正交優化生姜油提取工藝及其GC-MS成分分析

（湖南科技職業學院藥學院，湖南長沙410000）

生姜是姜科多年生草本植物姜的根莖，是一種常用的調味植物。在我國分布廣泛，主要分布于我國中部，東南部至西南部，常栽于亞熱帶地區。生姜原產于東南亞熱帶地區，在中國已經有了2 000多年的栽培歷史，既是一種調味料，也是常見的中藥材。在2014年，全球生姜的年產量已經達到2 260萬t。生姜同時具有散寒發汗、化痰止咳、和胃、止嘔等多種功效[1-2]。

雖然我國的生姜產量年年升高，但是我國對生姜的綜合利用還處于起步階段，沒有對生姜進行有效的利用，對于生姜資源來說造成了極大的浪費。并且因為生姜的儲藏困難，很容易就腐敗變質，這也就造成了生姜的極大損失。目前，生姜的主要貿易還是以鮮姜，干姜為主。雖然干姜能夠有效的避免腐敗變質，但是這樣提高利用率還是遠遠不夠的。隨著科學技術的發展，已能從生姜中提取一些功效成分，并且發現這些功效成分在保健以及對疾病的預防與治療上取得了良好的功效，這一發現，能夠大大的提高生姜的綜合利用效率[3-4]。

而生姜油作為生姜內的主要提取物，是使用蒸餾法提取得到的揮發性植物油。現在已發現的組分已經有了100多種，主要為倍半萜烯類碳水化合物（占50%～66%）與氧化倍半萜烯（17%）。研究發現，桉樹腦、里哪醇、香茅醇乙酸酯、龍腦、香葉醛和香葉醇是鮮姜香氣的最主要的呈香組分[5-6]。生姜油的主要提取方法有超臨界CO2萃取法，溶劑萃取法，水蒸氣蒸餾法[7-9]。其中超臨界萃取法對設備的要求高，存在較大的限制，而水蒸氣蒸餾法對于提取生姜油來說，提取率較低，并且很難提取生姜油內部分低沸點物質，所以本文使用溶劑萃取法，這種方法的優點在于操作簡單，同時對于生姜油內的有效物質能夠很好的提取。

生姜油含有的多種成分，使它廣泛應用于食品，化妝品等行業中。生姜油同時具有抗氧化性，抗炎作用，抗過敏，對肝損害的保護作用，使其同時在醫藥行業中也得到了廣泛應用[10-15]。本文對生姜油提取工藝進行優化及其主要成分進行分析，以期為生姜綜合開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器和藥品

1.1.1 試驗儀器

FG102微型電動植物粉碎機：天津市儀器有限公司；HHSⅡ-2型電熱恒溫水浴鍋：北京長安科學儀器廠；101-2AB型電熱鼓風干燥箱：天津市泰斯特儀器公司；FA2004電子天平：賽多利斯科儀器有限公司；7890A-5975C氣相色譜-質譜聯用儀：美國安捷倫公司；索氏提取器。

1.1.2 試驗藥品

干姜：本地市場；石油醚（化學純）：南京化工廠；碘化鉀、淀粉、NaOH、Na2S2O3；乙酸乙酯、三氯甲烷、冰醋酸、酚酞、濃鹽酸、正己烷、無水硫酸鎂、氫氧化鉀：國產分析純；甲醇、正己烷：國產色譜純。

1.2 試驗方法

1.2.1 生姜油提取工藝

生姜油的提取工藝流程：生姜粉→過篩→溶劑萃取→過濾→蒸餾→成品。

1.2.2 生姜油提取工藝設計

根據前人研究成果縮小關鍵條件篩選范圍，每個試驗重復3次，取其平均值，然后根據生姜油提取率選用合適的參數以增大試驗的精確性和準確性。

1.2.2.1 物料粒徑的選取

稱取10 g分別過20、40、60、80目和100目篩的姜粉，按照料液比1∶4（g/mL）、45℃下水浴萃取60min，然后在80℃蒸餾，得到生姜油成品。

1.2.2.2 萃取溫度的選取

稱取10 g過60目篩的姜粉，料液比為1∶4（g/mL），萃取時間為60min，萃取溫度分別為30、35、40、45、50℃的條件下提取生姜油，然后在80℃下蒸餾，得到生姜油成品。

1.2.2.3 萃取時間的選取

稱取10 g過60目篩的姜粉，料液比為1∶4（g/mL），萃取溫度為45℃，在80℃下蒸餾，萃取時間設為30、45、60、75min和 90min 下提取生姜油。

