文冬姜化學成分研究

代毓敏,溫 馨,郭夢迪,梁 哲,倪元穎

(中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

姜(ZingiberofficinaleRosc.)又稱為生姜、白姜、川姜,是一種藥食同源的植物,具有很高的營養價值[1]。姜的營養成分主要包括基本營養成分和功效成分,基本營養成分包括水分、蛋白質、脂肪、膳食纖維以及多種維生素和礦物元素,功效成分主要包括揮發油和姜辣素[2]。生姜揮發油是生姜的呈香物質,賦予姜濃郁的芳香氣味[3],主要成分是單萜和倍半萜類化合物,如α-姜烯、α-金合歡烯、β-倍半水芹烯、γ-依蘭油烯等;姜辣素賦予姜特征性的辛辣風味,是姜最主要的生物活性成分,主要包括姜酚和姜烯酚,其中以姜酚類物質含量最高[4]。研究表明,生姜揮發油具有抗氧化[5]、抑菌[6]、抗炎[7]、鎮痛[8]、保護肝臟[9]、抑制膽固醇吸收[10]等生理功效,同時對實驗性胃潰瘍[11]和缺血性腦損傷[12]具有保護作用。姜酚類物質具有抗氧化[13]、抗腫瘤[14]、抑菌[15]、消炎鎮痛[16]、健胃止吐[17]、保肝利膽[18]、降血糖[19]、降血脂[20]和防血栓[21]等多種生理功效,具有很高的營養價值和藥用價值。

本研究選用的文冬姜(Zingiberofficinalevar.Bentong)產于馬來西亞云頂高原。該地區位于赤道5°,土壤肥沃,并有天然山泉水灌溉滋養,盛產多種名貴藥材。而文冬姜又因其一年耕種、四年休耕、五年一季的高品質種植模式,產量極少,而被譽為“姜中之皇”。目前,國內外對文冬姜均沒有相關的研究。因此,本文對文冬姜化學成分進行了全分析,測定文冬姜中的基本成分和功效成分,并與國內生姜品種中營養價值較高的羅平小黃姜(Zingiberofficinalecv.xiaohuangginger)對比,為今后文冬姜及其深加工產品的開發應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

文冬姜 由北京明俞大成國際貿易有限公司提供;羅平小黃姜 云南萬興隆生物科技集團有限公司;甲醇 色譜純,賽默飛世爾科技(中國)有限公司;乙腈、γ-萜品烯 色譜純,西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司;6-姜酚標準品、8-姜酚標準品、10-姜酚標準品 色譜純,北京索萊寶科技有限公司;其余試劑 均為國產分析純。

HA 220-50-07超臨界CO2萃取裝置 南通市華安超臨界萃取有限公司;7890B-5977B氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫科技有限公司;LC-20AT型高效液相色譜儀 日本島津公司;ME204E電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 基本營養成分測定 水分含量測定:參考GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》的方法[22];灰分含量測定:參考GB 5009.4-2016《食品中灰分的測定》的方法[23];蛋白質含量測定:參考GB 5009.5-2016《食品中蛋白質的測定》的方法[24];脂肪含量測定:參考GB 5009.6-2016《食品中脂肪的測定》的方法[25];膳食纖維含量測定:參考GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》的方法[26];碳水化合物含量測定:參考GB 28050-2011《預包裝食品營養標簽通則》的方法[27];礦物質含量測定:參考GB/T 30376-2013《電感耦合等離子體原子發射光譜法》的方法[28];維生素A含量測定:參考GB 5009.82-2016《食品中維生素A、D、E的測定》的方法[29];維生素B1含量測定:參考GB 5009.84-2016《食品中維生素B1的測定》的方法[30];維生素B2含量測定:參考GB 5009.85-2016《食品中維生素B2的測定》的方法[31];維生素C含量測定:參考GB 5009.86-2016《食品中抗壞血酸的測定》的方法[32];氨基酸:參考GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的測定》的方法[33]。

1.2.2 揮發油成分測定

1.2.2.1 樣品處理 分別將文冬姜和羅平小黃姜在-40 ℃、100 Pa的條件下冷凍干燥24 h,用破碎機粉碎至粉末,過20目篩后保存備用。分別稱取文冬姜粉和羅平小黃姜粉各1.3 kg,將其均勻填置在超臨界設備的萃取釜內。設定萃取溫度35 ℃,萃取壓力25 MPa,分離溫度31 ℃,分離壓力8 MPa,在此條件下萃取2.5 h,得到兩種姜的姜油樹脂。分別稱取1.00 g兩種姜的姜油樹脂,用甲醇定容至5 mL容量瓶中,上樣前用0.45 μm的有機濾膜過膜。

1.2.2.2 定性分析 采用GC-MS測定揮發油組成。氣相色譜條件:DB-WAX毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:70 ℃保持2 min,以10 ℃/min的速率升至130 ℃,保持2 min,再以4 ℃/min的速率升至160 ℃,保持2 min,再以10 ℃/min的速率升至230 ℃,保持15 min。載氣(He)流速1.0 mL/min,進樣量1.0 μL;分流比:20∶1。

