闪式辅助水蒸气蒸馏法提取生姜挥发油的研究

谢 捷， 施力瑕， 朱兴一， 王 平

(浙江工业大学药学院制药工程省部共建教育部重点实验室，浙江杭州310014)

生姜为姜科植物姜(Zingiber officinale Rosc.)的新鲜根茎，既可食用，又可药用，具有解表散寒、温中止呕、化痰止咳之功效。生姜挥发油是指从姜根茎中提取出来的挥发性成分，为棕色透明油状液体［1］，具有特殊的芳香，可作为天然香料［2］，被广泛应用于食品及饮料的加香和调味［3］，也是国内外市场都需要的价格不菲的香精原料和药用原料。生姜挥发油具有祛寒除湿、祛风止痛、温经通络，防治运动病、保护胃黏膜、消炎等功效。其主成分为姜醇(Zingier)、姜烯(Zingiberene)、α-龙脑(α-Borneol)、水芹烯(Pbellandrene)、莰烯(Camphene)、芳樟醇(Linalcol)等;辛辣成分为姜酚类(Gingerly)、姜烯酚(Shagaol)、柠檬醛(Geral)、甲基庚烯酮(Methylheptenone)、壬醛(Nonyladehyde)、姜酮(Zingerone)及其衍生物。

目前，对于生姜挥发油的提取，主要采用水蒸气蒸馏提取法［4，5］。此法操作简单，对设备要求低，投资少，但耗时长，易造成部分性质不稳定的香气成分因长时间加热而变质。闪式提取技术是利用高速机械剪切力和搅拌力，迅速破坏植物细胞组织，使组织细胞内部的有效成分与溶剂能够充分接触，并快速溶解［6］。近年来，采用闪式提取技术对氨基酸、蛋白质、萜类和黄酮类化合物等物质的提取已有文献报道［6，7］，表明其具有提高提取效率，简化操作步骤等优点，但将此方法应用到生姜挥发油的提取研究尚未见文献报道。本文采用闪式辅助水蒸气蒸馏法提取生姜挥发油，考察生姜粒径大小、闪式预处理时间、料液比和水蒸气蒸馏时间4个主要影响因素，进行L9(34)正交实验。以挥发油得率为评价指标，确定最佳工艺条件，并与水蒸气蒸馏法进行比较。

1 实验部分

1.1 材料与仪器 生姜药材(产自福建省大田县);FSH22可调闪式提取器(郑州金星科技有限公司);挥发油提取器(油比水轻型);GCT Premier气相色谱-质谱联用仪(美国Waters公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 闪式辅助水蒸气蒸馏法 称取不同粒径大小的生姜颗粒40 g，加蒸馏水倍量至闪式提取器中，进行闪式破碎预处理，将提取物转移至连有挥发油测定器的圆底烧瓶中，加热回流提取至测定器中挥发油量不再增加为止，取收集液，加入适量无水硫酸钠干燥。

1.2.2 水蒸气蒸馏法 将生姜切成饮片加蒸馏水倍量至连有挥发油测定器的圆底烧瓶中，加热回流提取至测定器中挥发油量不再增加为止，取收集液，加入适量无水硫酸钠干燥。

1.2.3 挥发油成分的GC-MS分析 气相色谱条件:HP-5MS;5%苯甲基聚硅氧烷弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度:280℃，初始温度50℃(保持2 min)，以5℃/min升温速率升至160℃(保持5 min)，以15℃/min的速率二阶升温至250℃，保持5 min;载气为高纯氦气，流速为1.0 mL/min，分流比为 50 ∶1;进样量为 0.2 μL。

质谱条件:接口温度:280℃;电离方式:EI;电子轰击能量:70 eV;灯丝电流:40 μA;检测电压:2 700 V;离子源温度230℃;四极杆温度150℃;调谐方式:标准调谐;质量扫描方式:全部扫描，10～400 amu。

2 结果与分析

2.1 正交试验设计 在单因素试验的基础上进行正交试验，选择生姜粒径大小、闪式预处理时间、料液比和水蒸气蒸馏时间4个主要影响因素，每个因素设3个水平，以确定闪式辅助水蒸气蒸馏法的最佳提取条件，正交试验的因素水平如表1所示。

