生姜中姜辣素的功能性及其應(yīng)用研究進(jìn)展

孫 璐，趙曉燕，朱運(yùn)平，張曉偉，劉紅開，朱海濤

（1.濟(jì)南大學(xué) 烹飪學(xué)院 食品科學(xué)與營養(yǎng)系，山東濟(jì)南 250022；2.北京工商大學(xué) 食品與健康學(xué)院，北京 100048）

生姜在我國南方地區(qū)和部分北方地區(qū)種植面積較大[1]，因種植地區(qū)的不同，且土壤以及溫度等方面有所差異，使生姜的品種多樣且大小不同[2]。根據(jù)古方記載不同品種的生姜加工后，所發(fā)揮的主要功效也不同。例如，南方地區(qū)所產(chǎn)的小姜，利用其纖維少的特點腌制成咸菜，具有健脾開胃、解表驅(qū)寒的功效；秋后收獲的老姜可與紅糖制作成姜糖水，具有補(bǔ)氣血、暖宮的功效；北方地區(qū)所產(chǎn)的生姜，因為纖維多、體格大，所以切片烘干制成干姜，具有溫肺止咳、回陽通脈的功效，或者制成炮姜有止痛驅(qū)寒、溫煦經(jīng)絡(luò)的功效。據(jù)此得出，生姜在古代有較高的醫(yī)藥、食用價值，而廣泛種植帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益，一定程度上促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，生姜的根莖中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，由一百多種化學(xué)組分構(gòu)成，而姜辣素作為生姜中含量較多的成分之一，具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎及抗血脂的藥理作用，其功能性加以利用可以廣泛應(yīng)用于食材保鮮、護(hù)膚品消炎祛痘、提高藥物療效。綜上所述，姜辣素與生姜的藥效、食用價值都有密不可分的關(guān)系，具有較高的研究價值。

1 姜辣素的概述

1.1 姜辣素的結(jié)構(gòu)和種類

人們研究姜辣素的組成物質(zhì)已有140多年的歷史。1879年姜中的辣味物質(zhì)首次被Thresh分離出來，命名為姜酚，隨后Lapworth與Wykes在實驗中將姜酚水解成姜酮，確定了姜酚的結(jié)構(gòu)，1917—1918年Nomuea確定了生姜中姜酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)并且從生姜中分離出姜烯酚，經(jīng)過十年研究，Nomuea與Tsurami合成了姜烯酚并且在實驗研究中驗證得到姜烯酚的化學(xué)結(jié)構(gòu)式，1969年Connell和Sutherland得出姜酚是類似化合物4-姜酚、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、12-姜酚組成的，其中6-姜酚為主要活性成分[3-4]。

經(jīng)過一系列的研究，得出姜辣素是由多種物質(zhì)構(gòu)成的混合物，決定生姜的辣度和風(fēng)味，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜但都含有3-甲氧基-4-羥基苯基官能團(tuán)[5]，根據(jù)其官能團(tuán)連接的烴鏈不同，可分為姜酚類、姜烯酚類、姜酮、姜二酮類和姜二醇類等不同類型（如圖1）。

圖1 姜辣素組分化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1.2 姜辣素的分離提取方法

1.2.1 姜辣素的提取方法

生姜中姜辣素常用的提取方法包括壓榨法、有機(jī)溶劑提取法、分子蒸餾法、酶解法、超聲波提取法、微波輔助提取法、超臨界CO2萃取法等。由表1可以看出，各提取方法的提取原理和優(yōu)缺點比較。

壓榨法得到的是姜辣素粗提液，需要進(jìn)一步工藝純化分離，有機(jī)溶劑浸提法是各個提取方法的基礎(chǔ)且工藝最為成熟，目前采用C2H6O、CH3OH、C4H10O、CH3COCH3等極性較大的溶劑，其中C2H6O濃度為72%、浸提溫度54 ℃、料液比0.017 g/mL姜辣素得率高達(dá)0.94%[7]。采用甲醇溶液浸提姜辣素，總提取率為0.595%±0.031%，而采用微波輔助法與甲醇浸提相結(jié)合的總提取率為0.716%±0.051%，得率為0.673%±0.043%，相比較得出離子液體-微波輔助法（ILMAE）縮短了30 min的時間來從生姜中提取生姜醇，并且提高了得率[8]。

