生姜中姜辣素的功能性及其应用研究进展

孙 璐，赵晓燕，朱运平，张晓伟，刘红开，朱海涛

（1.济南大学 烹饪学院 食品科学与营养系，山东济南 250022；2.北京工商大学 食品与健康学院，北京 100048）

生姜在我国南方地区和部分北方地区种植面积较大[1]，因种植地区的不同，且土壤以及温度等方面有所差异，使生姜的品种多样且大小不同[2]。根据古方记载不同品种的生姜加工后，所发挥的主要功效也不同。例如，南方地区所产的小姜，利用其纤维少的特点腌制成咸菜，具有健脾开胃、解表驱寒的功效；秋后收获的老姜可与红糖制作成姜糖水，具有补气血、暖宫的功效；北方地区所产的生姜，因为纤维多、体格大，所以切片烘干制成干姜，具有温肺止咳、回阳通脉的功效，或者制成炮姜有止痛驱寒、温煦经络的功效。据此得出，生姜在古代有较高的医药、食用价值，而广泛种植带来较好的经济效益，一定程度上促进农业经济的发展。

现代研究发现，生姜的根茎中含有丰富的营养物质，由一百多种化学组分构成，而姜辣素作为生姜中含量较多的成分之一，具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎及抗血脂的药理作用，其功能性加以利用可以广泛应用于食材保鲜、护肤品消炎祛痘、提高药物疗效。综上所述，姜辣素与生姜的药效、食用价值都有密不可分的关系，具有较高的研究价值。

1 姜辣素的概述

1.1 姜辣素的结构和种类

人们研究姜辣素的组成物质已有140多年的历史。1879年姜中的辣味物质首次被Thresh分离出来，命名为姜酚，随后Lapworth与Wykes在实验中将姜酚水解成姜酮，确定了姜酚的结构，1917—1918年Nomuea确定了生姜中姜酮的化学结构并且从生姜中分离出姜烯酚，经过十年研究，Nomuea与Tsurami合成了姜烯酚并且在实验研究中验证得到姜烯酚的化学结构式，1969年Connell和Sutherland得出姜酚是类似化合物4-姜酚、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、12-姜酚组成的，其中6-姜酚为主要活性成分[3-4]。

经过一系列的研究，得出姜辣素是由多种物质构成的混合物，决定生姜的辣度和风味，其结构复杂但都含有3-甲氧基-4-羟基苯基官能团[5]，根据其官能团连接的烃链不同，可分为姜酚类、姜烯酚类、姜酮、姜二酮类和姜二醇类等不同类型（如图1）。

图1 姜辣素组分化学结构式

1.2 姜辣素的分离提取方法

1.2.1 姜辣素的提取方法

生姜中姜辣素常用的提取方法包括压榨法、有机溶剂提取法、分子蒸馏法、酶解法、超声波提取法、微波辅助提取法、超临界CO2萃取法等。由表1可以看出，各提取方法的提取原理和优缺点比较。

压榨法得到的是姜辣素粗提液，需要进一步工艺纯化分离，有机溶剂浸提法是各个提取方法的基础且工艺最为成熟，目前采用C2H6O、CH3OH、C4H10O、CH3COCH3等极性较大的溶剂，其中C2H6O浓度为72%、浸提温度54 ℃、料液比0.017 g/mL姜辣素得率高达0.94%[7]。采用甲醇溶液浸提姜辣素，总提取率为0.595%±0.031%，而采用微波辅助法与甲醇浸提相结合的总提取率为0.716%±0.051%，得率为0.673%±0.043%，相比较得出离子液体-微波辅助法（ILMAE）缩短了30 min的时间来从生姜中提取生姜醇，并且提高了得率[8]。

频率的大小显著影响超声波辅助提取法的提取率，经过研究对比后得出高频（800 kHz）声表面波的浓度和回收率是低频（28 kHz）声表面波的2.69倍[9]，最佳提取工艺条件为超声功率231 W、15 min、80 ℃、物料粉碎度60～80目、料液比0.04 g/mL，在此条件下姜辣素的含量达到6.896%[10]。酶解法辅助提取姜辣素得率（6.2%～6.3%）高于普通溶剂提取得率（5.5%），并且多酚经纤维素酶预处理后的生姜乙醇提取物含量最高（37.5 mg/g），该方法使多酚类的提取率显著提高[11-12]。

