生姜精油的提取及GCMS分析

鹿浩志,刘敏轩,田亚亚,杨 茜,王向红

(河北农业大学食品科技学院,河北保定 071000)

生姜(ZingiberofficinaleRosc),姜科姜属植物姜的鲜嫩茎,是多年生草本植物[1],盛产于亚洲,在我国亚热带地区也广泛栽培,且产量巨大[2]。生姜是一种药食同源的香辛保健类植物[3],具有独特的芳香气味。既可以作为调味品添加到食品中用以改善其风味和感官品质,又可以作为传统的中药材对人体起到降血脂[4]、抗炎[5]、抗肿瘤[6]、抗氧化[7]等保健的功效。

生姜的味道和特征香气由非挥发性和挥发性化合物组成[8]。非挥发性的姜辣素是生姜中辣味物质的总称[9],挥发性的生姜精油代表了生姜独特的香气成分[10]。生姜精油独特的香气使其可作为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为天然保鲜剂延长食品的货架期[12],此外生姜精油丰富的化学成分组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-姜黄烯等化合物[15]。不同的生姜品种会导致生姜精油的主要成分存在差异,而提取方式的不同也会导致生姜精油主要成分和得率存在差异[16]。目前生姜精油的主要提取方法有:水蒸气蒸馏法[17]、溶剂浸提法[18]、超临界CO2萃取法[19]、压榨法[20]、分子蒸馏法[21],其中超临界CO2萃取法、溶剂浸提法和压榨法难以将挥发性的生姜精油与非挥发性的姜辣素成分有效分离,分子蒸馏法成本较高未能大规模使用[22],水蒸气蒸馏法具有操作简单、提取成本低的优点,并且提取物质全部为挥发性的生姜精油,不含有非挥发性的姜辣素类化合物。

我国是世界上生姜种植面积和生产总量最大的国家[23],但我国对生姜的综合利用和深加工程度低,产品仍以新鲜生姜和生姜干制品为主。生姜精油是生姜的主要活性物质之一,因其独特的香气和抗氧化抑菌特性,可广泛应用于食品加工贮藏保鲜[24]和化妆品工业中[25],增加生姜的产品附加值。本文采用水蒸气蒸馏法提取生姜精油并通过单因素和响应面试验确定了生姜精油的最佳提取工艺条件,通过GC-MS分析鉴定了生姜精油的化学成分,为增加生姜产品价值提供了实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜生姜 产地山东;无水硫酸钠 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;甲醇 色谱纯,迈瑞达公司。

GZX-9070MBZ型电热鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;JP-500C型高速多功能粉碎机 永康市久品工贸有限公司;KDM型可调控温电热套 山东鄄城华鲁电热仪器有限公司;CP114型电子天平 奥豪斯仪器有限公司;标准检验筛 浙江上虞市华丰五金仪器有限公司;5977A-5975C型气相色谱质谱联用仪 美国安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 生姜前处理 选取无病害的新鲜生姜,洗净后分为去皮和不去皮两组,切成3 mm左右薄片,在60 ℃电热鼓风干燥箱中烘6～8 h,及时翻动生姜薄片使其受热烘干均匀,用高速多功能粉碎机将烘干后的生姜薄片粉碎,过标准检验筛,置于干燥器中干燥备用。

1.2.2 生姜精油的提取 采用水蒸气蒸馏法提取生姜精油。精确称取50 g姜粉,置于2000 mL圆底蒸馏烧瓶中,加入一定量的蒸馏水,连接挥发油提取器与冷凝管,开启电热套开关进行水蒸气蒸馏提取生姜精油,经过一定时间的水蒸气蒸馏提取后关闭电热套,打开挥发油提取器旋塞收集生姜精油,经无水硫酸钠干燥后称重,计算生姜精油得率。

生姜精油得率(%)=(生姜精油质量/生姜粉质量)×100

1.2.3 生姜精油原料选取试验 分别选取粒度均一的姜肉生姜粉和全姜生姜粉，选取粉碎粒径120目、液料比25∶1、蒸馏时间140 min条件下采用水蒸气蒸馏法提取生姜精油,计算生姜精油得率。

1.2.4 单因素实验设计 生姜精油的各单因素梯度为:在蒸馏时间140 min、液料比25∶1条件下,粉碎粒径为60、90、120、150和180目;在粉碎粒径150目和蒸馏时间140 min条件下,液料比为15∶1、20∶1、25∶1、30∶1和35∶1;在粉碎粒径150目、液料比20∶1条件下,蒸馏时间为20、60、100、140和180 min,计算生姜精油得率。

