晏 菲，王開亮，張小飛，鄒俊波，賈妍卓，李佳怡，史亞軍

陜西中醫(yī)藥大學藥學院 陜西省中藥基礎(chǔ)與新藥研究重點實驗室，咸陽 712046

生姜ZingiberofficinaleRoscoe為姜科姜屬多年生草本植物姜的新鮮根莖[1]，原產(chǎn)于亞洲熱帶地區(qū)，在大多數(shù)美洲熱帶國家普遍種植[2]?！渡褶r(nóng)本草經(jīng)》云，“生者優(yōu)良，久服去臭氣，通神明?！薄侗静菪戮帯吩弧巴〞成衩鳎僖?，且助生發(fā)之氣，能祛風邪?！惫偶涊d，常食生姜能逐風驅(qū)邪，健腦清神。生姜揮發(fā)油主要包含單萜和倍半萜兩類化合物，成分含量較高的有α-姜烯、α-蒎烯、β-水芹烯、莰烯、月桂烯、香茅醇等[3]?，F(xiàn)代藥理研究表明，生姜具有抗炎、鎮(zhèn)痛、抗氧化、抑菌、止吐等藥理作用，還能治療心腦血管疾病和免疫系統(tǒng)疾病[4,5]。課題組前期通過網(wǎng)絡(luò)藥理學的方法證實了生姜揮發(fā)油治療頭風病是多成分、多靶點、多通路的作用機制[6]，表明其對神經(jīng)系統(tǒng)有一定的保護作用。

生姜揮發(fā)油的常用提取方法有水蒸氣蒸餾法，超聲、微波、酶輔助蒸餾等[7-9]，工業(yè)上常采用超臨界CO2萃取法[10]。Li等[11]采用水蒸氣蒸餾法提取不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)油得油率為0.14%～0.41%，鑒定化合物數(shù)量23～39種。Xie等[12]采用閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油得油率可達0.665%。Chen等[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)油提取率不同，四川產(chǎn)生姜揮發(fā)油提取率較高，山東產(chǎn)生姜揮發(fā)油提取率較低；各地區(qū)生姜揮發(fā)油的成分種類相近，主要差異在于各成分間的含量不同。但關(guān)于陜產(chǎn)生姜不同提取方法所得揮發(fā)油主要成分的差異卻鮮有報道。本研究采用GC-MS對5種提取方法所得生姜揮發(fā)油化學成分進行檢測，通過主成分分析(principal component analysis，PCA)、聚類熱圖分析比較其化學成分及相對峰面積的特征差異，并對藥渣的顯微結(jié)構(gòu)進行直觀比較，以期為實際應(yīng)用中生姜揮發(fā)油提取方法的選擇及生姜的進一步開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試藥

Agilent 7890B/5977B GC-MS(美國安捷倫科技有限公司)；SCIENTZ-IIDM微波光波超聲波萃取儀(寧波新芝生物科技股份有限公司)；TDZ5-WS低速臺式離心機(北京線上生物科技股份有限公司)；HU-800LT-WN原汁機(上海韓惠人愛家電科技有限公司)；DM3000徠卡顯微鏡(徠卡顯微系統(tǒng)貿(mào)易有限公司)。

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)購于陜西西安灃水園綜合市場，經(jīng)陜西中醫(yī)藥大學顏永剛教授鑒定為姜科植物姜的新鮮根莖；纖維素酶(滄海夏盛酶生物技術(shù)有限公司，批號：2200645)；無水Na2SO4(分析純，天津市天力化學試劑有限公司，批號：20210302)；乙酸乙酯(分析純，國藥集團化學試劑有限公司，批號：20101220)；乙醚(色譜純，煙臺市雙雙化工有限公司，批號：20201107)；鹽酸(質(zhì)量分數(shù)10%，深圳市博林達科技有限公司，批號：20210302)；實驗用水(純凈水)。

