文冬姜化学成分研究

代毓敏,温 馨,郭梦迪,梁 哲,倪元颖

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

姜(ZingiberofficinaleRosc.)又称为生姜、白姜、川姜,是一种药食同源的植物,具有很高的营养价值[1]。姜的营养成分主要包括基本营养成分和功效成分,基本营养成分包括水分、蛋白质、脂肪、膳食纤维以及多种维生素和矿物元素,功效成分主要包括挥发油和姜辣素[2]。生姜挥发油是生姜的呈香物质,赋予姜浓郁的芳香气味[3],主要成分是单萜和倍半萜类化合物,如α-姜烯、α-金合欢烯、β-倍半水芹烯、γ-依兰油烯等;姜辣素赋予姜特征性的辛辣风味,是姜最主要的生物活性成分,主要包括姜酚和姜烯酚,其中以姜酚类物质含量最高[4]。研究表明,生姜挥发油具有抗氧化[5]、抑菌[6]、抗炎[7]、镇痛[8]、保护肝脏[9]、抑制胆固醇吸收[10]等生理功效,同时对实验性胃溃疡[11]和缺血性脑损伤[12]具有保护作用。姜酚类物质具有抗氧化[13]、抗肿瘤[14]、抑菌[15]、消炎镇痛[16]、健胃止吐[17]、保肝利胆[18]、降血糖[19]、降血脂[20]和防血栓[21]等多种生理功效,具有很高的营养价值和药用价值。

本研究选用的文冬姜(Zingiberofficinalevar.Bentong)产于马来西亚云顶高原。该地区位于赤道5°,土壤肥沃,并有天然山泉水灌溉滋养,盛产多种名贵药材。而文冬姜又因其一年耕种、四年休耕、五年一季的高品质种植模式,产量极少,而被誉为“姜中之皇”。目前,国内外对文冬姜均没有相关的研究。因此,本文对文冬姜化学成分进行了全分析,测定文冬姜中的基本成分和功效成分,并与国内生姜品种中营养价值较高的罗平小黄姜(Zingiberofficinalecv.xiaohuangginger)对比,为今后文冬姜及其深加工产品的开发应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

文冬姜 由北京明俞大成国际贸易有限公司提供;罗平小黄姜 云南万兴隆生物科技集团有限公司;甲醇 色谱纯,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;乙腈、γ-萜品烯 色谱纯,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;6-姜酚标准品、8-姜酚标准品、10-姜酚标准品 色谱纯,北京索莱宝科技有限公司;其余试剂 均为国产分析纯。

HA 220-50-07超临界CO2萃取装置 南通市华安超临界萃取有限公司;7890B-5977B气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦科技有限公司;LC-20AT型高效液相色谱仪 日本岛津公司;ME204E电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 基本营养成分测定 水分含量测定:参考GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》的方法[22];灰分含量测定:参考GB 5009.4-2016《食品中灰分的测定》的方法[23];蛋白质含量测定:参考GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》的方法[24];脂肪含量测定:参考GB 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》的方法[25];膳食纤维含量测定:参考GB 5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》的方法[26];碳水化合物含量测定:参考GB 28050-2011《预包装食品营养标签通则》的方法[27];矿物质含量测定:参考GB/T 30376-2013《电感耦合等离子体原子发射光谱法》的方法[28];维生素A含量测定:参考GB 5009.82-2016《食品中维生素A、D、E的测定》的方法[29];维生素B1含量测定:参考GB 5009.84-2016《食品中维生素B1的测定》的方法[30];维生素B2含量测定:参考GB 5009.85-2016《食品中维生素B2的测定》的方法[31];维生素C含量测定:参考GB 5009.86-2016《食品中抗坏血酸的测定》的方法[32];氨基酸:参考GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的测定》的方法[33]。

1.2.2 挥发油成分测定

1.2.2.1 样品处理 分别将文冬姜和罗平小黄姜在-40 ℃、100 Pa的条件下冷冻干燥24 h,用破碎机粉碎至粉末,过20目筛后保存备用。分别称取文冬姜粉和罗平小黄姜粉各1.3 kg,将其均匀填置在超临界设备的萃取釜内。设定萃取温度35 ℃,萃取压力25 MPa,分离温度31 ℃,分离压力8 MPa,在此条件下萃取2.5 h,得到两种姜的姜油树脂。分别称取1.00 g两种姜的姜油树脂,用甲醇定容至5 mL容量瓶中,上样前用0.45 μm的有机滤膜过膜。

