不同提取工艺对生姜提取物及化学组成的影响

朱艺佳，唐泽群，陈可可，杨秀群，田弋夫，余德顺*

1(贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳，550025)2(中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室， 超临界流体技术研究中心，贵州 贵阳，550081)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是姜科姜属植物的根茎，广泛作为食品调味品的同时还是重要的中药材，是一种非常典型的药食两用植物，《中国药典》2020版(一部)中收录有生姜、干姜、炮姜，姜炭4个品名，其炮制品制作工艺不同，在功能方面也有所不同。生姜中营养成分很多，目前研究得最多且重要生姜提取物是挥发性及脂溶性的姜精油、姜油和姜油树脂[1-2]。从生姜中提取姜精油、姜油及姜油树脂的最主要工艺技术有传统的水蒸汽蒸馏法[3-4]、溶剂法[5]以及超临界CO2提取法[6-7]，将水蒸气蒸馏法与溶剂萃取2个过程结合的同时萃取蒸馏法[8-9]也有一些研究报道。不同生姜提取工艺得到的姜精油、姜油和姜油树脂提取产物在外观形态和化学成分组成上有一定差异，GC-MS和HPLC法是对这些提取物化学成分组成应用最多的分析方法，王颖[10]对水蒸气蒸馏法提取不同产地鲜姜精油用GC-MS分析其成分，裴亚萍[11]用GC-MS分析比较了用超临界CO2法和水蒸气蒸馏法提取山东大姜产物的香气成分，于大胜等[12]对水蒸气蒸馏法、有机溶剂浸提法和超临界CO2萃取法提取得到的生姜中风味物质进行了分析比较；除风味物质外，姜油和姜油树脂中最重要的生物活性成分是以6-姜酚为主的系列化合物[13-14]，对其的分析测定均以HPLC法对6-姜酚的定量分析为主[1,15-16]。包括上述研究在内，已有文献研究大都对生姜的单一提取工艺或2种提取工艺进行分析比较，如文献[12]虽然研究了3种不同提取工艺，但主要是用GC-MS从风味物质角度进行分析比较，且不同研究文献之间由于采用的生姜原料不同也不足以充分比较论证各种提取工艺对生姜挥发性及生物活性成分进行提取的特点。本研究对产自同一地的生姜用不同提取工艺进行提取分离，对得到的各类姜精油、姜油及姜油树脂同时采用GC-MS和HPLC法对提取物化学组成和其中主要生物活性成分进行定性、定量检测及分析比较，并结合相关提取工艺技术进行了讨论。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生姜产于贵州省水城县中科院扶贫项目示范种植地，系贵州当地小黄姜品系。生姜经清洗、切片后，80 ℃干燥至水分含量≤10%，粉碎过40目筛后密封包装贮存于4 ℃冰柜中备用。CO2气体，贵州申建气体股份有限公司(食品级，纯度≥99.5%)。其余试剂均为分析纯，实验用水均为超纯水。

对照品：6-姜酚、6-姜醇、8-姜酚及10-姜酚购自成都德斯特生物技术有限公司，纯度均≥99%(HPLC)。

1.2 仪器与设备

实验室水蒸气蒸馏提取挥发油标准玻璃仪器；SFE HA 120-40-0.5超临界CO2萃取装置，江苏南通华安超临界萃取有限公司；FW 100高速万能粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司；BZF 50真空干燥箱，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；GZX-GF 101-3-BS-Ⅱ热风干燥箱，上海贺德实验设备有限公司；RE-2000 A旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；DHS-16 A水分测定仪，宁波力辰科技；1260 HPLC、9000-7000 D GC-MS，美国安捷伦仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 姜精油的水蒸气蒸馏

参照文献[17]进行，投入50 g 1.1中所述姜粉，提取完成分出精油部分，无水硫酸钠干燥，得浅黄色油状流动性良好液体为水蒸气蒸馏姜精油，称重并计算收率为0.86%。

1.3.2 姜油的溶剂法提取

参照文献[18]进行，在250 mL烧杯中投入10 g 1.1中所述姜粉，加入固液比为1∶10(g∶mL)的80%(体积分数)乙醇溶液，于50 ℃恒温水浴中不时搅拌下温浸提取2 h，提取完成后真空抽滤，所得溶液低温真空旋转挥发去乙醇，无水硫酸钠干燥，得黄色至综黄色油状液体为乙醇溶剂姜油，称重并计算收率为3.56%。

