生姜精油CO2超臨界提取工藝優(yōu)化及其抗腫瘤活性研究

楊淼 高利 蘇慧慧

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.022

引文格式：楊淼，高利，蘇慧慧.生姜精油CO2超臨界提取工藝優(yōu)化及其抗腫瘤活性研究[J].中國調(diào)味品，2024，49（5）：132-136.

YANG M， GAO L， SU H H.Optimization of CO2 supercritical extraction process of essential oil from ginger and its anti-tumor activity[J].China Condiment，2024，49（5）：132-136.

摘要：植物中精油的提取方式很多，然而傳統(tǒng)的生姜精油提取工藝中存在很多不足，超臨界流體是近些年發(fā)展起來的一種新型的精油提取工藝，與傳統(tǒng)提取方式相比較，精油品質(zhì)得到了明顯的改善?；诖?，該研究利用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化CO2超臨界法提取生姜精油工藝，研究結(jié)果表明，生姜精油的最佳提取工藝為提取溫度40 ℃、提取壓力25 MPa、CO2流量1.5 L/min和提取時(shí)間35 min，此時(shí)生姜精油的提取率為4.58%；再通過GC-MS對CO2超臨界法提取的生姜精油揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)生姜精油中一共有29種揮發(fā)性成分，其中萜烯類化合物含量較高，姜烯含量最高（相對含量為37.623%）；其次是α-姜黃烯，相對含量為10.314%。此外，該研究還對生姜精油抗腫瘤生物活性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，目前的相關(guān)研究結(jié)果表明，生姜精油在抗腫瘤方面的應(yīng)用前景非常廣闊。

關(guān)鍵詞：生姜精油；工藝優(yōu)化；揮發(fā)性成分；GC-MS

中圖分類號：TS225.19????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號：1000-9973（2024）05-0132-05

Optimization of CO2 Supercritical Extraction Process of Essential

Oil from Ginger and Its Anti-Tumor Activity

YANG Miao， GAO Li， SU Hui-hui*

（Sanquan College of Xinxiang Medical University， Xinxiang 453003， China）

Abstract： There are many ways to extract essential oils from plants. However， there are many deficiencies in the traditional ginger essential oil extraction process.Supercritical fluid is a new type of essential oil extraction process that has developed in recent years.Compared with traditional extraction methods， the quality of essential oil has been significantly improved.Based on this， in this study， single factor test and orthogonal test are used to optimize the extraction process of essensial oil from ginger by CO2 supercritical method.The research results show that the optimal extraction process of ginger essential oil is extraction temperature of 40 ℃， extraction pressure of 25 MPa， CO2 flow rate of 1.5 L/min and extraction time of 35 min. At this time， the extraction rate of ginger essential oil is 4.58%， and then the volatile components of ginger essential oil extracted by CO2 supercritical method are analyzed by GC-MS. It is found that there are a total of 29 volatile components in ginger essential oil， among which， the content of terpenes is relatively high， and the content of zingiberene is the highest （the relative content of 37.623%）， followed by α-curcumene， with the relative content of 10.314%. In addition， the current research status of anti-tumor bioactivity of ginger essential oil is also summarized. Current relevant research results show

收稿日期：2023-10-27

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102310337）；新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（SQ2022GGJS03，SQ2021GGJS02）

作者簡介：楊淼（1986—），女，講師，碩士，研究方向：天然食藥用化合物的提取及活性檢測。

*通信作者：蘇慧慧（1989—），女，副教授，碩士，研究方向：天然食藥用化合物活性成分。

that ginger essential oil has a broad application prospect in anti-tumor aspect.

Key words： ginger essential oil; process optimization; volatile components; GC-MS

生姜是一種常見的香料和藥用植物，主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，是全球第二大調(diào)味品，僅次于黑胡椒[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球生姜產(chǎn)量為277.5萬噸，我國是最大的生姜產(chǎn)地，占全球生姜產(chǎn)量的一半以上[3-4]，主要種植于云南、廣東、福建、江西、浙江等地。

生姜精油是一種從姜根部提取的精油[5]，具有辛辣和木質(zhì)的香味[6]。生姜精油富含姜辣素和姜酚[7]，這些化合物具有很強(qiáng)的抗氧化和抗炎作用，可以幫助緩解各種身體不適，常被用于按摩、蒸汽療法和香薰療法中[8]。

生姜精油可以用于烹飪和調(diào)味，增加菜肴的味道和香氣，提高食欲和促進(jìn)消化。一些研究結(jié)果表明[9-10]，生姜精油也具有抗炎、改善消化不良、提高免疫力、鎮(zhèn)痛和抗氧化的作用。

