姜黄素微波提取工艺及其抗氧化活性研究

刘彩琴，赵 丹，朱 敏

(浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江杭州310015)

姜黄素微波提取工艺及其抗氧化活性研究

刘彩琴，赵 丹，朱 敏

(浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江杭州310015)

姜黄素是国内外食品行业允许使用的重要天然色素之一，具有很大的市场潜力。本实验应用微波辅助提取技术提取姜黄中的姜黄素，通过单因素实验和响应面优化实验，以对DPPH自由基的清除能力为指标，考察了提取时料液比、处理时间、微波功率、乙醇浓度等影响因素。结果表明，微波提取的最佳工艺参数是:料液比1∶43.81、微波功率540W，处理时间30s，溶剂为71.21%乙醇溶液，在此参数下，姜黄素对DPPH自由基的清除率达50.69%。

姜黄素，微波辅助提取，抗氧化活性，响应面法

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

姜黄 杭州回春堂药店;姜黄素标准品 上海三爱思试剂有限公司;1，1－二苯基苦基苯肼(DPPH)美国sigma公司;其他试剂 均为国产分析纯。

微波炉 格兰仕WD900BS;台式高速冷冻离心机 Biofuge Primo R;FW100型高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;UV－124型紫外－可见分光光度计 日本岛津;PL303型电子分析天平 梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 提取方法 姜黄片磨粉过80目筛，准确称取1.000g姜黄粉末于100mL烧杯中，加入乙醇溶液，在不同微波功率下辐射，提取，再将提取液3000r/min离心10min，取上清液定容至50mL，吸取2mL稀释至10mL，用紫外－分光光度计测定在一定波长处的吸光度，根据标准曲线计算提取液姜黄素含量。

1.2.2 姜黄素含量及提取率测定方法

1.2.2.1 标准曲线的制备 精确称量分析纯姜黄素1.000g，用无水乙醇溶于100mL容量瓶中，定容，即为标准溶液。取标准溶液做全波长扫描，然后分别取标准溶液0.10、0.20、0.30、0.40、0.50mL，加75%乙醇定容至100mL，在最大波长处测其紫外吸光度。以吸光度为横坐标，浓度为纵坐标，建立标准曲线方程。

1.2.2.2 姜黄素提取率计算方法 按照1.2.1所述的方法得到待测液，以75%乙醇作参比，在一定的波长下测定样品溶液的吸光度，利用回归方程得出样品溶液姜黄素的浓度，按以下公式计算提取物中的姜黄素含量及提取率。

姜黄素含量(mg)=样品溶液姜黄素的浓度(mg/mL)×浸提液的稀释倍数×浸提液总体积(mL)

姜黄素提取率(%)=姜黄素含量(g)/药材质量(g)×100%

1.2.3 姜黄素的抗氧化活性测定方法［12］

1.2.3.1 DPPH溶液的配制 准确称取DPPH试剂0.1288g，用95%乙醇溶解定容至500mL容量瓶中，得浓度为257.7mg/L的DPPH贮备液。摇匀置于冰箱中冷藏备用。

1.2.3.2 清除DPPH自由基能力的测定步骤 a.在10mL比色管中依次加入 4.0mL DPPH贮备液和1.0mL 95%乙醇，混匀反应稳定后，以95%乙醇液为参比，在517nm处测吸光值，记为A1。

b.在10mL比色管中依次加入4.0mL DPPH贮备液的溶剂(95%的乙醇溶液)和1.0mL待测试样溶液，混匀反应稳定后，以 95%乙醇液为参比，在517nm处测吸光值，记为A2。

c.在10mL比色管中依次加入4.0mL DPPH贮备液和1.0mL待测试液，混匀反应稳定后，以95%乙醇液为参比，在517nm处测吸光值，记为A3。

d.计算DPPH自由基清除率(Y1，%)=(1－(A3－A2)/A1)×100%。

1.2.4 提取工艺优化方法

1.2.4.1 单因素实验 考察料液比、微波功率、溶剂浓度、微波时间四个因素对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响。