1.2 方法

1.2.1 生姜揮發(fā)油的提取

參考文獻方法[8,14,15]結(jié)合前期預試驗，確定采用水蒸氣蒸餾法及酶、超聲、微波輔助水蒸氣蒸餾法4種方法進行比較，同時為了簡便快捷，生姜原有成分不受加熱影響，參考文獻方法[16]采用壓榨法提取生姜揮發(fā)油與前者進行比較。

1.2.1.1 水蒸氣蒸餾法(steam distillation，SD)

參考文獻方法，取新鮮生姜切成長寬5 mm的小塊，取500 g裝入2 000 mL圓底燒瓶中，加水1 000 mL，從出油開始計時6 h，停止加熱，收集生姜揮發(fā)油。

1.2.1.2 酶輔助水蒸氣蒸餾法(enzymatic hydrolysis-assisted steam distillation，EHSD)

取生姜小塊300 g置于圓底燒瓶中，在600 mL水中加入纖維素酶6.0 g，加入10%的鹽酸調(diào)節(jié)pH為6，將配制好的溶液加入圓底燒瓶中，放入50 ℃的水浴鍋中保持恒溫，待溫度達到50 ℃開始計時，酶解時間2 h，酶解結(jié)束，同“1.2.1.1”進行水蒸氣蒸餾，收集揮發(fā)油。

1.2.1.3 超聲輔助水蒸氣蒸餾法(ultrasonic-assisted steam distillation，UASD)

取生姜小塊300 g置于圓底燒瓶中，加入600 mL水，放入微波光波超聲波萃取儀，設(shè)置超聲功率600 W、超聲時間20 min，超聲完成，同“1.2.1.1”水蒸氣蒸餾提取并收集揮發(fā)油。

1.2.1.4 微波輔助水蒸氣蒸餾法(microwave-assisted steam distillation，MASD)

取生姜小塊300 g置于圓底燒瓶中，加入600 mL水，放入微波光波超聲波萃取儀中，設(shè)置微波功率300 W、微波時間20 min，微波完成，同“1.2.1.1”水蒸氣蒸餾提取并收集揮發(fā)油。

1.2.1.5 壓榨法(squeezing，SQ)

參考文獻方法，取生姜300 g，切成大塊放入原汁機，轉(zhuǎn)速43 r/min榨汁，取新鮮生姜汁倒入離心管中，調(diào)整離心機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，離心15 min，過濾，得到離心液。將離心液倒入分液漏斗中，加入乙酸乙酯，充分搖勻，靜置12 h，取其上層黃色濁液。將黃色濁液再次倒入離心管中，按照第一次的方法再次離心，第二次離心完成，取最上層黃色油狀物，得到生姜脂溶性成分，減去兩次加入的乙酸乙酯的質(zhì)量，求得生姜脂溶性成分質(zhì)量。

1.2.1.6 揮發(fā)油提取率

所得揮發(fā)油(脂溶性成分)中加入少量無水Na2SO4干燥，取油狀物稱量，以上5種方法分別進行3次平行試驗，計算揮發(fā)油(脂溶性成分)平均提取率。

1.2.2 生姜揮發(fā)油GC-MS測定

1.2.2.1 GC-MS條件

參考文獻[17]方法，設(shè)置色譜條件：進樣口溫度230 ℃，載氣氣體He，氣體流速1.0 mL/min，升高溫度至70 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min升溫到170 ℃，保持4 min后以10 ℃/min升溫到250 ℃，保持2 min后再運行5 min。進樣量1 μL，分流比100∶1。質(zhì)譜條件：電離方式為EI，離子源溫度230 ℃，電子能量70 eV，四級桿溫度150 ℃，接口溫度250 ℃，質(zhì)量掃描范圍33～600m/z，電子能量70 eV。采用Data Analysis將閾值調(diào)為20。

