生姜挥发油研究进展

2019-01-16张青李静刘佳蒲旭峰

中国调味品 2019年1期

张青，李静，刘佳，蒲旭峰

(1.成都中医药大学药学院，成都 611130；2.成都市食品药品检验研究院，成都 610045)

生姜是姜科多年生草本植物姜(ZingiberofficinaleRosc.)的新鲜根茎，属药食两用传统经济农作物，香气特异，味辛辣，在我国栽种历史悠久[1]。性微温，味辛，归肺、脾、胃经，具有发散风寒、温中止呕、温肺止咳等功效。自古以来，均认为生姜香味重者为佳，可见生姜的特殊香气是评判其质量的主要指标，而生姜特殊香味的物质基础主要来自挥发油成分。生姜中挥发油总含量在0.25%～3.0%，在食物加工过程中能起到增味、去腥、添香、护色、清口等作用，能促进消化液分泌，增进食欲，同时也有良好的抗菌、抗氧化、抗肿瘤、抑制中枢神经系统兴奋等[2，3]药理活性。随着对生姜研究的逐渐深入，生姜产业得到大力发展，其挥发油成分被广泛应用于医药、食品、香料和化妆品等行业。笔者通过查阅近10年关于生姜挥发油研究的国内外文献，对生姜挥发油的提取技术、成分分析方法、化学成分及活性研究进行综述，以期为生姜的进一步研究和应用开发提供参考借鉴。

1 提取技术

生姜挥发油又称生姜油，是其主要的香味物质。近年来，众多国内外学者为充分提取生姜油做了许多研究工作，并取得了很多建设性成果。笔者查阅文献，发现目前生姜油的提取技术主要分为传统提取和现代技术提取，传统提取包括：水蒸气蒸馏法、压榨法、溶剂提取法；现代技术提取包括：CO2超临界流体提取法、微波提取法、超声提取法、亚临界水萃取法及新兴技术辅助水蒸气蒸馏法(如酶法辅助水蒸气蒸馏法、闪式辅助水蒸气蒸馏法、微波辅助水蒸气蒸馏法、超声协同水蒸气蒸馏法等)。

1.1 传统提取方法

1.1.1 水蒸气蒸馏法

水蒸气蒸馏法是一种最常用的植物性天然香料连续动态提取方法，成本低而产量大,设备及操作都比较简单。传统生姜油提取多采用此法，将生姜药材浸泡之后用水蒸气蒸馏装置蒸出挥发油，收集即得。Xue等[4]采用水蒸气蒸馏法从生姜中提取挥发油，共提取出27种化学成分。该法具有简单、易操作、能避免有机溶剂污染等优点，但一般耗时较长，且得油率相对较低，同时提取温度较高，易造成生姜挥发油中不稳定的香气成分和活泼成分的损伤，会使姜油的成分、气味、风味会发生有害变化。

1.1.2 压榨法

压榨法是一种依靠机械动力提取精油的传统方式，利用机械压榨机依靠旋转的螺旋体的推进作用，压缩样材，将细胞中的精、油压榨出来，再经一系列除杂工序,即可得到精油。钟凌云等[5]将生姜压榨捣成汁，研究生姜油对胃肠运动功能的影响，结果发现生姜油有促进胃肠运动的作用。压榨法简便易行，成本低，但在提取过程中可能会发生乳化作用而导致油水分离困难，影响提取效率。

1.1.3 溶剂提取法

溶剂提取法是依借相似相溶原理，利用生姜挥发油与其他组分在特定溶剂中溶解度的差异，实现组分分离，从而提取出挥发油部分。提取生姜挥发油常用的溶剂石油醚、乙醇、乙醚、氯仿、丙酮等。石油醚提取生姜油的提取率可达4.3%,且所得生姜油具有纯正的生姜风味。该方法操作简单，但提取率不高，提取不完全，而且有溶剂残留且会沉淀变色，影响挥发油的品质和安全。

1.2 现代提取方法

1.2.1 超临界流体提取法

超临界流体提取是利用超临界状态下的流体作为萃取溶剂，从样品中萃取出挥发油的新型分离技术，最常用的超临界流体是二氧化碳(CO2)。超临界流体SC-CO2萃取生姜挥发油，出油率可达4.27%。超临界流体提取条件温和，设备封闭，能避免生姜香味成分的破坏和损失，在提取挥发油成分时具有一定的优势[6]。

1.2.2 微波提取法

微波提取是指使用适当的溶剂在微波反应器中从样品中提取各种化学成分的技术。微波是指频率在300 MHz～300 GHz的电磁波，利用电磁场的作用使固体或半固体物质中的某些有机物成分与基体有效地分离，并能保持分析对象的原本化合物状态。利用MAE从生姜中提取挥发油类成分能避免高温破坏、有机溶剂污染等问题，受到众多学者的青睐[7]。