1.3.3 姜油、姜精油及姜油树脂的超临界CO2萃取

参照专利[19]进行：(1)姜油的提取：在萃取釜中投入8 kg 40目姜粉，萃取压力30 MPa，萃取温度不变，萃取时间110 min，在分离釜中一次性得到姜油；(2)姜精油和姜油树脂的一次性选择提取：在萃取釜中投入8 kg 40目姜粉，萃取压力10 MPa，萃取温度50 ℃，萃取时间50 min后在分离Ⅱ中得到姜精油；姜油树脂在萃取完姜精油后调整萃取压力至30 MPa，萃取温度不变，继续萃取60 min，在分离Ⅰ中得到姜油树脂；以上分离釜温度均为50 ℃，分离压力均为5 MPa，CO2流量均为15 L/h。以上各提取物均用无水硫酸钠干燥后，得到黄色至棕黄色具流动性油状液体的姜油、黄色流动性良好姜精油和棕黄色流动性较差姜油树脂，称重并计算收率分别为：超临界CO2姜油为4.78%，超临界CO2姜精油部分为1.27%，超临界CO2姜油树脂部分为3.39%。

1.4 GC-MS仪器条件及方法

1.4.1 气相色谱

色谱柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；载气为高纯He 0.8 mL/min；柱箱温度为程序升温，即75 ℃保持1 min；75～150 ℃，2 ℃/min；150～280 ℃，5 ℃/min，继续保持5 min；进样方式为进样口260 ℃，分流比100∶1，直接进样，进样量1 μL。

1.4.2 质谱

离子源温度230 ℃；MS传输线260 ℃；扫描范围10～800 amu。

1.4.3 计算及图谱检测方法

软件Masshunter；谱库NIST MS Search 2.2。

1.5 HPLC仪器条件及方法

1.5.1 仪器条件

色谱柱Diamonsil C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流动相乙腈(A)～水(B)，程序梯度变化(体积比)为0 min，55%A；0～6 min，55%A～80%A；30～35 min，80%A～90%A，35～40 min，90%A～55%A；柱温30 ℃；流速1.0 mL/min；波长280 nm；进样量10 μL。

1.5.2 样品前处理及姜酚类物质测定

参照文献[20]测定。

2 结果与分析

2.1 GC-MS总离子流色谱图及化学组成分析

不同提取工艺下所得提取物的GC-MS分析总离子流色谱图和化学组成的归一化法分析结果分别如图1和表1所示。GC-MS共检出50种化合物，其中百分含量最高的是α-姜烯，除超临界CO2姜油树脂外，其余4种提取物中α-姜烯都在30%以上；对提取物中21种相对百分含量1%以上的主要化学成分进行统计，其占全部检出化合物的比例分别为水蒸气蒸馏法姜精油90.5%、超临界CO2姜精油89.24%、乙醇溶剂法姜油92.12%、超临界CO2姜油91.29%及超临界CO2姜油树脂91.84%。生姜中重要生物活性化合物6-姜酚在超临界CO2姜油树脂中含量最高，水蒸气蒸馏法姜精油中含量最低，由6-姜酚脱水转化生成的另一种生物活性化合物6-姜醇[21]同样也是在超临界CO2姜油树脂中最高，水蒸气蒸馏姜精油中则未检出。

a-超临界CO2姜油；b-水蒸气蒸馏法姜精油；c-乙醇溶剂姜油；d-超临界CO2姜精油；e-超临界CO2姜油树脂(表1同)图1 不同提取工艺提取物的GC-MS总离子流色谱图Fig.1 GC-MS total ion chromatograms of products under different extraction processes

表1 不同提取工艺提取物的GC-MS化学组成分析结果Table 1 GC-MS chemical composition analysis results of extracts from different extraction processes