1.2.2.2 供試品溶液的制備

取“1.2.1”所得生姜揮發(fā)油(脂溶性成分)共5支樣品，水蒸氣蒸餾法記為A、酶輔助水蒸氣蒸餾法記為B、超聲輔助水蒸氣蒸餾法記為C、微波輔助水蒸氣蒸餾法記為D、壓榨法記為E，分別吸取100 μL置10 mL容量瓶中，加入乙醚定容。使用注射器吸取樣品，微孔濾膜過濾，即得樣品A～E。

1.2.2.3 相對峰面積計算方法

分別取3次平行試驗樣品，按照“1.2.2.1”GC-MS條件測試，結(jié)果取平均值。利用NIST17質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索，結(jié)合質(zhì)譜數(shù)據(jù)信息，保留相似度≥60的成分。采用峰面積歸一化法計算各化合物的相對峰面積。

1.2.3 5種提取方法所得化合物主成分分析(PCA)、聚類熱圖分析

采用R語言平臺dplyr包對數(shù)據(jù)進行清洗與整理，ggbiplot包對5種方法所得化學成分的相對峰面積進行PCA處理，pheatmap包進行總體數(shù)據(jù)分布聚類熱圖分析，ggplot2包繪制火山圖提取特征成分，分析其成分特征是否存在差異。

1.2.4 顯微鑒別

取水蒸氣蒸餾法生姜藥渣為對照品，酶輔助水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法、壓榨法藥渣為樣品。分別切成1 mm厚的薄片，置電子顯微鏡下以50倍和200倍觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 揮發(fā)油提取率

5種方法提取生姜揮發(fā)油得率見表1。

表1 5種方法提取生姜揮發(fā)油得率Table 1 Extraction rates of ginger volatile oil extracted by five methods

2.2 不同提取方法所得揮發(fā)油GC-MS分析

根據(jù)GC-MS測定結(jié)果，分別得到5種提取方法的生姜揮發(fā)油成分總離子流圖(見圖1～5)，其成分和相對峰面積歸納見表2。5種方法所得生姜揮發(fā)油主要化學成分變化見圖6。

圖1 水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油的GC-MS總離子流圖Fig.1 GC-MS total ion chromatogram of ginger volatile oil extracted by SD

圖2 酶輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油的GC-MS總離子流圖Fig.2 GC-MS total ion chromatogram of ginger volatile oil extractedr by EHSD

圖3 超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油的GC-MS總離子流圖Fig.3 GC-MS total ion chromatogram of ginger volatile oil extracted by UASD

圖4 微波輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發(fā)油的GC-MS總離子流圖Fig.4 GC-MS total ion chromatogram of ginger volatile oil extractedr by MASD

圖5 壓榨法提取生姜揮發(fā)油的GC-MS總離子流圖Fig.5 GC-MS total ion chromatogram of ginger volatile oil extractedr by SQ

圖6 5種方法所得生姜揮發(fā)油主要化學成分變化Fig.6 Changes of main chemical constituents in ginger volatile oil obtained by five methods

表2 5種方法所得生姜揮發(fā)油GC-MS分析Table 2 GC-MS analysis of ginger volatile oil obtained by five methods

續(xù)表2(Cotinued Tab.2)

續(xù)表2(Cotinued Tab.2)

2.3 5種方法所得生姜揮發(fā)油化學成分分析

水蒸氣蒸餾法、酶輔助水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法及壓榨法5種方法所得生姜揮發(fā)油通過GC-MS檢測并鑒定得到的化合物數(shù)量分別為59、63、65、62、3種，結(jié)果見表2。由圖1～6可知，4種蒸餾法所得生姜揮發(fā)油成分相似，而壓榨法所得生姜揮發(fā)油總離子流圖與前者有較大區(qū)別，說明其成分與前者有較大區(qū)別。