表1 因数水平表

2.2 正交试验结果与分析 按1.2.1项所述的实验方法对生姜挥发油进行提取，正交试验结果直观分析见表2，方差分析结果见表3。

表2 正交试验结果L9(34)

由表2，3可知，闪式预处理时间A对挥发油得率的影响最大，有显著性差异;其次是水蒸气蒸馏时间D和料液比B，其对得率有一定影响，但都不显著;粒径大小C对得率影响最小。生姜挥发油的最佳提取工艺条件为B2C1D1，即平均粒径5目，生姜颗粒按料液比1∶4(g/mL)，闪式预处理120 s后再水蒸气蒸馏提取20 min。

表3 正交试验方差分析

2.3 工艺比较 在最佳工艺条件下进行闪式辅助水蒸气蒸馏法提取生姜挥发油工艺的验证实验，对比实验结果如表4所示。

表4 不同提取工艺及所得生姜挥发油的比较

由表4可知，闪式辅助水蒸气蒸馏法的生姜挥发油得率为0.665%，比传统水蒸气蒸馏法提高了31.42%，提取时间由6 h缩短至20 min，大大提高了提取效率，降低了能耗。闪式预处理通过高速机械剪切力和搅拌力，迅速破坏生姜的超微组织结构，使胞内成分能与水充分接触，同时在涡流负压的作用下，有效成分逐步被水分子包围、解离，有利于后续的水蒸气蒸馏提取。

2.4 生姜挥发油成分的分析与比较 对比两种提取方法所得生姜挥发油的成分，其结果如图1，2和表5所示。

图1 闪式辅助水蒸气蒸馏法所得生姜挥发油的总离子流色谱图

图2 传统水蒸气蒸馏法所得生姜挥发油的总离子流色谱图

表5 两种提取方法所得生姜挥发油的主要成分比较

参阅相关文献［8，9］及 Nist谱库自动检索的结果，对两种方法所得生姜挥发油的主要成分进行分析和比较，发现两种方法提取的生姜挥发油主要成分基本相同。但是，水蒸气蒸馏法所得挥发油主要以单萜醇、醛、酯等含氧衍生物为主，而闪式辅助水蒸气蒸馏法所得挥发油中特征化合物的含量相对较高，这些成分含量的高低决定了生姜挥发油的品质，其主要以具有异戊二烯结构的萜烯类化合物为主。例如:闪式辅助水蒸气蒸馏提取所得挥发油中α-姜烯含量为18.61%，比水蒸气蒸馏提高了1.96倍;β-红没药烯(7.65%)比水蒸气蒸馏提高了0.75倍;β-蓓半菲兰烯(6.98%)比水蒸气蒸馏提高了1.52倍;β-桉叶烯(1.33%)比水蒸气蒸馏提高了3.92倍等。这可能是因为闪式预处理能快速破坏细胞结构，并产生相当于超声波1/60的振动，这些效应均有助于较难被水蒸气蒸馏提取的较高沸点成分在水中的解离和扩散。因此，闪式辅助水蒸气蒸馏法所得挥发油中姜烯等萜烯类成分的含量有明显提高，更能体现生姜的浓郁香味和辣味。

3 讨论

通过正交试验，确定了闪式辅助水蒸气蒸馏法提取生姜挥发油的最佳工艺条件，即生姜粒径5目，按料液比1∶4，闪式预处理120 s后，水蒸气蒸馏提取20 min。与传统水蒸气蒸馏法相比，极大提高了提取效率，降低了蒸馏过程的能耗。通过对生姜挥发油成分的分析和比较，发现两种方法所得挥发油的主要成分基本相同。但是，经闪式预处理后，能更有效的提取出生姜中的风味物质，使挥发油中具有较高沸点的倍半萜烯类碳水化合物(如α-姜烯、β-红没药烯和β-蓓半菲兰烯等)的含量有明显提高。因此，闪式辅助水蒸气蒸馏法是一种高效、简单的提取生姜挥发油的方法。

［1］林进能编著.《天然食用香料生产与应用》［M］.北京:中国轻工业出版社，1991，28-31.

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