生姜揮發油研究進展

張青，李靜，劉佳，蒲旭峰

(1.成都中醫藥大學 藥學院，成都 611130；2.成都市食品藥品檢驗研究院，成都 610045)

生姜是姜科多年生草本植物姜(ZingiberofficinaleRosc.)的新鮮根莖，屬藥食兩用傳統經濟農作物，香氣特異，味辛辣，在我國栽種歷史悠久[1]。性微溫，味辛，歸肺、脾、胃經，具有發散風寒、溫中止嘔、溫肺止咳等功效。自古以來，均認為生姜香味重者為佳，可見生姜的特殊香氣是評判其質量的主要指標，而生姜特殊香味的物質基礎主要來自揮發油成分。生姜中揮發油總含量在0.25%～3.0%，在食物加工過程中能起到增味、去腥、添香、護色、清口等作用，能促進消化液分泌，增進食欲，同時也有良好的抗菌、抗氧化、抗腫瘤、抑制中樞神經系統興奮等[2，3]藥理活性。隨著對生姜研究的逐漸深入，生姜產業得到大力發展，其揮發油成分被廣泛應用于醫藥、食品、香料和化妝品等行業。筆者通過查閱近10年關于生姜揮發油研究的國內外文獻，對生姜揮發油的提取技術、成分分析方法、化學成分及活性研究進行綜述，以期為生姜的進一步研究和應用開發提供參考借鑒。

1 提取技術

生姜揮發油又稱生姜油，是其主要的香味物質。近年來，眾多國內外學者為充分提取生姜油做了許多研究工作，并取得了很多建設性成果。筆者查閱文獻，發現目前生姜油的提取技術主要分為傳統提取和現代技術提取，傳統提取包括：水蒸氣蒸餾法、壓榨法、溶劑提取法；現代技術提取包括：CO2超臨界流體提取法、微波提取法、超聲提取法、亞臨界水萃取法及新興技術輔助水蒸氣蒸餾法(如酶法輔助水蒸氣蒸餾法、閃式輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法、超聲協同水蒸氣蒸餾法等)。

1.1 傳統提取方法

1.1.1 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法是一種最常用的植物性天然香料連續動態提取方法，成本低而產量大,設備及操作都比較簡單。傳統生姜油提取多采用此法，將生姜藥材浸泡之后用水蒸氣蒸餾裝置蒸出揮發油，收集即得。Xue等[4]采用水蒸氣蒸餾法從生姜中提取揮發油，共提取出27種化學成分。該法具有簡單、易操作、能避免有機溶劑污染等優點，但一般耗時較長，且得油率相對較低，同時提取溫度較高，易造成生姜揮發油中不穩定的香氣成分和活潑成分的損傷，會使姜油的成分、氣味、風味會發生有害變化。

1.1.2 壓榨法

壓榨法是一種依靠機械動力提取精油的傳統方式，利用機械壓榨機依靠旋轉的螺旋體的推進作用，壓縮樣材，將細胞中的精、油壓榨出來，再經一系列除雜工序,即可得到精油。鐘凌云等[5]將生姜壓榨搗成汁，研究生姜油對胃腸運動功能的影響，結果發現生姜油有促進胃腸運動的作用。壓榨法簡便易行，成本低，但在提取過程中可能會發生乳化作用而導致油水分離困難，影響提取效率。

1.1.3 溶劑提取法

溶劑提取法是依借相似相溶原理，利用生姜揮發油與其他組分在特定溶劑中溶解度的差異，實現組分分離，從而提取出揮發油部分。提取生姜揮發油常用的溶劑石油醚、乙醇、乙醚、氯仿、丙酮等。石油醚提取生姜油的提取率可達4.3%,且所得生姜油具有純正的生姜風味。該方法操作簡單，但提取率不高，提取不完全，而且有溶劑殘留且會沉淀變色，影響揮發油的品質和安全。

1.2 現代提取方法

1.2.1 超臨界流體提取法

超臨界流體提取是利用超臨界狀態下的流體作為萃取溶劑，從樣品中萃取出揮發油的新型分離技術，最常用的超臨界流體是二氧化碳(CO2)。超臨界流體SC-CO2萃取生姜揮發油，出油率可達4.27%。 超臨界流體提取條件溫和，設備封閉，能避免生姜香味成分的破壞和損失，在提取揮發油成分時具有一定的優勢[6]。

1.2.2 微波提取法

微波提取是指使用適當的溶劑在微波反應器中從樣品中提取各種化學成分的技術。微波是指頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波，利用電磁場的作用使固體或半固體物質中的某些有機物成分與基體有效地分離，并能保持分析對象的原本化合物狀態。利用MAE從生姜中提取揮發油類成分能避免高溫破壞、有機溶劑污染等問題，受到眾多學者的青睞[7]。

