱海林，陸寧.同時(shí)蒸餾-萃取法（SDE）提取/GC-MS分析姜精油的組分［J］.中國(guó)調(diào)味品，2010，35（10）：104-106.

［3］葛毅強(qiáng)，倪元穎，張振華，等．生姜精油的研究新進(jìn)展［J］．中國(guó)調(diào)味品，2004（9）：3-9.

［4］李計(jì)萍，王躍生，馬華，等．干姜與生姜主要化學(xué)成分的比較研究［J］．中國(guó)中藥雜志，2001，26（11）：748-750．

［5］孫寶國(guó)，何堅(jiān).香料化學(xué)與工藝學(xué)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

［6］何文珊，李琳，郭祀遠(yuǎn)，等.姜油的提取及其對(duì)油脂抗氧化活性的研究［J］.中國(guó)油脂，1999，24（1）：42-44.

［7］鄒綱明，鄭品梅，李彥威，等.姜精油的超臨界CO2提取及其抗氧化性研究［J］.食品科技，2007（2）：136-138.

［8］Wang Ben，Cao Yan，Huang Kelin，et al.Dissolution and regeneration of sugar arcanebagasse cellulose in ionic liquid［J］. CIESIC Journal，2010，61（6）：1592-1596.

［9］Ohno H.Electrochemical aspeets of ionic liqulds.Analytical chemistry［J］.Dyson P J，Geldbach T JMetal catalysed reactions in ionic liquids.Springer：Netherlands，2005，127：3298-3299.

［10］Wasserseheid P，Welton T.Ionic Liquids in Synthesis［J］. Organic Process Research&Development，2003，7（2）：223-224.

［11］裴淵超.離子液體的萃取分離性能及與溶質(zhì)相互作用的研究［D］.甘肅：蘭州大學(xué)，2008.

［12］Park S，Kazlauskas R J.Improved preparation and use of room temperature ionic liquids in lipase-catalyzed enation and regioselctive acylations［J］.Org Chem，2001，66（25）：8395-8401.

［13］Eznicek G，Jurenitsch J，Pluson M，etal.Fourmajor saponins from Solidago Canadensis［J］.Phytochemistry，1991，30（5）：1629-1633.

［14］Bohlmann F，F(xiàn)ritz U，King R M，et al.Sesquiterpene and diterpene derivatives from Solidago species［J］.Phytochemistry，1980，19（12）：2655-2661.

［15］GB/T 5009.7-2008.食品中還原糖的測(cè)定［S］.2008.

Study on extraction of ginger oil in ionic liquid［Em im］OAc system

LIU Hui-hong1，HU Fei1，*，LIPing-fan2
（1.College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Opening Project of Center of Guangdong Higher Education for Engineering and Technological Developmentof Speciality Condiments，Guangzhou 510300，China）

The ionic liquids［Em im］OAc was used as biocatalyst medium and extraction agent in enzymatic hyd rolysis p rocess w ith the ultrasonic aimed to im p rove the extraction efficiency of ginger oil.The experimental results showed that the enzyme ac tivity was higher for 15%［Em im］OAc/buffer biphasic system than for pure buffer system，but the enzyme activity decreased in higher ionic liquid's concentration.What's more，the effect of ultrasonic power，ultrasonic time and liquid-solid ratio on the extraction rate of ginger oilwere investigated. The op timum cond itions were shown as follows［Em im］OAc concentration was 15%，ultrasonic power was 200W，ultrasonic time was 20m in，liquid-solid ratio was 15∶1.The extraction of ginger oilwas 1.39%.

ionic liquid；enzymatic hyd rolysis；ultrasonic；ginger oil

TS201.1

A

1002-0306（2015）06-0208-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.06.038

2014-04-24

劉輝鴻（1990-），男，碩士研究生，主要從事谷物化學(xué)與工程方面的研究。

胡飛（1972-），男，博士，副教授，主要從事糧食資源化學(xué)與技術(shù)方面的研究。

廣東高校特色調(diào)味品工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)課題資助項(xiàng)目（GCZX-B1103）。