生姜揮發(fā)油研究進(jìn)展

張青，李靜，劉佳，蒲旭峰

(1.成都中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，成都 611130；2.成都市食品藥品檢驗(yàn)研究院，成都 610045)

生姜是姜科多年生草本植物姜(ZingiberofficinaleRosc.)的新鮮根莖，屬藥食兩用傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，香氣特異，味辛辣，在我國栽種歷史悠久[1]。性微溫，味辛，歸肺、脾、胃經(jīng)，具有發(fā)散風(fēng)寒、溫中止嘔、溫肺止咳等功效。自古以來，均認(rèn)為生姜香味重者為佳，可見生姜的特殊香氣是評判其質(zhì)量的主要指標(biāo)，而生姜特殊香味的物質(zhì)基礎(chǔ)主要來自揮發(fā)油成分。生姜中揮發(fā)油總含量在0.25%～3.0%，在食物加工過程中能起到增味、去腥、添香、護(hù)色、清口等作用，能促進(jìn)消化液分泌，增進(jìn)食欲，同時(shí)也有良好的抗菌、抗氧化、抗腫瘤、抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮等[2，3]藥理活性。隨著對生姜研究的逐漸深入，生姜產(chǎn)業(yè)得到大力發(fā)展，其揮發(fā)油成分被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、香料和化妝品等行業(yè)。筆者通過查閱近10年關(guān)于生姜揮發(fā)油研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)，對生姜揮發(fā)油的提取技術(shù)、成分分析方法、化學(xué)成分及活性研究進(jìn)行綜述，以期為生姜的進(jìn)一步研究和應(yīng)用開發(fā)提供參考借鑒。

1 提取技術(shù)

生姜揮發(fā)油又稱生姜油，是其主要的香味物質(zhì)。近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者為充分提取生姜油做了許多研究工作，并取得了很多建設(shè)性成果。筆者查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前生姜油的提取技術(shù)主要分為傳統(tǒng)提取和現(xiàn)代技術(shù)提取，傳統(tǒng)提取包括：水蒸氣蒸餾法、壓榨法、溶劑提取法；現(xiàn)代技術(shù)提取包括：CO2超臨界流體提取法、微波提取法、超聲提取法、亞臨界水萃取法及新興技術(shù)輔助水蒸氣蒸餾法(如酶法輔助水蒸氣蒸餾法、閃式輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法、超聲協(xié)同水蒸氣蒸餾法等)。

1.1 傳統(tǒng)提取方法

1.1.1 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法是一種最常用的植物性天然香料連續(xù)動態(tài)提取方法，成本低而產(chǎn)量大,設(shè)備及操作都比較簡單。傳統(tǒng)生姜油提取多采用此法，將生姜藥材浸泡之后用水蒸氣蒸餾裝置蒸出揮發(fā)油，收集即得。Xue等[4]采用水蒸氣蒸餾法從生姜中提取揮發(fā)油，共提取出27種化學(xué)成分。該法具有簡單、易操作、能避免有機(jī)溶劑污染等優(yōu)點(diǎn)，但一般耗時(shí)較長，且得油率相對較低，同時(shí)提取溫度較高，易造成生姜揮發(fā)油中不穩(wěn)定的香氣成分和活潑成分的損傷，會使姜油的成分、氣味、風(fēng)味會發(fā)生有害變化。

1.1.2 壓榨法

壓榨法是一種依靠機(jī)械動力提取精油的傳統(tǒng)方式，利用機(jī)械壓榨機(jī)依靠旋轉(zhuǎn)的螺旋體的推進(jìn)作用，壓縮樣材，將細(xì)胞中的精、油壓榨出來，再經(jīng)一系列除雜工序,即可得到精油。鐘凌云等[5]將生姜壓榨搗成汁，研究生姜油對胃腸運(yùn)動功能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生姜油有促進(jìn)胃腸運(yùn)動的作用。壓榨法簡便易行，成本低，但在提取過程中可能會發(fā)生乳化作用而導(dǎo)致油水分離困難，影響提取效率。

1.1.3 溶劑提取法

溶劑提取法是依借相似相溶原理，利用生姜揮發(fā)油與其他組分在特定溶劑中溶解度的差異，實(shí)現(xiàn)組分分離，從而提取出揮發(fā)油部分。提取生姜揮發(fā)油常用的溶劑石油醚、乙醇、乙醚、氯仿、丙酮等。石油醚提取生姜油的提取率可達(dá)4.3%,且所得生姜油具有純正的生姜風(fēng)味。該方法操作簡單，但提取率不高，提取不完全，而且有溶劑殘留且會沉淀變色，影響揮發(fā)油的品質(zhì)和安全。