1.2.4.2 响应面法实验 在单因素实验的基础上，根据Box－Behnken的中心组合实验设计原理，选取料液比、微波功率、溶剂浓度、微波时间为实验因素，以姜黄素对DPPH自由基清除率为实验指标，设计了部分因子实验和中心组合实验，其水平编码表见表1和表2。

1.2.5 数据处理 所有实验数据均为三个重复的平均值，数据经Origin6.0和SAS8.0分析和处理。

2 结果与分析

2.1 姜黄素标准曲线

以吸光度A为横坐标，姜黄素浓度C(mg/mL)为纵坐标，建立标准曲线方程见图1。其标准曲线方程为y=0.0592x+0.0006(R2=0.9999)，表明在该浓度范围内浓度和吸光度有良好线性关系。

表1 部分因子设计实验因子及编码值Table 1 The coded and uncoded values of factors in FFD

表2 中心组合实验因子及编码值Table 2 Levels of variables used in the central composite design

图1 姜黄素标准曲线Fig.1 The curve of curcumin standard solution

2.2 单因素实验结果

2.2.1 料液比对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响 不同料液比对姜黄素提取率存在一定影响，初步将微波功率确定为360W，提取时间为30s，乙醇浓度为75%，料液比则选择1∶20，1∶30，1∶40三个水平，考查不同料液比对姜黄素提取率及对DPPH自由基清除率的影响，实验结果见图2。

图2 料液比对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响Fig.2 Effect of solid－liquid ratio on curcumin yield and antioxidant activity

由图2可见，在1∶20、1∶30、1∶40的料液比情况下，姜黄素的提取率波动在 0.178%～0.196%，对DPPH自由基的清除率为47.6%～48.6%，而以料液比为1∶40时姜黄素的提取率及对DPPH自由基的清除率最大，故下面的实验选取料液比为1∶40。

2.2.2 微波功率对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响 鉴于所用微波炉只有180、360、540W三个功率，故本实验以料液比1∶40，乙醇浓度75%，提取时间30s条件下考查了这三个微波功率下姜黄素的提取率及对 DPPH自由基清除率的影响，实验结果见图3。

图3 微波功率对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响Fig.3 Effect of microwave power on curcumin yield and antioxidant activity

由图3可见，在这三个功率的影响下，姜黄素的提取率波动在0.1990%～0.2030%，对DPPH自由基的清除率为49.3%～49.6%，而以540W时姜黄素的提取率及对DPPH自由基的清除率最大，故下面的实验中微波功率选择540W。

2.2.3 溶剂浓度对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响 料液比确定为1∶40，微波功率为540W，提取时间初步定为30s，溶剂乙醇浓度选择65%、75%、85%三个水平，考查不同溶剂浓度对姜黄素提取率及对DPPH自由基清除率的影响，实验结果见图4。

由图4可见，并不是提取溶剂乙醇浓度越高，提取效果越好，当浓度达到85%时，姜黄素提取率和对DPPH自由基的清除率反而降低，当乙醇浓度为75%时姜黄素的提取率和对DPPH自由基的清除率最大，分别达到0.2042%和49.98%。从实验中也发现，乙醇浓度高时，微波过程中容易出现乙醇溢出烧杯的现象，导致实验出现很大的误差，这也是本实验中没有选取更高乙醇浓度的原因。

综合上述结果，提取溶剂乙醇浓度以75%的提取效果较好。

图4 乙醇浓度对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响Fig.4 Effect of ethanol concentration on curcumin yield and antioxidant activity

2.2.4 提取时间对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响 料液比为1∶40，微波功率为540W，溶剂浓度为75%，提取时间设定为20、30、40s三个水平，考查提取时间对姜黄素提取率及对DPPH自由基清除率的影响，实验结果见图5。

