不同提取工藝對生姜提取物及化學組成的影響

朱藝佳，唐澤群，陳可可，楊秀群，田弋夫，余德順*

1(貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽，550025)2(中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室， 超臨界流體技術研究中心，貴州 貴陽，550081)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是姜科姜屬植物的根莖，廣泛作為食品調味品的同時還是重要的中藥材，是一種非常典型的藥食兩用植物，《中國藥典》2020版(一部)中收錄有生姜、干姜、炮姜，姜炭4個品名，其炮制品制作工藝不同，在功能方面也有所不同。生姜中營養成分很多，目前研究得最多且重要生姜提取物是揮發性及脂溶性的姜精油、姜油和姜油樹脂[1-2]。從生姜中提取姜精油、姜油及姜油樹脂的最主要工藝技術有傳統的水蒸汽蒸餾法[3-4]、溶劑法[5]以及超臨界CO2提取法[6-7]，將水蒸氣蒸餾法與溶劑萃取2個過程結合的同時萃取蒸餾法[8-9]也有一些研究報道。不同生姜提取工藝得到的姜精油、姜油和姜油樹脂提取產物在外觀形態和化學成分組成上有一定差異，GC-MS和HPLC法是對這些提取物化學成分組成應用最多的分析方法，王穎[10]對水蒸氣蒸餾法提取不同產地鮮姜精油用GC-MS分析其成分，裴亞萍[11]用GC-MS分析比較了用超臨界CO2法和水蒸氣蒸餾法提取山東大姜產物的香氣成分，于大勝等[12]對水蒸氣蒸餾法、有機溶劑浸提法和超臨界CO2萃取法提取得到的生姜中風味物質進行了分析比較；除風味物質外，姜油和姜油樹脂中最重要的生物活性成分是以6-姜酚為主的系列化合物[13-14]，對其的分析測定均以HPLC法對6-姜酚的定量分析為主[1,15-16]。包括上述研究在內，已有文獻研究大都對生姜的單一提取工藝或2種提取工藝進行分析比較，如文獻[12]雖然研究了3種不同提取工藝，但主要是用GC-MS從風味物質角度進行分析比較，且不同研究文獻之間由于采用的生姜原料不同也不足以充分比較論證各種提取工藝對生姜揮發性及生物活性成分進行提取的特點。本研究對產自同一地的生姜用不同提取工藝進行提取分離，對得到的各類姜精油、姜油及姜油樹脂同時采用GC-MS和HPLC法對提取物化學組成和其中主要生物活性成分進行定性、定量檢測及分析比較，并結合相關提取工藝技術進行了討論。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜產于貴州省水城縣中科院扶貧項目示范種植地，系貴州當地小黃姜品系。生姜經清洗、切片后，80 ℃干燥至水分含量≤10%，粉碎過40目篩后密封包裝貯存于4 ℃冰柜中備用。CO2氣體，貴州申建氣體股份有限公司(食品級，純度≥99.5%)。其余試劑均為分析純，實驗用水均為超純水。

對照品：6-姜酚、6-姜醇、8-姜酚及10-姜酚購自成都德斯特生物技術有限公司，純度均≥99%(HPLC)。

1.2 儀器與設備

實驗室水蒸氣蒸餾提取揮發油標準玻璃儀器；SFE HA 120-40-0.5超臨界CO2萃取裝置，江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；FW 100高速萬能粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；BZF 50真空干燥箱，上海博迅醫療生物儀器股份有限公司；GZX-GF 101-3-BS-Ⅱ熱風干燥箱，上海賀德實驗設備有限公司；RE-2000 A旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；DHS-16 A水分測定儀，寧波力辰科技；1260 HPLC、9000-7000 D GC-MS，美國安捷倫儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 姜精油的水蒸氣蒸餾

參照文獻[17]進行，投入50 g 1.1中所述姜粉，提取完成分出精油部分，無水硫酸鈉干燥，得淺黃色油狀流動性良好液體為水蒸氣蒸餾姜精油，稱重并計算收率為0.86%。

1.3.2 姜油的溶劑法提取

參照文獻[18]進行，在250 mL燒杯中投入10 g 1.1中所述姜粉，加入固液比為1∶10(g∶mL)的80%(體積分數)乙醇溶液，于50 ℃恒溫水浴中不時攪拌下溫浸提取2 h，提取完成后真空抽濾，所得溶液低溫真空旋轉揮發去乙醇，無水硫酸鈉干燥，得黃色至綜黃色油狀液體為乙醇溶劑姜油，稱重并計算收率為3.56%。