1.2.2.2 定性分析 采用GC-MS测定挥发油组成。气相色谱条件:DB-WAX毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升温程序:70 ℃保持2 min,以10 ℃/min的速率升至130 ℃,保持2 min,再以4 ℃/min的速率升至160 ℃,保持2 min,再以10 ℃/min的速率升至230 ℃,保持15 min。载气(He)流速1.0 mL/min,进样量1.0 μL;分流比:20∶1。

质谱条件:电子轰击离子源;电子能量70 eV;离子源温度230 ℃;四级杆温度150 ℃;质量扫描范围m/z 35～500。

1.2.2.3 定量分析 根据GC-MS分析的结果,选取γ-萜品烯作为内标物质,采用内标法对挥发油中含量最高的特征性成分α-姜烯进行定量。

1.2.3 姜辣素测定

1.2.3.1 样品处理 分别称取1.2.2.1中得到的文冬姜和罗平小黄姜姜油树脂0.10 g,用乙腈定容到10 mL容量瓶中,上样前用0.45 μm的有机滤膜过膜。

1.2.3.2 定性分析 采用高效液相色谱分析姜油树脂中姜辣素的组成并进行定量。高效液相色谱条件如下:Venusil XBP C18(L)色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),二元梯度洗脱,流动相A为超纯水,流动相B为乙腈。梯度洗脱程序:0 min,10%乙腈;0～25 min,10%～60%乙腈;25～60 min,60%～100%乙腈。进样量10 μL;流速1.0 mL/min,检测波长280 nm。通过保留时间对比及标准品加入法共同确定姜油树脂中姜辣素组成。

1.2.3.3 定量分析 采用外标法定量分析姜油树脂中姜辣素含量。分别配制6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚标准品储备液(4 mg/mL),梯度稀释至0.04、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mg/mL,并绘制标准曲线。

1.3 数据处理

每个样品进行3平行3重复,实验所得数据均为3次实验的平均值,采用Excel建立数据库,对实验数据进行单因素方差分析,检验两个品种间的差异显著性(P<0.05)。采用Origin软件进行数据统计分析与图表绘制。

2 结果与分析

2.1 化学成分的对比分析

2.1.1 主要营养成分 由表1可得,与中国食物成分表中罗平小黄姜的营养成分相比,文冬姜中脂肪和膳食纤维的含量比罗平小黄姜高,碳水化合物的含量比罗平小黄姜低,水分、灰分和蛋白质的含量与罗平小黄姜相近。

表1 文冬姜与罗平小黄姜主要成分对比(以每100 g可食部计,g)Table 1 Comparison of main components between Bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion,g)

2.1.2 矿物质含量 生姜药用价值的重要物质基础之一就是生姜中所含有的矿物元素[35]。矿物元素包括常量矿物元素和微量矿物元素。常量矿物元素包括钠、钾、镁、钙、磷等,微量矿物元素包括锰、铁、锌、铜、硒等。由表2可知,文冬姜中铁的含量约为罗平小黄姜的4倍,锌和硒的含量约为罗平小黄姜的2倍。铁是血红蛋白的重要组成部分,缺铁会导致缺铁性贫血,影响人体对氧的吸收利用。锌影响大脑智力发育和记忆力功能,而硒参与体内的抗氧化作用,提高机体的免疫能力,预防癌症的发生。微量矿物元素与人体正常的新陈代谢密切相关,对维持人体的健康具有十分重要的意义[36]。文冬姜中微量矿物元素的含量相对较高,与罗平小黄姜相比占据了很大的优势,具有较高的药用价值。

表2 文冬姜与罗平小黄姜矿物质含量对比(以每100 g可食部计)Table 2 Comparison of minerals between Bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion)

2.1.3 维生素含量 由表3可知,文冬姜中维生素A的含量很低,每100 g可食用的文冬姜中维生素A的含量不足0.01 mg,维生素B1、B2和维生素C的含量与罗平小黄姜相差不大,这说明与罗平小黄姜相比,文冬姜中维生素的含量与罗平小黄姜其相差不大。

表3 文冬姜与罗平小黄姜维生素含量对比(以每100 g可食部计,mg)Table 3 Comparison of vitamins content between Bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion,mg)

2.1.4 氨基酸含量 由表4可知,文冬姜和罗平小黄姜氨基酸的含量差别并不大,除了丙氨酸和缬氨酸的含量比罗平小黄姜稍高外,其他14种氨基酸的含量都比罗平小黄姜要低。

表4 文冬姜与罗平小黄姜氨基酸含量对比(以每100 g可食部计,g)Table 4 Comparison of amino acids content between bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion,g)

