正交優(yōu)化生姜油提取工藝及其GC-MS成分分析

（湖南科技職業(yè)學(xué)院藥學(xué)院，湖南長沙410000）

生姜是姜科多年生草本植物姜的根莖，是一種常用的調(diào)味植物。在我國分布廣泛，主要分布于我國中部，東南部至西南部，常栽于亞熱帶地區(qū)。生姜原產(chǎn)于東南亞熱帶地區(qū)，在中國已經(jīng)有了2 000多年的栽培歷史，既是一種調(diào)味料，也是常見的中藥材。在2014年，全球生姜的年產(chǎn)量已經(jīng)達到2 260萬t。生姜同時具有散寒發(fā)汗、化痰止咳、和胃、止嘔等多種功效[1-2]。

雖然我國的生姜產(chǎn)量年年升高，但是我國對生姜的綜合利用還處于起步階段，沒有對生姜進行有效的利用，對于生姜資源來說造成了極大的浪費。并且因為生姜的儲藏困難，很容易就腐敗變質(zhì)，這也就造成了生姜的極大損失。目前，生姜的主要貿(mào)易還是以鮮姜，干姜為主。雖然干姜能夠有效的避免腐敗變質(zhì)，但是這樣提高利用率還是遠遠不夠的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已能從生姜中提取一些功效成分，并且發(fā)現(xiàn)這些功效成分在保健以及對疾病的預(yù)防與治療上取得了良好的功效，這一發(fā)現(xiàn)，能夠大大的提高生姜的綜合利用效率[3-4]。

而生姜油作為生姜內(nèi)的主要提取物，是使用蒸餾法提取得到的揮發(fā)性植物油?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的組分已經(jīng)有了100多種，主要為倍半萜烯類碳水化合物（占50%～66%）與氧化倍半萜烯（17%）。研究發(fā)現(xiàn)，桉樹腦、里哪醇、香茅醇乙酸酯、龍腦、香葉醛和香葉醇是鮮姜香氣的最主要的呈香組分[5-6]。生姜油的主要提取方法有超臨界CO2萃取法，溶劑萃取法，水蒸氣蒸餾法[7-9]。其中超臨界萃取法對設(shè)備的要求高，存在較大的限制，而水蒸氣蒸餾法對于提取生姜油來說，提取率較低，并且很難提取生姜油內(nèi)部分低沸點物質(zhì)，所以本文使用溶劑萃取法，這種方法的優(yōu)點在于操作簡單，同時對于生姜油內(nèi)的有效物質(zhì)能夠很好的提取。

生姜油含有的多種成分，使它廣泛應(yīng)用于食品，化妝品等行業(yè)中。生姜油同時具有抗氧化性，抗炎作用，抗過敏，對肝損害的保護作用，使其同時在醫(yī)藥行業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用[10-15]。本文對生姜油提取工藝進行優(yōu)化及其主要成分進行分析，以期為生姜綜合開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器和藥品

1.1.1 試驗儀器

FG102微型電動植物粉碎機：天津市儀器有限公司；HHSⅡ-2型電熱恒溫水浴鍋：北京長安科學(xué)儀器廠；101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器公司；FA2004電子天平：賽多利斯科儀器有限公司；7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國安捷倫公司；索氏提取器。

1.1.2 試驗藥品

干姜：本地市場；石油醚（化學(xué)純）：南京化工廠；碘化鉀、淀粉、NaOH、Na2S2O3；乙酸乙酯、三氯甲烷、冰醋酸、酚酞、濃鹽酸、正己烷、無水硫酸鎂、氫氧化鉀：國產(chǎn)分析純；甲醇、正己烷：國產(chǎn)色譜純。

1.2 試驗方法

1.2.1 生姜油提取工藝

生姜油的提取工藝流程：生姜粉→過篩→溶劑萃取→過濾→蒸餾→成品。

1.2.2 生姜油提取工藝設(shè)計

根據(jù)前人研究成果縮小關(guān)鍵條件篩選范圍，每個試驗重復(fù)3次，取其平均值，然后根據(jù)生姜油提取率選用合適的參數(shù)以增大試驗的精確性和準確性。

1.2.2.1 物料粒徑的選取

稱取10 g分別過20、40、60、80目和100目篩的姜粉，按照料液比1∶4（g/mL）、45℃下水浴萃取60min，然后在80℃蒸餾，得到生姜油成品。

1.2.2.2 萃取溫度的選取

稱取10 g過60目篩的姜粉，料液比為1∶4（g/mL），萃取時間為60min，萃取溫度分別為30、35、40、45、50℃的條件下提取生姜油，然后在80℃下蒸餾，得到生姜油成品。

1.2.2.3 萃取時間的選取

稱取10 g過60目篩的姜粉，料液比為1∶4（g/mL），萃取溫度為45℃，在80℃下蒸餾，萃取時間設(shè)為30、45、60、75min和 90min 下提取生姜油。