1.3.3 姜油、姜精油及姜油樹脂的超臨界CO2萃取

參照專利[19]進行：(1)姜油的提取：在萃取釜中投入8 kg 40目姜粉，萃取壓力30 MPa，萃取溫度不變，萃取時間110 min，在分離釜中一次性得到姜油；(2)姜精油和姜油樹脂的一次性選擇提取：在萃取釜中投入8 kg 40目姜粉，萃取壓力10 MPa，萃取溫度50 ℃，萃取時間50 min后在分離Ⅱ中得到姜精油；姜油樹脂在萃取完姜精油后調整萃取壓力至30 MPa，萃取溫度不變，繼續萃取60 min，在分離Ⅰ中得到姜油樹脂；以上分離釜溫度均為50 ℃，分離壓力均為5 MPa，CO2流量均為15 L/h。以上各提取物均用無水硫酸鈉干燥后，得到黃色至棕黃色具流動性油狀液體的姜油、黃色流動性良好姜精油和棕黃色流動性較差姜油樹脂，稱重并計算收率分別為：超臨界CO2姜油為4.78%，超臨界CO2姜精油部分為1.27%，超臨界CO2姜油樹脂部分為3.39%。

1.4 GC-MS儀器條件及方法

1.4.1 氣相色譜

色譜柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣為高純He 0.8 mL/min；柱箱溫度為程序升溫，即75 ℃保持1 min；75～150 ℃，2 ℃/min；150～280 ℃，5 ℃/min，繼續保持5 min；進樣方式為進樣口260 ℃，分流比100∶1，直接進樣，進樣量1 μL。

1.4.2 質譜

離子源溫度230 ℃；MS傳輸線260 ℃；掃描范圍10～800 amu。

1.4.3 計算及圖譜檢測方法

軟件Masshunter；譜庫NIST MS Search 2.2。

1.5 HPLC儀器條件及方法

1.5.1 儀器條件

色譜柱Diamonsil C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流動相乙腈(A)～水(B)，程序梯度變化(體積比)為0 min，55%A；0～6 min，55%A～80%A；30～35 min，80%A～90%A，35～40 min，90%A～55%A；柱溫30 ℃；流速1.0 mL/min；波長280 nm；進樣量10 μL。

1.5.2 樣品前處理及姜酚類物質測定

參照文獻[20]測定。

2 結果與分析

2.1 GC-MS總離子流色譜圖及化學組成分析

不同提取工藝下所得提取物的GC-MS分析總離子流色譜圖和化學組成的歸一化法分析結果分別如圖1和表1所示。GC-MS共檢出50種化合物，其中百分含量最高的是α-姜烯，除超臨界CO2姜油樹脂外，其余4種提取物中α-姜烯都在30%以上；對提取物中21種相對百分含量1%以上的主要化學成分進行統計，其占全部檢出化合物的比例分別為水蒸氣蒸餾法姜精油90.5%、超臨界CO2姜精油89.24%、乙醇溶劑法姜油92.12%、超臨界CO2姜油91.29%及超臨界CO2姜油樹脂91.84%。生姜中重要生物活性化合物6-姜酚在超臨界CO2姜油樹脂中含量最高，水蒸氣蒸餾法姜精油中含量最低，由6-姜酚脫水轉化生成的另一種生物活性化合物6-姜醇[21]同樣也是在超臨界CO2姜油樹脂中最高，水蒸氣蒸餾姜精油中則未檢出。

a-超臨界CO2姜油；b-水蒸氣蒸餾法姜精油；c-乙醇溶劑姜油；d-超臨界CO2姜精油；e-超臨界CO2姜油樹脂(表1同)圖1 不同提取工藝提取物的GC-MS總離子流色譜圖Fig.1 GC-MS total ion chromatograms of products under different extraction processes

表1 不同提取工藝提取物的GC-MS化學組成分析結果Table 1 GC-MS chemical composition analysis results of extracts from different extraction processes