2.3.1 化學成分種類分析

5種提取方法均獲得了揮發(fā)油成分，主要為單萜、倍半萜及萜醇、萜醛等含氧衍生物，單萜類化合物有莰烯、月桂烯、左旋-α-蒎烯等；倍半萜類化合物有α-姜烯、β-倍半水芹烯、β-紅沒藥烯等；單萜類含氧衍生物有順式-檸檬醛、異龍腦、(+)-α-松油醇等；倍半萜類含氧衍生物有姜烯醇、欖香醇、β-桉葉醇等。經(jīng)鑒定，壓榨法除揮發(fā)油外還獲得了姜辣素類成分，揮發(fā)油主要含有α-姜烯和β-倍半水芹烯2種倍半萜類化合物，姜辣素類成分主要為烷基酚類化合物6-姜烯酚。

2.3.2 共有成分分析

5種提取方法所得生姜揮發(fā)油中共鑒定化合物數(shù)量97種，共有成分2種，為α-姜烯和β-倍半水芹烯。4種蒸餾法鑒定得到共有成分37種，相對峰面積較高的主要為α-姜烯、β-倍半水芹烯、順式-檸檬醛等。水蒸氣蒸餾法、酶輔助水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法3種方法鑒定到共有成分4種，相對峰面積較高的為(E)-檸檬醛。水蒸氣蒸餾法、酶輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法3種方法鑒定到共有成分3種，相對峰面積較高的為莰烯。酶輔助水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法3種方法鑒定到共有成分5種，相對峰面積較高的為(-)-莰烯。

2.3.3 特有成分分析

經(jīng)鑒定，水蒸氣蒸餾法得到的特有成分主要為左旋-α-蒎烯(4.370 6%)，超聲輔助水蒸氣蒸餾法得到的特有成分為(-)-α-紫穗槐烯(2.911 9%)和異丁烯醇(1.247 3%)，微波輔助水蒸氣蒸餾法得到的相對峰面積較高的特有成分為2,2′-亞甲基雙(6-叔丁基-4-甲基苯酚)，又稱抗氧劑2246(0.373 3%)，壓榨法得到的特有成分為6-姜烯酚(36.437 2%)。

2.3.4 相對峰面積差異分析

水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油化學成分經(jīng)鑒定相對峰面積較高的是莰烯(9.682 2%)、(E)-檸檬醛(6.385 3%)、桉葉油醇(6.073 9%)等；酶輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油化學成分經(jīng)鑒定相對峰面積較高的是α-姜烯(10.973 1%)、莰烯(9.268 3%)、(E)-檸檬醛(6.914 9%)等；超聲輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油化學成分經(jīng)鑒定相對峰面積較高的是α-姜烯(12.937 1%)、桉葉油醇(10.070 4%)、莰烯(7.920 4%)等；微波輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油化學成分經(jīng)鑒定相對峰面積較高的是α-姜烯(13.554 1%)、莰烯(8.452 8%)、β-倍半水芹烯(6.667 7%)等；壓榨法所得化合物經(jīng)鑒定得到α-姜烯(48.126 2%)、β-水芹烯(15.436 6%)及6-姜烯酚(36.437 2%)，因此壓榨法提取揮發(fā)油實際得油率為0.10%。

2.3.5 PCA分析、聚類熱圖分析

PCA分析得分圖顯示，5種提取方法所得化合物明顯分布于5個區(qū)域，提示5種提取方法所得化學成分及相對峰面積存在一定差異。壓榨法位于PC1軸正半軸，另4種方法位于PC1軸負半軸，且顯著分離，表明壓榨法與另4種提取方法所得化學成分的種類及相對峰面積均存在顯著差異。水蒸氣蒸餾法和酶輔助水蒸氣蒸餾法位于PC2軸正半軸，超聲、微波2種輔助水蒸氣蒸餾法位于PC2軸負半軸，表明水蒸氣蒸餾法和酶輔助水蒸氣蒸餾法所得化學成分的種類及相對峰面積差異較小，超聲、微波2種輔助水蒸氣蒸餾法所得化學成分的種類及相對峰面積差異較小。結(jié)果見圖7。

圖7 5種方法所得生姜揮發(fā)油化合物PCA得分Fig.7 PCA scores of ginger volatile oil obtained by five methods

