王　穎　蘇慧嫻　阮碧芳　黃　丹　周 媛　黃衛(wèi)萍

生姜揮發(fā)油的超聲提取工藝對(duì)比研究

王穎蘇慧嫻阮碧芳黃丹周 媛黃衛(wèi)萍

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007）

目的：采用超聲法對(duì)生姜中的揮發(fā)油進(jìn)行提取分離。方法：通過(guò)單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，考察各個(gè)因素對(duì)生姜揮發(fā)油產(chǎn)量的影響。以料液比（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲溫度（C）為三個(gè)主要因素進(jìn)行考察，每個(gè)因素分為三個(gè)水平，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。結(jié)果：得到超聲提取生姜揮發(fā)油的最佳提取工藝。結(jié)論：當(dāng)超聲提取條件為料液比1∶20（g/mL）、超聲時(shí)間為50 min、超聲溫度為50℃時(shí)，生姜中揮發(fā)油的提取率最高。

生姜；揮發(fā)油；超聲提??；正交試驗(yàn)

引言

生姜，是姜科姜屬多年生草本植物姜（Zingiber officinale Rosc）的新鮮根莖，屬于藥食兩用的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物。生姜在我國(guó)主要分布在西南至東南部地區(qū)，我國(guó)是世界上主要的姜種植國(guó)和出口國(guó)之一[1]。生姜栽種歷史悠久，應(yīng)用廣泛?！侗静菥V目》中記載其可蔬、可和、可果、可藥[2]。藥性方面，生姜始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，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。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)認(rèn)為，生姜可治感冒、喘咳、嘔吐、痰飲、脹滿、泄瀉等；現(xiàn)代藥理研究表明，生姜具有良好的抗菌、抗炎、抗氧化、促進(jìn)消化、抗腫瘤以及改善血液循環(huán)等活性[3-5]。

生姜自古以來(lái)就有較高的食用價(jià)值和醫(yī)藥療效。生姜中除了蘊(yùn)含大量的水分外，其余主要成分可分為揮發(fā)油（姜精油）、姜辣素、二苯基庚烷三大類[6-8]。早期人們因?yàn)樯赜械男晾毕銡鈱?duì)其進(jìn)行加工，可去除菜肴的一些奇特味道，達(dá)到去腥、增味、添香、清口的目的，同時(shí)也能促進(jìn)消化液分泌，增進(jìn)食欲。后來(lái)人們逐步增加了對(duì)生姜其他主要成分的分離提取和加工，使各主要成分分別發(fā)揮自身的功能特性，應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等各個(gè)領(lǐng)域。

有史以來(lái)，人們傾向于認(rèn)為生姜香味重者為佳，可見(jiàn)生姜的特殊香氣是評(píng)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(lái)自其揮發(fā)油成分。研究發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)油成分除了為生姜提供獨(dú)特的芳香氣味外，同時(shí)還具有多種藥理作用，如提神鎮(zhèn)吐、溫中散寒、抗菌消炎等，具有獨(dú)特的藥用和食用價(jià)值。魯萌萌等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生姜揮發(fā)油通過(guò)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性，引起菌體損傷和死亡，具有較顯著的抑菌和殺菌作用。比如對(duì)枯草芽孢桿菌有很好的抑菌和殺菌效果，MIC 值為2.3 μg/mL，MBC 值為 4.6 μg/mL，對(duì)表皮葡萄球菌及金黃色葡萄球菌的抑菌和殺菌效果適中，MIC 值均為9.2 μg/mL，MBC 值均為 18.4 μg/mL。研究中還發(fā)現(xiàn)，生姜揮發(fā)油可使表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、肺炎克雷伯菌這四種菌的生長(zhǎng)延滯期不同程度的延長(zhǎng)，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)速率也降低；且生姜揮發(fā)油的濃度越大，細(xì)菌的生長(zhǎng)延滯期越長(zhǎng)，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)速率越低。生姜的品種、提取揮發(fā)油的方式、提取部位、工藝、產(chǎn)地等的差異都會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)油化學(xué)成分和含量的不同，但也有研究顯示，抗菌活性的差別不顯著。

