于澤，韓肖洋，陳靜，陳爍，楊明珠，李宛，王若嵐，臧渤煦，閆兆倫，劉曄

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 滄州 061100）

生姜在我國的種植面積十分廣闊，因為種植地區(qū)的差異，導(dǎo)致生姜中營養(yǎng)成分的結(jié)構(gòu)和含量也有所不同，使生姜具有多樣性。生姜成熟后可供食用，不同的加工方法使生姜具有不同的生物學(xué)功能。姜辣素是生姜中姜酚、姜腦等一類不易揮發(fā)并且具有微辣味活性物質(zhì)的化學(xué)總稱[1]。研究者對于姜辣素成分的研究已有久遠(yuǎn)的歷史，1969年初步確定了姜酚中所含酶是由一系列類似酶的化合物共同組成的，通過建立線性檢測范圍并采用高效線性液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）進(jìn)行檢測，可以準(zhǔn)確分析各種生姜中6-姜辣素、8-姜辣素、10-姜辣素、12-姜辣素以及姜酚素的含量[2]。姜辣素作為生姜中主要營養(yǎng)物質(zhì)之一，其富含多種生物活性，如抗腫瘤、抗菌、降血壓等，研究者對于生姜中姜辣素的提取以及生姜中姜辣素功能的開發(fā)在不斷進(jìn)行[3]。綜上所述，姜辣素具有較高的研究價值。

1 姜辣素提取預(yù)處理

生姜的干燥屬于預(yù)處理階段，對整個試驗過程有重大影響，鮮姜在干燥過程中分子量小、沸點低的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)會逸出損失，造成了姜精油含量降低。同時在加熱過程中姜酚轉(zhuǎn)化成姜酮和姜烯酚，造成了姜辣素含量降低，所以需要進(jìn)行前期的預(yù)處理，對生姜進(jìn)行干燥，目前生姜干燥工藝有熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥、紅外干燥、冷凍干燥。

1.1 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥技術(shù)又稱熱空氣干燥，Ren等[4]分別研究了縱切（longitudinal cut，Lc）和橫切（transverse cut，Tc）以及熱風(fēng)干燥（hot air drying，HD）工藝對干姜理化性質(zhì)的影響，測定生姜的收縮率、硬度、復(fù)水率、色澤、姜辣素、總酚和黃酮含量、抗氧化活性及揮發(fā)性成分。結(jié)果表明，與Tc相比，Lc明顯縮短了干姜的干燥時間，降低了15.12%～29.6%，并且干姜的物理特性（收縮程度、硬度、復(fù)水率）有所改善，但是熱風(fēng)干燥的時間略長，為了有效保證前后姜片的光潤色澤，干燥過程溫度一般不宜高于超過70℃。李晴晴等[5]研究了熱風(fēng)干燥過程中溫度對姜酚含量的影響。結(jié)果表明，60℃是最合適的干燥溫度。熱風(fēng)干燥的優(yōu)點主要有設(shè)備簡單、操作容易、適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，但是存在干燥效率低、干燥時間長、對物料的品質(zhì)破壞較大等缺點。

1.2 真空干燥

真空干燥是將物料在隔絕低溫的高低壓或者隔絕氧氣的低溫環(huán)境下進(jìn)行的一種干燥方式。通過真空降低物料大氣壓，物料中水分的恒定沸點也隨之降低，在這種低溫條件下就可以使其變成水蒸氣蒸發(fā)。在隔絕氧氣的低溫環(huán)境下可以大大避免干燥過程中發(fā)生氧化、褐變等不良反應(yīng)，不會破壞物料產(chǎn)品的風(fēng)味、外觀、色澤以及其他營養(yǎng)成分。Thorat等[6]研究了不同溫度對姜片干燥的影響，結(jié)果表明，40℃～65℃是姜片干燥的合適真空溫度適應(yīng)范圍。Hawlader等[7]研究了生姜真空干燥對于生姜中6-姜酚色素保留率的影響，結(jié)果表明，45℃真空干燥對6-姜酚保留率高于熱風(fēng)干燥和冷凍干燥。相較于熱風(fēng)干燥，真空干燥對物料的風(fēng)味和組分的保留較好，但是對設(shè)備的要求較高，干燥時間長等缺點。

