姜辣素提取与分离纯化工艺的研究进展

项　敏，郭　嘉，刘竞博，梅　军，王正裔，罗炎烽

(武汉工程大学化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430073)

姜辣素提取与分离纯化工艺的研究进展

项敏，郭嘉，刘竞博，梅军，王正裔，罗炎烽

(武汉工程大学化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430073)

摘要：介绍了姜辣素的化学组成和性质，重点阐述了姜辣素的提取、分离纯化和测定的方法，并探讨了姜辣素研究中存在的问题。

关键词：姜辣素；提取；分离纯化；测定

生姜具有解毒止呕、镇痛消炎、发汗解表、营养保健、抗菌、抗氧化作用[1-2]，在医药保健行业应用广泛，在食品、化妆品等领域也具有很高的应用价值[3]。生姜的化学成分很复杂，目前已发现的成分就有140多种，主要分为挥发性的姜精油和非挥发性的姜辣素两大类。研究表明，姜辣素正是生姜药食两用的价值所在[4]。姜辣素是一种弱极性的混合物，主要成分是姜酚类，还有少量的烯酚类以及部分酚类经高温转化所得的酮类等[5]。

作者在此介绍了姜辣素的化学组成和性质，总结了姜辣素的提取、分离纯化及测定方法，为更深入地研究其食用与入药两大用途提供参考，也为其将来的工业化生产提供理论依据。

1姜辣素的化学组成

1879年，Thrsh首次从生姜中分离出具有辣味的物质，将其命名为姜醇。上世纪中叶，许多关于生姜组成成分的研究表明，姜醇是一种混合物，因具有浓郁的辛辣味而更名为姜辣素(gingerols)，主要的活性成分为姜酚，属于生姜中的天然成分，而烯类和大部分酮类则属于实验过程、运输或者储存时转化而得的产物[6]。

通过溶剂萃取生姜获得半流体的黏稠物即为姜辣素，其分子式中均有3-甲氧基-4-羟基苯基的官能团，根据此官能团连有脂肪链的不同，将姜辣素分为姜酚类(gingerols)、姜烯酚类(shogaols)、姜酮(zinger-one)、姜二酮类(zingerdiones)和姜二醇类(gingerdiols)等类型[7]。

1.1　姜酚类

姜酚呈黄色油状液体，是一类含6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和12-姜酚等物质的混合物，这些组分的性质和结构相似，且分子结构都含有C3-羰基与C5-羰基，使得姜酚化学性质变得活泼；其在强碱性液体里加热能发生水解生成以己醛为主的醛类物质[8]。姜酚分子中含有的酚羟基、羟基和羰基使其具备普通酚类、仲醇类和酮类物质的共性，能发生上述化合物的一般化学反应。且芳香环上含有的甲氧基、酚羟基都能影响到姜酚的生物活性。生姜含有的酚类化合物也包括含量较低的4-姜酚、12-姜酚，但3-姜酚、5-姜酚目前还未见报道[9]。姜酚的结构式见图1。

图1　姜酚的结构式Fig.1　Structural formula of gingerols

1.2　姜烯酚类

姜烯酚在生姜中的含量很低，在生姜储存加工的过程中由姜酚脱水而成。通过柱色谱法分离姜油树脂可鉴定出6-姜烯酚、8-姜烯酚、10-姜烯酚，含量大小顺序为6-姜烯酚>10-姜烯酚>8-姜烯酚。

图2　姜烯酚的结构式(n=4,6,8)Fig.2　Structural formula of shogaols(n=4,6,8)

1.3　其它成分

此外，姜辣素中还含有其它成分，如姜酮、姜二酮、姜二醇等，其结构式见图3。

图3　姜酮、姜二酮、姜二醇(n=2,4,6,8)的结构式Fig.3　Structural formula of zingerone,zingerdiones,gingerdiols(n=2,4,6,8)

2姜辣素的提取方法

2.1　压榨法

用机械压榨直接处理洗净的生姜片，属于物理方法，此法所得姜油产量与所用的生姜总量、压榨设备、操作情况和姜片预处理情况均相关。压榨所得姜汁通过沉淀分离，得到上清液和沉淀物两类不同产品，其中上清液中含有姜精油和极少量的非挥发性姜辣素[10]。