1.2.2.4 料液比的選取

稱取10 g過80目篩的姜粉，按料液比分別為1∶3、1 ∶3.5、1 ∶4、1 ∶4.5（g/mL）和 1 ∶5（g/mL）的比例加入萃取劑，萃取溫度為45℃，萃取時間為60min，然后在80℃下蒸餾，得到生姜油成品。

1.2.3 正交試驗及其驗證

正交試驗及其驗證見表1。

表1 生姜油正交試驗因素表Table 1 The table of orthogonal test on ginger oil

根據以上各單因素的適宜水平，使用L9（34）正交試驗表，在80℃下蒸餾進行萃取工藝的正交試驗，根據生姜油提取率來確定四因素三水平的最佳組合[16]。

1.2.4 生姜油品質的鑒定

1.2.4.1 酸價的測定

按照GB 5009.229－2016《食品安全國家標準食品中酸價的測定》方法測定生姜油的酸值。

1.2.4.2 碘價的測定

按照GB/T 5532－2008《動植物油脂碘值的測定》的方法測定生姜油的碘價。

1.3 生姜油成分GC－MS分析[17]

生姜油甲酯化：稱取1 g油樣，置于具塞錐形瓶中，加入0.5 mol/L的氫氧化鉀－甲醇溶液10 mL，混勻后置于70℃下水浴超聲波輔助處理1 h，冷卻至室溫，用20 mL色譜純正己烷萃取，靜置分層取上層液，用蒸餾水洗滌2次～3次，加入無水硫酸鎂干燥脫水，最后4 500 r/min離心10min，取上層清液置于瓶中待測。

GC 條件：HP－5MSAgilent 190191S－433型石英毛細管柱（325℃，30 m×0.25 mm×25 μm）；載氣為高純氦氣（99.999%），柱前壓 69.8kPa，柱內載氣流量 2mL/min；80℃開始保持2min，以10℃/min升溫到160℃，保持2min，再以5℃/min升溫到250℃保持5min；樣品進樣量 1 μL；分流比 10 ∶1。

MS條件：四級桿溫度150℃，EI離子源溫度230℃，溶劑延時4min，電子能量70 eV，掃描范圍30 u～500 u。

基于氣象色譜保留指數：通過比較保留指數（RI，HP－5）與文獻報道的化合物和比較其質譜與Wiley GC/MS Library，Mainlib Library和 Replib Library數據公布的質譜數據[18－19]，使用同系物系的正烷烴C6～C31計算保留指數。

2 結果與討論

2.1 生姜油提取工藝條件試驗

2.1.1 物料目數對生姜油提取率的影響

原料粒徑對生姜油提取率的影響見圖1。

圖1 目數對生姜油提取率的影響Fig.1 Effect of mesh on ginger oil extraction rate

從圖1可以看出，隨著原料粒徑的增大，生姜油的提取率先增大后趨于平緩，如粒徑為60、80目以及100 目的提取率分別為4.56%、4.59%和 4.61%，但三者沒有顯著性差異（p＞0.05）。可以得出的是生姜油萃取效率是和生姜原料與萃取劑的表面接觸面積相關的，目數越大接觸面積越大，當目數達到一定值時，接觸面積將不會有顯著變化。故基于工藝的經濟可行性考慮選擇60目為宜。

2.1.2 萃取溫度對生姜油提取率的影響

萃取溫度對生姜油提取率的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對生姜油提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on ginger oil extraction rate

從圖2中可以看出，生姜油提取率隨著溫度的升高先增大后減小；在萃取溫度為45℃時的生姜油提取率達到最大值為4.79%；隨著溫度繼續增加，生姜油的提取率反而降低。這主要是生姜油中一些低沸點的物質隨著溶劑揮發造成生姜油的提取率下降，從節約能耗和獲取更大提取率角度考慮，應該選擇45℃為萃取溫度。

2.1.3 萃取時間對生姜油提取率的影響

萃取時間對生姜油提取率的影響見圖3。

圖3 萃取時間對生姜油提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on ginger oil extraction rate

由圖3可見，生姜油提取率隨著萃取時間的延長先增大后略有下降最后趨于平緩。生姜油的提取過程中隨著時間的延長，溶劑能充分將生姜油從原料中萃取出來。當萃取時間為60min時提取率最高為4.7%；萃取時間太短會導致生姜油無法完全萃取，萃取時間太長，同樣會導致生姜油隨萃取劑揮發且生產效率不高。60、75min和90min的提取率沒有顯著性差異（p＞0.05），基于生產效率性問題選擇60min為宜。