1.2.3 超聲波萃取法

超聲波萃取是利用超聲波輻射壓強產生的強烈的多級效應，增大樣品分子運動頻率和速度，增加溶劑穿透力，加速目標成分進入溶劑，促進提取的進行。生姜體積較大，含大量粗纖維，不能實現細胞壁完全破壞，增加揮發油的提取難度，高速效能的超聲提取能很好地解決這些問題，提高生姜揮發油提取率，同時提取時間短，工藝簡單，能耗低，有效成分破壞少、經濟安全[8]。

1.2.4 亞臨界水萃取法

亞臨界流體提取是以亞臨界狀態的流體為溶媒,從天然產物中提取目標組分的一種新技術,具有提取效率高、易于分離、非熱加工、節能、成本低等優點。常大偉等[9]分別利用亞臨界萃取技術和水蒸氣蒸餾技術提取生姜揮發油，并比較了提取物的成分種類和含量差異，前者出油率為3.14%，較后者出油率高，且亞臨界流體萃取得到的揮發油主要成分α-姜黃烯和姜烯含量分別為16.39%及27.59%,實驗結果表明亞臨界萃取技術的萃取效率較水蒸氣蒸餾的高，萃取的生姜油感官品質、特征成分純度均優于水蒸氣蒸餾法，表明亞臨界流體萃取能夠有效提高萃取率和產品質量,具有廣泛的應用前景。

1.2.5 其他

為提高生姜揮發油的提取效率，研究者們做了諸多努力，將新型現代技術與傳統提取技術相結合，大大提高了生姜揮發油的提取率，實現了生姜揮發油的充分提取。如酶法輔助水蒸氣蒸餾提取，利用生物酶的酶解作用，破環植物細胞壁，使有效成分最大限度地溶出，提高收率。閃式輔助水蒸氣蒸餾法，利用閃式提取技術的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。此外，還有微波、超聲、超臨界流體等現代技術輔助傳統提取技術[10，11]。

通過總結，筆者發現不同提取方法的生姜揮發油提取率有所差異，總體來說，新興提取技術較傳統提取技術的提取效率高，提取的揮發油種類更多，且與傳統提取方法相結合，擴大實用范圍，更加促進生姜加工產業的發展。

2 分析方法

迄今為止，國內外學者從生姜中提取分離得到的揮發油成分種類多達100多種，且發現不同產地生姜中的揮發油含量均有所不同。生姜的特殊香味主要是由其揮發油產生，不同產地生姜揮發油的含量和種類不同，因而不同產地的生姜具有不同的香氣類型。目前常用的生姜揮發油分析方法有：氣相色譜法、薄層色譜法、高效液相色譜法、頂空固相微萃取法、高效毛細管電泳法、高效逆流色譜法及氣相色譜-質譜技術(GC/MS)等[12，13]。Li等[14]采用GC-MS技術對生姜揮發油提取物進行成分分析，并用面積歸一化方法計算各成分含量,測得生姜總揮發油含量為2.0 mL/g，GC/MS識別并鑒定出58個成分，占總揮發油的90.52%。Sasidharan等[15]從2個品種的生姜中分離出揮發油成分，采用GC和GC-MS做成分分析，確定了60個成分，分別占2個品種生姜揮發油的94.9%和92.6%，不同品種生姜的揮發油主要化合物種類和含量都不同，該文獻首次報道了不同品種生姜精油之間的差異。

3 生姜揮發油化學成分

生姜揮發油是其特異香味的主要物質基礎，成分復雜，種類繁多，主要是萜類化合物,其中倍半萜烯類碳水化合物含量最高,占50%～66%，其次是氧化倍半萜烯,占17%,其余是單萜烯類碳水化合物和氧化單萜烯類。在倍半萜烯類碳水化合物中,主要成分是α-姜烯、β-紅沒藥烯、α-姜黃烯、α-法呢烯和β-倍半水芹烯。除此之外，莰烯、水芹烯、芳樟醇、牻牛兒醇等成分相對含量也較高。Pantea Shirooye等[16]在生姜中提取出揮發油部分，結合GC-MS技術鑒定出了55種化學成分，占總揮發油的94%。Chung等[17]將韓國2個產區的生姜經石油醚提取，收集揮發油成分進行成分分析，發現主要成分為莰烯、樟腦萜、α-水芹烯、姜烯、姜醇、芳樟醇、金合歡烯。揮發油部分主要成分信息見表1和圖1。

表1 生姜揮發油主要成分信息表

圖1 生姜揮發油主要成分化學結構式

4 生姜揮發油藥理活性研究

4.1 對消化系統的作用

在芳香健胃藥材中，萜類精油化合物是溫中健胃的有效成分之一，生姜揮發油是其治療消化系統疾病的主要成分。生姜油具有保護胃黏膜細胞的作用，可顯著抑制鹽酸性和應激性胃黏膜損傷[18]，其保護機制可能與促進胃黏膜合成和減少釋放內源性PG有關，同時對腸道有雙向調節作用，既可松弛腸管，減少蠕動，也可使腸道張力、節律及蠕動增加，可用于因脹氣或其他原因引起的腸絞痛。顯微鏡觀察生姜揮發油對大鼠醋酸性結腸炎的影響，發現生姜揮發油對醋酸性結腸炎存在一定保護作用[19]。