1.3 微波干燥

微波干燥是利用各種物料中極性相同的分子在與靜電場相反方向進(jìn)行迅速微波運動，產(chǎn)生較高熱量，進(jìn)而使水分迅速蒸發(fā)，達(dá)到對干燥物料內(nèi)部進(jìn)行干燥的目的。Hussain等[8]研究了微波干燥對姜的芳香化學(xué)物質(zhì)的影響，結(jié)果表明60℃條件下利用微波干燥技術(shù)可以很好地控制新鮮姜片等產(chǎn)品的芳香質(zhì)量。微波干燥與熱風(fēng)干燥對比，食品風(fēng)味穩(wěn)定性明顯較好。Kubra等[9]研究了微波干燥對姜的不同揮發(fā)油含量、色澤、總酚含量、6-姜酚含量以及提取物抗氧化活性的影響，結(jié)果表明加熱功率800 W更適宜于生姜干燥，此功率下生姜的理化性質(zhì)得以完整的保存。生姜微波干燥對于生姜中6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚含量的不同影響，結(jié)果表明，微波干燥對姜酚的破壞較大。劉麗等[10]通過對鮮姜產(chǎn)品微波干燥的濕熱程度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，僅采用單一功率微波干燥方法不易控制鮮姜產(chǎn)品的干燥散失程度，在產(chǎn)品水分迅速散失程度達(dá)到65%～70%后，可以繼續(xù)使用40 W緩慢干燥。由于微波干燥加熱時，加熱干燥速度較快，物料內(nèi)部干燥溫度很高，導(dǎo)致干燥物料過程中容易出現(xiàn)物料過熱而焦糊，并且干燥終點不易準(zhǔn)確判斷，容易造成物料干燥過度，對干燥物料內(nèi)部破壞很大。

1.4 紅外干燥

物料中所含的水分、有機(jī)物和金屬大分子等成分對紅外線有很強(qiáng)的核磁吸收能力，當(dāng)紅外線發(fā)射頻率與其他物料中大分子本身固有的核磁振動發(fā)射頻率完全相符時，物料吸收到的能量大并能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，從而達(dá)到對物料進(jìn)行干燥的目的。由于短波遠(yuǎn)紅外線技術(shù)產(chǎn)生的紅外長波不能直接透過物料水分，只能被表層物料吸收，所以非常適合蔬菜或者薄層果蔬干燥。目前國內(nèi)短波紅外干燥技術(shù)可以直接透過物料表面對干燥物料內(nèi)部水分進(jìn)行長波加熱。紅外干燥在生產(chǎn)馬鈴薯、胡蘿卜、蘋果、香蕉等果蔬干燥材料方面也都有著廣泛應(yīng)用價值。張鐘等[11]利用遠(yuǎn)紅外技術(shù)對鮮姜進(jìn)行干燥，得到的新鮮干姜粉的得率高、容量高、水合乳化能力、吸油乳化能力、對感官刺激性均較好。陳燕等[12]先將在40℃高溫條件下進(jìn)行紅外干燥得到的鮮干姜磨成粉，再利用紅外超臨界溫度CO2萃取姜油樹脂，結(jié)果表明，40℃紅外干燥可以很好地保留鮮姜油和樟樹脂的化學(xué)含量。但紅外干燥存在材料電能消耗較大的缺點。

1.5 冷凍干燥

冷凍干燥在干燥物料過程中幾乎沒有高溫加熱壓縮過程，可以最大程度地保留干燥物料本身原有的色、香、味、組織結(jié)構(gòu)形態(tài)以及各種重要營養(yǎng)成分。Tambunan等[13]利用冷凍干燥技術(shù)對鮮姜進(jìn)行干燥，結(jié)果表明冷凍干燥的鮮姜耐熱品質(zhì)有所提高，顯著優(yōu)于35℃～40℃熱風(fēng)干燥的鮮姜。Huang等[14]研究了冷凍干燥對新鮮生姜中6-姜烯酚和苯含量的影響，結(jié)果表明對生姜進(jìn)行冷凍干燥后，苯酚姜油內(nèi)酯樹脂的得率最高。但冷凍干燥具有干燥設(shè)備耗能高、投入大的缺點，目前多數(shù)應(yīng)用于高附加值產(chǎn)品的干燥。