頻率的大小顯著影響超聲波輔助提取法的提取率，經(jīng)過研究對比后得出高頻（800 kHz）聲表面波的濃度和回收率是低頻（28 kHz）聲表面波的2.69倍[9]，最佳提取工藝條件為超聲功率231 W、15 min、80 ℃、物料粉碎度60～80目、料液比0.04 g/mL，在此條件下姜辣素的含量達(dá)到6.896%[10]。酶解法輔助提取姜辣素得率（6.2%～6.3%）高于普通溶劑提取得率（5.5%），并且多酚經(jīng)纖維素酶預(yù)處理后的生姜乙醇提取物含量最高（37.5 mg/g），該方法使多酚類的提取率顯著提高[11-12]。

表1 姜辣素提取方法

水蒸汽蒸餾法和乙醇滲漉提取法的提取率較低于超臨界CO2萃取法[13]，最佳操作參數(shù)為：CO2流速31 L/h、壓力25 MPa、42 ℃，在此條件下姜辣素的提取率可達(dá)到1.85%[14]。采用超臨界CO2萃取法與乙醇水溶液結(jié)合進(jìn)行連續(xù)液-液萃取[15]，不僅有效去除姜油樹脂中雜質(zhì)，而且縮短分離純化時間，得到姜辣素和6-姜酚含量均高的液體姜辣素，為姜辣素提取提供一種有效的新工藝路線。

1.2.2 姜辣素的分離方法

姜辣素的組分復(fù)雜且極性不同，由于地理環(huán)境和氣候溫差等因素造成姜辣素各組分的含量不同，可根據(jù)這些特點采用不同的分離方法（如表2）。選用適合得分離方法提取不同組分，例如采用分子蒸餾法將姜辣素與萜類組分進(jìn)行分離純化，測定得出姜酚的純度為86.31%[5]。含有姜烯酚類較多的姜辣素選用非極性大孔吸附樹脂吸附效果較好，測定得出姜辣素的純度為56.4%[16]，而酚類物質(zhì)屬于弱極性，選用柱層析最先洗脫分離出來[3]，姜辣素的純度可以達(dá)到 53.6%[17]。在工業(yè)化生產(chǎn)中，大孔吸附樹脂和干柱層析使用較多，高速逆流色譜和高效液相色譜適用于實驗室研究。

表2 姜辣素分離方法

1.3 姜辣素的檢測方法

姜辣素的組分通常選用薄層色譜法（TLC）、高效液相色譜法（HPLG）、氣相色譜（GC）以及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）分析等方法進(jìn)行測定[20]，其中姜辣素的組分中以姜酚為主，因此以姜酚的含量來預(yù)估姜辣素的純度，但是姜酚受熱不穩(wěn)定，易氧化，易發(fā)生逆羥醛縮合降解，在貯存、加工以及測定的過程中，姜酚可脫水轉(zhuǎn)化為姜烯酚，上述測定方法缺乏標(biāo)準(zhǔn)對照品，這一定程度上增加了檢測難度。在張文煥的實驗中[21]，采用超高效液相色譜，串聯(lián)質(zhì)譜（UHPLC-MS/MS）定性定量的分析方法，并對該方法進(jìn)行了優(yōu)化，有效檢測出6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、6-姜烯酚、8-姜烯酚、10-姜烯酚等重要組分的含量，建議以此方法作為姜辣素純度的判定，可減少誤差值提高檢測的準(zhǔn)確性。國外學(xué)者認(rèn)為姜酚類與姜烯酚類在一定條件下可轉(zhuǎn)換[22]，為進(jìn)一步探究其變化提供新的研究思路。