表1 姜辣素提取方法

水蒸汽蒸馏法和乙醇渗漉提取法的提取率较低于超临界CO2萃取法[13]，最佳操作参数为：CO2流速31 L/h、压力25 MPa、42 ℃，在此条件下姜辣素的提取率可达到1.85%[14]。采用超临界CO2萃取法与乙醇水溶液结合进行连续液-液萃取[15]，不仅有效去除姜油树脂中杂质，而且缩短分离纯化时间，得到姜辣素和6-姜酚含量均高的液体姜辣素，为姜辣素提取提供一种有效的新工艺路线。

1.2.2 姜辣素的分离方法

姜辣素的组分复杂且极性不同，由于地理环境和气候温差等因素造成姜辣素各组分的含量不同，可根据这些特点采用不同的分离方法（如表2）。选用适合得分离方法提取不同组分，例如采用分子蒸馏法将姜辣素与萜类组分进行分离纯化，测定得出姜酚的纯度为86.31%[5]。含有姜烯酚类较多的姜辣素选用非极性大孔吸附树脂吸附效果较好，测定得出姜辣素的纯度为56.4%[16]，而酚类物质属于弱极性，选用柱层析最先洗脱分离出来[3]，姜辣素的纯度可以达到 53.6%[17]。在工业化生产中，大孔吸附树脂和干柱层析使用较多，高速逆流色谱和高效液相色谱适用于实验室研究。

表2 姜辣素分离方法

1.3 姜辣素的检测方法

姜辣素的组分通常选用薄层色谱法（TLC）、高效液相色谱法（HPLG）、气相色谱（GC）以及气相色谱-质谱联用法（GC-MS）分析等方法进行测定[20]，其中姜辣素的组分中以姜酚为主，因此以姜酚的含量来预估姜辣素的纯度，但是姜酚受热不稳定，易氧化，易发生逆羟醛缩合降解，在贮存、加工以及测定的过程中，姜酚可脱水转化为姜烯酚，上述测定方法缺乏标准对照品，这一定程度上增加了检测难度。在张文焕的实验中[21]，采用超高效液相色谱，串联质谱（UHPLC-MS/MS）定性定量的分析方法，并对该方法进行了优化，有效检测出6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚、8-姜烯酚、10-姜烯酚等重要组分的含量，建议以此方法作为姜辣素纯度的判定，可减少误差值提高检测的准确性。国外学者认为姜酚类与姜烯酚类在一定条件下可转换[22]，为进一步探究其变化提供新的研究思路。

2 姜辣素的功能及作用机制

2.1 抗肿瘤

姜辣素具有细胞毒性，且通过诱导癌细胞凋亡从而抑制了癌细胞的生长，在抑制乳腺癌、结肠癌、宫颈癌和肺癌[23-26]方面有显著效果，其中姜辣素中的10-姜酚和8-姜酚抑制三阴性乳腺癌的效果高于6-姜酚[23]，而6-姜酚作为细胞外调节蛋白激酶（ERK1/2）或c-Jun氨基末端裂原活化蛋白激酶（JNKMAP）的抑制剂，通过下调佛波酯（PMA）诱导引起的ERK1/2磷酸化，以及JNK MAP激酶和激活蛋白1（AP-1）转录因子的活化作用，从而抑制癌细胞的增殖，6-姜烯酚通过上调E6靶蛋白1（E6TP1）和下调甘丙肽及甘丙肽受体2m RNA的表达，有效抑制宫颈癌神经周浸润（PNI）的发生。此外，在姚静静等[26]的实验中证明，6-姜辣素对信号通路有调节作用，能够将M2巨噬细胞重编程为M1巨噬细胞，抑制肿瘤的生长和转移，从而防治肺癌。在李利萍的实验中[27]进一步证实，通过调节蛋白表达水平从而引起黑色素瘤细胞内质网应激的发生，其分子机制可能是激活肌醇激酶1/c-Jun氨基末端激酶（IRE1/JNK）内质网应激信号通路。综上所述表明姜辣素是通过调整多种基因蛋白，从而抑制癌细胞生长达到抗癌效果，可将其作为预防癌症疾病的有效成分。由于姜辣素良好的止呕作用，可进一步与抗癌药物联合使用，提高药物疗效、减少化疗所产生的不良反应和降低药物毒性。