2 姜辣素提取

2.1 溶劑提取法

溶劑提取法主要采用相似相溶的化學(xué)原理，根據(jù)姜辣素的溶解性，選擇恰當(dāng)?shù)膲A性溶劑對其進(jìn)行提取，盡量減少其他辣素成分的滲出?？紤]到姜辣素的溶解性以及安全性，所用溶劑主要是三氯乙醇。鄧仙梅等[15]以姜辣素提取率為指標(biāo)，研究了姜中姜辣素的乙醇性和回流性。通過正交試驗優(yōu)化提取條件，得到最佳的提取工藝為乙醇添加量80%、料液比1∶10（g/mL）、提取時間1.0 h、提取3次。該工藝條件下，姜辣素提取率為55.87 mg/g。廖欽洪等[16]研究得出乙醇濃度、浸提溫度和料液比對姜辣素乙醇提取結(jié)果影響較大。最佳浸提提取工藝為乙醇濃度72%、料液比1∶57（g/mL）、浸提溫度54℃、提取時間1.25 h。該生產(chǎn)工藝下，姜辣素提取率為0.94%。張魯明等[17]將生姜干燥后粉碎過60目篩、乙醇濃度80%、料液比1∶10（g/mL）、浸提溫度50℃、提取時間2.0 h。該生產(chǎn)工藝下，姜辣素提取率可達(dá)1.61%。魏銳等[18]利用響應(yīng)面法優(yōu)化最佳浸提提取工藝條件為乙醇濃度80%、料液比1∶12（g/mL）、浸提提取溫度70℃，該生產(chǎn)工藝下，姜辣素提取率可達(dá)1.67%。

綜上所述，乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時間和提取次數(shù)影響生姜中姜辣素提取率。溶劑提取易于操作、工藝簡單、提取率較高且易回收、成本較低、適于工業(yè)化生產(chǎn)，但存在時間過長、溶劑用量大、產(chǎn)品雜質(zhì)較多等問題。

2.2 超聲輔助提取法

賴海濤等[19]采用單因素法得出最佳乙醇提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)不超過85%，超聲功率200 W，料液比1 ∶14（g/mL），超聲時間 30 min。該工藝下，姜辣素提取率為1.86%。項敏等[20]利用超聲輔助提取法，聯(lián)合正交試驗優(yōu)化的最佳方法提取條件為超聲功率600 W，乙醇濃度60%、料液比1∶15（g/mL）、提取溫度25℃、提取時間10 min。該生產(chǎn)工藝下，姜辣素提取率為5.14%，提取率有所提高，時間也縮短。李萍等[21]提高了超聲溫度，利用正交試驗法優(yōu)化得到的最佳工藝條件為無水乙醇作有機(jī)溶劑、生姜姜辣粉選取60目～80目、超聲功率 231 W、料液比 1∶25（g/mL），在此工藝下，姜辣素提取率為6.896%。雍其歡等[22]采用乙醇濃度80%、超聲時間10 min、料液比1∶15（g/mL）、超聲溫度50℃，該條件下進(jìn)行超聲輔助提取，平均提取率可以達(dá)到2.029%。

綜上所述，超聲輔助提取能縮短提取時間、效率較高，并且在提取過程中溫度較低，適應(yīng)范圍廣，對姜辣素的品質(zhì)影響小，但超聲波進(jìn)行提取成本較高。

2.3 微波輔助提取法

微波輔助提取法是利用高頻電磁波快速穿透細(xì)胞，使溫度升高導(dǎo)致細(xì)胞破裂，提高溶劑分子滲透率的速度，將有效成分流出并溶解于溶劑中的一種高效提取方法。湯秀華等[23]通過正交試驗優(yōu)化的乙醇提取最佳工藝為微波功率220 W、微波溫度55℃、微波時間100s。在此條件下姜辣素提取率為1.989%。朱沛沛等[24]通過正交試驗法優(yōu)化的最佳微波提取工藝為聚乙醇體積分?jǐn)?shù)80%、料液比1∶14（g/mL）、微波功率300 W、微波溫度55℃、微波時間120 s。在此條件下，姜辣素提取率為1.710 8%。陳莉華等[25]優(yōu)化的微波輔助乙醇提取姜辣素的最佳工藝條件為乙醇濃度66%、料液比 1 ∶16（g/mL）、微波功率 300 W、微波時間 70 s，姜辣素提取率1.76%。

