生姜的新鲜根茎可用于烹饪调味，其根、茎、叶可入药，有开胃健脾、消毒止痛的功效，是药食同源的典型代表[1]。生姜提取液是生姜中蛋白酶、黄酮、糖蛋白、挥发油、姜酚等物质的总称，在食品、医药和卫生等领域具有广阔的应用前景。研究发现生姜提取液中的生姜黄酮溶液清除自由基和单线态氧的效果显著，提取剂中所含姜辣素和挥发油等成分能够阻碍炎性因子的表达，降低炎性介质的酶活，抑制幽门螺旋杆菌等细菌的生长繁殖[2-3]。生姜提取液可有效调节脂类成分的代谢，促进脂类的分解，起到降脂的作用，还可以提高机体免疫细胞活性从而增强免疫力，提高机体溶菌酶活性从而增强杀菌效果[4-5]。生姜提取液在食品保鲜领域作为一种新兴天然保鲜剂[6]，具有较高研究价值。
马铃薯为茄科茄属作物，根部变态生长膨胀成球。马铃薯营养丰富且纤维素含量较高，因此食用后饱腹感较强可作为日常主粮[7]。鲜切马铃薯是餐饮业可直接使用的半成品原料。但马铃薯经切割后由于呼吸作用和创伤面过大易造成口感不佳甚至无法食用[8-9]。
目前在食品防腐领域，化学型防腐剂和生物型防腐剂是鲜切果蔬保鲜剂的两个主要来源[10]。尽管化学防腐剂中多种化学有机物对人体健康存在潜在危害，但由于其使用剂量低、防腐期长、价格经济，因而得到广泛使用[11]。植物提取物以其高效环保、无毒无害等特点，在果蔬保鲜和品质控制等方面具有越来越高的应用价值和前景[12-13]。
本研究以马铃薯为例，探究不同提取条件下的生姜提取液对鲜切马铃薯冷藏过程中淀粉含量、粗蛋白含量、粗纤维含量的变化，确定生姜提取液的最优提取方案并对马铃薯中营养成分进行应用研究，为马铃薯产业化加工及运输、储藏、销售过程中质控管理提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
新鲜马铃薯、新鲜生姜：市售；盐酸、硫酸、硼酸、亚铁氰化钾（分析纯）：天津恒兴化学试剂有限公司；氢氧化钠、氢氧化钾（分析纯）：天津德恩化学试剂制造有限公司；乙醇（分析纯）：天津市富宇精细化工有限公司；醋酸锌（分析纯）：无锡市亚泰联合化工有限公司；甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
分析天平（BAS224S）：德国Sartorius公司；石墨消解仪（SH220N）、半自动凯氏定氮仪（K9840）：上海Hanon仪器科技有限公司；旋光仪（SGW-2）：上海仪电物光科技有限公司。
1.3 方法
1.3.1 原料预处理
生姜洗净晾至微干，于烘箱45℃烘干，磨粉。称取生姜粉经乙醇溶液超声辅助提取，过滤，旋蒸分离乙醇后用蒸馏水配制成750 mL的生姜提取液[14]。
马铃薯洗净切片，于（25±2）℃条件下浸泡在生姜提取液中30 min。取出沥干后密封，于4℃冰箱中保存。将冷藏存放的样品，烘干磨粉后进行相关营养指标的测定。
1.3.2 单因素试验设计
依据1.3.1试验方法，考察超声功率、超声时间、提取剂浓度和料液比对鲜切马铃薯中粗蛋白、淀粉和粗纤维含量的影响。在试验过程中，各因素的考察范围分别为提取剂浓度60%、70%、80%；料液比1∶10.0、1∶15.0、1∶20.0（g/mL）；超声功率 350、450、550 W；超声时间5.0、10.0、15.0 min。具体方案如表1所示。
表1 生姜提取液配制方案
Table 1 Ginger extract configuration scheme
方案编号 超声时间/min 超声功率/W 料液比/（g/mL） 提取剂浓度/%A 5.0 450 1∶15.0 70 B 15.0 450 1∶15.0 70 E 10.0 450 1∶10.0 70 G 10.0 450 1∶15.0 60 H 10.0 450 1∶15.0 70 I 10.0 450 1∶15.0 80 Q 10.0 450 1∶20.0 70 X 10.0 350 1∶15.0 70 Y 10.0 550 1∶15.0 70
1.3.3 正交试验设计