2 姜辣素的功能及作用機(jī)制

2.1 抗腫瘤

姜辣素具有細(xì)胞毒性，且通過誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡從而抑制了癌細(xì)胞的生長，在抑制乳腺癌、結(jié)腸癌、宮頸癌和肺癌[23-26]方面有顯著效果，其中姜辣素中的10-姜酚和8-姜酚抑制三陰性乳腺癌的效果高于6-姜酚[23]，而6-姜酚作為細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK1/2）或c-Jun氨基末端裂原活化蛋白激酶（JNKMAP）的抑制劑，通過下調(diào)佛波酯（PMA）誘導(dǎo)引起的ERK1/2磷酸化，以及JNK MAP激酶和激活蛋白1（AP-1）轉(zhuǎn)錄因子的活化作用，從而抑制癌細(xì)胞的增殖，6-姜烯酚通過上調(diào)E6靶蛋白1（E6TP1）和下調(diào)甘丙肽及甘丙肽受體2m RNA的表達(dá)，有效抑制宮頸癌神經(jīng)周浸潤（PNI）的發(fā)生。此外，在姚靜靜等[26]的實驗中證明，6-姜辣素對信號通路有調(diào)節(jié)作用，能夠?qū)2巨噬細(xì)胞重編程為M1巨噬細(xì)胞，抑制腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，從而防治肺癌。在李利萍的實驗中[27]進(jìn)一步證實，通過調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)水平從而引起黑色素瘤細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的發(fā)生，其分子機(jī)制可能是激活肌醇激酶1/c-Jun氨基末端激酶（IRE1/JNK）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路。綜上所述表明姜辣素是通過調(diào)整多種基因蛋白，從而抑制癌細(xì)胞生長達(dá)到抗癌效果，可將其作為預(yù)防癌癥疾病的有效成分。由于姜辣素良好的止嘔作用，可進(jìn)一步與抗癌藥物聯(lián)合使用，提高藥物療效、減少化療所產(chǎn)生的不良反應(yīng)和降低藥物毒性。

2.2 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，抗氧化物質(zhì)可以有效減少或者清除部分自由基，除自身合成抗氧化物質(zhì)，還可以從食物中獲取，而生姜中的辣味成分提取物具有1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除作用和超氧陰離子清除作用，其中姜辣素的清除效果較好。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，6-姜酚可減少棒曲霉素（PAT）引起人肝癌細(xì)胞（Hep G2）內(nèi)活性氧（ROS）水平的升高以及減少8-羥基脫氧鳥苷的生成，同時升高谷胱甘肽的含量，從而證明6-姜酚具有抗氧化作用[28]。姜辣素的抗氧化性與側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、反應(yīng)介質(zhì)和底物有關(guān)[29]，從鏈長6個碳延長到12個碳，顯著降低DNA鏈的斷裂，增強(qiáng)其抗溶血活性，因此得出10-姜酚的抗氧化性較強(qiáng)。姜辣素中的姜酚粗提物可顯著增加離體血清和肝勻漿超氧化物歧化酶（SOD）活力，可明顯減少體血清中丙二醛（MDA）脂質(zhì)過氧化物含量，從而提高機(jī)體總抗氧活性。這種抗氧化作用在保護(hù)肝損傷及防治腦缺血灌注損傷等方面呈現(xiàn)積極意義，可適當(dāng)添加到保健藥品中，提高預(yù)防疾病的同時也改善保健藥品的風(fēng)味。

2.3 抗炎

生姜廣泛用于治療妊娠引發(fā)的惡心、胃痛、腹瀉、牙痛、牙齦炎、關(guān)節(jié)炎和哮喘呼吸系統(tǒng)疾病。許多實驗室研究生姜與炎癥之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)生姜通過環(huán)氧合酶和脂氧合酶兩個途徑抑制花生四烯酸（ARA）的代謝，從而抑制在炎癥部位合成和分泌的細(xì)胞因子與趨化因子基因的誘導(dǎo)，而姜的大部分活性都被歸因于6-姜酚，通過實驗證明具有抗氧化活性，促進(jìn)血管生成，調(diào)節(jié)蛋白激酶磷酸水平以及抑制巨噬細(xì)胞促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生[30]，從而發(fā)揮抗炎的作用。在Ahui[31]的實驗中，表面純化的6-姜酚部分單獨(dú)使用與總提取物具有相同的抗炎活性，在李冰[32]進(jìn)一步的實驗中，在給藥后的細(xì)胞中腫瘤壞死因子（TNF-α）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）炎癥因子減少，環(huán)磷酸腺苷（cAMP）顯著增加，其抗炎機(jī)制可能是通過抑制磷酸二酯酶4（PDE4）蛋白表達(dá)，從而抑制cAMP水解，從而產(chǎn)生抗炎作用。可按照上述方法進(jìn)一步探究姜辣素中其余組分的抗炎性以及探究其分子機(jī)制的變化規(guī)律。