2.2 抗氧化

人体所产生的自由基是导致疾病、衰老的主要原因，抗氧化物质可以有效减少或者清除部分自由基，除自身合成抗氧化物质，还可以从食物中获取，而生姜中的辣味成分提取物具有1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除作用和超氧阴离子清除作用，其中姜辣素的清除效果较好。经研究发现，6-姜酚可减少棒曲霉素（PAT）引起人肝癌细胞（Hep G2）内活性氧（ROS）水平的升高以及减少8-羟基脱氧鸟苷的生成，同时升高谷胱甘肽的含量，从而证明6-姜酚具有抗氧化作用[28]。姜辣素的抗氧化性与侧链结构、反应介质和底物有关[29]，从链长6个碳延长到12个碳，显著降低DNA链的断裂，增强其抗溶血活性，因此得出10-姜酚的抗氧化性较强。姜辣素中的姜酚粗提物可显著增加离体血清和肝匀浆超氧化物歧化酶（SOD）活力，可明显减少体血清中丙二醛（MDA）脂质过氧化物含量，从而提高机体总抗氧活性。这种抗氧化作用在保护肝损伤及防治脑缺血灌注损伤等方面呈现积极意义，可适当添加到保健药品中，提高预防疾病的同时也改善保健药品的风味。

2.3 抗炎

生姜广泛用于治疗妊娠引发的恶心、胃痛、腹泻、牙痛、牙龈炎、关节炎和哮喘呼吸系统疾病。许多实验室研究生姜与炎症之间关系，发现生姜通过环氧合酶和脂氧合酶两个途径抑制花生四烯酸（ARA）的代谢，从而抑制在炎症部位合成和分泌的细胞因子与趋化因子基因的诱导，而姜的大部分活性都被归因于6-姜酚，通过实验证明具有抗氧化活性，促进血管生成，调节蛋白激酶磷酸水平以及抑制巨噬细胞促炎性细胞因子的产生[30]，从而发挥抗炎的作用。在Ahui[31]的实验中，表面纯化的6-姜酚部分单独使用与总提取物具有相同的抗炎活性，在李冰[32]进一步的实验中，在给药后的细胞中肿瘤坏死因子（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）炎症因子减少，环磷酸腺苷（cAMP）显著增加，其抗炎机制可能是通过抑制磷酸二酯酶4（PDE4）蛋白表达，从而抑制cAMP水解，从而产生抗炎作用。可按照上述方法进一步探究姜辣素中其余组分的抗炎性以及探究其分子机制的变化规律。

2.4 降血脂

近年来，随着生活水平提高，高血脂和非酒精性脂肪肝的患者呈逐年递增趋势，除药物控制研究外，从食材中提取有效成分降低血脂也是研究的热点，生姜是疏肝利胆的中药，可促进胆固醇代谢，具有降血脂的作用。姜辣素作为生姜的主要活性成分，在降血脂方面有较高的生物活性，能明显改善成年啮齿动物的脂质代谢异常。通过建立非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）模型[33]，选用自然衰老的大鼠，发现姜辣素降血脂的分子机制是通过增加脂肪酸β-氧化从而减少脂肪生成，升高过氧化物酶体增殖剂激活受体（PPARα）及其下游靶基因肉碱棕榈酰转移酶（CPT1α）的表达，抑制二酰基甘油酰基转移酶（DGAT-2）表达，减少甘油三酯（TG）合成，改善肝脏脂质沉积从而治疗老年性脂肪肝[34]。采用不同浓度的姜辣素治疗饮食肥胖的大鼠30 d，发现大鼠体内葡萄糖水平、胰岛素、脂肪酶血浆、瘦素、体质量和组织脂质显著降低，这些下降程度与姜辣素的浓度成正比[35]。通过上述研究表明，姜辣素可作为新型辅助治疗高血脂以及肥胖疾病的有效成分，进一步提高天然提取物在治疗疾病方面的应用。