聚類熱圖顯示，5種提取方法所得化合物可聚為2大類，壓榨法為一類，另4種水蒸氣蒸餾法聚為一類，其中水蒸氣蒸餾法和酶輔助水蒸氣蒸餾可聚為一類，超聲和微波兩種水蒸氣蒸餾法亦可聚為一類，同PCA分析結(jié)果一致，結(jié)果見圖8。

圖8 5種方法所得生姜揮發(fā)油化學成分聚類熱圖Fig.8 Clustering heat map of chemical constituents of ginger volatile oil obtained by five methods

在5種方法PCA分析的基礎(chǔ)上，進一步將水蒸氣蒸餾法分別與另4種提取方法進行比較，以LogFC=1為標準，繪制火山圖，尋找關(guān)鍵差異性成分。酶輔助法與水蒸氣蒸餾法比較，相對峰面積差值高于1倍的指標有3個，為(+)-α-蒎烯、(-)-莰烯和香葉醇，低于1倍的指標有2個，為左旋-α-蒎烯和檸檬醛，見圖9A；超聲法與水蒸氣蒸餾法比較，相對峰面積差值高于1倍的指標有6個，為異丁烯醇、α-姜烯、香葉醇、(+)-α-蒎烯、(-)-莰烯、(-)-α-紫穗槐烯，差值降低1倍的指標為7個，為月桂烯、衣蘭油烯、香葉醇、左旋龍腦、左旋-α-蒎烯、莰烯和檸檬醛，見圖9B；微波法比水蒸氣蒸餾法所得化合物相對峰面積差值高于1倍的指標有4個，為莰烯、衣蘭油烯、左旋-α-蒎烯和(E)-檸檬醛，相對峰面積差值低于1倍的指標有3個，為(-)-莰烯、α-姜烯和(+)-α-蒎烯，見圖9C；壓榨法鑒定得到的3種化合物相對峰面積均高于水蒸氣蒸餾法的1倍以上，見圖9D。

圖9 酶解、超聲、微波、壓榨4種方法與水蒸氣蒸餾法所得揮發(fā)油成分比較火山圖和聚類熱圖Fig.9 Volcano maps and cluster heatmaps of the comparison of volatile oil components obtained by EHSD,UASD,MASD and SQ with SD

2.4 顯微鑒別

在50倍、200倍顯微下觀察5種提取方法所得生姜藥渣，結(jié)果見圖10。直觀觀察可知，酶解、超聲、微波3種輔助水蒸氣蒸餾法樣品單位面積下油細胞數(shù)量與水蒸氣蒸餾法接近，而壓榨法單位面積下油細胞數(shù)量相對較多，見圖10A。圖10B顯示超聲輔助水蒸氣蒸餾法所得藥渣樣品組織紋理較其他方法所得藥渣更復雜細密。藥渣結(jié)構(gòu)紋理的復雜細密程度大致可排序為：超聲>微波>酶解>壓榨>水蒸氣蒸餾法。

圖10 5種方法所得藥渣顯微圖Fig.10 Micrographs of dregs obtained by five methods

3 討論與結(jié)論

中國藥典(2020版)[1]一部生姜揮發(fā)油的提取按照揮發(fā)油測定法(通則2204甲法)進行，目前實驗室提取生姜揮發(fā)油通常采用現(xiàn)行藥典的水蒸氣蒸餾法[3]。文獻研究表明，工業(yè)中采用超臨界CO2萃取法獲得的生姜揮發(fā)油成分較水蒸氣蒸餾法更為復雜，成分差異較大，且容易混合有酚類等其他非揮發(fā)性成分[10,18,19]。因此，本研究主要采用酶解、超聲、微波3種輔助水蒸氣蒸餾法與水蒸氣蒸餾法進行類比，同時增加了操作簡便的壓榨法與以上4種方法進行比較。