生姜揮發(fā)油多為通過(guò)水汽蒸餾提取出的具有揮發(fā)性的透明淡黃色液體，是生姜最重要的活性成分之一，由100多種化學(xué)組分構(gòu)成，其中以萜類物質(zhì)為主，包括單萜和倍半萜兩大類。生姜中的揮發(fā)油組分品種繁多，包括姜烯、水芹烯、ɑ-法呢烯、ɑ-姜黃烯、姜酮、6-姜烯酚、檸檬醛、桉樹(shù)腦、桉葉油素、香葉醇、乙酸香葉酯、衣蘭油烯等幾十種，不同產(chǎn)地的生姜揮發(fā)油成分種類及含量有所不同。李智寧等[1]對(duì)5個(gè)產(chǎn)地的生姜進(jìn)行提取研究，鑒定出48種揮發(fā)油成分，不同產(chǎn)地生姜共有主成分相同的揮發(fā)油，但含量有所差異。

生姜中含有大量的粗纖維，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞壁的完全破壞，給揮發(fā)油的提取增加難度。超聲提取法利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的多級(jí)效應(yīng)，增大樣品分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度，增加溶劑穿透力，加速目標(biāo)成分進(jìn)入溶劑，使提取更為高效，可以更好地破解生姜揮發(fā)油的提取難題。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于生姜揮發(fā)油提取工藝的研究，目前多集中在水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、壓榨法、超臨界 CO2萃取法等工藝上，超聲提取法相關(guān)的研究文獻(xiàn)鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以超聲提取法對(duì)生姜揮發(fā)油進(jìn)行提取，以料液比、超聲溫度和超聲時(shí)間為3個(gè)主要因素進(jìn)行考察，每個(gè)因素取3個(gè)水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，根據(jù)揮發(fā)油提取率確定最佳條件，分析優(yōu)選最佳工藝[10-16]。

1 材料與方法

1.1　材料與試劑

市售新鮮生姜（全姜）、石油醚（60～90，分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司）、無(wú)水乙醇（分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司）。

1.2　儀器與設(shè)備

RE2000B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器、SHZ-D(lll)型循環(huán)水式真空泵等。

1.3　單因素試驗(yàn)研究

1.3.1料液比

稱取8 g生姜（全姜）5份，切絲，依次置于5個(gè)250 mL錐形瓶中，分別以1∶5（g/mL）、1∶10（g/mL）、1∶15（g/mL）、1∶20（g/mL）、1∶25（g/mL）的料液比加入40 mL、80 mL、120 mL、160 mL、200 mL的石油醚，浸泡生姜30 min，在50℃、350W、40 KHz的條件下進(jìn)行超聲提取60 min。用抽濾機(jī)進(jìn)行減壓過(guò)濾，在水浴溫度為45℃、真空度約為0.06的條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓濃縮，得到淺黃色液滴。加入少量無(wú)水乙醇，潤(rùn)洗2～3次后將所得物轉(zhuǎn)移至容量瓶中。

1.3.2超聲時(shí)間

稱取8 g生姜（全姜）5份，切絲，依次置于5個(gè)250 mL錐形瓶中，加入120 mL石油醚，浸泡生姜30 min，在50℃、350 W、40 kHz條件下分別超聲提取30 min、40 min、50 min、60 min、70 min。用抽濾機(jī)進(jìn)行減壓過(guò)濾，在水浴溫度為45℃、真空度約為0.06的條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓濃縮，得到淺黃色液滴。加入少量無(wú)水乙醇，潤(rùn)洗2～3次后將所得物轉(zhuǎn)移至容量瓶中。

1.3.3超聲溫度

稱取8 g生姜（全姜）5份，切絲，依次置于5個(gè)250 mL錐形瓶中，加入120 mL石油醚，浸泡生姜30 min，分別在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃下，于350 W、40 kHz條件下進(jìn)行超聲提取60 min。用抽濾機(jī)進(jìn)行減壓過(guò)濾，在水浴溫度為45℃、真空度約為0.06的條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓濃縮，得到淺黃色液滴。加入少量無(wú)水乙醇，潤(rùn)洗2～3次后將所得物轉(zhuǎn)移至容量瓶中。