續表1

由5種提取物GC-MS總離子流色譜圖(圖1)和21個主要化合物百分含量比較圖(圖2)可知，水蒸氣蒸餾法姜精油和超臨界CO2姜精油、超臨界CO2姜油與乙醇溶劑姜油分別較為相似，超臨界CO2姜油樹脂則與前4種差異較大，這主要是由于各提取工藝的原理及參數有所不同。由表1還可看出，分子質量大于156小于222的化合物中除姜酮外，超臨界CO2姜精油中含量均高于姜油樹脂，而分子質量大于222的化合物中，超臨界CO2姜精油中含量均小于姜油樹脂，顯示通過改變超臨界CO2萃取壓力可以實現一定程度選擇性分離，分別得到分子質量較小沸點較低與水蒸氣蒸餾法姜精油較為接近的超臨界CO2姜精油和富含姜酚類化合物的姜油樹脂，這種明顯的選擇性分離效果也可從圖2-c看出。

a-水蒸氣蒸餾姜精油和超臨界CO2姜精油的比較；b-乙醇溶劑姜油和超臨界CO2姜油的比較；c-超臨界CO2姜油、 姜精油和姜油樹脂的比較圖2 不同提取工藝5種提取物中21個主要化合物百分含量比較Fig.2 Comparison of the percentages of 21 main compounds in 5 extracts of different extraction processes

2.2 HPLC色譜圖及定量分析結果

標準品及不同提取方法所得提取物樣品姜酚類化合物的HPLC分析色譜圖及定量檢測結果分別如圖3和表2所示。

a-標準品；b-超臨界CO2姜油；c-水蒸氣蒸餾姜精油；d-乙醇溶劑姜油；e-超臨界CO2姜精油；f-超臨界CO2圖3 標準品及不同提取工藝提取物HPLC圖Fig.3 HPLC chromatograms of standard products and extracts from different extraction processes

表2 不同提取方法所得提取物樣品姜酚類物質測定結果 單位：mg/g

由表2可知不同工藝得到的5種提取物中姜酚類物質含量水蒸氣蒸餾姜精油和超臨界CO2姜精油、超臨界CO2姜油與乙醇溶劑姜油較接近，超臨界CO2姜油樹脂中含量最高，尤其與同時得到的超臨界CO2精油相比，顯示通過改變超臨界CO2提取工藝條件參數可以進行姜酚類物質的選擇性分離富集。超臨界CO2提取是根據在不同提取壓力、溫度條件時超臨界CO2流體密度不同，對被提取物的溶解度能力不同來進行提取分離的，其中壓力影響最大[22]，隨著壓力增大，超臨界CO2密度增大，溶解能力增強，通過改變提取過程的壓力可以對提取物進行一定程度選擇性提取[23-24]。本研究在較低超臨界CO2萃取壓力下提取得到生姜中化學組成通常為無極性或極性較小、揮發性較強的超臨界CO2姜精油，然后通過升高萃取壓力，也即增加超臨界CO2的溶解能力，將有一定極性且揮發性弱分子質量較大化學組成的姜油樹脂進一步提取出來，也即通過改變萃取壓力進行選擇性一次提取分離，分別得到超臨界CO2姜精油和富集6-姜酚的超臨界CO2姜油樹脂2種提取物。

3 結論

分別采用水蒸氣蒸餾法、有機溶劑法以及3種超臨界CO2提取工藝對同一種植產地同品系生姜中的揮發性及脂溶性成分進行了提取分離，得到不同提取工藝下5種提取物，對這些提取物中的化學組成以及重要生物活性成分姜酚類化合物分別進行了GC-MS定性、歸一化法及用標準品的HPLC定量分析表征，結果表明：

(1)水蒸氣蒸餾法得到的揮發性姜精油收率最低，超臨界CO2提取法得到的姜油收率最高，其次為乙醇溶劑法所得姜油，在超臨界CO2選擇性提取中可以一次性分別得到姜精油和姜油樹脂，姜油樹脂的收率高于姜精油。

(2)提取物的GC-MS定性、歸一化法以及HPLC對重要生物活性成分姜酚類化合物的定量分析表明：超臨界CO2姜油和乙醇溶劑姜油組成較為接近，水蒸氣蒸餾法姜精油和超臨界CO2姜精油化學組成較為接近，富含6-姜酚等姜酚類化合物的超臨界CO2姜油樹脂化學組成與前述4種提取物化學組成差異較大。

(3)超臨界CO2提取工藝可以通過改變或調整工藝參數得到3種不同的生姜提取物，即超臨界CO2姜精油、姜油和姜油樹脂，從收率、化學組成以及姜酚類物質含量分析檢測結果的比較表明，超臨界CO2提取作為一種綠色高效提取工藝是生姜中揮發性及脂溶性成分提取的優選提取分離技術，可得到不同提取物以分別用作香精香料、食品添加劑及健康醫藥產品等的優質原料。