生姜精油是一種具有較高應(yīng)用價(jià)值的天然產(chǎn)品，研究和優(yōu)化生姜精油加工工藝可以降低生產(chǎn)成本[11]、提高生產(chǎn)效率[12]、增加企業(yè)競爭力[13]、減少原材料的浪費(fèi)和污染及促進(jìn)生姜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[14]，對于推動生姜精油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和提高生姜精油的應(yīng)用價(jià)值有促進(jìn)作用。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)材料與試劑

白姜：購自京東商城，將其清洗、去皮、切片、干燥、粉碎過篩后獲得姜粉；無水乙醇、去離子水、正己烷。

1.2? 試驗(yàn)儀器

粉碎機(jī)、高速冷凍離心機(jī)、真空冷凍干燥機(jī)、超聲波清洗機(jī)、電子天平、冰箱、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。

1.3? 試驗(yàn)方法

1.3.1? 生姜精油提取工藝

取10 g姜粉于萃取瓶中，關(guān)閉主機(jī)門。根據(jù)操作流程打開閥門，隨后設(shè)置CO2流量、提取壓力、提取溫度，對生姜中的精油進(jìn)行提取，提取結(jié)束后關(guān)閉設(shè)備閥門，獲得生姜精油。

1.3.2? 生姜精油提取率計(jì)算

生姜精油提取率（Y）的計(jì)算公式如下：

Y=mM×100%。

式中：m為提取物的質(zhì)量（g）；M為姜粉的質(zhì)量（g）。

1.3.3? 生姜精油加工工藝優(yōu)化

1.3.3.1? 單因素試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)研究各因素對生姜精油加工工藝的影響，基本參數(shù)為提取溫度40 ℃、提取壓力25 MPa、CO2流量1.5 L/min、提取時(shí)間35 min。分別研究不同的提取溫度（30，35，40，45，50 ℃）、不同的提取壓力（15，20，25，30，35 MPa）、不同的CO2流量（1，1.25，1.5，1.75，2 L/min）、不同的提取時(shí)間（25，30，35，40，45 min）對生姜精油提取率的影響。

1.3.3.2? 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取溫度、提取壓力、CO2流量和提取時(shí)間為變量因素，以生姜精油提取率為指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)。生姜精油CO2超臨界提取工藝因素水平見表1。

1.3.4? 生姜精油的GC-MS分析

將獲得的生姜精油用正己烷稀釋400倍，再用0.45 μm的微孔膜過濾，將稀釋后的樣本用GC-MS法進(jìn)行鑒定。色譜條件參考宋文龍等[15]的研究方法，使用氦氣作為載氣，柱流量設(shè)置為1 mL/min，通過GC質(zhì)譜檢測器進(jìn)行測定，掃描范圍設(shè)置為40～400 amu。

2? 結(jié)果和討論

2.1? 單因素試驗(yàn)

2.1.1? 提取溫度對生姜精油提取率的影響

由圖1可知，隨著提取溫度的升高，生姜精油提取率先升高后降低，當(dāng)提取溫度低于40 ℃時(shí)，生姜精油提取率與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著提取溫度的升高，分子運(yùn)動速度加快，使得生姜精油提取率升高。當(dāng)提取溫度高于40 ℃時(shí)，生姜精油提取率與提取溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著提取溫度繼續(xù)升高，CO2濃度開始降低，同時(shí)一部分生姜精油開始揮發(fā)，影響了生姜精油提取率，綜合考慮之后，選擇提取溫度35～45 ℃進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

2.1.2? 提取壓力對生姜精油提取率的影響

由圖2可知，隨著提取壓力的增加，生姜精油提取率先升高后降低，當(dāng)提取壓力小于25 MPa時(shí)，生姜精油提取率隨著提取壓力的增加而升高；當(dāng)提取壓力大于25 MPa時(shí)，生姜精油提取率開始緩慢下降，這是由于當(dāng)提取壓力超過25 MPa時(shí)，CO2已經(jīng)近似一種流體狀態(tài)，持續(xù)增加提取壓力，CO2的密度增加幅度變小且減緩了分子之間流動的速率[16]，使得生姜精油提取率不斷降低。綜合考慮之后，選擇提取壓力20～30 MPa進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

2.1.3? CO2流量對生姜精油提取率的影響

由圖3可知，當(dāng)CO2流量小于1.5 L/min時(shí)，生姜精油提取率隨著CO2流量的增加而不斷升高；當(dāng)CO2流量大于1.5 L/min時(shí)，生姜精油提取率受CO2流量的影響較小。當(dāng)CO2流量較大時(shí)，生姜中的一些姜粉被帶出，使得生姜精油中混入雜質(zhì)。綜合考慮之后，選擇CO2流量1.25～1.75 L/min進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