2.2 挥发油成分分析

2.2.1 定性分析 用气相色谱-质谱法对文冬姜和罗平小黄姜姜油树脂的挥发性成分进行分析鉴定,在文冬姜姜油树脂中共分离鉴定出42种化合物(见图1),在罗平小黄姜姜油树脂中共分离鉴定出35种化合物(见图2)。

图1 文冬姜姜油树脂的总离子流色谱图Fig.1 Chromatogram of total ionic currents of Bentong ginger oleoresin

图2 罗平小黄姜姜油树脂的总离子流色谱图Fig.2 Chromatogram of total ionic currents of Luoping ginger oleoresin

利用NIST谱库对GC-MS得到的结果进行检索,采用面积归一化法计算得出各组分的相对百分含量,分析鉴定结果见表5。

表5 文冬姜和罗平小黄姜姜油树脂中的化学组分及相对含量Table 5 Chemical constituents and relative contents of Bentong ginger oleoresin and Luoping ginger oleoresin

检测结果发现,文冬姜姜油树脂中的主要成分是具有异戊二烯结构的萜烯类化合物。萜烯类化合物主要包括单萜类和倍半萜类化合物,它们是挥发油的重要组成成分,赋予文冬姜浓郁的香气。在检测到的化合物中,含量最高的是姜酮(24.50%)。姜油树脂中的姜酚类物质在加热时会受热裂解,发生麦氏重排反应生成相应的醛类物质和姜酮[37],这也解释了在姜油树脂的气质检测中没有出现姜酚类物质的原因。在检测到的萜烯类化合物中,含量最高的是α-姜烯(17.47%),其次是β-柏木萜烯(9.68%)和α-法呢烯(7.49%)。含量在2%以上的物质还有β-防风根烯(4.06%)、柑橘酮(2.58%)和柠檬醛(2.57%)。除此以外,还检测到了α-蒎烯、β-金合欢烯、β-荜澄茄油烯、γ-榄香烯和α-松油醇等呈香物质。姜烯是一种倍半萜烯,带有姜油气息。β-柏木萜烯具有柏木香气,α-法呢烯呈木香和青香,柑橘酮具有柑橘的果香香气,柠檬醛具有柠檬香气,α-蒎烯具有松木和树脂香气[38]。这些物质的存在赋予了姜浓郁的芳香气味,对文冬姜风味的形成具有十分重要的意义。

对比可得,文冬姜和罗平小黄姜姜油树脂中相同的挥发性成分共29种。将两种姜油树脂中的主要萜烯类化合物进行对比,发现两种姜油树脂中含量最高的挥发性成分均为α-姜烯,但文冬姜姜油树脂中α-姜烯的相对含量(17.47%)低于罗平小黄姜姜油树脂中α-姜烯的相对含量(22.71%)。与罗平小黄姜相比,文冬姜姜油树脂中检测到的特有成分是柑橘酮(2.58%)、柠檬醛(2.57%)、苯甲醇(1.51%)、4,6-双(4-甲基-3-戊烯基)-6-甲基-1,3-环己二烯-1-甲醛(0.85%)香叶基芳樟醇(0.83%)、雪松醇(0.69%)、桉叶油醇(0.46%)、芳樟醇(0.40%)、香树烯(0.30%)、β-谷甾醇(0.29%)、表蓝桉醇(0.26%)和7-表-顺式倍半香桧烯水合物(0.26%)。α-松油醇、α-法呢烯和β-荜澄茄油烯在文冬姜姜油树脂中的相对含量比罗平小黄姜中的相对含量略高,β-柏木萜烯和环氧异香树烯在文冬姜中的相对含量比罗平小黄姜中的相对含量略低,其他物质的相对含量差异不大。

2.2.2α-姜烯含量分析 选用内标法对挥发油中含量最高的物质α-姜烯进行定量测定,结果如表6所示。

由表6可知,每克文冬姜姜油树脂中约含有87.14 mg的α-姜烯,这比罗平小黄姜姜油树脂中α-姜烯的含量约低18.37%。结合GC-MS定性分析的结果,得知文冬姜姜油树脂中的萜烯类化合物种类丰富,但α-姜烯的含量并不占优势。

表6 两种姜油树脂中α-姜烯的含量(mg/g)Table 6 Contents of α-zingiberene in Bentong ginger oleoresin and Luoping ginger oleoresin(mg/g)

2.3 姜辣素含量分析

2.3.1 标准曲线的制作 将不同浓度的混合标准品溶液进行高效液相色谱测定,其中一个浓度的对照品溶液的色谱图如图3所示。以峰面积为纵坐标(Y),对照品溶液浓度(μg/mL)为横坐标(X),绘制三种物质的标准曲线,得线性回归方程,具体结果见表7。