参照单因素试验结果，选用L9（34）正交表设计四因素三水平正交试验，因素水平如表2所示。将粗蛋白含量、淀粉含量、粗纤维含量的保留率（指经处理后的组分含量占未经处理样品组分含量的比值）分别计为100分，总分300分，以综合评分作为正交试验评定的指标[15-16]。
表2 生姜提取液优化因素水平
Table 2 Level table of ginger extract optimization factors
水平N料液比/（g/mL）1 10.0 450 60 1∶15.0 2 12.5 500 65 1∶17.5 3 15.0 550 70 1∶20.0因素C超声时间/min D超声功率/W M提取剂浓度/%
1.4 数据处理
用Origin 2018软件制图，用IBM SPSS分析试验数据。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 超声时间对马铃薯营养成分的影响
超声时间对粗蛋白、淀粉和粗纤维含量的影响见图1。
由图1可知，超声时间为10.0 min时得到的提取剂对马铃薯中的粗蛋白含量影响较小，但却使马铃薯中淀粉和粗纤维含量下降较多；超声时间达到15.0 min时，提取剂对马铃薯中淀粉和粗纤维含量影响较小。可能原因是超声时间过长，提取剂提取出更多的有效组分，从而抑制了淀粉和粗纤维的减少，蛋白质空间结构被破坏从而导致粗蛋白含量降低[15]。综合考虑正交试验选择超声时间10.0 min～15.0 min范围内进行优化。
图1 超声时间对粗蛋白、淀粉和粗纤维含量的影响
Fig.1 Effect of ultrasonic time on crude protein，starch and crude fiber
2.1.2 料液比对马铃薯营养成分的影响
料液比对粗蛋白、淀粉和粗纤维含量的影响见图2。
图2 料液比对粗蛋白、淀粉和粗纤维含量的影响
Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on crude protein，starch and crude fiber
由图2可知，当料液比为1∶20.0（g/mL）时，提取剂对马铃薯切片粗蛋白和粗纤维含量影响较小。料液比为1∶10.0（g/mL）时，提取剂对马铃薯中粗纤维含量影响较小，而对粗蛋白和淀粉含量影响较大。根据传质规律，料液比影响生姜和乙醇溶液之间的浓度差，随着溶剂体积增大，生姜中的蛋白和纤维细胞得以充分的溶胀，蛋白和纤维被更多地提取出来。溶剂体积过大造成提取饱和，进而造成乙醇的浪费。若溶剂含量较少，造成传质速率较小，不能充分提取溶质的有效成分，造成生姜粉的浪费[16]。综合考虑，正交试验选择料液比 1∶15.0（g/mL）～1∶20.0（g/mL）进行优化。
2.1.3 提取剂浓度对马铃薯营养成分的影响
提取剂浓度对粗蛋白、淀粉和粗纤维含量的影响见图3。
图3 提取剂浓度对粗蛋白、淀粉、粗纤维、含量的影响
Fig.3 Effect of extraction concentration on crude protein，starch and crude fiber
由图3可知，当提取剂浓度为60%和80%时，提取剂对马铃薯中的粗纤维含量影响较小，却更容易引起粗蛋白和淀粉含量的降低，所以在实际保鲜过程中要减少蛋白和淀粉损失，优先选择浓度为70%的乙醇溶液作提取剂；如果更侧重于粗纤维含量的保持，就需要优先考虑60%的乙醇溶液作提取剂。可能原因是生姜提取物有一定的溶剂饱和度，当溶剂浓度过高会抑制生姜中有效成分的提取[17]。综合考虑，正交试验选择60%～70%提取剂浓度进行优化。
2.1.4 超声功率对马铃薯营养成分的影响
超声功率对粗蛋白、淀粉、粗纤维含量的影响见图4。
图4 超声功率对粗蛋白、淀粉、粗纤维含量的影响
Fig.4 Effect of ultrasonic power on crude protein，starch and crude fiber