2.1.4? 提取時(shí)間對生姜精油提取率的影響

由圖4可知，隨著提取時(shí)間的增加，生姜精油提取率先升高后保持不變。當(dāng)提取時(shí)間小于40 min時(shí)，生姜精油提取率隨著提取時(shí)間的增加而快速升高。當(dāng)提取時(shí)間大于40 min時(shí)，生姜精油提取率受提取時(shí)間的影響較小。綜合考慮之后，選擇提取時(shí)間30～40 min進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

2.2? 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以提取溫度（A）、提取壓力（B）、CO2流量（C）和提取時(shí)間（D）為變量因素，以生姜精油提取率為指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

采用Design Expert數(shù)據(jù)分析軟件對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將4個(gè)影響因素與生姜精油提取率（Y）進(jìn)行擬合，獲得擬合回歸模型為Y=4.56－0.016A＋0.39B＋0.21C＋0.13D＋0.18AB－0.012AC＋0.024AD－0.04BC－0.022BD－0.066CD－0.37A2－0.39B2－0.45C2－0.23D2。

由表3可知，模型結(jié)果極顯著，失擬項(xiàng)結(jié)果不顯著，說明該方程的擬合度較好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。A、B、C、D 4個(gè)影響因素的均方分別為0.074，2.19，0.69，0.09，各因素對生姜精油提取率的影響順序?yàn)锽>C>D>A。通過分析對比，得到CO2超臨界法提取生姜精油的最佳加工工藝：提取溫度40 ℃、提取壓力25 MPa、CO2流量1.5 L/min和提取時(shí)間35 min，此時(shí)生姜精油提取率為4.58%。

2.3? 生姜精油GC-MS分析

利用GC-MS對CO2超臨界法提取的生姜精油的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表4，共檢測出29種揮發(fā)性成分，其中萜烯類化合物含量較高，姜烯含量最高，相對含量為37.623%，其次是α-姜黃烯，相對含量為10.314%。

2.4? 生姜精油在抗腫瘤生物活性方面的研究現(xiàn)狀

生姜精油是從姜根中提取的一種揮發(fā)性油，其主要成分包括生姜烯、芳香烴、生姜酮和香豆素等化合物。近年來，越來越多的研究表明生姜精油具有抗腫瘤活性[17]。生姜精油可以通過抑制腫瘤細(xì)胞的增殖和促進(jìn)凋亡、抑制腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲來抑制腫瘤的發(fā)展。此外，生姜精油還可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)體的抵抗力，從而幫助預(yù)防和治療癌癥。

越來越多的研究證明了生姜精油的抗腫瘤作用，鄧開野等[18]的研究結(jié)果表明，生姜精油可以抑制人肝癌細(xì)胞的增殖和誘導(dǎo)其凋亡；錢佳[19]的研究結(jié)果表明，生姜精油可以抑制人乳腺癌細(xì)胞的遷移和侵襲；程德竹等[20]發(fā)現(xiàn)生姜精油可以增強(qiáng)化療藥物對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。

目前，生姜精油的應(yīng)用主要是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的體外和體內(nèi)研究，尚沒有足夠的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持其用于癌癥治療的應(yīng)用。但已經(jīng)有一些研究表明[21]，生姜精油可以與傳統(tǒng)的癌癥治療方法相結(jié)合使用，如放療、化療和手術(shù)等，能夠增強(qiáng)其治療效果，降低治療的副作用，提高患者的生活質(zhì)量。高群[22]的研究結(jié)果表明，生姜精油中的生姜酮和香豆素等成分具有抗氧化作用，可以清除自由基，預(yù)防細(xì)胞DNA的損傷和突變，從而預(yù)防癌癥。

總的來說，生姜精油具有抗腫瘤作用，可以與傳統(tǒng)的癌癥治療方法相結(jié)合使用，也可以用于預(yù)防癌癥。但是，在使用生姜精油前，需要咨詢醫(yī)生的意見，確定其安全性和有效性。此外，生姜精油的使用需要掌握正確的方法和劑量，以避免可能的副作用和不良反應(yīng)。

3? 小結(jié)

生姜的組成成分復(fù)雜，包括生姜精油和姜辣素等生物活性成分，為生姜提供了獨(dú)特的芳香和辛辣風(fēng)味。本研究利用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化CO2超臨界法提取生姜精油工藝，研究結(jié)果表明，生姜精油提取的最佳加工工藝為提取溫度40 ℃、提取壓力25 MPa、CO2流量1.5 L/min和提取時(shí)間35 min，此時(shí)生姜精油提取率為4.58%。

利用GC-MS對生姜精油揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，在生姜精油中一共檢測出29種揮發(fā)性成分，其中萜烯類化合物含量較高；姜烯含量最高，相對含量為37.623%，其次是α-姜黃烯，相對含量為10.314%。

此外，本研究還對生姜精油的抗腫瘤生物活性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，相關(guān)研究結(jié)果表明生姜精油在抗腫瘤方面的應(yīng)用前景非常廣闊。

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