2.4 降血脂

近年來，隨著生活水平提高，高血脂和非酒精性脂肪肝的患者呈逐年遞增趨勢，除藥物控制研究外，從食材中提取有效成分降低血脂也是研究的熱點，生姜是疏肝利膽的中藥，可促進(jìn)膽固醇代謝，具有降血脂的作用。姜辣素作為生姜的主要活性成分，在降血脂方面有較高的生物活性，能明顯改善成年嚙齒動物的脂質(zhì)代謝異常。通過建立非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD）模型[33]，選用自然衰老的大鼠，發(fā)現(xiàn)姜辣素降血脂的分子機(jī)制是通過增加脂肪酸β-氧化從而減少脂肪生成，升高過氧化物酶體增殖劑激活受體（PPARα）及其下游靶基因肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶（CPT1α）的表達(dá)，抑制二酰基甘油?；D(zhuǎn)移酶（DGAT-2）表達(dá)，減少甘油三酯（TG）合成，改善肝臟脂質(zhì)沉積從而治療老年性脂肪肝[34]。采用不同濃度的姜辣素治療飲食肥胖的大鼠30 d，發(fā)現(xiàn)大鼠體內(nèi)葡萄糖水平、胰島素、脂肪酶血漿、瘦素、體質(zhì)量和組織脂質(zhì)顯著降低，這些下降程度與姜辣素的濃度成正比[35]。通過上述研究表明，姜辣素可作為新型輔助治療高血脂以及肥胖疾病的有效成分，進(jìn)一步提高天然提取物在治療疾病方面的應(yīng)用。

3 姜辣素的應(yīng)用

3.1 在食品中的應(yīng)用

生姜自古以來就在人們生活中發(fā)揮不可缺少的作用，可作為食材、調(diào)味品以及藥材。經(jīng)過現(xiàn)代研究表明，姜辣素具有良好的抑菌特性和抗氧化性，在食品加工中應(yīng)用前景廣泛，例如芒果糖片的加工中加入姜辣素后[36]，減少芒果片的糖和水分的損失，多步優(yōu)化后減少芒果中存在的天然生物活性化合物的損失，提高整體感官分?jǐn)?shù)且顏色差異較小，使芒果糖片的營養(yǎng)和功能品質(zhì)得到大幅度改善。在果蔬飲料加工中加入姜辣素，充分發(fā)揮其良好功能特性，改善果蔬汁存放時間較短的缺點，延長飲料的貨架存放期，同時減少人工防腐保鮮劑的加入。除此之外可以將提取出的姜辣素直接放入餡料中，作為調(diào)味料均勻入味，放入魚類等海鮮食品中可增加去腥效果，并有效避免在食用過程中姜粗顆粒的存在影響口感，可以有效的減少脂質(zhì)氧化，從而延長魚片的儲存期[37]。在腌制肉制品中，不僅可以清除含有的亞硝酸鹽，還可以有效保持肉糜亮度[38]。