由图5可知，提取时间为30s时姜黄素的提取率和对DPPH自由基的清除率最大，分别达到0.204%和49.71%。在实验过程中，提取时间过长，微波过程中溶剂会溢出烧杯，导致实验结果误差很大。综合上述结果，将提取时间初步定为30s。

综合单因素实验结果可见，微波提取时姜黄素的提取率和姜黄素对DPPH自由基的清除率之间呈正相关关系。

图5 微波时间对姜黄素提取率及抗氧化活性的影响Fig.5 Effect of microwave treatment time on curcumin yield and antioxidant activity

2.3 响应面实验结果

2.3.1 部分因子实验 本实验以单因素实验中获得的最适提取条件为基础，将其值确定为中心值，并进行适当的扩充而成为自变量的取值范围，以姜黄素对DPPH自由基的清除率为指标，以期找到微波辅助提取时影响显著的因素。

选取部分因子实验设计，各因子编码值见表1，实验设计和结果见表3。

表3 部分因子实验设计及实验结果*Table 3 The design and results of FFD

对部分因子实验结果进行回归分析表明:料液比(X1)和乙醇浓度(X4)对DPPH自由基的清除率影响显著(95%的水平)，而微波时间(X2)和微波功率(X3)对DPPH自由基的清除率影响不显著(90%的水平)，各因子间没有交互作用。由回归分析结果可得姜黄素对DPPH自由基的清除率一次拟合线性回归方程:

对式(1)进行方差分析，F=4.04，P=0.0188，说明模型在概率α=0.05水平上足够拟合实验数据。

从分析结果还可以看出:料液比(X1)就姜黄素对DPPH自由基的清除率的影响是正面的，乙醇浓度(X4)就姜黄素对DPPH自由基的清除率的影响是负面的，因此，将微波时间(X2)和微波功率(X4)确定在中心点，对料液比和乙醇浓度作为进一步优化的因素。

对实验数据平均值与中心点实验数据的平均值进行t－检验，T统计量检验结果表明，在方差相等和方差不等的条件下，中心实验点姜黄素对DPPH自由基的平均清除率(49.35%)和部分重复实验姜黄素对DPPH自由基的平均清除率(51.44%)差异极显著(P＜0.01)，说明实验的最优点(姜黄素对DPPH自由基的清除率最大)在当前实验的设计范围之内。

2.3.2 响应面优化 以姜黄素对DPPH自由基的清除率为指标，利用中心组合设计对影响显著的这两个独立的过程变量的浓度进行优化，即对料液比(X1)和乙醇浓度(X4)浓度进行中心组合设计，实验设计及实验结果分别见表2和表4。

表4 中心组合设计及实验结果*Table 4 Experimental designs and the results of central composite design(CCD)

从表5和表6分析结果可知，该模型在96.04%概率水平上回归显著，因而模型是充分的。表明该模型能解释96.04%的DPPH自由基清除率的变化。用多项式回归技术对实验数据拟合所得二次多项式(2)为:

表5 中心组合实验响应面分析结果Table 5 Regression coefficients and their significances from the results of CCD

表6 中心组合实验方差分析结果Table 6 Analysis of varia nce(ANOVA)for the model

从分析结果还可以看出，料液比和料液比与乙醇浓度的交互作用就姜黄素对DPPH自由基清除率的影响为正，而乙醇浓度、料液比的平方和乙醇浓度的平方就姜黄素对DPPH自由基清除率的影响为负。该二次多项式方程的三维响应面图见图6。

图6 料液比和乙醇浓度对DPPH自由基清除率的响应面图Fig.6 The response surface plot of solid－liquid ratio and ethanol concentration to scavenging abilities of DPPH·

对式(2)求导，可以得到模型的极大值处，当x1=0.254160，x4=－0.252761，即料液比为1∶43.81，乙醇浓度为71.21%。此时模型预测的姜黄素对DPPH自由基的清除率最大响应为49.99%。为了证实模型的预测值与实测值之间的拟合程度，在上述两因子的取值处进行摇瓶验证实验，其响应量结果为50.69%(N=3)，预测值与实验值之间具有良好的拟合性，表明了模型的有效性。