1.2.2.4 料液比的選取

稱取10 g過80目篩的姜粉，按料液比分別為1∶3、1 ∶3.5、1 ∶4、1 ∶4.5（g/mL）和 1 ∶5（g/mL）的比例加入萃取劑，萃取溫度為45℃，萃取時間為60min，然后在80℃下蒸餾，得到生姜油成品。

1.2.3 正交試驗及其驗證

正交試驗及其驗證見表1。

表1 生姜油正交試驗因素表Table 1 The table of orthogonal test on ginger oil

根據(jù)以上各單因素的適宜水平，使用L9（34）正交試驗表，在80℃下蒸餾進行萃取工藝的正交試驗，根據(jù)生姜油提取率來確定四因素三水平的最佳組合[16]。

1.2.4 生姜油品質(zhì)的鑒定

1.2.4.1 酸價的測定

按照GB 5009.229－2016《食品安全國家標準食品中酸價的測定》方法測定生姜油的酸值。

1.2.4.2 碘價的測定

按照GB/T 5532－2008《動植物油脂碘值的測定》的方法測定生姜油的碘價。

1.3 生姜油成分GC－MS分析[17]

生姜油甲酯化：稱取1 g油樣，置于具塞錐形瓶中，加入0.5 mol/L的氫氧化鉀－甲醇溶液10 mL，混勻后置于70℃下水浴超聲波輔助處理1 h，冷卻至室溫，用20 mL色譜純正己烷萃取，靜置分層取上層液，用蒸餾水洗滌2次～3次，加入無水硫酸鎂干燥脫水，最后4 500 r/min離心10min，取上層清液置于瓶中待測。

GC 條件：HP－5MSAgilent 190191S－433型石英毛細管柱（325℃，30 m×0.25 mm×25 μm）；載氣為高純氦氣（99.999%），柱前壓 69.8kPa，柱內(nèi)載氣流量 2mL/min；80℃開始保持2min，以10℃/min升溫到160℃，保持2min，再以5℃/min升溫到250℃保持5min；樣品進樣量 1 μL；分流比 10 ∶1。

MS條件：四級桿溫度150℃，EI離子源溫度230℃，溶劑延時4min，電子能量70 eV，掃描范圍30 u～500 u。

基于氣象色譜保留指數(shù)：通過比較保留指數(shù)（RI，HP－5）與文獻報道的化合物和比較其質(zhì)譜與Wiley GC/MS Library，Mainlib Library和 Replib Library數(shù)據(jù)公布的質(zhì)譜數(shù)據(jù)[18－19]，使用同系物系的正烷烴C6～C31計算保留指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生姜油提取工藝條件試驗

2.1.1 物料目數(shù)對生姜油提取率的影響

原料粒徑對生姜油提取率的影響見圖1。

圖1 目數(shù)對生姜油提取率的影響Fig.1 Effect of mesh on ginger oil extraction rate

從圖1可以看出，隨著原料粒徑的增大，生姜油的提取率先增大后趨于平緩，如粒徑為60、80目以及100 目的提取率分別為4.56%、4.59%和 4.61%，但三者沒有顯著性差異（p＞0.05）?？梢缘贸龅氖巧洼腿⌒适呛蜕吓c萃取劑的表面接觸面積相關(guān)的，目數(shù)越大接觸面積越大，當(dāng)目數(shù)達到一定值時，接觸面積將不會有顯著變化。故基于工藝的經(jīng)濟可行性考慮選擇60目為宜。

2.1.2 萃取溫度對生姜油提取率的影響

萃取溫度對生姜油提取率的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對生姜油提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on ginger oil extraction rate

從圖2中可以看出，生姜油提取率隨著溫度的升高先增大后減??；在萃取溫度為45℃時的生姜油提取率達到最大值為4.79%；隨著溫度繼續(xù)增加，生姜油的提取率反而降低。這主要是生姜油中一些低沸點的物質(zhì)隨著溶劑揮發(fā)造成生姜油的提取率下降，從節(jié)約能耗和獲取更大提取率角度考慮，應(yīng)該選擇45℃為萃取溫度。

2.1.3 萃取時間對生姜油提取率的影響

萃取時間對生姜油提取率的影響見圖3。

圖3 萃取時間對生姜油提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on ginger oil extraction rate

由圖3可見，生姜油提取率隨著萃取時間的延長先增大后略有下降最后趨于平緩。生姜油的提取過程中隨著時間的延長，溶劑能充分將生姜油從原料中萃取出來。當(dāng)萃取時間為60min時提取率最高為4.7%；萃取時間太短會導(dǎo)致生姜油無法完全萃取，萃取時間太長，同樣會導(dǎo)致生姜油隨萃取劑揮發(fā)且生產(chǎn)效率不高。60、75min和90min的提取率沒有顯著性差異（p＞0.05），基于生產(chǎn)效率性問題選擇60min為宜。

