謝 捷， 施力瑕， 朱興一， 王 平

(浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院制藥工程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014)

生姜為姜科植物姜(Zingiber officinale Rosc.)的新鮮根莖，既可食用，又可藥用，具有解表散寒、溫中止嘔、化痰止咳之功效。生姜揮發(fā)油是指從姜根莖中提取出來(lái)的揮發(fā)性成分，為棕色透明油狀液體［1］，具有特殊的芳香，可作為天然香料［2］，被廣泛應(yīng)用于食品及飲料的加香和調(diào)味［3］，也是國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都需要的價(jià)格不菲的香精原料和藥用原料。生姜揮發(fā)油具有祛寒除濕、祛風(fēng)止痛、溫經(jīng)通絡(luò)，防治運(yùn)動(dòng)病、保護(hù)胃黏膜、消炎等功效。其主成分為姜醇(Zingier)、姜烯(Zingiberene)、α-龍腦(α-Borneol)、水芹烯(Pbellandrene)、莰烯(Camphene)、芳樟醇(Linalcol)等;辛辣成分為姜酚類(Gingerly)、姜烯酚(Shagaol)、檸檬醛(Geral)、甲基庚烯酮(Methylheptenone)、壬醛(Nonyladehyde)、姜酮(Zingerone)及其衍生物。

目前，對(duì)于生姜揮發(fā)油的提取，主要采用水蒸氣蒸餾提取法［4，5］。此法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低，投資少，但耗時(shí)長(zhǎng)，易造成部分性質(zhì)不穩(wěn)定的香氣成分因長(zhǎng)時(shí)間加熱而變質(zhì)。閃式提取技術(shù)是利用高速機(jī)械剪切力和攪拌力，迅速破壞植物細(xì)胞組織，使組織細(xì)胞內(nèi)部的有效成分與溶劑能夠充分接觸，并快速溶解［6］。近年來(lái)，采用閃式提取技術(shù)對(duì)氨基酸、蛋白質(zhì)、萜類和黃酮類化合物等物質(zhì)的提取已有文獻(xiàn)報(bào)道［6，7］，表明其具有提高提取效率，簡(jiǎn)化操作步驟等優(yōu)點(diǎn)，但將此方法應(yīng)用到生姜揮發(fā)油的提取研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油，考察生姜粒徑大小、閃式預(yù)處理時(shí)間、料液比和水蒸氣蒸餾時(shí)間4個(gè)主要影響因素，進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)。以揮發(fā)油得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最佳工藝條件，并與水蒸氣蒸餾法進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器 生姜藥材(產(chǎn)自福建省大田縣);FSH22可調(diào)閃式提取器(鄭州金星科技有限公司);揮發(fā)油提取器(油比水輕型);GCT Premier氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)Waters公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 閃式輔助水蒸氣蒸餾法 稱取不同粒徑大小的生姜顆粒40 g，加蒸餾水倍量至閃式提取器中，進(jìn)行閃式破碎預(yù)處理，將提取物轉(zhuǎn)移至連有揮發(fā)油測(cè)定器的圓底燒瓶中，加熱回流提取至測(cè)定器中揮發(fā)油量不再增加為止，取收集液，加入適量無(wú)水硫酸鈉干燥。

1.2.2 水蒸氣蒸餾法 將生姜切成飲片加蒸餾水倍量至連有揮發(fā)油測(cè)定器的圓底燒瓶中，加熱回流提取至測(cè)定器中揮發(fā)油量不再增加為止，取收集液，加入適量無(wú)水硫酸鈉干燥。

1.2.3 揮發(fā)油成分的GC-MS分析 氣相色譜條件:HP-5MS;5%苯甲基聚硅氧烷彈性石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度:280℃，初始溫度50℃(保持2 min)，以5℃/min升溫速率升至160℃(保持5 min)，以15℃/min的速率二階升溫至250℃，保持5 min;載氣為高純氦氣，流速為1.0 mL/min，分流比為 50 ∶1;進(jìn)樣量為 0.2 μL。

質(zhì)譜條件:接口溫度:280℃;電離方式:EI;電子轟擊能量:70 eV;燈絲電流:40 μA;檢測(cè)電壓:2 700 V;離子源溫度230℃;四極桿溫度150℃;調(diào)諧方式:標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧;質(zhì)量掃描方式:全部掃描，10～400 amu。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，選擇生姜粒徑大小、閃式預(yù)處理時(shí)間、料液比和水蒸氣蒸餾時(shí)間4個(gè)主要影響因素，每個(gè)因素設(shè)3個(gè)水平，以確定閃式輔助水蒸氣蒸餾法的最佳提取條件，正交試驗(yàn)的因素水平如表1所示。