1.4　正交試驗(yàn)優(yōu)選提取工藝

對(duì)料液比（A）、超聲時(shí)間（B）及超聲溫度（C）這三個(gè)因素進(jìn)行考察，每個(gè)因素分設(shè)三個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素-水平表如表1所示。

表1　試驗(yàn)因素-水平表

以揮發(fā)油得率作為考察指標(biāo)，揮發(fā)油產(chǎn)率＝揮發(fā)油產(chǎn)量（g）/生姜量（g）×100%通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、極差分析優(yōu)選最佳方案[17]。

2　結(jié)果與分析

2.1　單因素試驗(yàn)

2.1.1液料比

照1.3.1項(xiàng)下進(jìn)行試驗(yàn)。以不同的料液比，浸泡生姜30 min，在50℃、350 W、40 KHz的條件下進(jìn)行超聲提取60 min，用抽濾機(jī)進(jìn)行減壓過(guò)濾，在水浴溫度為45℃、真空度約為0.06的條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓濃縮，得到淺黃色液滴。計(jì)算揮發(fā)油產(chǎn)率，1∶5（g/mL）、1∶10（g/mL）、1∶15（g/mL）、1∶20（g/mL）、1∶25（g/mL）的料液比結(jié)果分別為：0.17%、0.18%、0.49%、0.40%、0.39%，如圖1所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在超聲溫度為50℃、超聲時(shí)間為60 min的條件下，超聲提取一定質(zhì)量的生姜，當(dāng)料液比在小于1∶15（g/mL）時(shí)，揮發(fā)油的產(chǎn)率逐漸增加；當(dāng)料液比為1∶15（g/mL）時(shí)，揮發(fā)油的產(chǎn)率達(dá)到最高；當(dāng)料液比大于1∶15（g/mL）時(shí)，揮發(fā)油產(chǎn)率隨提取溶劑的增多而降低。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1　液料比曲線圖

表2　料液比-產(chǎn)率表

2.1.2超聲時(shí)間

按照1.3.2項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)。往5份姜絲中加入120 mL石油醚，浸泡生姜30 min，在50℃、350 W、40 KHz條件下分別超聲提取不同的時(shí)間。用抽濾機(jī)進(jìn)行減壓過(guò)濾，在水浴溫度為45℃、真空度約為0.06的條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓濃縮，得到淺黃色液滴。計(jì)算揮發(fā)油產(chǎn)率，提取超聲時(shí)間分別為30 min、40 min、50 min、60 min、70 min的結(jié)果分別為：0.32%、0.33%、0.38%、0.49%、0.22%，如圖2所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在料液比為1∶15、超聲溫度為50℃的條件下，通過(guò)超聲提取一定質(zhì)量的生姜，當(dāng)超聲時(shí)間小于60 min時(shí)，揮發(fā)油的產(chǎn)率隨超聲時(shí)間增加而升高；當(dāng)超聲時(shí)間為60 min時(shí)，揮發(fā)油的產(chǎn)率達(dá)到最高；當(dāng)超聲時(shí)間超過(guò)60 min以后，揮發(fā)油的產(chǎn)率開(kāi)始下降。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　超聲時(shí)間-產(chǎn)率表

2.1.3超聲溫度

按照1.3.3項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)。加入120 mL石油醚，浸泡生姜30 min，分別在不同的溫度下，于350 W、40 KHz條件下進(jìn)行超聲提取60 min。用抽濾機(jī)進(jìn)行減壓過(guò)濾，在水浴溫度為45℃、真空度約為0.06的條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓濃縮，得到淺黃色液滴計(jì)算揮發(fā)油產(chǎn)率，在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃的溫度下結(jié)果分別為：0.18%、0.64%、0.41%、0.24%、0.18%，如圖3所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在料液比為1∶15，超聲時(shí)間為60 min的條件下，通過(guò)超聲提取一定質(zhì)量的生姜，當(dāng)超聲溫度由40℃上升至45℃時(shí)，揮發(fā)油的產(chǎn)率增加；當(dāng)超聲溫度由45℃上升至60℃時(shí)，揮發(fā)油的產(chǎn)率降低；超聲溫度在45℃時(shí)揮發(fā)油的產(chǎn)率達(dá)到最高。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