2.1.4 料液比對生姜提取率的影響

料液比對生姜油提取率的影響見圖4。

圖4 料液比對生姜油提取率的影響Fig.4 Effect of feed liquid ratio on ginger oil extraction rate

由圖4可知，當(dāng)萃取劑用量增大時，生姜油的提取率呈先增大后趨于平緩。如在料液比為1∶3（g/mL）時，其提取率為4.12%，當(dāng)料液比為1 ∶4.5（g/mL）時，提取率達到最大值為5.03%；但隨著萃取劑用量進一步擴大，提取率并沒有顯著增大，如料液比為1∶4（g/mL）、1 ∶4.5（g/mL）和 1 ∶5（g/mL）的提取率分別 4.96%、5.03%和4.98%，而三者之間并沒有顯著性差異（p＞0.05）。萃取劑用量較小，會導(dǎo)致沒有足夠的接觸面積，影響提取率；萃取劑用量太大，物料和溶劑的接觸面積達到飽和致使提取率不再增加，甚至由于溶劑的揮發(fā)還會引起提取率下降，料液比過大也會導(dǎo)致萃取劑的浪費，以及對后續(xù)蒸發(fā)增加成本。綜合考慮選擇1∶4（g/mL）作為萃取生姜油的料液比相對適宜。

2.2 正交試驗及其驗證

生姜油提取優(yōu)化L9（34）正交試驗的四因素三水平正交試驗試驗結(jié)果見表2。

表2 生姜油提取正交試驗結(jié)果Table 2 The orthogonal experiment results of ginger oil extraction rate

續(xù)表2 生姜油提取正交試驗結(jié)果Continue table 2 The orthogonal experiment results of ginger oil extraction rate

正交試驗結(jié)果表2極差R可知：影響生姜油的提取率的4個因素的主次順序為C＞B＞A＞D。提取生姜油的最佳組合為A2B2C3D3。即最佳萃取溫度為45℃，最佳萃取時間為60min，最佳料液比為1 ∶4.5（g/mL），最佳目數(shù)為80目。按照最優(yōu)水平組合A2B2C3D3進行3次平行試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 最優(yōu)水平驗證試驗結(jié)果Table 3 Optimal level validation test results

由表3可知，生姜油提取得率均值為5.63%，高于正交試驗結(jié)果，說明該工藝條件可行。

2.3 生姜油化學(xué)成分分析

生姜揮發(fā)油的主要化學(xué)成分見表4。

生姜油經(jīng)GC－MC分析存在64種化合物，所有鑒定的化合物占總生姜油的97.54%；其中包含13種單萜類化合物（20.77%），20種倍半萜類化合物（50.09%），6 種氧合倍半萜類（4.54%），5中醛類（17.42%），4種酮類（0.57%），9 種醇類（3.52%），2 種酯類（0.04%）以及其他5種化合物（0.41%）；顯然，單萜類，倍半萜類和醛類是精油中發(fā)現(xiàn)的3大類化合物。在生姜油中檢測到的主要有機化合物是姜烯占20.93%；其次是8.82%的 α－姜黃素、8.71%香葉醛、8.26%檜烯、8.13%β－水芹烯、8.02%橙花醛、7.42%α－法尼烯、6.26%莰烯等8種主要物質(zhì)。本試驗結(jié)果與Singh等的研究結(jié)果基本一致[18－20]。然而，在其他參考文獻中確定的生姜油主要化學(xué)化合物存在重大差異如：Singh G等研究表明生姜油中姜油酮含量為33.6%，而本試驗的研究為0.57%存在較大差異[21]；這些差異可能是由于生長地理環(huán)境環(huán)境、成熟度、遺傳或其他一些因素有關(guān)。

表4 生姜揮發(fā)油的主要化學(xué)成分Table 4 The main chemical constituents of volatile oils of ginger

2.4 生姜油品質(zhì)分析

2.4.1 感官指標

經(jīng)試驗優(yōu)化通過石油醚萃取得到的生姜油顏色呈淡黃色油狀液體，具有濃郁的辛辣味，風(fēng)味純正。

2.4.2 質(zhì)量指標

本試驗提取的生姜油酸價為5.10 mg/g；碘價為169.86 mg/g。

經(jīng)GC-MS分析經(jīng)本試驗提取得到的生姜油，在生姜油含量中大于6%的主要成分有姜烯、姜黃素、香葉醛、檜烯、水芹烯、橙花醛、α-法尼烯、莰烯。

3 結(jié)論

用石油醚作為萃取劑，按料液比為1∶4.5（g/mL），在45℃下，萃取60min，按照最優(yōu)水平組合A2B2C3D3進行3次平行試驗，生姜油的提取率可達5.63%，高于正交試驗最高組5.43%，說明工藝可行。通過對生姜油萃取工藝優(yōu)化，萃取出來的生姜油品質(zhì)較好，具有的生姜的獨特風(fēng)味，顏色為淺黃色。從生姜油鑒定出64種化合物，姜烯、姜黃素、香葉醛、檜烯、水芹烯、橙花醛、α-法尼烯、莰烯8種為主要化合物。其碘價與酸分別為5.10 mg/g、169.86 g/g。因此，本試驗設(shè)計的對生姜油提取的優(yōu)化工藝，能夠進一步提高生姜油的提取率，同時對生姜油的品質(zhì)無影響。

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