1.2 現(xiàn)代提取方法

1.2.1 超臨界流體提取法

超臨界流體提取是利用超臨界狀態(tài)下的流體作為萃取溶劑，從樣品中萃取出揮發(fā)油的新型分離技術(shù)，最常用的超臨界流體是二氧化碳(CO2)。超臨界流體SC-CO2萃取生姜揮發(fā)油，出油率可達(dá)4.27%。 超臨界流體提取條件溫和，設(shè)備封閉，能避免生姜香味成分的破壞和損失，在提取揮發(fā)油成分時(shí)具有一定的優(yōu)勢[6]。

1.2.2 微波提取法

微波提取是指使用適當(dāng)?shù)娜軇┰谖⒉ǚ磻?yīng)器中從樣品中提取各種化學(xué)成分的技術(shù)。微波是指頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波，利用電磁場的作用使固體或半固體物質(zhì)中的某些有機(jī)物成分與基體有效地分離，并能保持分析對象的原本化合物狀態(tài)。利用MAE從生姜中提取揮發(fā)油類成分能避免高溫破壞、有機(jī)溶劑污染等問題，受到眾多學(xué)者的青睞[7]。

1.2.3 超聲波萃取法

超聲波萃取是利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的多級效應(yīng)，增大樣品分子運(yùn)動頻率和速度，增加溶劑穿透力，加速目標(biāo)成分進(jìn)入溶劑，促進(jìn)提取的進(jìn)行。生姜體積較大，含大量粗纖維，不能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞壁完全破壞，增加揮發(fā)油的提取難度，高速效能的超聲提取能很好地解決這些問題，提高生姜揮發(fā)油提取率，同時(shí)提取時(shí)間短，工藝簡單，能耗低，有效成分破壞少、經(jīng)濟(jì)安全[8]。

1.2.4 亞臨界水萃取法

亞臨界流體提取是以亞臨界狀態(tài)的流體為溶媒,從天然產(chǎn)物中提取目標(biāo)組分的一種新技術(shù),具有提取效率高、易于分離、非熱加工、節(jié)能、成本低等優(yōu)點(diǎn)。常大偉等[9]分別利用亞臨界萃取技術(shù)和水蒸氣蒸餾技術(shù)提取生姜揮發(fā)油，并比較了提取物的成分種類和含量差異，前者出油率為3.14%，較后者出油率高，且亞臨界流體萃取得到的揮發(fā)油主要成分α-姜黃烯和姜烯含量分別為16.39%及27.59%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明亞臨界萃取技術(shù)的萃取效率較水蒸氣蒸餾的高，萃取的生姜油感官品質(zhì)、特征成分純度均優(yōu)于水蒸氣蒸餾法，表明亞臨界流體萃取能夠有效提高萃取率和產(chǎn)品質(zhì)量,具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2.5 其他

為提高生姜揮發(fā)油的提取效率，研究者們做了諸多努力，將新型現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)提取技術(shù)相結(jié)合，大大提高了生姜揮發(fā)油的提取率，實(shí)現(xiàn)了生姜揮發(fā)油的充分提取。如酶法輔助水蒸氣蒸餾提取，利用生物酶的酶解作用，破環(huán)植物細(xì)胞壁，使有效成分最大限度地溶出，提高收率。閃式輔助水蒸氣蒸餾法，利用閃式提取技術(shù)的高速機(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。此外，還有微波、超聲、超臨界流體等現(xiàn)代技術(shù)輔助傳統(tǒng)提取技術(shù)[10，11]。

通過總結(jié)，筆者發(fā)現(xiàn)不同提取方法的生姜揮發(fā)油提取率有所差異，總體來說，新興提取技術(shù)較傳統(tǒng)提取技術(shù)的提取效率高，提取的揮發(fā)油種類更多，且與傳統(tǒng)提取方法相結(jié)合，擴(kuò)大實(shí)用范圍，更加促進(jìn)生姜加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 分析方法