圖3　超聲溫度曲線圖

表4　超聲溫度-產(chǎn)率表

3.2　正交試驗(yàn)優(yōu)選提取工藝

將三種因素料液比（A，g/mL）、超聲時(shí)間（B，min）及超聲溫度（C，℃）進(jìn)行正交優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表5所示。

表5　提取工藝正交試驗(yàn)結(jié)果

K1、K2、K3為相應(yīng)水平所得揮發(fā)油提取率之和，R為極差。由正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)看出，A因素K3＞K2＞K1，B因素K1＞K2＞K3，C因素K3＞K2＞K1，因此，超聲提取生姜揮發(fā)油的最佳組合提取條件為A3B1C3，即料液比為1∶20，超聲時(shí)間50 min，超聲溫度50℃。料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度三因素的極差分別為0.85、1.09、0.59，表明三因素對(duì)超聲提取生姜揮發(fā)油產(chǎn)率的影響大小為超聲時(shí)間＞料液比＞超聲溫度。

4 分析與討論

本研究所用生姜是未經(jīng)干燥處理的新鮮品，若改為干姜，則揮發(fā)油得率應(yīng)更高。趙素霞等[18]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）測(cè)定出生姜含有 100 多種揮發(fā)油成分、干姜中有60多種；生姜干燥后，干姜所含揮發(fā)油成分種類較干燥前的生姜少，揮發(fā)油總量隨著水分的減少而增大。但也有研究表明，若對(duì)生姜進(jìn)行恒溫加熱干燥，隨著烘干溫度的升高，生姜中的揮發(fā)油成分雖因水量的減少而升高；當(dāng)達(dá)到一定溫度后，部分組分可進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，使得組分種類減少、含量逐漸降低[19]。

本研究所用生姜為全姜，即除了莖肉部分外還保留有姜皮；若去皮，則揮發(fā)油成分的種類、得率應(yīng)該降低。研究表明，生姜莖肉和姜皮兩部分含有的揮發(fā)油成分種類有部分重合。陳帥華等[20]通過(guò)GC-MS/MS方法，鑒定出姜皮中含有62種揮發(fā)油類成分，其中46種為與生姜共有，如［s- (Ｒ，S)］-5-(1，5-二甲基-4-己烯基)-2-甲基-1，3-環(huán)己二烯、4-亞甲基-1-(1-甲基乙基)-雙環(huán)-［3.1.0］己烷、1-(1，5-二甲基-4-己烯基)-4-甲基-苯、(E)-3，7-二甲基-2，6-辛醛等；另外16種為姜皮獨(dú)有，如cis-1-methyl-4-(1-methylethyl)-2- cyclohexene-1-ol、octyl aldehyde、α-exotic borneol 等。

5 結(jié)論

本研究考察了超聲提取生姜揮發(fā)油的影響因素，并采用正交試驗(yàn)法對(duì)生姜揮發(fā)油的超聲提取工藝進(jìn)行優(yōu)選，最終確定當(dāng)液料比為1∶20（g/mL），超聲時(shí)間為50 min，超聲溫度為50℃時(shí)，此時(shí)揮發(fā)油提取率最高，為最佳工藝。本次研究將為生姜的精深加工及生產(chǎn)放大提供參考依據(jù)。

[1]李智寧，魏悅，曹靜亞，等. 不同產(chǎn)地生姜、干姜揮發(fā)油組分特征分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48(19): 215-221.

[2]李時(shí)珍. 本草綱目(校點(diǎn)本)[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社，1975.

[3]Wang X F, Wu G T, Niu T H, et al. Progresses on chemistry, pharmacology and application of Zingier officinale[J]. Chinese Fruits and Vegetables, 2016, 36(6): 23-26.

[4]Ye G S, Yu S H, Yang W F, et al. Research progress of active components and pharmacological functions of Zingiber officinale Rosc[J]. Journal of Zhejiang Shuren University, 2019, 11(3): 24-27.

