生姜精油的提取及GCMS分析

鹿浩志,劉敏軒,田亞亞,楊 茜,王向紅

(河北農業大學食品科技學院,河北保定 071000)

生姜(ZingiberofficinaleRosc),姜科姜屬植物姜的鮮嫩莖,是多年生草本植物[1],盛產于亞洲,在我國亞熱帶地區也廣泛栽培,且產量巨大[2]。生姜是一種藥食同源的香辛保健類植物[3],具有獨特的芳香氣味。既可以作為調味品添加到食品中用以改善其風味和感官品質,又可以作為傳統的中藥材對人體起到降血脂[4]、抗炎[5]、抗腫瘤[6]、抗氧化[7]等保健的功效。

生姜的味道和特征香氣由非揮發性和揮發性化合物組成[8]。非揮發性的姜辣素是生姜中辣味物質的總稱[9],揮發性的生姜精油代表了生姜獨特的香氣成分[10]。生姜精油獨特的香氣使其可作為香辛料添加到食品中起到增香除腥的作用[11],其抗氧化、抑菌等活性使其可作為天然保鮮劑延長食品的貨架期[12],此外生姜精油豐富的化學成分組成使其具有一定的保健功效,如抗炎[13]、活血化瘀[14]等。生姜精油的主要成分包括α-姜烯、β-倍半水芹烯和α-姜黃烯等化合物[15]。不同的生姜品種會導致生姜精油的主要成分存在差異,而提取方式的不同也會導致生姜精油主要成分和得率存在差異[16]。目前生姜精油的主要提取方法有:水蒸氣蒸餾法[17]、溶劑浸提法[18]、超臨界CO2萃取法[19]、壓榨法[20]、分子蒸餾法[21],其中超臨界CO2萃取法、溶劑浸提法和壓榨法難以將揮發性的生姜精油與非揮發性的姜辣素成分有效分離,分子蒸餾法成本較高未能大規模使用[22],水蒸氣蒸餾法具有操作簡單、提取成本低的優點,并且提取物質全部為揮發性的生姜精油,不含有非揮發性的姜辣素類化合物。

我國是世界上生姜種植面積和生產總量最大的國家[23],但我國對生姜的綜合利用和深加工程度低,產品仍以新鮮生姜和生姜干制品為主。生姜精油是生姜的主要活性物質之一,因其獨特的香氣和抗氧化抑菌特性,可廣泛應用于食品加工貯藏保鮮[24]和化妝品工業中[25],增加生姜的產品附加值。本文采用水蒸氣蒸餾法提取生姜精油并通過單因素和響應面試驗確定了生姜精油的最佳提取工藝條件,通過GC-MS分析鑒定了生姜精油的化學成分,為增加生姜產品價值提供了實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮生姜 產地山東;無水硫酸鈉 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;甲醇 色譜純,邁瑞達公司。

GZX-9070MBZ型電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;JP-500C型高速多功能粉碎機 永康市久品工貿有限公司;KDM型可調控溫電熱套 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司;CP114型電子天平 奧豪斯儀器有限公司;標準檢驗篩 浙江上虞市華豐五金儀器有限公司;5977A-5975C型氣相色譜質譜聯用儀 美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 生姜前處理 選取無病害的新鮮生姜,洗凈后分為去皮和不去皮兩組,切成3 mm左右薄片,在60 ℃電熱鼓風干燥箱中烘6～8 h,及時翻動生姜薄片使其受熱烘干均勻,用高速多功能粉碎機將烘干后的生姜薄片粉碎,過標準檢驗篩,置于干燥器中干燥備用。

1.2.2 生姜精油的提取 采用水蒸氣蒸餾法提取生姜精油。精確稱取50 g姜粉,置于2000 mL圓底蒸餾燒瓶中,加入一定量的蒸餾水,連接揮發油提取器與冷凝管,開啟電熱套開關進行水蒸氣蒸餾提取生姜精油,經過一定時間的水蒸氣蒸餾提取后關閉電熱套,打開揮發油提取器旋塞收集生姜精油,經無水硫酸鈉干燥后稱重,計算生姜精油得率。

生姜精油得率(%)=(生姜精油質量/生姜粉質量)×100

1.2.3 生姜精油原料選取試驗 分別選取粒度均一的姜肉生姜粉和全姜生姜粉，選取粉碎粒徑120目、液料比25∶1、蒸餾時間140 min條件下采用水蒸氣蒸餾法提取生姜精油,計算生姜精油得率。

1.2.4 單因素實驗設計 生姜精油的各單因素梯度為:在蒸餾時間140 min、液料比25∶1條件下,粉碎粒徑為60、90、120、150和180目;在粉碎粒徑150目和蒸餾時間140 min條件下,液料比為15∶1、20∶1、25∶1、30∶1和35∶1;在粉碎粒徑150目、液料比20∶1條件下,蒸餾時間為20、60、100、140和180 min,計算生姜精油得率。