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者從生姜中提取分離得到的揮發(fā)油成分種類多達(dá)100多種，且發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地生姜中的揮發(fā)油含量均有所不同。生姜的特殊香味主要是由其揮發(fā)油產(chǎn)生，不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)油的含量和種類不同，因而不同產(chǎn)地的生姜具有不同的香氣類型。目前常用的生姜揮發(fā)油分析方法有：氣相色譜法、薄層色譜法、高效液相色譜法、頂空固相微萃取法、高效毛細(xì)管電泳法、高效逆流色譜法及氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)(GC/MS)等[12，13]。Li等[14]采用GC-MS技術(shù)對生姜揮發(fā)油提取物進(jìn)行成分分析，并用面積歸一化方法計(jì)算各成分含量,測得生姜總揮發(fā)油含量為2.0 mL/g，GC/MS識別并鑒定出58個成分，占總揮發(fā)油的90.52%。Sasidharan等[15]從2個品種的生姜中分離出揮發(fā)油成分，采用GC和GC-MS做成分分析，確定了60個成分，分別占2個品種生姜揮發(fā)油的94.9%和92.6%，不同品種生姜的揮發(fā)油主要化合物種類和含量都不同，該文獻(xiàn)首次報(bào)道了不同品種生姜精油之間的差異。

3 生姜揮發(fā)油化學(xué)成分

生姜揮發(fā)油是其特異香味的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，成分復(fù)雜，種類繁多，主要是萜類化合物,其中倍半萜烯類碳水化合物含量最高,占50%～66%，其次是氧化倍半萜烯,占17%,其余是單萜烯類碳水化合物和氧化單萜烯類。在倍半萜烯類碳水化合物中,主要成分是α-姜烯、β-紅沒藥烯、α-姜黃烯、α-法呢烯和β-倍半水芹烯。除此之外，莰烯、水芹烯、芳樟醇、牻牛兒醇等成分相對含量也較高。Pantea Shirooye等[16]在生姜中提取出揮發(fā)油部分，結(jié)合GC-MS技術(shù)鑒定出了55種化學(xué)成分，占總揮發(fā)油的94%。Chung等[17]將韓國2個產(chǎn)區(qū)的生姜經(jīng)石油醚提取，收集揮發(fā)油成分進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)主要成分為莰烯、樟腦萜、α-水芹烯、姜烯、姜醇、芳樟醇、金合歡烯。揮發(fā)油部分主要成分信息見表1和圖1。

表1 生姜揮發(fā)油主要成分信息表

圖1 生姜揮發(fā)油主要成分化學(xué)結(jié)構(gòu)式

4 生姜揮發(fā)油藥理活性研究

4.1 對消化系統(tǒng)的作用

在芳香健胃藥材中，萜類精油化合物是溫中健胃的有效成分之一，生姜揮發(fā)油是其治療消化系統(tǒng)疾病的主要成分。生姜油具有保護(hù)胃黏膜細(xì)胞的作用，可顯著抑制鹽酸性和應(yīng)激性胃黏膜損傷[18]，其保護(hù)機(jī)制可能與促進(jìn)胃黏膜合成和減少釋放內(nèi)源性PG有關(guān)，同時(shí)對腸道有雙向調(diào)節(jié)作用，既可松弛腸管，減少蠕動，也可使腸道張力、節(jié)律及蠕動增加，可用于因脹氣或其他原因引起的腸絞痛。顯微鏡觀察生姜揮發(fā)油對大鼠醋酸性結(jié)腸炎的影響，發(fā)現(xiàn)生姜揮發(fā)油對醋酸性結(jié)腸炎存在一定保護(hù)作用[19]。

4.2 抗氧化

動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腹腔注射生姜揮發(fā)油可抑制巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)的phorbol-12-肌體-13-醋酸根引起的超氧化物自由基，并且對小鼠進(jìn)行灌胃姜油實(shí)驗(yàn)，1個月后發(fā)現(xiàn)小鼠血液中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶、谷胱甘肽過氧化物酶和肝臟超氧化物歧化酶水平顯著提高，提示姜油具有顯著的抗氧化活性。卞夢瑤等[20]建立RAW264.7細(xì)胞的過氧化氫損傷模型,研究生姜油對細(xì)胞損傷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生姜油對細(xì)胞的氧化性損傷有顯著保護(hù)作用，可能是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原系統(tǒng)，提高抗氧化能力，有效清除自由基的產(chǎn)生。