由图4可知，超声功率为350 W时，提取液对马铃薯中的粗蛋白含量影响较小而对淀粉含量和粗纤维含量影响较大。超声功率为450 W时，提取液对淀粉含量影响较小。超声功率为550 W时，提取液能更好地保持粗蛋白含量不受损失。生姜中的有效成分多为姜酚、姜酮，富含羰基和羟基，是对热不稳定的有机化合物，在50℃的超声辅助提取时，个别基团会断裂[18]。因此，超声功率过高会导致生姜中的有效成分改变造成原有结构活性丧失，超声功率过低则导致生姜中有效物质提取不完全，综合考虑选择450 W～550 W进行正交优化。
2.2 正交试验结果与分析
本试验采用综合分析法对优化方案进行评定，以综合评分作为评价指标，正交试验结果如表3所示。
表3 生姜提取优化方案及试验结果分析
Table 3 Analysis of the optimization scheme and test results of ginger extraction
试验号 因素 综合评分C超声时间 D超声功率 M提取剂浓度 N料液比1 1 1 1 1 288.6 2 1 2 2 2 286.8 3 1 3 3 3 279.6 4 2 1 2 3 286.2 5 2 2 3 1 288.6 6 2 3 1 2 283.8 7 3 1 3 2 284.4 8 3 2 1 3 284.4 9 3 3 2 1 290.4 K1 855.0 859.2 856.8 867.6
续表3 生姜提取优化方案及试验结果分析
Continue table 3 Analysis of the optimization scheme and test results of ginger extraction
试验号 因素 综合评分C超声时间D超声功率 M提取剂浓度 N料液比K2 858.6 859.8 863.4 855.0 K3 859.2 853.8 852.6 850.2 k1 285.0 286.4 285.6 289.2 k2 286.2 286.6 287.8 285.0 k3 286.4 284.6 284.2 283.4极差R 1.40 2.00 3.60 5.80因素主次 N>M>D>C最优方案 C3D2M2N1
由表3可知，本试验探究的4个影响生姜提取物保鲜效果的因素中对马铃薯的3个营养指标综合评分，影响主次顺序为料液比>提取剂浓度>超声功率>超声时间。在本试验范围内，得出生姜提取物最佳制备方案为 C3D2M2N1，即料液比 1∶15.0（g/mL），提取剂浓度65%，超声功率500 W，超声时间15.0 min。此时综合评分为292.5分，高于正交试验组合中的任一组。因此确定最优方方案为料液比1∶15.0（g/mL），提取剂浓度65%，超声功率500 W，超声时间15.0 min。
3 结论与讨论
本研究对影响生姜提取液的提取剂浓度、料液比、超声功率、超声时间4个因素进行优化，探究生姜提取液对鲜切马铃薯的粗蛋白含量、淀粉含量和粗纤维含量等指标的影响。通过连续测定鲜切马铃薯各项营养指标发现，生姜提取液处理过的鲜切马铃薯贮藏5 d之内3种指标含量基本都保持在80%以上。正交试验表明：影响马铃薯营养指标因素顺序为料液比>提取剂浓度>超声功率>超声时间，在料液比1∶15.0（g/mL），65%乙醇作提取剂，超声功率 500 W，超声时间15.0 min条件下得到的提取剂对马铃薯的保鲜效果最好。本研究得到的生姜提取液可最大程度减缓粗蛋白含量和粗纤维含量损失，延缓淀粉含量变化，对鲜切马铃薯起保鲜作用。生姜提取物中主要包括姜辣素、姜黄素、二苯基庚烷、姜酚等几十种有效成分。姜辣素和二苯基庚烷主要通过改变微生物细胞膜以及细胞壁通透性，干扰细胞内酶的活性，破坏细胞内的遗传物质，杀灭食品中的微生物，进而延缓食品营养成分流失和变质；姜黄素通过调节吞噬细胞的活动性，抑制大肠杆菌、玫瑰毛藓菌、红色毛藓菌等菌类的繁殖和生长从而达到抑菌保鲜的效果[21-22]。试验结果对后续分离生姜中有效活性物质以及生姜与其他保鲜剂的复配具有重要的指导意义。
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