图3 对照品的高效液相色谱图Fig.3 Chromatogram of reference substance

由表7可知,6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚在40～4000 μg/mL的线性范围内回归效果较好,方程相关系数均大于0.999。

表7 6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的线性关系结果Table 7 Linear regression equation of 6-gingerol,8-gingerol and 10-gingerol

2.3.2 姜油树脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚含量的测定 分别对两种姜姜油树脂进行高效液相色谱测定,样品色谱图分别见图4和图5。

图4 文冬姜姜油树脂的高效液相色谱图Fig.4 Chromatogram of Bentong ginger oleoresin

图5 罗平小黄姜姜油树脂的高效液相色谱图Fig.5 Chromatogram of Luoping ginger oleoresin

采用外标法计算样品中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的浓度,结果如表8所示。

由表8可知,文冬姜中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的含量均比罗平小黄姜中高。文冬姜姜油树脂中6-姜酚的含量高达338.08 mg/g,约是罗平小黄姜的2.81倍;8-姜酚的含量为57.07 mg/g,约为罗平小黄姜的1.79倍;10-姜酚的含量为84.87 mg/g,约为罗平小黄姜的1.02倍。文冬姜姜油树脂中总姜酚的含量为480.02 mg/g,约为罗平小黄姜姜油树脂中总姜酚含量的2.04倍。综上所述,文冬姜中姜酚类物质的含量十分丰富,与罗平小黄姜相比具有明显的优势。姜酚类物质是姜辣素的主要成分,具有抗氧化、抗肿瘤、保护心肌等多项生理功能[39],因此文冬姜具有较高的潜在药用价值。

表8 两种姜油树脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的含量Table 8 Contents of 6-gingerol,8-gingerol and 10-gingerol in Bentong ginger oleoresin and Luoping ginger oleoresin

3 结论

采用国标方法对文冬姜中水分、蛋白质、脂肪、膳食纤维、氨基酸、矿物质和维生素等基本营养成分进行检测,并与中国食物成分表中罗平小黄姜的营养成分进行对比。结果显示,文冬姜中水分、灰分、蛋白质、氨基酸和维生素的含量与罗平小黄姜相近,脂肪和膳食纤维的含量比罗平小黄姜高,碳水化合物的含量比罗平小黄姜低。在矿物元素的检测中发现,文冬姜中含有十分丰富的微量元素,尤其以铁、锌、硒的含量最为突出。此外,文冬姜也含有十分丰富的钾元素。

采用超临界CO2萃取法提取文冬姜的姜油树脂进行功效成分的检测,并与国内营养价值较高的罗平小黄姜进行对比。用气相色谱-质谱法对文冬姜和罗平小黄姜姜油树脂的挥发性成分进行分析鉴定,在文冬姜姜油树脂中分离鉴定出42种化合物,在罗平小黄姜姜油树脂中分离鉴定出35种化合物。文冬姜姜油树脂中含量最高的是α-姜烯(17.47%),其次是β-柏木萜烯(9.68%)和(-法呢烯(7.49%)。与罗平小黄姜相比,文冬姜姜油树脂中检测到的特有成分是柑橘酮(2.58%)、柠檬醛(2.57%)、香叶基芳樟醇(0.83%)、雪松醇(0.69%)、桉叶油醇(0.46%)、芳樟醇(0.40%)、香树烯(0.30%)和表蓝桉醇(0.26%)。以γ-萜品烯为内标物质对姜油树脂中含量最高的特征性物质α-姜烯进行定量,发现文冬姜姜油树脂中α-姜烯的含量是87.14 mg/g,罗平小黄姜中α-姜烯的含量是103.15 mg/g。GC-MS的结果表明,与罗平小黄姜相比,文冬姜中α-姜烯的含量较低,但萜烯类化合物的种类丰富,姜的风味更加浓郁。

采用高效液相色谱法检测姜油树脂中三种姜酚类物质的含量,结果显示,文冬姜姜油树脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的含量分别为338.08、57.07和84.87 mg/g,是罗平小黄姜姜油树脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚含量的的2.81倍、1.79倍、1.02倍。姜酚类物质具有抗氧化、抗肿瘤等多种生理功能,是生姜中最主要的生物活性成分。文冬姜中姜酚类物质的含量十分丰富,与罗平小黄姜相比具有较高的食用价值和药用价值,有望用于保健食品或药品等深加工产品。