2.1.4 料液比對生姜提取率的影響

料液比對生姜油提取率的影響見圖4。

圖4 料液比對生姜油提取率的影響Fig.4 Effect of feed liquid ratio on ginger oil extraction rate

由圖4可知，當萃取劑用量增大時，生姜油的提取率呈先增大后趨于平緩。如在料液比為1∶3（g/mL）時，其提取率為4.12%，當料液比為1 ∶4.5（g/mL）時，提取率達到最大值為5.03%；但隨著萃取劑用量進一步擴大，提取率并沒有顯著增大，如料液比為1∶4（g/mL）、1 ∶4.5（g/mL）和 1 ∶5（g/mL）的提取率分別 4.96%、5.03%和4.98%，而三者之間并沒有顯著性差異（p＞0.05）。萃取劑用量較小，會導致沒有足夠的接觸面積，影響提取率；萃取劑用量太大，物料和溶劑的接觸面積達到飽和致使提取率不再增加，甚至由于溶劑的揮發還會引起提取率下降，料液比過大也會導致萃取劑的浪費，以及對后續蒸發增加成本。綜合考慮選擇1∶4（g/mL）作為萃取生姜油的料液比相對適宜。

2.2 正交試驗及其驗證

生姜油提取優化L9（34）正交試驗的四因素三水平正交試驗試驗結果見表2。

表2 生姜油提取正交試驗結果Table 2 The orthogonal experiment results of ginger oil extraction rate

續表2 生姜油提取正交試驗結果Continue table 2 The orthogonal experiment results of ginger oil extraction rate

正交試驗結果表2極差R可知：影響生姜油的提取率的4個因素的主次順序為C＞B＞A＞D。提取生姜油的最佳組合為A2B2C3D3。即最佳萃取溫度為45℃，最佳萃取時間為60min，最佳料液比為1 ∶4.5（g/mL），最佳目數為80目。按照最優水平組合A2B2C3D3進行3次平行試驗，試驗結果見表3。

表3 最優水平驗證試驗結果Table 3 Optimal level validation test results

由表3可知，生姜油提取得率均值為5.63%，高于正交試驗結果，說明該工藝條件可行。

2.3 生姜油化學成分分析

生姜揮發油的主要化學成分見表4。

生姜油經GC－MC分析存在64種化合物，所有鑒定的化合物占總生姜油的97.54%；其中包含13種單萜類化合物（20.77%），20種倍半萜類化合物（50.09%），6 種氧合倍半萜類（4.54%），5中醛類（17.42%），4種酮類（0.57%），9 種醇類（3.52%），2 種酯類（0.04%）以及其他5種化合物（0.41%）；顯然，單萜類，倍半萜類和醛類是精油中發現的3大類化合物。在生姜油中檢測到的主要有機化合物是姜烯占20.93%；其次是8.82%的 α－姜黃素、8.71%香葉醛、8.26%檜烯、8.13%β－水芹烯、8.02%橙花醛、7.42%α－法尼烯、6.26%莰烯等8種主要物質。本試驗結果與Singh等的研究結果基本一致[18－20]。然而，在其他參考文獻中確定的生姜油主要化學化合物存在重大差異如：Singh G等研究表明生姜油中姜油酮含量為33.6%，而本試驗的研究為0.57%存在較大差異[21]；這些差異可能是由于生長地理環境環境、成熟度、遺傳或其他一些因素有關。

表4 生姜揮發油的主要化學成分Table 4 The main chemical constituents of volatile oils of ginger

2.4 生姜油品質分析

2.4.1 感官指標

經試驗優化通過石油醚萃取得到的生姜油顏色呈淡黃色油狀液體，具有濃郁的辛辣味，風味純正。

2.4.2 質量指標

本試驗提取的生姜油酸價為5.10 mg/g；碘價為169.86 mg/g。

經GC-MS分析經本試驗提取得到的生姜油，在生姜油含量中大于6%的主要成分有姜烯、姜黃素、香葉醛、檜烯、水芹烯、橙花醛、α-法尼烯、莰烯。

3 結論

用石油醚作為萃取劑，按料液比為1∶4.5（g/mL），在45℃下，萃取60min，按照最優水平組合A2B2C3D3進行3次平行試驗，生姜油的提取率可達5.63%，高于正交試驗最高組5.43%，說明工藝可行。通過對生姜油萃取工藝優化，萃取出來的生姜油品質較好，具有的生姜的獨特風味，顏色為淺黃色。從生姜油鑒定出64種化合物，姜烯、姜黃素、香葉醛、檜烯、水芹烯、橙花醛、α-法尼烯、莰烯8種為主要化合物。其碘價與酸分別為5.10 mg/g、169.86 g/g。因此，本試驗設計的對生姜油提取的優化工藝，能夠進一步提高生姜油的提取率，同時對生姜油的品質無影響。

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