閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發油的研究

謝 捷， 施力瑕， 朱興一， 王 平

(浙江工業大學藥學院制藥工程省部共建教育部重點實驗室，浙江杭州310014)

生姜為姜科植物姜(Zingiber officinale Rosc.)的新鮮根莖，既可食用，又可藥用，具有解表散寒、溫中止嘔、化痰止咳之功效。生姜揮發油是指從姜根莖中提取出來的揮發性成分，為棕色透明油狀液體［1］，具有特殊的芳香，可作為天然香料［2］，被廣泛應用于食品及飲料的加香和調味［3］，也是國內外市場都需要的價格不菲的香精原料和藥用原料。生姜揮發油具有祛寒除濕、祛風止痛、溫經通絡，防治運動病、保護胃黏膜、消炎等功效。其主成分為姜醇(Zingier)、姜烯(Zingiberene)、α-龍腦(α-Borneol)、水芹烯(Pbellandrene)、莰烯(Camphene)、芳樟醇(Linalcol)等;辛辣成分為姜酚類(Gingerly)、姜烯酚(Shagaol)、檸檬醛(Geral)、甲基庚烯酮(Methylheptenone)、壬醛(Nonyladehyde)、姜酮(Zingerone)及其衍生物。

目前，對于生姜揮發油的提取，主要采用水蒸氣蒸餾提取法［4，5］。此法操作簡單，對設備要求低，投資少，但耗時長，易造成部分性質不穩定的香氣成分因長時間加熱而變質。閃式提取技術是利用高速機械剪切力和攪拌力，迅速破壞植物細胞組織，使組織細胞內部的有效成分與溶劑能夠充分接觸，并快速溶解［6］。近年來，采用閃式提取技術對氨基酸、蛋白質、萜類和黃酮類化合物等物質的提取已有文獻報道［6，7］，表明其具有提高提取效率，簡化操作步驟等優點，但將此方法應用到生姜揮發油的提取研究尚未見文獻報道。本文采用閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發油，考察生姜粒徑大小、閃式預處理時間、料液比和水蒸氣蒸餾時間4個主要影響因素，進行L9(34)正交實驗。以揮發油得率為評價指標，確定最佳工藝條件，并與水蒸氣蒸餾法進行比較。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器 生姜藥材(產自福建省大田縣);FSH22可調閃式提取器(鄭州金星科技有限公司);揮發油提取器(油比水輕型);GCT Premier氣相色譜-質譜聯用儀(美國Waters公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 閃式輔助水蒸氣蒸餾法 稱取不同粒徑大小的生姜顆粒40 g，加蒸餾水倍量至閃式提取器中，進行閃式破碎預處理，將提取物轉移至連有揮發油測定器的圓底燒瓶中，加熱回流提取至測定器中揮發油量不再增加為止，取收集液，加入適量無水硫酸鈉干燥。

1.2.2 水蒸氣蒸餾法 將生姜切成飲片加蒸餾水倍量至連有揮發油測定器的圓底燒瓶中，加熱回流提取至測定器中揮發油量不再增加為止，取收集液，加入適量無水硫酸鈉干燥。

1.2.3 揮發油成分的GC-MS分析 氣相色譜條件:HP-5MS;5%苯甲基聚硅氧烷彈性石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進樣口溫度:280℃，初始溫度50℃(保持2 min)，以5℃/min升溫速率升至160℃(保持5 min)，以15℃/min的速率二階升溫至250℃，保持5 min;載氣為高純氦氣，流速為1.0 mL/min，分流比為 50 ∶1;進樣量為 0.2 μL。

質譜條件:接口溫度:280℃;電離方式:EI;電子轟擊能量:70 eV;燈絲電流:40 μA;檢測電壓:2 700 V;離子源溫度230℃;四極桿溫度150℃;調諧方式:標準調諧;質量掃描方式:全部掃描，10～400 amu。

2 結果與分析

2.1 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎上進行正交試驗，選擇生姜粒徑大小、閃式預處理時間、料液比和水蒸氣蒸餾時間4個主要影響因素，每個因素設3個水平，以確定閃式輔助水蒸氣蒸餾法的最佳提取條件，正交試驗的因素水平如表1所示。