[5]Wu J L, Wang X Y, Wang K L, et al. Research progress on nutritional value and pharmacological action of ginger[J]. Food Industry, 2019, 40: 237-240.

[6]包磊，鄧安珺，李志宏，等. 姜的化學(xué)成分研究[J]. 中國(guó)中藥雜志，2010，35(5): 598-601.

[7]孫鳳嬌，李振麟，錢士輝，等. 干姜化學(xué)成分和藥理作用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)野生植物資源，2015，34(3): 34-37．

[8]龍全江，徐雪琴．干姜化學(xué)成分、藥理作用及加工炮制研究文獻(xiàn)分析[J]. 現(xiàn)代中藥研究與實(shí)踐，2015，29(1): 82-83.

[9]魯萌萌，李文茹，周少璐，等. 生姜精油化學(xué)成分及其抗菌活性[J]. 微生物學(xué)通報(bào)，2021，48(4): 1121-1129.

[10] 孫佳怡. 生姜精油的提取及開(kāi)發(fā)利用的研究進(jìn)展[J]. 山東化工，2019(24): 53-56.

[11] 鹿浩志，劉敏軒，田亞亞，等. 生姜精油的提取及GC-MS分析[J]. 食品工業(yè)科技，2019，14(4): 208-226.

[12] 張青，李靜，劉佳，等. 生姜揮發(fā)油研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)調(diào)味品，2019，1(44): 186-190.

[13] 柴俊雯，劉玉，郭玫，等. 超聲技術(shù)在中藥揮發(fā)油提取中的應(yīng)用[J]. 中獸醫(yī)醫(yī)藥雜志，2017，2(36): 32-35.

[14] 華燕青，李黔蜀，王云云，等. 超聲輔助蒸餾法提取薄荷揮發(fā)油的研究[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，65(8): 16-18.

[15] 左喜釗，宋安琪，揭晶. 正交試驗(yàn)優(yōu)選花椒揮發(fā)油超聲提取工藝[J]. 臨床醫(yī)藥文獻(xiàn)電子雜志，2018，22(5): 179-182.

[16] 劉艷清，汪洪武. 樂(lè)昌含笑葉揮發(fā)油超聲波提取工藝優(yōu)化及化學(xué)成分分析[J]. 精細(xì)化工，2008，7(25): 644-690.

[17] 賈貴華，吳冬青，安紅鋼，等. 超聲波法提取黃芩揮發(fā)油工藝研究[J]. 中獸醫(yī)醫(yī)藥雜志，2011(2): 14-17.

[18] 趙素霞，毛靖. 生姜及其炮制品多糖含量的測(cè)定[J]. 中醫(yī)學(xué)報(bào)，2011，26(12): 1475-1476.

[19] 孫璐，王萌，趙曉燕。等. 加工過(guò)程對(duì)生姜主要成分、功效和應(yīng)用影響的研究進(jìn)展[J]. 糧油食品科技，2021，29(2): 193-199.

[20] 陳帥華，李曉如，韋超，等. 生姜與生姜皮揮發(fā)油成分的分析[J]. 福建分析測(cè)試，2011，20(4): 11-16.

Comparative Study of the Ultrasonic Extraction Process of Ginger Volatile Oil

Objective: To extract and separate the volatile oil in ginger by ultrasonic method. Methods: The effects of various factors on the yield of ginger volatile oil were investigated by single factor experimental design method. The material liquid ratio (a), ultrasonic time (b) and ultrasonic temperature (c) were investigated. Each factor was divided into three levels, and the orthogonal test was designed. Results: The optimal extraction process of ultrasonic extraction of ginger volatile oil was obtained. Conclusion: The extraction rate of volatile oil from ginger was the highest when the ultrasonic extraction conditions were solid-liquid ratio 1:20 (g/mL), ultrasonic time was 50 min and ultrasonic temperature was 50℃.

ginger; volatile oil; ultrasonic extraction; orthogonal test

Q946; TS2

A

1008-1151(2022)06-0038-04

2022-04-04

王穎（1986－），女，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)藥學(xué)系講師，碩士，研究方向?yàn)橹兴幖疤烊划a(chǎn)物的提取、分離以及活性成分研究。