1.2.3 超声波萃取法

超声波萃取是利用超声波辐射压强产生的强烈的多级效应，增大样品分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。生姜体积较大，含大量粗纤维，不能实现细胞壁完全破坏，增加挥发油的提取难度，高速效能的超声提取能很好地解决这些问题，提高生姜挥发油提取率，同时提取时间短，工艺简单，能耗低，有效成分破坏少、经济安全[8]。

1.2.4 亚临界水萃取法

亚临界流体提取是以亚临界状态的流体为溶媒,从天然产物中提取目标组分的一种新技术,具有提取效率高、易于分离、非热加工、节能、成本低等优点。常大伟等[9]分别利用亚临界萃取技术和水蒸气蒸馏技术提取生姜挥发油，并比较了提取物的成分种类和含量差异，前者出油率为3.14%，较后者出油率高，且亚临界流体萃取得到的挥发油主要成分α-姜黄烯和姜烯含量分别为16.39%及27.59%,实验结果表明亚临界萃取技术的萃取效率较水蒸气蒸馏的高，萃取的生姜油感官品质、特征成分纯度均优于水蒸气蒸馏法，表明亚临界流体萃取能够有效提高萃取率和产品质量,具有广泛的应用前景。

1.2.5 其他

为提高生姜挥发油的提取效率，研究者们做了诸多努力，将新型现代技术与传统提取技术相结合，大大提高了生姜挥发油的提取率，实现了生姜挥发油的充分提取。如酶法辅助水蒸气蒸馏提取，利用生物酶的酶解作用，破环植物细胞壁，使有效成分最大限度地溶出，提高收率。闪式辅助水蒸气蒸馏法，利用闪式提取技术的高速机械剪切力和搅拌力，迅速破坏植物细胞组织，使组织细胞内部的有效成分与溶剂能够充分接触并快速溶解。此外，还有微波、超声、超临界流体等现代技术辅助传统提取技术[10，11]。

通过总结，笔者发现不同提取方法的生姜挥发油提取率有所差异，总体来说，新兴提取技术较传统提取技术的提取效率高，提取的挥发油种类更多，且与传统提取方法相结合，扩大实用范围，更加促进生姜加工产业的发展。

2 分析方法

迄今为止，国内外学者从生姜中提取分离得到的挥发油成分种类多达100多种，且发现不同产地生姜中的挥发油含量均有所不同。生姜的特殊香味主要是由其挥发油产生，不同产地生姜挥发油的含量和种类不同，因而不同产地的生姜具有不同的香气类型。目前常用的生姜挥发油分析方法有：气相色谱法、薄层色谱法、高效液相色谱法、顶空固相微萃取法、高效毛细管电泳法、高效逆流色谱法及气相色谱-质谱技术(GC/MS)等[12，13]。Li等[14]采用GC-MS技术对生姜挥发油提取物进行成分分析，并用面积归一化方法计算各成分含量,测得生姜总挥发油含量为2.0 mL/g，GC/MS识别并鉴定出58个成分，占总挥发油的90.52%。Sasidharan等[15]从2个品种的生姜中分离出挥发油成分，采用GC和GC-MS做成分分析，确定了60个成分，分别占2个品种生姜挥发油的94.9%和92.6%，不同品种生姜的挥发油主要化合物种类和含量都不同，该文献首次报道了不同品种生姜精油之间的差异。

3 生姜挥发油化学成分

生姜挥发油是其特异香味的主要物质基础，成分复杂，种类繁多，主要是萜类化合物,其中倍半萜烯类碳水化合物含量最高,占50%～66%，其次是氧化倍半萜烯,占17%,其余是单萜烯类碳水化合物和氧化单萜烯类。在倍半萜烯类碳水化合物中,主要成分是α-姜烯、β-红没药烯、α-姜黄烯、α-法呢烯和β-倍半水芹烯。除此之外，莰烯、水芹烯、芳樟醇、牻牛儿醇等成分相对含量也较高。Pantea Shirooye等[16]在生姜中提取出挥发油部分，结合GC-MS技术鉴定出了55种化学成分，占总挥发油的94%。Chung等[17]将韩国2个产区的生姜经石油醚提取，收集挥发油成分进行成分分析，发现主要成分为莰烯、樟脑萜、α-水芹烯、姜烯、姜醇、芳樟醇、金合欢烯。挥发油部分主要成分信息见表1和图1。

表1 生姜挥发油主要成分信息表

图1 生姜挥发油主要成分化学结构式

4 生姜挥发油药理活性研究

4.1 对消化系统的作用

在芳香健胃药材中，萜类精油化合物是温中健胃的有效成分之一，生姜挥发油是其治疗消化系统疾病的主要成分。生姜油具有保护胃黏膜细胞的作用，可显著抑制盐酸性和应激性胃黏膜损伤[18]，其保护机制可能与促进胃黏膜合成和减少释放内源性PG有关，同时对肠道有双向调节作用，既可松弛肠管，减少蠕动，也可使肠道张力、节律及蠕动增加，可用于因胀气或其他原因引起的肠绞痛。显微镜观察生姜挥发油对大鼠醋酸性结肠炎的影响，发现生姜挥发油对醋酸性结肠炎存在一定保护作用[19]。