2.2　溶剂提取法

溶剂提取法有冷提法和热提法两种。其中，冷提法分为浸渍法和渗漉法，浸渍法操作简单，但浸出率低，渗漉法为上下形成浓度差，浸出效果稍优于浸渍法；热提法中的煎煮法比较传统，适用于水提取，回流提取法需过滤回收有机溶剂，连续提取不需回收溶剂，且溶剂的用量较少。姜辣素可溶于甲醇、乙醇、乙醚等亲水性有机溶剂，朱媛等[11]选取无毒、价廉的乙醇为姜辣素提取溶剂，在50 ℃下将粉碎至60目的生姜末以1∶9(g∶mL)的料液比与75%乙醇混合提取90 min，减压蒸馏提取液后紫外测定其含量，提取一次的姜辣素含量在姜油树脂中达1.59%。溶剂提取法成本低、操作简单、提取完全，但产物中脂肪油和树脂等杂质较多，后续分离纯化难度大，逐渐被淘汰。

2.3　干柱层析法

根据极性相似相溶的原理可知，弱极性的生姜粗提物应选用极性较低的含有30%乙醚的正己烷溶液为展开剂，并在展开槽中将硅胶板点样后展开。再经紫外灯照射对比标准样品的点距离，可初步判断经硅胶柱分离姜油树脂所收集的分离液中含活性成分姜酚比较高的部分，将去除洗脱剂和少量残留溶剂的粗产物溶解于热的正己烷中，含量较高的姜酚制品就可在冷冻的正己烷中结晶析出。柳乃奎等[12]用丙酮溶剂提取生姜后，选用硅胶干柱层析法，将得到的粗提液通过旋蒸去除溶剂制得粗产物。

2.4　超临界CO2萃取法

超临界CO2流体对压力和温度十分敏感，介于气体和液体之间，具有液体的溶解度和气体的扩散系数。其萃取原理是在室温(35～40 ℃)超临界状态下，混合超临界CO2流体与待分离物，实验样品试剂会因其所含有的各组分物质具有的不同物理特性而有选择性地被依次萃取，从而达到分离纯化的目的，且室温条件能防止热敏性物质氧化和扩散。曾凡逵等[13]比较丙酮法、乙醇法和超临界CO2萃取法提取姜辣素，证实超临界CO2萃取法提取效果最优。

超临界CO2萃取法中CO2无毒、价格低，提取速度快，工艺简单，无有机溶剂，萃取过程清洁。但萃取压力过高，工业生产成本高，不利于推广应用。

2.5　微波提取法

刘成梅等[14]用微波法提取姜辣素，得率仅为0.776%。陈莉华等[15]采用正交实验优化微波法提取姜辣素的工艺参数为：微波功率300 W、66%乙醇为溶剂、料液比1∶16(g∶mL)、处理时间70 s，在此条件下，姜辣素提取率可达1.76%。

微波法产生的电磁场能加快提取速率，具有溶剂用量少、产率高、能耗低等优点，被广泛应用于天然药物提取领域。但微波升温迅速一定程度上使姜辣素分解失活，工业化生产的产品质量仍有待提高。

2.6　超声波提取法

孔繁东等[16]采用超声波辅助提取姜渣中姜辣素，结果表明，在超声功率800 W、75%乙醇为溶剂、料液比1∶15(g∶mL)、超声提取10 min的条件下,姜辣素提取率为2.1%。骆海林等[17]运用响应面法优化超声波提取姜辣素的工艺条件为：90%乙醇为溶剂、料液比1∶13.7(g∶mL)、超声提取25.9 min，姜辣素提取率为7.41 mg·g-1。

超声波提取法可在常温常压下进行，时间短，能耗低，使用溶剂无限制且用量少，还具有一定的杀菌作用。但工业上大量使用超声波所产生的噪音对人体健康有害的问题仍有待解决。

2.7　酶解法

酶解法通过酶分解细胞壁的纤维素和果胶，进而破坏细胞壁的结构，产生局部的疏松而减少溶剂提取有效成分的阻力，加快溶解速率。王琛等[18]选用纤维素酶和半纤维素酶联合提取姜辣素：酶解温度45 ℃，纤维素酶-半纤维素酶质量比5∶3，混合酶用量2.8 mg·(100 mL)-1，提取时间2.5 h，姜辣素提取率为3.711%。酶解法提取速率快，操作简单，节能环保，提取率高，但因高纯度酶价格过高而使成本上升，有待进一步深入研究。