4.2 抗氧化

動物實驗發現，腹腔注射生姜揮發油可抑制巨噬細胞誘導的phorbol-12-肌體-13-醋酸根引起的超氧化物自由基，并且對小鼠進行灌胃姜油實驗，1個月后發現小鼠血液中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽轉移酶、谷胱甘肽過氧化物酶和肝臟超氧化物歧化酶水平顯著提高，提示姜油具有顯著的抗氧化活性。卞夢瑤等[20]建立RAW264.7細胞的過氧化氫損傷模型,研究生姜油對細胞損傷的影響，結果發現生姜油對細胞的氧化性損傷有顯著保護作用，可能是通過調節細胞氧化還原系統，提高抗氧化能力，有效清除自由基的產生。

4.3 抗癌

生姜具有明顯的清酸和過氧化作用，通過改善b16黑色素瘤細胞中的谷胱甘肽酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶的活性，發揮抑制細胞增殖和黑色素生成作用，提示生姜揮發油可作為食品工業中的一種有效的皮膚增白劑[21]。Santos等[22]進行體外細胞毒性試驗研究生姜揮發油對子宮頸癌細胞的毒性活性，發現給藥后細胞的形態表現為染色質縮合、細胞膜的完整性喪失以及細胞的細胞含量泄漏，結果表明生姜揮發油對子宮頸癌細胞具有強烈的細胞毒性活性，表明其可能用作子宮頸癌細胞的抗癌藥物。同時實驗發現生姜揮發油能抑制子宮內膜癌細胞的增殖，且IC50濃度為1.25 μg/mL，進一步研究表明生姜揮發油中的萜類化合物可以通過激活P53基因導致子宮內膜癌細胞凋亡，提示生姜揮發油中的類萜類化合物是子宮內膜癌細胞增殖的有效抑制劑，可作為治療子宮內膜癌的藥物進行下一步研究，生姜精油還可防治胃腸道腫瘤[23]。

4.4 抗菌

體外實驗發現生姜油對傷寒桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、霍亂弧菌、多重耐藥菌等都有明顯的抑制作用。Lei等[24]研究生姜油對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌活性，發現生姜揮發油具有特定靶向抗菌能力，在發揮抗菌活性過程中表現出熱穩定性、酸度和抗堿性的特點，表明生姜油可作為一種天然、高效的抗菌原料應用于食品、藥品、保健品、化妝品等行業。Intorasoot等[25]發現生姜揮發油對30多種鮑曼耐多重耐藥菌都表現出強烈的抗菌作用，表明生姜揮發油提取物可作為一種天然抗菌替代產品用于治療最常見的人類病原體和多重耐藥菌感染。

4.5 其他

生姜揮發油還具有降血脂，保護肝臟結構，改善肝損傷，末梢性鎮吐，興奮呼吸和血管運動中樞等作用。

5 生姜揮發油食用價值

生姜的可食用部分達95%，且富含大量營養成分，是人們餐桌上必不可少的傳統食材和辛香調味品，生姜菜肴香辛可口，開胃健脾，能促進消化液分泌，增加胃腸蠕動，增進食欲，有利于胃腸對營養成分的吸收；作為調味品，能起到增味、去腥、添香、護色、清口等作用，而生姜主要的香味物質是其揮發油成分。

生姜揮發油可為甜味或咸味食物比如湯類、肉類、家禽、海鮮、蔬菜、米飯、面食、豆腐、鹵汁、調味汁、水果、蛋糕和飲品等調味。其在西方國家食用廣泛，常用其來為蛋糕、姜餅和蜜餞等提味，有些咖喱里面也有。在日本，將含有大量揮發油成分的生姜制成咸菜，作為壽司和生魚片的傳統搭配輔料。也可將生姜榨汁，姜汁紅茶不僅可以去冷散寒，還有解毒殺菌的作用。姜湯補暖，具有防止感冒，溫脾開胃的功效。生姜揮發油為淡黃色或綠色液體，是一種天然的食品添加劑，為一些啤酒和軟飲料(姜汁汽水)的成分之一。同時生姜揮發油中含有植物抗菌素，試驗證明生姜揮發油的抑菌作用強于相同濃度的常用食品防腐劑山梨酸鉀水溶液。由此可見，生姜揮發油在天然防腐劑開發方面具有廣闊的應用前景。

生姜揮發油作為調味劑、抗氧化劑、護色劑、保鮮劑、防腐劑、嫩化劑、澄清劑、凝乳劑等廣泛用于食品的加工， 是理想的高檔食品添加劑，隨著食品工業和健康產業的發展，人們日漸注重身體保健，高品質、純天然的生姜精油必將受到人們的推崇。

6 總結

揮發油成分不僅是生姜特異香味的物質基礎，也有抗菌、抗氧化、抗病毒等生物活性，在食品、藥品、化妝品等行業具有廣闊的開發和應用前景。隨著對生姜油研究的不斷深入，將促進生姜油產業鏈發展，不斷地開發其營養價值和保健價值。