水蒸氣蒸餾法、酶輔助水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法、壓榨法5種方法提取生姜揮發(fā)油得油率分別為0.18%、0.19%、0.21%、0.18%、0.10%，其中超聲輔助水蒸氣蒸餾法得油率最高，鑒定得到化學成分種類也最多。本研究中GC-MS檢測到的生姜揮發(fā)油成分與Li等[11]、Gunasena等[20]檢測到的生姜揮發(fā)油成分相近，但也有所差異，可能由于生姜產(chǎn)地及提取方法的不同所致。

采用傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等提取藥材揮發(fā)油時，通常伴隨著能源和時間消耗過多、有機溶劑殘留、揮發(fā)油收率低等問題，并逐漸被新興技術(shù)所取代。酶輔助水蒸氣蒸餾是一種新開發(fā)的從天然植物中提取精油的方法，應(yīng)用合適的酶進行植物的酶促預處理將完全水解細胞壁，從而增強細胞內(nèi)次生代謝物的釋放，從而提高揮發(fā)油產(chǎn)量[21]。超聲輔助水蒸氣蒸餾主要利用機械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學效應(yīng)促進目標分子快速從載體上分離，即促進植物細胞結(jié)構(gòu)的破壞，并有效促進了揮發(fā)油等細胞內(nèi)容物的外流[22]。微波是一種電磁波，可以通過偶極-偶極相互作用促進極性分子在電場中快速旋轉(zhuǎn)，從而達到快速加熱的目的。微波的引入，通過改變精油蒸餾中的加熱方式，大大提高了系統(tǒng)的升溫速率，通過傳熱和傳質(zhì)的協(xié)同作用，有效提高了揮發(fā)油分離率。但過大的微波輻照功率很容易導致植物材料的揮發(fā)性成分損失和熱降解[23]。3種輔助水蒸氣蒸餾法與水蒸氣蒸餾法比較，因揮發(fā)性成分具有熱不穩(wěn)定性，可能受到微波、超聲、酶的作用而產(chǎn)生變化，導致組分及相對峰面積的差異。

本研究參考文獻中生姜揮發(fā)油的壓榨提取法進行榨汁[16]，進一步處理獲得脂溶性成分。采用GC-MS對不同提取方法所得揮發(fā)油(脂溶性成分)測定時，統(tǒng)一調(diào)整閾值為20，此時壓榨法鑒定到化合物3種。與其他方法相比，推測壓榨法提取生姜揮發(fā)油并未不完全。但所得α-姜烯和β-倍半水芹烯相對峰面積均顯著高于其他4種方法，且能夠獲得相對較多的6-姜烯酚。由此可知，壓榨法可簡便快捷地提取新鮮生姜中的α-姜烯、β-倍半水芹烯和6-姜烯酚，且耗能低、污染小。6-姜烯酚是6-姜酚脫水形成的烷基酚類化合物，屬于姜辣素。姜辣素的分子結(jié)構(gòu)中均含有3-甲氧基-4-羥基苯基官能團，根據(jù)該官能團所連接烴鏈的不同，姜辣素可分為姜酚、姜烯酚、姜油酮、姜酮、姜辣二酮、姜辣二醇等不同類型[24]。姜烯酚的濃度低于姜酚，但具有更高的生物活性[25]。

顯微觀察不同提取方法得到的生姜藥渣時，手工切片難以保證樣品薄厚標準均一，且樣品含有大量氣泡，因此顯微觀察只是一種簡單直觀的方法，以驗證各種方法對揮發(fā)油提取的影響效果。結(jié)合得油率比較，生姜藥材纖維性強，超聲、酶解更有助于水蒸氣蒸餾時油細胞破裂，揮發(fā)油外流，從而提高提取效率，微波雖然對生姜細胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，但可能導致新鮮植物的揮發(fā)性成分損失和熱降解。

本研究對不同提取方法所得生姜揮發(fā)油的化學成分、相對峰面積及藥渣的顯微結(jié)構(gòu)進行了比較，分析了不同方法所得生姜揮發(fā)油的特征性成分，以期為實際應(yīng)用中生姜揮發(fā)油提取方法的選擇及生姜的進一步開發(fā)利用提供參考依據(jù)。