表1 因數水平表

2.2 正交試驗結果與分析 按1.2.1項所述的實驗方法對生姜揮發油進行提取，正交試驗結果直觀分析見表2，方差分析結果見表3。

表2 正交試驗結果L9(34)

由表2，3可知，閃式預處理時間A對揮發油得率的影響最大，有顯著性差異;其次是水蒸氣蒸餾時間D和料液比B，其對得率有一定影響，但都不顯著;粒徑大小C對得率影響最小。生姜揮發油的最佳提取工藝條件為B2C1D1，即平均粒徑5目，生姜顆粒按料液比1∶4(g/mL)，閃式預處理120 s后再水蒸氣蒸餾提取20 min。

表3 正交試驗方差分析

2.3 工藝比較 在最佳工藝條件下進行閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發油工藝的驗證實驗，對比實驗結果如表4所示。

表4 不同提取工藝及所得生姜揮發油的比較

由表4可知，閃式輔助水蒸氣蒸餾法的生姜揮發油得率為0.665%，比傳統水蒸氣蒸餾法提高了31.42%，提取時間由6 h縮短至20 min，大大提高了提取效率，降低了能耗。閃式預處理通過高速機械剪切力和攪拌力，迅速破壞生姜的超微組織結構，使胞內成分能與水充分接觸，同時在渦流負壓的作用下，有效成分逐步被水分子包圍、解離，有利于后續的水蒸氣蒸餾提取。

2.4 生姜揮發油成分的分析與比較 對比兩種提取方法所得生姜揮發油的成分，其結果如圖1，2和表5所示。

圖1 閃式輔助水蒸氣蒸餾法所得生姜揮發油的總離子流色譜圖

圖2 傳統水蒸氣蒸餾法所得生姜揮發油的總離子流色譜圖

表5 兩種提取方法所得生姜揮發油的主要成分比較

參閱相關文獻［8，9］及 Nist譜庫自動檢索的結果，對兩種方法所得生姜揮發油的主要成分進行分析和比較，發現兩種方法提取的生姜揮發油主要成分基本相同。但是，水蒸氣蒸餾法所得揮發油主要以單萜醇、醛、酯等含氧衍生物為主，而閃式輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發油中特征化合物的含量相對較高，這些成分含量的高低決定了生姜揮發油的品質，其主要以具有異戊二烯結構的萜烯類化合物為主。例如:閃式輔助水蒸氣蒸餾提取所得揮發油中α-姜烯含量為18.61%，比水蒸氣蒸餾提高了1.96倍;β-紅沒藥烯(7.65%)比水蒸氣蒸餾提高了0.75倍;β-蓓半菲蘭烯(6.98%)比水蒸氣蒸餾提高了1.52倍;β-桉葉烯(1.33%)比水蒸氣蒸餾提高了3.92倍等。這可能是因為閃式預處理能快速破壞細胞結構，并產生相當于超聲波1/60的振動，這些效應均有助于較難被水蒸氣蒸餾提取的較高沸點成分在水中的解離和擴散。因此，閃式輔助水蒸氣蒸餾法所得揮發油中姜烯等萜烯類成分的含量有明顯提高，更能體現生姜的濃郁香味和辣味。

3 討論

通過正交試驗，確定了閃式輔助水蒸氣蒸餾法提取生姜揮發油的最佳工藝條件，即生姜粒徑5目，按料液比1∶4，閃式預處理120 s后，水蒸氣蒸餾提取20 min。與傳統水蒸氣蒸餾法相比，極大提高了提取效率，降低了蒸餾過程的能耗。通過對生姜揮發油成分的分析和比較，發現兩種方法所得揮發油的主要成分基本相同。但是，經閃式預處理后，能更有效的提取出生姜中的風味物質，使揮發油中具有較高沸點的倍半萜烯類碳水化合物(如α-姜烯、β-紅沒藥烯和β-蓓半菲蘭烯等)的含量有明顯提高。因此，閃式輔助水蒸氣蒸餾法是一種高效、簡單的提取生姜揮發油的方法。

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