3姜辣素的分离纯化方法

3.1　大孔吸附树脂法

利用化合物与大孔吸附树脂吸附力的不同及化合物相对分子质量的不同进行分离纯化。刘伟等[19]采用大孔吸附树脂分离纯化生姜中的姜辣素：选用AB-8型树脂，正己烷∶乙醇=7∶3为洗脱溶剂，洗脱速度0.4 mL·min-1，树脂用量为40 mg姜辣素·(g干树脂)-1，纯化分离产物姜辣素的含量为48.3%。大孔吸附树脂不溶于酸碱和有机溶剂，理化性质稳定且对有机物选择性好，但洗脱时间长，不利于工业生产。

3.2　干柱层析法

含极性酰胺基团的聚酰胺和非极性的脂肪链、酚羟基、水形成氢键能力十分弱，尤其是水分子与聚酰胺形成氢键能力最弱，故聚酰胺与被分离物质形成氢键能力在水中最强，常用于分离水溶性成分和脂溶性成分。柳乃奎等[12]用聚酰胺柱和硅胶干柱层析分离粗姜酚，以20%～50%乙醇溶液为流动相，将姜油树脂中的总姜酚很好地分离。

3.3　高速逆流色谱(HSCCC)法

乔庆亮等[20]将大孔吸附树脂分离的姜辣素乙醇油状洗脱液进行HSCCC分离，采用的溶剂系统为石油醚-乙酸乙酯-甲醇-水(1∶1.6∶1∶1.6)，混合静置分层，取上相为固定相、下相为流动相，并各取50 mL溶解10 g样品，超声脱气后备用。在HSCCC-D1200螺旋管中装满固定相，在首端以800 r·min-1转速将流动相以25 mL·min-1的流量泵入，用量筒在色谱柱尾端收集流出的固定相，当固定相不再流出时系统已达动态平衡，根据收集的固定相体积计算固定相的保留率。姜辣素样品液进样100 mL后，采用紫外检测器在色谱柱出口于254 nm波长处连续检测，并依据谱峰的不同分段收集样品。该方法可从生姜中大量分离出高纯度的6-姜酚单体，分离效率高，有望在工业生产上推广应用。

3.4　高效液相色谱法

高效液相色谱法适于分离高沸点、不易挥发、分子量大且具有不同极性的有机化合物。张雪红等[21]以超声波提取的粗姜酚为样品，采用半制备型高效液相色谱技术，通过调节流速、进样体积、流动相的不同配比，考察其对分离效果的影响并得出最优化的工艺条件。该法从生姜中分离出高纯度6-姜酚单体，但这种工艺条件在工业上的应用仍有待进一步研究。

4姜辣素的测定方法

4.1　溶出伏安法

某些含电活性的基团是生姜主要的活性成分，其含量可通过溶出伏安法测得溶出峰后，再根据具体电流强度值计算而得。杨春海等[22]使用玻碳电极溶出伏安法测定姜辣素含量，姜辣素在玻碳电极上呈现单个氧化峰，在1×10-5~5×10-4mol·L-1范围内溶液浓度和其峰电流呈良好线性关系。

4.2　薄层色谱法

按分离机制可将薄层色谱法分为分配薄层色谱法、分子排阻薄层色谱法以及吸附薄层色谱法，操作是将固定相均匀涂布于如玻璃之类的薄板上，待厚薄均匀后将其活化，然后将混合组分放置于薄板上进行分离。该方法操作简单，分离能力较强，且只能进行如姜酚、姜烯酚相似同系物的分离。用6-姜酚标准品作对照，以石油醚(60~90 ℃)-醋酸乙酯-冰醋酸(8∶3∶0.2)为展开剂，涂布在0.5%CMC-Na为粘合剂的硅胶G薄层板上，经20 min后展开晾干，加热并将5%香草醛-硫酸溶液喷至斑点显色清晰。