4.2 抗氧化

动物实验发现，腹腔注射生姜挥发油可抑制巨噬细胞诱导的phorbol-12-肌体-13-醋酸根引起的超氧化物自由基，并且对小鼠进行灌胃姜油实验，1个月后发现小鼠血液中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽转移酶、谷胱甘肽过氧化物酶和肝脏超氧化物歧化酶水平显著提高，提示姜油具有显著的抗氧化活性。卞梦瑶等[20]建立RAW264.7细胞的过氧化氢损伤模型,研究生姜油对细胞损伤的影响，结果发现生姜油对细胞的氧化性损伤有显著保护作用，可能是通过调节细胞氧化还原系统，提高抗氧化能力，有效清除自由基的产生。

4.3 抗癌

生姜具有明显的清酸和过氧化作用，通过改善b16黑色素瘤细胞中的谷胱甘肽酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶的活性，发挥抑制细胞增殖和黑色素生成作用，提示生姜挥发油可作为食品工业中的一种有效的皮肤增白剂[21]。Santos等[22]进行体外细胞毒性试验研究生姜挥发油对子宫颈癌细胞的毒性活性，发现给药后细胞的形态表现为染色质缩合、细胞膜的完整性丧失以及细胞的细胞含量泄漏，结果表明生姜挥发油对子宫颈癌细胞具有强烈的细胞毒性活性，表明其可能用作子宫颈癌细胞的抗癌药物。同时实验发现生姜挥发油能抑制子宫内膜癌细胞的增殖，且IC50浓度为1.25 μg/mL，进一步研究表明生姜挥发油中的萜类化合物可以通过激活P53基因导致子宫内膜癌细胞凋亡，提示生姜挥发油中的类萜类化合物是子宫内膜癌细胞增殖的有效抑制剂，可作为治疗子宫内膜癌的药物进行下一步研究，生姜精油还可防治胃肠道肿瘤[23]。

4.4 抗菌

体外实验发现生姜油对伤寒杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、霍乱弧菌、多重耐药菌等都有明显的抑制作用。Lei等[24]研究生姜油对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌活性，发现生姜挥发油具有特定靶向抗菌能力，在发挥抗菌活性过程中表现出热稳定性、酸度和抗碱性的特点，表明生姜油可作为一种天然、高效的抗菌原料应用于食品、药品、保健品、化妆品等行业。Intorasoot等[25]发现生姜挥发油对30多种鲍曼耐多重耐药菌都表现出强烈的抗菌作用，表明生姜挥发油提取物可作为一种天然抗菌替代产品用于治疗最常见的人类病原体和多重耐药菌感染。

4.5 其他

生姜挥发油还具有降血脂，保护肝脏结构，改善肝损伤，末梢性镇吐，兴奋呼吸和血管运动中枢等作用。

5 生姜挥发油食用价值

生姜的可食用部分达95%，且富含大量营养成分，是人们餐桌上必不可少的传统食材和辛香调味品，生姜菜肴香辛可口，开胃健脾，能促进消化液分泌，增加胃肠蠕动，增进食欲，有利于胃肠对营养成分的吸收；作为调味品，能起到增味、去腥、添香、护色、清口等作用，而生姜主要的香味物质是其挥发油成分。

生姜挥发油可为甜味或咸味食物比如汤类、肉类、家禽、海鲜、蔬菜、米饭、面食、豆腐、卤汁、调味汁、水果、蛋糕和饮品等调味。其在西方国家食用广泛，常用其来为蛋糕、姜饼和蜜饯等提味，有些咖喱里面也有。在日本，将含有大量挥发油成分的生姜制成咸菜，作为寿司和生鱼片的传统搭配辅料。也可将生姜榨汁，姜汁红茶不仅可以去冷散寒，还有解毒杀菌的作用。姜汤补暖，具有防止感冒，温脾开胃的功效。生姜挥发油为淡黄色或绿色液体，是一种天然的食品添加剂，为一些啤酒和软饮料(姜汁汽水)的成分之一。同时生姜挥发油中含有植物抗菌素，试验证明生姜挥发油的抑菌作用强于相同浓度的常用食品防腐剂山梨酸钾水溶液。由此可见，生姜挥发油在天然防腐剂开发方面具有广阔的应用前景。

生姜挥发油作为调味剂、抗氧化剂、护色剂、保鲜剂、防腐剂、嫩化剂、澄清剂、凝乳剂等广泛用于食品的加工，是理想的高档食品添加剂，随着食品工业和健康产业的发展，人们日渐注重身体保健，高品质、纯天然的生姜精油必将受到人们的推崇。