综上实验可见，采用微波辅助提取技术提取的姜黄中姜黄素对DPPH自由基的清除率在50%左右，比有些技术所提取的姜黄素对DPPH自由基的清除率低，已有资料表明带酚羟基的姜黄素类似物对DPPH自由基有一定的清除能力，而没有酚羟基的姜黄素类似物则没有清除DPPH自由基的能力［13－14］。由此看来，所涉技术问题还有待深入研究，

3 结论

以姜黄素对DPPH自由基清除率为指标，经单因素实验和响应面法得到微波辅助提取姜黄素的最佳条件为:料液比为1∶43.81，微波时间30s，微波功率540W，乙醇浓度为71.21%，在此条件下，姜黄素对DPPH自由基的清除率达50.69%。

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Study on extraction technology of curcumin from turmeric and its antioxidant activity

LIU Cai－qin，ZHAO Dan，ZHU Min
(College of Biology and Environment Engineering，Zhejiang Shuren University，Hangzhou 310015，China)

Curcumin is one of the important natural pigments used in food industry at home and abroad，showing great market potential.The optimization of extraction technology of curcumin from turmeric by microwave－assisted method was examined by scavenging abilities of DPPH·，using ethanol as extracting solvent based on single factor level test and response surface methodology optimization tests.Results showed that the optimum microwave extraction parameters were:solid－liquid ratio of 1∶43.81，microwave power for 540W，microwave treatment time for 30s and solvent 71.21%ethanol solution.Under these conditions，the clearance of DPPH·was 50.69%.

curcumin;microwave－assisted extraction;antioxidantl activity;response surface methodology(RSM)

TS201.1

A

1002－0306(2012)10－0302－05

姜黄素(curcumin)是从姜科植物的根茎中提取的一种具有抗氧化作用的天然化合物，广泛添加于食品、化妆品和药品中［1－2］。因其无毒、着色力强、分散性好等特点，是一种较理想的天然色素，可以添加到肉类食品、饮料和糖果中起到增色和抗氧化的作用，也可以添加到动物饲料中提高动物的免疫力和生产能力［3－5］;因其独特的生物保护功能抑制了表面皮肤上的自由基，从而延缓衰老和抗紫外线损伤而应用于化妆品中［6］;因其对生物膜脂质和DNA的氧化性损伤有保护作用，具有抗炎症、抗HIV病毒、抗癌、抗血栓和抗阿尔茨海默病，所以添加于药物中［6］。已有研究表明:姜黄素对油脂过氧化反应的抗氧化活性强于其他调味料，是维生素E抗氧化活性的8倍［7］;与合成的抗氧化剂BHT、BHA相比，姜黄素能强有力的阻断脂质过氧化物的合成［8］，也有姜黄用于艾滋病治疗的报道［9－10］，但是姜黄素在高温、强酸、强碱或强光环境中稳定性较差［11］，因此，从姜黄中提取并分离出活性较高、较为纯净的姜黄素组分，有着重大的研究意义。与常规溶剂浸提相比，微波场可以为浸取过程提供特殊形式的能量，使浸取浓度、浸取率和浸取效率有显著提高。姜黄素抗氧化活性常通过清除自由基和增强抗氧化生物酶的活性来考察，而对DPPH自由基的清除能力可以表示抗氧化能力的强弱。故本实验研究以姜黄素的抗氧化活性(对DPPH自由基的清除率)为指标，以乙醇为溶剂，优化了微波辅助提取姜黄中姜黄素的工艺参数，以期为进一步拓展姜黄素的生产及在食品工业中的应用提供一定的理论依据。

2011－09－05

刘彩琴(1975－)，女，副教授，研究方向:食品科学。

浙江省优秀青年教师资助计划。