续表1

由5种提取物GC-MS总离子流色谱图(图1)和21个主要化合物百分含量比较图(图2)可知，水蒸气蒸馏法姜精油和超临界CO2姜精油、超临界CO2姜油与乙醇溶剂姜油分别较为相似，超临界CO2姜油树脂则与前4种差异较大，这主要是由于各提取工艺的原理及参数有所不同。由表1还可看出，分子质量大于156小于222的化合物中除姜酮外，超临界CO2姜精油中含量均高于姜油树脂，而分子质量大于222的化合物中，超临界CO2姜精油中含量均小于姜油树脂，显示通过改变超临界CO2萃取压力可以实现一定程度选择性分离，分别得到分子质量较小沸点较低与水蒸气蒸馏法姜精油较为接近的超临界CO2姜精油和富含姜酚类化合物的姜油树脂，这种明显的选择性分离效果也可从图2-c看出。

a-水蒸气蒸馏姜精油和超临界CO2姜精油的比较；b-乙醇溶剂姜油和超临界CO2姜油的比较；c-超临界CO2姜油、 姜精油和姜油树脂的比较图2 不同提取工艺5种提取物中21个主要化合物百分含量比较Fig.2 Comparison of the percentages of 21 main compounds in 5 extracts of different extraction processes

2.2 HPLC色谱图及定量分析结果

标准品及不同提取方法所得提取物样品姜酚类化合物的HPLC分析色谱图及定量检测结果分别如图3和表2所示。

a-标准品；b-超临界CO2姜油；c-水蒸气蒸馏姜精油；d-乙醇溶剂姜油；e-超临界CO2姜精油；f-超临界CO2图3 标准品及不同提取工艺提取物HPLC图Fig.3 HPLC chromatograms of standard products and extracts from different extraction processes

表2 不同提取方法所得提取物样品姜酚类物质测定结果 单位：mg/g

由表2可知不同工艺得到的5种提取物中姜酚类物质含量水蒸气蒸馏姜精油和超临界CO2姜精油、超临界CO2姜油与乙醇溶剂姜油较接近，超临界CO2姜油树脂中含量最高，尤其与同时得到的超临界CO2精油相比，显示通过改变超临界CO2提取工艺条件参数可以进行姜酚类物质的选择性分离富集。超临界CO2提取是根据在不同提取压力、温度条件时超临界CO2流体密度不同，对被提取物的溶解度能力不同来进行提取分离的，其中压力影响最大[22]，随着压力增大，超临界CO2密度增大，溶解能力增强，通过改变提取过程的压力可以对提取物进行一定程度选择性提取[23-24]。本研究在较低超临界CO2萃取压力下提取得到生姜中化学组成通常为无极性或极性较小、挥发性较强的超临界CO2姜精油，然后通过升高萃取压力，也即增加超临界CO2的溶解能力，将有一定极性且挥发性弱分子质量较大化学组成的姜油树脂进一步提取出来，也即通过改变萃取压力进行选择性一次提取分离，分别得到超临界CO2姜精油和富集6-姜酚的超临界CO2姜油树脂2种提取物。

3 结论

分别采用水蒸气蒸馏法、有机溶剂法以及3种超临界CO2提取工艺对同一种植产地同品系生姜中的挥发性及脂溶性成分进行了提取分离，得到不同提取工艺下5种提取物，对这些提取物中的化学组成以及重要生物活性成分姜酚类化合物分别进行了GC-MS定性、归一化法及用标准品的HPLC定量分析表征，结果表明：

(1)水蒸气蒸馏法得到的挥发性姜精油收率最低，超临界CO2提取法得到的姜油收率最高，其次为乙醇溶剂法所得姜油，在超临界CO2选择性提取中可以一次性分别得到姜精油和姜油树脂，姜油树脂的收率高于姜精油。

(2)提取物的GC-MS定性、归一化法以及HPLC对重要生物活性成分姜酚类化合物的定量分析表明：超临界CO2姜油和乙醇溶剂姜油组成较为接近，水蒸气蒸馏法姜精油和超临界CO2姜精油化学组成较为接近，富含6-姜酚等姜酚类化合物的超临界CO2姜油树脂化学组成与前述4种提取物化学组成差异较大。

(3)超临界CO2提取工艺可以通过改变或调整工艺参数得到3种不同的生姜提取物，即超临界CO2姜精油、姜油和姜油树脂，从收率、化学组成以及姜酚类物质含量分析检测结果的比较表明，超临界CO2提取作为一种绿色高效提取工艺是生姜中挥发性及脂溶性成分提取的优选提取分离技术，可得到不同提取物以分别用作香精香料、食品添加剂及健康医药产品等的优质原料。