綜上所述，微波輔助提取姜辣素具有良好的選擇性，能縮短提取時間，達(dá)到較高提取效率等優(yōu)勢，但該工藝前期投入相對較高。

2.4 酶法提取

酶法的酸化提取主要是利用復(fù)合酶酸化反應(yīng)的高度專一性的特征，選擇適當(dāng)?shù)乃峄钙茐乃嵝约?xì)胞的壁膜和結(jié)構(gòu)、減少傳質(zhì)阻力、加快物質(zhì)溶解[26]。孫昕等[27]利用纖維素酶提取姜辣素，經(jīng)正交試驗進(jìn)行優(yōu)化后的提取工藝為料液比1∶50（g/mL）、酶用量0.95%、酶解溫度50℃、酶解時間90 min。該工藝下，姜辣素提取率1.85%。

酶法利用酶作為試劑，無毒無害，并且沒有多余溶劑的殘留，對環(huán)境起到了保護(hù)作用，但是目前酶解法所需時間長，而且成本較高，不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)。

2.5 協(xié)同提取法

采用兩種或兩種以上的提取方法協(xié)同提取，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)[28]。于博等[29]采用超聲和低溫凍融對姜辣素進(jìn)行提取，超聲時間40 min，姜辣素提取率為2.98%。徐麗萍等[30]研究纖維酶與超聲輔助提取姜辣素的工藝，加入纖維酶酶解1 h后，再加入無水乙醇提取0.5 h，兩種方法協(xié)同發(fā)揮作用，姜辣素的提取率達(dá)到4.770 1%。

綜上所述，協(xié)同提取可提高姜辣素提取率，符合工業(yè)生產(chǎn)要求，可廣泛推廣。

3 姜辣素的生理活性

3.1 抗腫瘤

姜辣素有細(xì)胞毒性，通過引導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，可以達(dá)到抑制癌細(xì)胞生長的目的，姜辣素中10-姜酚和8-姜酚對三陰性乳腺癌有較高的抑制作用[31]。6-姜酚能調(diào)節(jié)細(xì)胞通路，將M2巨噬細(xì)胞重新編程為M1巨噬細(xì)胞，從而達(dá)到抑制癌癥細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移的目標(biāo)[32]。6-姜酚能夠通過調(diào)控遺傳物質(zhì)復(fù)制以及核小體的形成，達(dá)到抑制宮頸癌Hela細(xì)胞的增殖和促進(jìn)細(xì)胞凋亡的目的[33]。生姜中的辛辣成分可以阻隔羥色胺（5-HT3）的受體，這些辛辣成分與已知的5-HT3受體拮抗劑不同，具有獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而姜辣素不僅能與5-HT3受體發(fā)生作用，還可以與其他受體發(fā)生阻隔作用，使姜辣素具有止吐作用，進(jìn)一步與抗癌藥物聯(lián)合使用，不僅可以提高藥效，減少化療所產(chǎn)生的不良反應(yīng)，從而降低了藥物副作用[34]。

3.2 治療關(guān)節(jié)炎和骨質(zhì)疏松

類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）是一種病因未明的自身性免疫疾病，姜辣素有免疫調(diào)節(jié)、改善免疫應(yīng)答的機(jī)制的作用，6-姜酚具有抗炎和止痛的作用，對于各種關(guān)節(jié)腫脹具有顯著療效[35-36]。Zang等[37]用小鼠單核巨噬細(xì)胞白血病細(xì)胞（RAW264.7）破骨細(xì)胞分化試驗（體外）和斑馬魚骨質(zhì)疏松癥模型（體內(nèi)）評價生姜成分對破骨細(xì)胞形成的影響。通過抗酒石酸鹽酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase，TRAP）染色，發(fā)現(xiàn)含有10-姜酚的部分抑制了RAW264.7細(xì)胞的破骨細(xì)胞生成。以斑馬魚為試驗材料，研究10-姜酚和黃姜酚對強(qiáng)的松龍誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥再生鱗片中破骨細(xì)胞生成的抑制作用?；虮磉_(dá)分析顯示，10-姜酚抑制RAW264.7細(xì)胞中的破骨細(xì)胞標(biāo)志物[破骨細(xì)胞相關(guān)免疫球蛋白樣受體，樹突細(xì)胞表達(dá)7個跨膜蛋白，基質(zhì)金屬肽酶9（mmp9）]和斑馬魚鱗片[破骨細(xì)胞特異性組織蛋白酶 k（ctsk），mmp2 和 mmp9]。