1.2.5 響應面法優化生姜精油提取條件 在單因素實驗的結果中選取較好的因素水平,采用Box-Behnken進行3因素3水平的試驗設計,以生姜精油得率為響應值,進行響應面分析。并對試驗數據進行多項式回歸分析,建立二次回歸模型,擬合得到二次回歸方程。

表1 響應面試驗設計因素水平編碼Table 1 Design of response surface factors

1.2.6 GC-MS分析生姜精油的物質成分 生姜精油前處理:精確稱取10 mg生姜精油,以甲醇為溶劑定容于10 mL容量瓶,過0.45 μm有機相微孔濾膜至氣相進樣瓶中。

GC條件:HP-INNOWAX毛細管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為He;流速為1 μL/min;時間間隔為1 s;進樣量為1 μL;分流比為10∶1;進樣口溫度為250 ℃升溫程序:起始溫度70 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升溫速率升至150 ℃,保持3 min,以0.5 ℃/min升溫速率升至154 ℃,保持2 min,最后以25 ℃/min升溫速率升至240 ℃,保持4 min。

MS條件:電噴霧離子源(ESI);電離能為70 eV;接口溫度為250 ℃;離子源溫度為230 ℃;掃描范圍m/z 45～550。

1.2.7 生姜精油物質成分的定性與定量分析 采用氣質聯用儀中的NIST14譜庫,自動檢索分析組分的質譜數據,并對全部檢索結果參考有關標準圖譜和相關文獻進行核對和補充,采用色譜峰面積歸一化法,計算各組分的相對百分含量。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0軟件對生姜精油得率進行數據方差分析,Origin 2017軟件作圖,Design-Expert響應面分析軟件對生姜精油提取的相關因素做出響應面優化。

2 結果與分析

2.1 水蒸氣蒸餾法提取生姜精油原料選取試驗結果

姜肉生姜精油和全姜生姜精油的得率如表2所示。

表2 原料選取對生姜精油提取效果的影響Table 2 Effect of material selection on ginger essential oil extraction rate

由表2可知,全姜生姜粉的精油得率要大于姜肉生姜粉的精油得率。生姜精油在生姜表皮層組織含量較為豐富,去除表皮層會導致部分生姜精油的損失[26],因此選取全姜生姜粉做為原料進行后續試驗。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 粉碎粒徑對生姜精油提取效果的影響 由圖1可知,隨著高速多功能粉碎機對烘干姜片粉碎程度的增大,生姜精油的得率呈現明顯上升的趨勢。當粉碎粒徑達到150目后,生姜精油的得率趨于平緩,說明生姜粉中的揮發性油分已經提取較為完全。通過方差分析得出粉碎粒徑為150目與180目生姜粉的生姜精油得率無顯著性差異,而隨著粉碎程度的增強所得生姜粉出現輕微粘結現象會導致通過標準檢驗篩的難度增大,并且會增加生姜精油的提取成本,因此選取粉碎粒徑150目為較好水平進行后續實驗。

圖1 粉碎粒徑對生姜精油提取效果的影響Fig.1 Effect of mesh on ginger essential oil extraction rate

2.2.2 液料比對生姜精油提取效果的影響 由圖2可知,隨著液料比的逐漸增大,生姜精油的得率呈現先增大后減小的變化趨勢,在液料比為20∶1時生姜精油得率達到最大值。在生姜中,生姜淀粉的含量占生姜干重的40%～50%[22],淀粉吸水后體積膨脹數十倍,隨著水蒸氣蒸餾的溫度升高淀粉糊化,使得生姜水溶液變成具有黏性的糊狀溶液,因此阻礙了部分生姜精油的揮發。當液料比為20∶1時生姜粉與水的比例較為適宜,因此體現出了最高的生姜精油得率。隨著液料比的逐漸增大,蒸餾時間會相應增長,生姜精油得率降低,因此選取液料比20∶1為較好水平進行后續實驗。

圖2 液料比對生姜精油提取效果的影響Fig.2 Effect of liquid feed ratio on ginger essential oil extraction rate

2.2.3 蒸餾時間對生姜精油提取效果的影響 由圖3可知,隨著蒸餾時間對逐漸延長,生姜精油的得率迅速增長并逐漸趨于平緩。在20～100 min,生姜精油得率增長迅速,而超過100 min繼續進行水蒸氣蒸餾提取,生姜精油得率緩慢增長趨于不變,說明生姜精油已經提取較為完全。增加蒸餾時間會提高生姜精油的提取成本,因此確定了蒸餾時間100 min為最佳蒸餾時間。

圖3 蒸餾時間對生姜精油提取效果的影響Fig.3 Effect of hydrodistillation time on ginger essential oil extraction rate

2.3 響應面法優化生姜精油提取條件試驗結果

根據單因素實驗結果確定粉碎粒徑、液料比、蒸餾時間作為優化因素,采用Box-Behnken設計,以生姜精油得率為衡量指標,進行3因素3水平的響應面分析,因素水平如表2所示,試驗結果如表3所示。

表3 響應面設計試驗結果Table 3 Experimental results of response surface design

對試驗數據進行多項擬合回歸,以生姜精油得率(Y)為因變量,粉碎粒徑(A),液料比(B)和蒸餾時間(C)3因素為自變量,建立回歸方程如下:

生姜精油得率=1.97+0.18A-0.04B+0.10C-0.1AB+0.01AC+0.06BC-0.22A2-0.19B2-0.11C2

由方差分析(表4)可知,該模型p<0.0001,失擬項p>0.0736,說明模型可用。決定系數R2=99.51%,說明該響應值的變化中有99.51%源于所選因素。因素A、B、C、D對響應值影響極顯著(p<0.01),交互作用AB、BC對響應值有極顯著(p<0.01)影響，AC不顯著，A2、B2、C2有極顯著(p<0.01)影響?；貧w方程中一次項的系數和因素粉碎粒徑(A)、液料比(B)、蒸餾時間(C)的平方項系數都比較大,說明3個因素對響應值的影響不是一般的線性關系;同時方程中的交互項AB和BC的系數較大,說明A、B之間,B、C之間有一定的交互作用。

表4 模型的顯著性檢驗與方差分析Table 4 Significance test and analysis of variance of the model

通過Design expert軟件處理回歸方程,根據回歸分析結果做出相應的響應曲面圖如圖4～圖6。

圖4 粉碎粒徑與液料比對生姜精油得率影響的響應面圖Fig.4 Response surface polt of interaction between mesh and liquid feed ratio on ginger essential oil extraction rate

圖5 粉碎粒徑與蒸餾時間對生姜精油得率影響的響應面圖Fig.5 Response surface polt of interaction between mesh and hydrodistillation time on ginger essential oil extraction rate

圖6 液料比與蒸餾時間對生姜精油得率影響的響應面圖Fig.6 Response surface polt of interaction between liquid feed ratio and hydrodistillation time on ginger essential oil extraction rate

由圖6可以確定,粉碎粒徑(A)、液料比(B)和蒸餾時間(C)3因素對生姜精油得率的影響,響應曲面圖可以直接反映出各因子對響應值的影響大小。由方差分析結果和響應曲面圖可以看出粉碎粒徑、液料比和蒸餾時間對生姜精油的提取效果影響較為顯著;粉碎粒徑和液料比、液料比和蒸餾時間的交互作用對生姜精油得率的影響較為顯著。

2.4 最優條件與驗證試驗

模型預測的最佳生姜精油提取條件為:粉碎粒徑163.39目,液料比19.23∶1 mL/g,蒸餾時間117.43 min,預測生姜精油的得率為2.03%?？紤]到試驗的可操作性,選擇粉碎粒徑160目,液料比19∶1 mL/g,蒸餾時間118 min,重復3次試驗所得的實際生姜精油得率為2.09%±0.01%,與響應面模型預測值相對誤差為2.96%,誤差較小,在允許范圍之內,說明該工藝條件下模型預測值與實際情況擬合較好,預測所得工藝條件可行。

2.5 生姜精油GC-MS物質成分分析

生姜精油是主要化學組成成分如表5所示。生姜精油經GC-MS分析與NIST14譜庫進行比對,選取了相似度90%及以上的物質進行了定性,共鑒定出56種化合物。在鑒定出的56種化合物種,烯類化合物的含量最高共39種,占總峰面積的88.25%;醇類物質10種,占總峰面積的5.83%;醛類物質3種,占總峰面積的5.13%;烷烴類物質1種,占總峰面積的0.50%;酯類物質2種,占總峰面積的0.21%;酮類物質1種,占總峰面積的0.08%。烯類物質是生姜精油最主要的一類組成成分,含量較高的物質成分為:α-姜烯(34.70%)、β-倍半水芹烯(12.25%)、β-紅沒藥烯(7.04%)、α-法尼烯(7.00%)、α-姜黃烯(6.40%),這與Mesomo等[27]的研究較為一致。Brum等[28]的研究中生姜精油的主要成分為檸檬醛,其含量占總物質成分的41.1%,而在本研究中檸檬醛的含量僅為3.21%,這可能是由生姜的品種、生長環境、成熟度等因素差異所導致。

表5 生姜精油的主要化學成分Table 5 Main chemical constituents of ginger essential oils

續表

3 結論

生姜精油是生姜的主要功能性成分之一,采用水蒸氣蒸餾提取生姜精油操作簡便且成本較低,生姜的姜皮中含有較多的精油成分,生姜去皮后會導致精油成分的損失,相同條件下全姜精油的得率要高于姜肉精油的得率。通過單因素實驗、方差顯著性分析,響應面Box-Behnken試驗設計,得到生姜精油提取的最佳工藝為:粉碎粒徑160目,液料比19∶1 mL/g,蒸餾時間118 min,在此條件下生姜精油的得率為2.09%±0.01%,生姜精油通過GC-MS分析鑒定出56種化合物,其主要成分為α-姜烯(34.70%)、β-倍半水芹烯(12.25%)、β-紅沒藥烯(7.04%)、α-法尼烯(7.00%)、α-姜黃烯(6.40%)。本文為生姜的綜合與深加工提供理論基礎,有利于生姜精油在食品、藥品及化妝品行業的應用。