4.3 抗癌

生姜具有明顯的清酸和過氧化作用，通過改善b16黑色素瘤細(xì)胞中的谷胱甘肽酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶的活性，發(fā)揮抑制細(xì)胞增殖和黑色素生成作用，提示生姜揮發(fā)油可作為食品工業(yè)中的一種有效的皮膚增白劑[21]。Santos等[22]進(jìn)行體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)研究生姜揮發(fā)油對子宮頸癌細(xì)胞的毒性活性，發(fā)現(xiàn)給藥后細(xì)胞的形態(tài)表現(xiàn)為染色質(zhì)縮合、細(xì)胞膜的完整性喪失以及細(xì)胞的細(xì)胞含量泄漏，結(jié)果表明生姜揮發(fā)油對子宮頸癌細(xì)胞具有強(qiáng)烈的細(xì)胞毒性活性，表明其可能用作子宮頸癌細(xì)胞的抗癌藥物。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生姜揮發(fā)油能抑制子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞的增殖，且IC50濃度為1.25 μg/mL，進(jìn)一步研究表明生姜揮發(fā)油中的萜類化合物可以通過激活P53基因?qū)е伦訉m內(nèi)膜癌細(xì)胞凋亡，提示生姜揮發(fā)油中的類萜類化合物是子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞增殖的有效抑制劑，可作為治療子宮內(nèi)膜癌的藥物進(jìn)行下一步研究，生姜精油還可防治胃腸道腫瘤[23]。

4.4 抗菌

體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生姜油對傷寒桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、霍亂弧菌、多重耐藥菌等都有明顯的抑制作用。Lei等[24]研究生姜油對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)生姜揮發(fā)油具有特定靶向抗菌能力，在發(fā)揮抗菌活性過程中表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性、酸度和抗堿性的特點(diǎn)，表明生姜油可作為一種天然、高效的抗菌原料應(yīng)用于食品、藥品、保健品、化妝品等行業(yè)。Intorasoot等[25]發(fā)現(xiàn)生姜揮發(fā)油對30多種鮑曼耐多重耐藥菌都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抗菌作用，表明生姜揮發(fā)油提取物可作為一種天然抗菌替代產(chǎn)品用于治療最常見的人類病原體和多重耐藥菌感染。

4.5 其他

生姜揮發(fā)油還具有降血脂，保護(hù)肝臟結(jié)構(gòu)，改善肝損傷，末梢性鎮(zhèn)吐，興奮呼吸和血管運(yùn)動中樞等作用。

5 生姜揮發(fā)油食用價(jià)值

生姜的可食用部分達(dá)95%，且富含大量營養(yǎng)成分，是人們餐桌上必不可少的傳統(tǒng)食材和辛香調(diào)味品，生姜菜肴香辛可口，開胃健脾，能促進(jìn)消化液分泌，增加胃腸蠕動，增進(jìn)食欲，有利于胃腸對營養(yǎng)成分的吸收；作為調(diào)味品，能起到增味、去腥、添香、護(hù)色、清口等作用，而生姜主要的香味物質(zhì)是其揮發(fā)油成分。

生姜揮發(fā)油可為甜味或咸味食物比如湯類、肉類、家禽、海鮮、蔬菜、米飯、面食、豆腐、鹵汁、調(diào)味汁、水果、蛋糕和飲品等調(diào)味。其在西方國家食用廣泛，常用其來為蛋糕、姜餅和蜜餞等提味，有些咖喱里面也有。在日本，將含有大量揮發(fā)油成分的生姜制成咸菜，作為壽司和生魚片的傳統(tǒng)搭配輔料。也可將生姜榨汁，姜汁紅茶不僅可以去冷散寒，還有解毒殺菌的作用。姜湯補(bǔ)暖，具有防止感冒，溫脾開胃的功效。生姜揮發(fā)油為淡黃色或綠色液體，是一種天然的食品添加劑，為一些啤酒和軟飲料(姜汁汽水)的成分之一。同時(shí)生姜揮發(fā)油中含有植物抗菌素，試驗(yàn)證明生姜揮發(fā)油的抑菌作用強(qiáng)于相同濃度的常用食品防腐劑山梨酸鉀水溶液。由此可見，生姜揮發(fā)油在天然防腐劑開發(fā)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

生姜揮發(fā)油作為調(diào)味劑、抗氧化劑、護(hù)色劑、保鮮劑、防腐劑、嫩化劑、澄清劑、凝乳劑等廣泛用于食品的加工， 是理想的高檔食品添加劑，隨著食品工業(yè)和健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們?nèi)諠u注重身體保健，高品質(zhì)、純天然的生姜精油必將受到人們的推崇。

6 總結(jié)

揮發(fā)油成分不僅是生姜特異香味的物質(zhì)基礎(chǔ)，也有抗菌、抗氧化、抗病毒等生物活性，在食品、藥品、化妝品等行業(yè)具有廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。隨著對生姜油研究的不斷深入，將促進(jìn)生姜油產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，不斷地開發(fā)其營養(yǎng)價(jià)值和保健價(jià)值。