3.3 抗氧化

人體所產(chǎn)生的自由基是導(dǎo)致疾病、衰老的主要原因。生姜中的辣味提取物具有DPPH自由基清除作用和超氧陰離子自由基清除作用，研究顯示姜辣素對于自由基的清除效果較好[38]。6-姜酚可以減少棒曲霉素引起人體肝癌細(xì)胞內(nèi)活性氧水平的升高以及減少8-羥基脫氧鳥苷的升高，同時升高谷酰甘肽的含量，從而驗證出6-姜酚的抗氧化作用。姜辣素的抗氧化作用與側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、反應(yīng)介質(zhì)和底物有關(guān)[39]，從鏈長6個碳延長到12個碳，顯著降低DNA鏈的斷裂，增強(qiáng)抗溶血活性，因此10-姜酚的抗氧化性較強(qiáng)[40]。

3.4 抑菌

姜酚對于各種細(xì)菌均有較強(qiáng)抑制作用，例如金黃色葡萄球菌、痢疾志賀氏菌、黑曲霉菌絲等[41]。姜酚可以通過破壞金黃色葡萄球菌細(xì)胞壁的通透性和完整性，使細(xì)胞發(fā)生溶解，產(chǎn)生空腔。姜酚還可以使黑曲霉菌絲的結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形，使表面變得粗糙，甚至變得干癟，從而使菌絲內(nèi)部的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器溶解，形成大量空泡，從而抑制黑曲霉菌絲的繁殖，降低幾丁質(zhì)的含量，但是姜酚不會改變細(xì)菌的DNA序列[42]。

3.5 調(diào)節(jié)血壓、降血脂

姜酚和其脫水降解產(chǎn)物對血管收縮舒張的影響明顯，其作用機(jī)理與人體的血液調(diào)節(jié)相關(guān)，能起到降低血壓的功效。研究發(fā)現(xiàn)，敲打ApoE基因的小鼠灌胃姜酚10周后，小鼠體內(nèi)血清甘油三酯減少，主動脈粥樣硬化的程度減輕[43-44]。Almatroodi等[44]用單劑量新鮮制備的55 mg/kg鏈脲佐菌素（streptozocin，STZ）對小鼠進(jìn)行腹腔注射，會造成胰島朗格漢斯胰島β細(xì)胞變性，從而誘發(fā)糖尿病。糖尿病大鼠灌胃6-姜酚（10 mg/kg），連續(xù)8周，每周檢查體重和空腹血糖水平。對處理后的大鼠進(jìn)行脂質(zhì)剖面、腎臟剖面、抗氧化酶水平、脂質(zhì)過氧化和抗炎標(biāo)記物水平等生化指標(biāo)的測定，用蘇木素-伊紅染色法檢查腎臟病理情況，結(jié)果顯示姜辣素通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)減輕鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠腎臟損傷。

4 姜辣素在食品中的應(yīng)用與存在問題

姜辣素在食品中能發(fā)揮抗氧化作用，姜辣素所制成的薄膜可以抑制冷卻豬肉脂肪發(fā)生氧化，延長豬肉的保鮮期。姜辣素所制得的保鮮膜應(yīng)用于雞蛋保鮮中，發(fā)現(xiàn)其具有綠色、天然等特點，并且可延長雞蛋的貯藏期[45-46]。在魚片制品中加入姜辣素，可減少脂肪氧化，延長食物的保存期[47-48]。

姜辣素因其特有的療效，應(yīng)用前景十分廣闊。但在加工過程中，姜辣素中的酚類物質(zhì)不穩(wěn)定，容易損失。另外，酚類物質(zhì)與蛋白質(zhì)等物質(zhì)結(jié)合，會產(chǎn)生沉淀，造成飲料不澄清，隨著澄清劑的發(fā)展，這一問題有望得到解決[49]。

5 總結(jié)與展望

我國的生姜資源十分豐富，對于開發(fā)利用生姜中的姜辣素有先天的地理資源優(yōu)勢，姜辣素作為生姜中的重要組分，已應(yīng)用于治療骨質(zhì)疏松、抗氧化等方面，本文主要綜述了姜辣素預(yù)處理以及提取的方法，對姜辣素的功能進(jìn)行總結(jié)，以期為姜辣素的提取以及應(yīng)用提供理論支持。姜辣素的研究前景廣闊，但姜辣素的組成部分較為復(fù)雜，目前提取系統(tǒng)并不完善，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈，缺少理論基礎(chǔ)作為支撐，需要有更好的方法去分離姜辣素，更為深入地研究姜辣素的提取工藝，創(chuàng)新生姜中姜辣素的提取技術(shù)，實現(xiàn)生姜中姜辣素的高效提取。