3.2 在醫(yī)藥保健中的應(yīng)用

生姜在《太平圣惠方》《神農(nóng)本草經(jīng)》《傷寒雜病論》中均有記載，食療處方單廣為流傳，可見其藥理作用效果顯著[39]，而姜辣素作為生姜中主要活性物質(zhì)之一，具有抗癌、抗炎和抗血脂等特性，利用這些特性可提高治療癌癥藥物的療效，有效抑制腫瘤細(xì)胞活性，降低癌癥的發(fā)病率。通過建立2，2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二鹽酸鹽（AAPH）脂質(zhì)體誘導(dǎo)的嘔吐模型，姜辣素中的姜酚類物質(zhì)有效改善消化道疾病引起的嘔吐，抑制率可高達(dá)85%左右[18]，同時也可緩解化療患者惡性腫瘤引起的嘔吐現(xiàn)象，可作為止吐的新型藥物。在防治魚類的多絲蟲病中，姜辣素可替代藥劑，10-姜辣素濃度為4 mg/L時可保護(hù)健康魚類不受多絲狀體寄生蟲感染，濃度為2 mg/L的10-姜辣素顯著降低草魚的感染率和平均感染強(qiáng)度，提高草魚的成活率[40]。

3.3 在化妝品中的應(yīng)用

姜辣素常與生姜中的其他成分應(yīng)用于化妝品領(lǐng)域，在洗發(fā)水中，添加富含姜辣素的姜汁可有效清除頭皮中的污垢和抑菌頭皮細(xì)菌生長，具有良好的穩(wěn)固發(fā)根和防止脫發(fā)的效果[41-43]。在護(hù)膚品中，姜辣素不僅起到抗皮膚氧化的作用，還可以有效清除面部肌膚的油脂和抑制細(xì)菌生長，減少了油豆的出現(xiàn)，含有姜辣素的面膜，可以起到消炎祛痘和鎮(zhèn)定肌膚的作用。

4 姜辣素應(yīng)用存在的問題

姜辣素以特有的風(fēng)味以及療效應(yīng)用于各領(lǐng)域中，深受消費(fèi)者喜愛，具有廣闊的應(yīng)用前景，但在加工成品應(yīng)用中還存在一些問題。在食品領(lǐng)域中，因姜辣素所含有的酚類物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，所以在果蔬飲料加工中易與淀粉、蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)合產(chǎn)生沉淀，造成飲料澄清效果差，進(jìn)而降低產(chǎn)品品質(zhì)，可考慮添加適當(dāng)澄清方法改善這一問題。在醫(yī)藥品領(lǐng)域中，由于生姜產(chǎn)地不同，導(dǎo)致姜辣素的組分含量不一樣，大量提取導(dǎo)致生姜原材料不必要的浪費(fèi)，可根據(jù)相應(yīng)療效效果需求，選擇組分含量較高的生姜原料提取。在化妝品行業(yè)中，因姜辣素具有一定的刺激性且不同人群肌膚的角質(zhì)層不同，所以最佳添加量根據(jù)不同膚質(zhì)可做進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論展望

姜辣素作為生姜中的重要組成成分，由于其較好的醫(yī)藥療效和保健功能，在生活中越來越受人們的青睞，其研究及應(yīng)用將顯現(xiàn)巨大的潛在價值。目前姜辣素的提取方法較多，可根據(jù)姜辣素的具體應(yīng)用，趨利避害的選擇合適的提取方法，但是在生產(chǎn)加工中還面臨很多有待解決的問題。如姜辣素的組成部分較為復(fù)雜，增加了分離的難度，而在分離過程中，有機(jī)溶劑的殘留需多次處理，一定程度上破壞了姜辣素并且增加生產(chǎn)成本。由于酚類物質(zhì)的不穩(wěn)定性，姜辣素測定存在差異且缺乏標(biāo)準(zhǔn)對照組，阻礙研究進(jìn)展。改進(jìn)上述問題，優(yōu)化提取分離方案，有助于姜辣素擴(kuò)大在食品、醫(yī)藥、化妝品的應(yīng)用。其次姜辣素的抗氧化、抗癌、抗炎和抗血脂等功能性效果顯著，但目前其作用機(jī)理尚未完全明確，我們需要進(jìn)一步探索姜辣素與相關(guān)疾病之間的分子機(jī)制，證明姜辣素在治療和預(yù)防疾病的作用機(jī)理，為今后姜辣素作為輔助藥物治療疾病奠定基礎(chǔ)，為預(yù)防某些相關(guān)疾病提供理論依據(jù)。