4.3　荧光分析法

荧光分析法灵敏度高，是根据物质荧光谱线位置及其强度进行定性定量测定的方法。Prasad观察出姜酚有荧光特性，发射波长为481.6 nm，激发波长为435 nm。

4.4　紫外可见分光光度法

张明旭等[23]选用香草醛作为标准对照品、乙醇为空白溶剂，在280 nm最大吸收波长处扫描香草醛的无水乙醇溶液，测定样品中姜辣素的含量。酚类中的羟基具有一定的还原性，在显色实验中易被氧化，最终可得到呈现蓝色的产物。因姜辣素含量在一定浓度范围内与产物蓝色程度相关，因而可以通过将姜辣素中的羟基氧化后在蓝光区域测定其含量。张维勤[24]以香草醛作为参照物，在660 nm波长处比色测定样品中姜辣素含量。黄雪松等[25]以香草醛作为标准样品，根据Folin 酚试剂与姜辣素所含有的羟基反应显蓝色，在680 nm波长处测定吸光度，此法操作繁琐，易引起滕氏蓝沉淀。

4.5　高效液相色谱法

高沸点难气化的姜辣素不能直接采用GC或GC-MS测定，需进行乙酰化或硅烷化生成可挥发的姜酚衍生物，步骤繁琐且易生成副产物，因而难以准确测定姜酚。目前在确定标准品作对照的情况下，更多选用HPLC定性定量测定姜酚，因在常温下进行，能最大限度减少测定过程中姜酚产生的变化。黄雪松等[26]用HPLC法测定姜辣素含量，采用香草醛作内标，无需要求操作过程中每次进样体积的重复性，但需纯品作标样且步骤和计算繁琐。陈燕等[27]选用辣椒碱作外标，用HPLC法测定姜辣素，可直接定性定量分析姜酚和姜烯酚，操作计算简单，无需纯品标样，但需严格要求每次进样体积的重复性。

4.6　其它方法

针对不易被分析到的热不稳定性化合物，Jiang等[28]采用LC/ESI-MS/MS法测定姜的甲醇粗提取物，发现3种新的姜酚类相似化合物，并鉴定此法为测定分析姜酚类化合物的有效方法。黄四平[29]采用超声萃取法提取姜酚，并使用柱层析分离和UV、IR光谱定性分析提取物中姜酚纯度为71.8%。王艳等[30]以超临界CO2提取的姜油树脂为原料，采用固定相为D4020的大孔吸附树脂，乙醇-水体系为流动相来分离姜酚，并结合UV、HPLC、GC-MS三种方法检测含姜酚的洗脱液，再进行二次柱层析纯化得姜酚，收率为76.75%。

5结语

姜辣素中的主要活性成分姜酚极具药理和食用价值，有着广阔的应用前景，但化学性质不稳定的姜酚提取与分离纯化难度很大。目前，国际市场生姜产品呈现工艺精细多元化的发展趋势，而我国的生姜提取工艺仍处于提取效率低、产品杂质多、生产成本高的初级阶段，已无法满足现代化天然产物有效成分提取与分离纯化的需求。因此，推广应用先进的提取与分离纯化技术，是提升我国生姜产业的重要途径。

对姜辣素分离纯化的深入研究发现，任何单一的分离和测定方法都无法满足现阶段生姜产品的工艺生产要求，必须在姜辣素后续研究中不断创新地结合多种分离纯化和测定的方法，以得到姜辣素分离纯度和收率都极高的综合型工业生产方法，为我国在生姜的国际药食市场竞争中提供支持。

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Research Progress on Extraction,Separation and Purification of Gingerols

XIANG Min,GUO Jia,LIU Jing-bo,MEI Jun,WANG Zheng-yi,LUO Yan-feng

(KeyLaboratoryforGreenChemicalProcessofMinistryofEducation,Schoolof

ChemicalEngineering&Pharmacy,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430073,China)

Abstract：The composition and properties of gingerols were introduced.The extraction,separation,purification and determination methods were reviewed and the problems in gingerols research were discussed.

Keywords：gingerols;extraction;separation and purification;determination

中图分类号：R 284.1

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2015)05-0007-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.002

通讯作者：

作者简介：项敏(1990-)，女，湖北黄石人，硕士研究生，研究方向：天然产物提取分离;郭嘉，湖北省"楚天学者"计划特聘教授，博士生导师，E-mail：guojia@wit.edu.cn。

收稿日期：2014-11-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51346005)，武汉工程大学第九期大学生校长基金项目(2014001)