1.2.5 响应面法优化生姜精油提取条件 在单因素实验的结果中选取较好的因素水平,采用Box-Behnken进行3因素3水平的试验设计,以生姜精油得率为响应值,进行响应面分析。并对试验数据进行多项式回归分析,建立二次回归模型,拟合得到二次回归方程。

表1 响应面试验设计因素水平编码Table 1 Design of response surface factors

1.2.6 GC-MS分析生姜精油的物质成分 生姜精油前处理:精确称取10 mg生姜精油,以甲醇为溶剂定容于10 mL容量瓶,过0.45 μm有机相微孔滤膜至气相进样瓶中。

GC条件:HP-INNOWAX毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);载气为He;流速为1 μL/min;时间间隔为1 s;进样量为1 μL;分流比为10∶1;进样口温度为250 ℃升温程序:起始温度70 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升温速率升至150 ℃,保持3 min,以0.5 ℃/min升温速率升至154 ℃,保持2 min,最后以25 ℃/min升温速率升至240 ℃,保持4 min。

MS条件:电喷雾离子源(ESI);电离能为70 eV;接口温度为250 ℃;离子源温度为230 ℃;扫描范围m/z 45～550。

1.2.7 生姜精油物质成分的定性与定量分析 采用气质联用仪中的NIST14谱库,自动检索分析组分的质谱数据,并对全部检索结果参考有关标准图谱和相关文献进行核对和补充,采用色谱峰面积归一化法,计算各组分的相对百分含量。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0软件对生姜精油得率进行数据方差分析,Origin 2017软件作图,Design-Expert响应面分析软件对生姜精油提取的相关因素做出响应面优化。

2 结果与分析

2.1 水蒸气蒸馏法提取生姜精油原料选取试验结果

姜肉生姜精油和全姜生姜精油的得率如表2所示。

表2 原料选取对生姜精油提取效果的影响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层组织含量较为丰富,去除表皮层会导致部分生姜精油的损失[26],因此选取全姜生姜粉做为原料进行后续试验。

2.2 单因素实验结果

2.2.1 粉碎粒径对生姜精油提取效果的影响 由图1可知,随着高速多功能粉碎机对烘干姜片粉碎程度的增大,生姜精油的得率呈现明显上升的趋势。当粉碎粒径达到150目后,生姜精油的得率趋于平缓,说明生姜粉中的挥发性油分已经提取较为完全。通过方差分析得出粉碎粒径为150目与180目生姜粉的生姜精油得率无显著性差异,而随着粉碎程度的增强所得生姜粉出现轻微粘结现象会导致通过标准检验筛的难度增大,并且会增加生姜精油的提取成本,因此选取粉碎粒径150目为较好水平进行后续实验。

图1 粉碎粒径对生姜精油提取效果的影响Fig.1 Effect of mesh on ginger essential oil extraction rate

2.2.2 液料比对生姜精油提取效果的影响 由图2可知,随着液料比的逐渐增大,生姜精油的得率呈现先增大后减小的变化趋势,在液料比为20∶1时生姜精油得率达到最大值。在生姜中,生姜淀粉的含量占生姜干重的40%～50%[22],淀粉吸水后体积膨胀数十倍,随着水蒸气蒸馏的温度升高淀粉糊化,使得生姜水溶液变成具有黏性的糊状溶液,因此阻碍了部分生姜精油的挥发。当液料比为20∶1时生姜粉与水的比例较为适宜,因此体现出了最高的生姜精油得率。随着液料比的逐渐增大,蒸馏时间会相应增长,生姜精油得率降低,因此选取液料比20∶1为较好水平进行后续实验。

图2 液料比对生姜精油提取效果的影响Fig.2 Effect of liquid feed ratio on ginger essential oil extraction rate

2.2.3 蒸馏时间对生姜精油提取效果的影响 由图3可知,随着蒸馏时间对逐渐延长,生姜精油的得率迅速增长并逐渐趋于平缓。在20～100 min,生姜精油得率增长迅速,而超过100 min继续进行水蒸气蒸馏提取,生姜精油得率缓慢增长趋于不变,说明生姜精油已经提取较为完全。增加蒸馏时间会提高生姜精油的提取成本,因此确定了蒸馏时间100 min为最佳蒸馏时间。

图3 蒸馏时间对生姜精油提取效果的影响Fig.3 Effect of hydrodistillation time on ginger essential oil extraction rate

2.3 响应面法优化生姜精油提取条件试验结果

根据单因素实验结果确定粉碎粒径、液料比、蒸馏时间作为优化因素,采用Box-Behnken设计,以生姜精油得率为衡量指标,进行3因素3水平的响应面分析,因素水平如表2所示,试验结果如表3所示。

表3 响应面设计试验结果Table 3 Experimental results of response surface design

对试验数据进行多项拟合回归,以生姜精油得率(Y)为因变量,粉碎粒径(A),液料比(B)和蒸馏时间(C)3因素为自变量,建立回归方程如下:

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,该模型p<0.0001,失拟项p>0.0736,说明模型可用。决定系数R2=99.51%,说明该响应值的变化中有99.51%源于所选因素。因素A、B、C、D对响应值影响极显著(p<0.01),交互作用AB、BC对响应值有极显著(p<0.01)影响，AC不显著，A2、B2、C2有极显著(p<0.01)影响。回归方程中一次项的系数和因素粉碎粒径(A)、液料比(B)、蒸馏时间(C)的平方项系数都比较大,说明3个因素对响应值的影响不是一般的线性关系;同时方程中的交互项AB和BC的系数较大,说明A、B之间,B、C之间有一定的交互作用。

表4 模型的显著性检验与方差分析Table 4 Significance test and analysis of variance of the model

通过Design expert软件处理回归方程,根据回归分析结果做出相应的响应曲面图如图4～图6。

图4 粉碎粒径与液料比对生姜精油得率影响的响应面图Fig.4 Response surface polt of interaction between mesh and liquid feed ratio on ginger essential oil extraction rate

图5 粉碎粒径与蒸馏时间对生姜精油得率影响的响应面图Fig.5 Response surface polt of interaction between mesh and hydrodistillation time on ginger essential oil extraction rate

图6 液料比与蒸馏时间对生姜精油得率影响的响应面图Fig.6 Response surface polt of interaction between liquid feed ratio and hydrodistillation time on ginger essential oil extraction rate

由图6可以确定,粉碎粒径(A)、液料比(B)和蒸馏时间(C)3因素对生姜精油得率的影响,响应曲面图可以直接反映出各因子对响应值的影响大小。由方差分析结果和响应曲面图可以看出粉碎粒径、液料比和蒸馏时间对生姜精油的提取效果影响较为显著;粉碎粒径和液料比、液料比和蒸馏时间的交互作用对生姜精油得率的影响较为显著。

2.4 最优条件与验证试验

模型预测的最佳生姜精油提取条件为:粉碎粒径163.39目,液料比19.23∶1 mL/g,蒸馏时间117.43 min,预测生姜精油的得率为2.03%。考虑到试验的可操作性,选择粉碎粒径160目,液料比19∶1 mL/g,蒸馏时间118 min,重复3次试验所得的实际生姜精油得率为2.09%±0.01%,与响应面模型预测值相对误差为2.96%,误差较小,在允许范围之内,说明该工艺条件下模型预测值与实际情况拟合较好,预测所得工艺条件可行。

2.5 生姜精油GC-MS物质成分分析

生姜精油是主要化学组成成分如表5所示。生姜精油经GC-MS分析与NIST14谱库进行比对,选取了相似度90%及以上的物质进行了定性,共鉴定出56种化合物。在鉴定出的56种化合物种,烯类化合物的含量最高共39种,占总峰面积的88.25%;醇类物质10种,占总峰面积的5.83%;醛类物质3种,占总峰面积的5.13%;烷烃类物质1种,占总峰面积的0.50%;酯类物质2种,占总峰面积的0.21%;酮类物质1种,占总峰面积的0.08%。烯类物质是生姜精油最主要的一类组成成分,含量较高的物质成分为:α-姜烯(34.70%)、β-倍半水芹烯(12.25%)、β-红没药烯(7.04%)、α-法尼烯(7.00%)、α-姜黄烯(6.40%),这与Mesomo等[27]的研究较为一致。Brum等[28]的研究中生姜精油的主要成分为柠檬醛,其含量占总物质成分的41.1%,而在本研究中柠檬醛的含量仅为3.21%,这可能是由生姜的品种、生长环境、成熟度等因素差异所导致。

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

续表

3 结论

生姜精油是生姜的主要功能性成分之一,采用水蒸气蒸馏提取生姜精油操作简便且成本较低,生姜的姜皮中含有较多的精油成分,生姜去皮后会导致精油成分的损失,相同条件下全姜精油的得率要高于姜肉精油的得率。通过单因素实验、方差显著性分析,响应面Box-Behnken试验设计,得到生姜精油提取的最佳工艺为:粉碎粒径160目,液料比19∶1 mL/g,蒸馏时间118 min,在此条件下生姜精油的得率为2.09%±0.01%,生姜精油通过GC-MS分析鉴定出56种化合物,其主要成分为α-姜烯(34.70%)、β-倍半水芹烯(12.25%)、β-红没药烯(7.04%)、α-法尼烯(7.00%)、α-姜黄烯(6.40%)。本文为生姜的综合与深加工提供理论基础,有利于生姜精油在食品、药品及化妆品行业的应用。