表1 因數(shù)水平表

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 按1.2.1項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)生姜揮發(fā)油進(jìn)行提取，正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析見表2，方差分析結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果L9(34)

由表2，3可知，閃式預(yù)處理時(shí)間A對(duì)揮發(fā)油得率的影響最大，有顯著性差異;其次是水蒸氣蒸餾時(shí)間D和料液比B，其對(duì)得率有一定影響，但都不顯著;粒徑大小C對(duì)得率影響最小。生姜揮發(fā)油的最佳提取工藝條件為B2C1D1，即平均粒徑5目，生姜顆粒按料液比1∶4(g/mL)，閃式預(yù)處理120 s后再水蒸氣蒸餾提取20 min。

表3 正交試驗(yàn)方差分析

2.3 工藝比較 在最佳工藝條件下進(jìn)行閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油工藝的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同提取工藝及所得生姜揮發(fā)油的比較

由表4可知，閃式輔助水蒸氣蒸餾法的生姜揮發(fā)油得率為0.665%，比傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法提高了31.42%，提取時(shí)間由6 h縮短至20 min，大大提高了提取效率，降低了能耗。閃式預(yù)處理通過高速機(jī)械剪切力和攪拌力，迅速破壞生姜的超微組織結(jié)構(gòu)，使胞內(nèi)成分能與水充分接觸，同時(shí)在渦流負(fù)壓的作用下，有效成分逐步被水分子包圍、解離，有利于后續(xù)的水蒸氣蒸餾提取。

2.4 生姜揮發(fā)油成分的分析與比較 對(duì)比兩種提取方法所得生姜揮發(fā)油的成分，其結(jié)果如圖1，2和表5所示。

圖1 閃式輔助水蒸氣蒸餾法所得生姜揮發(fā)油的總離子流色譜圖

圖2 傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法所得生姜揮發(fā)油的總離子流色譜圖

表5 兩種提取方法所得生姜揮發(fā)油的主要成分比較

參閱相關(guān)文獻(xiàn)［8，9］及 Nist譜庫(kù)自動(dòng)檢索的結(jié)果，對(duì)兩種方法所得生姜揮發(fā)油的主要成分進(jìn)行分析和比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法提取的生姜揮發(fā)油主要成分基本相同。但是，水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油主要以單萜醇、醛、酯等含氧衍生物為主，而閃式輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油中特征化合物的含量相對(duì)較高，這些成分含量的高低決定了生姜揮發(fā)油的品質(zhì)，其主要以具有異戊二烯結(jié)構(gòu)的萜烯類化合物為主。例如:閃式輔助水蒸氣蒸餾提取所得揮發(fā)油中α-姜烯含量為18.61%，比水蒸氣蒸餾提高了1.96倍;β-紅沒藥烯(7.65%)比水蒸氣蒸餾提高了0.75倍;β-蓓半菲蘭烯(6.98%)比水蒸氣蒸餾提高了1.52倍;β-桉葉烯(1.33%)比水蒸氣蒸餾提高了3.92倍等。這可能是因?yàn)殚W式預(yù)處理能快速破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生相當(dāng)于超聲波1/60的振動(dòng)，這些效應(yīng)均有助于較難被水蒸氣蒸餾提取的較高沸點(diǎn)成分在水中的解離和擴(kuò)散。因此，閃式輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油中姜烯等萜烯類成分的含量有明顯提高，更能體現(xiàn)生姜的濃郁香味和辣味。

3 討論

通過正交試驗(yàn)，確定了閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油的最佳工藝條件，即生姜粒徑5目，按料液比1∶4，閃式預(yù)處理120 s后，水蒸氣蒸餾提取20 min。與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法相比，極大提高了提取效率，降低了蒸餾過程的能耗。通過對(duì)生姜揮發(fā)油成分的分析和比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得揮發(fā)油的主要成分基本相同。但是，經(jīng)閃式預(yù)處理后，能更有效的提取出生姜中的風(fēng)味物質(zhì)，使揮發(fā)油中具有較高沸點(diǎn)的倍半萜烯類碳水化合物(如α-姜烯、β-紅沒藥烯和β-蓓半菲蘭烯等)的含量有明顯提高。因此，閃式輔助水蒸氣蒸餾法是一種高效、簡(jiǎn)單的提取生姜揮發(fā)油的方法。

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