3 姜辣素的应用

3.1 在食品中的应用

生姜自古以来就在人们生活中发挥不可缺少的作用，可作为食材、调味品以及药材。经过现代研究表明，姜辣素具有良好的抑菌特性和抗氧化性，在食品加工中应用前景广泛，例如芒果糖片的加工中加入姜辣素后[36]，减少芒果片的糖和水分的损失，多步优化后减少芒果中存在的天然生物活性化合物的损失，提高整体感官分数且颜色差异较小，使芒果糖片的营养和功能品质得到大幅度改善。在果蔬饮料加工中加入姜辣素，充分发挥其良好功能特性，改善果蔬汁存放时间较短的缺点，延长饮料的货架存放期，同时减少人工防腐保鲜剂的加入。除此之外可以将提取出的姜辣素直接放入馅料中，作为调味料均匀入味，放入鱼类等海鲜食品中可增加去腥效果，并有效避免在食用过程中姜粗颗粒的存在影响口感，可以有效的减少脂质氧化，从而延长鱼片的储存期[37]。在腌制肉制品中，不仅可以清除含有的亚硝酸盐，还可以有效保持肉糜亮度[38]。

3.2 在医药保健中的应用

生姜在《太平圣惠方》《神农本草经》《伤寒杂病论》中均有记载，食疗处方单广为流传，可见其药理作用效果显著[39]，而姜辣素作为生姜中主要活性物质之一，具有抗癌、抗炎和抗血脂等特性，利用这些特性可提高治疗癌症药物的疗效，有效抑制肿瘤细胞活性，降低癌症的发病率。通过建立2，2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二盐酸盐（AAPH）脂质体诱导的呕吐模型，姜辣素中的姜酚类物质有效改善消化道疾病引起的呕吐，抑制率可高达85%左右[18]，同时也可缓解化疗患者恶性肿瘤引起的呕吐现象，可作为止吐的新型药物。在防治鱼类的多丝虫病中，姜辣素可替代药剂，10-姜辣素浓度为4 mg/L时可保护健康鱼类不受多丝状体寄生虫感染，浓度为2 mg/L的10-姜辣素显著降低草鱼的感染率和平均感染强度，提高草鱼的成活率[40]。

3.3 在化妆品中的应用

姜辣素常与生姜中的其他成分应用于化妆品领域，在洗发水中，添加富含姜辣素的姜汁可有效清除头皮中的污垢和抑菌头皮细菌生长，具有良好的稳固发根和防止脱发的效果[41-43]。在护肤品中，姜辣素不仅起到抗皮肤氧化的作用，还可以有效清除面部肌肤的油脂和抑制细菌生长，减少了油豆的出现，含有姜辣素的面膜，可以起到消炎祛痘和镇定肌肤的作用。

4 姜辣素应用存在的问题

姜辣素以特有的风味以及疗效应用于各领域中，深受消费者喜爱，具有广阔的应用前景，但在加工成品应用中还存在一些问题。在食品领域中，因姜辣素所含有的酚类物质化学性质极不稳定，所以在果蔬饮料加工中易与淀粉、蛋白质等生物大分子结合产生沉淀，造成饮料澄清效果差，进而降低产品品质，可考虑添加适当澄清方法改善这一问题。在医药品领域中，由于生姜产地不同，导致姜辣素的组分含量不一样，大量提取导致生姜原材料不必要的浪费，可根据相应疗效效果需求，选择组分含量较高的生姜原料提取。在化妆品行业中，因姜辣素具有一定的刺激性且不同人群肌肤的角质层不同，所以最佳添加量根据不同肤质可做进一步的研究。

5 结论展望

姜辣素作为生姜中的重要组成成分，由于其较好的医药疗效和保健功能，在生活中越来越受人们的青睐，其研究及应用将显现巨大的潜在价值。目前姜辣素的提取方法较多，可根据姜辣素的具体应用，趋利避害的选择合适的提取方法，但是在生产加工中还面临很多有待解决的问题。如姜辣素的组成部分较为复杂，增加了分离的难度，而在分离过程中，有机溶剂的残留需多次处理，一定程度上破坏了姜辣素并且增加生产成本。由于酚类物质的不稳定性，姜辣素测定存在差异且缺乏标准对照组，阻碍研究进展。改进上述问题，优化提取分离方案，有助于姜辣素扩大在食品、医药、化妆品的应用。其次姜辣素的抗氧化、抗癌、抗炎和抗血脂等功能性效果显著，但目前其作用机理尚未完全明确，我们需要进一步探索姜辣素与相关疾病之间的分子机制，证明姜辣素在治疗和预防疾病的作用机理，为今后姜辣素作为辅助药物治疗疾病奠定基础，为预防某些相关疾病提供理论依据。