質譜條件:電子轟擊離子源;電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃;四級桿溫度150 ℃;質量掃描范圍m/z 35～500。

1.2.2.3 定量分析 根據GC-MS分析的結果,選取γ-萜品烯作為內標物質,采用內標法對揮發油中含量最高的特征性成分α-姜烯進行定量。

1.2.3 姜辣素測定

1.2.3.1 樣品處理 分別稱取1.2.2.1中得到的文冬姜和羅平小黃姜姜油樹脂0.10 g,用乙腈定容到10 mL容量瓶中,上樣前用0.45 μm的有機濾膜過膜。

1.2.3.2 定性分析 采用高效液相色譜分析姜油樹脂中姜辣素的組成并進行定量。高效液相色譜條件如下:Venusil XBP C18(L)色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),二元梯度洗脫,流動相A為超純水,流動相B為乙腈。梯度洗脫程序:0 min,10%乙腈;0～25 min,10%～60%乙腈;25～60 min,60%～100%乙腈。進樣量10 μL;流速1.0 mL/min,檢測波長280 nm。通過保留時間對比及標準品加入法共同確定姜油樹脂中姜辣素組成。

1.2.3.3 定量分析 采用外標法定量分析姜油樹脂中姜辣素含量。分別配制6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚標準品儲備液(4 mg/mL),梯度稀釋至0.04、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mg/mL,并繪制標準曲線。

1.3 數據處理

每個樣品進行3平行3重復,實驗所得數據均為3次實驗的平均值,采用Excel建立數據庫,對實驗數據進行單因素方差分析,檢驗兩個品種間的差異顯著性(P<0.05)。采用Origin軟件進行數據統計分析與圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 化學成分的對比分析

2.1.1 主要營養成分 由表1可得,與中國食物成分表中羅平小黃姜的營養成分相比,文冬姜中脂肪和膳食纖維的含量比羅平小黃姜高,碳水化合物的含量比羅平小黃姜低,水分、灰分和蛋白質的含量與羅平小黃姜相近。

表1 文冬姜與羅平小黃姜主要成分對比(以每100 g可食部計,g)Table 1 Comparison of main components between Bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion,g)

2.1.2 礦物質含量 生姜藥用價值的重要物質基礎之一就是生姜中所含有的礦物元素[35]。礦物元素包括常量礦物元素和微量礦物元素。常量礦物元素包括鈉、鉀、鎂、鈣、磷等,微量礦物元素包括錳、鐵、鋅、銅、硒等。由表2可知,文冬姜中鐵的含量約為羅平小黃姜的4倍,鋅和硒的含量約為羅平小黃姜的2倍。鐵是血紅蛋白的重要組成部分,缺鐵會導致缺鐵性貧血,影響人體對氧的吸收利用。鋅影響大腦智力發育和記憶力功能,而硒參與體內的抗氧化作用,提高機體的免疫能力,預防癌癥的發生。微量礦物元素與人體正常的新陳代謝密切相關,對維持人體的健康具有十分重要的意義[36]。文冬姜中微量礦物元素的含量相對較高,與羅平小黃姜相比占據了很大的優勢,具有較高的藥用價值。

表2 文冬姜與羅平小黃姜礦物質含量對比(以每100 g可食部計)Table 2 Comparison of minerals between Bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion)

2.1.3 維生素含量 由表3可知,文冬姜中維生素A的含量很低,每100 g可食用的文冬姜中維生素A的含量不足0.01 mg,維生素B1、B2和維生素C的含量與羅平小黃姜相差不大,這說明與羅平小黃姜相比,文冬姜中維生素的含量與羅平小黃姜其相差不大。

表3 文冬姜與羅平小黃姜維生素含量對比(以每100 g可食部計,mg)Table 3 Comparison of vitamins content between Bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion,mg)

2.1.4 氨基酸含量 由表4可知,文冬姜和羅平小黃姜氨基酸的含量差別并不大,除了丙氨酸和纈氨酸的含量比羅平小黃姜稍高外,其他14種氨基酸的含量都比羅平小黃姜要低。

表4 文冬姜與羅平小黃姜氨基酸含量對比(以每100 g可食部計,g)Table 4 Comparison of amino acids content between bentong ginger and Luoping ginger(measured by per 100 g edible portion,g)

2.2 揮發油成分分析

2.2.1 定性分析 用氣相色譜-質譜法對文冬姜和羅平小黃姜姜油樹脂的揮發性成分進行分析鑒定,在文冬姜姜油樹脂中共分離鑒定出42種化合物(見圖1),在羅平小黃姜姜油樹脂中共分離鑒定出35種化合物(見圖2)。

圖1 文冬姜姜油樹脂的總離子流色譜圖Fig.1 Chromatogram of total ionic currents of Bentong ginger oleoresin

圖2 羅平小黃姜姜油樹脂的總離子流色譜圖Fig.2 Chromatogram of total ionic currents of Luoping ginger oleoresin

利用NIST譜庫對GC-MS得到的結果進行檢索,采用面積歸一化法計算得出各組分的相對百分含量,分析鑒定結果見表5。

表5 文冬姜和羅平小黃姜姜油樹脂中的化學組分及相對含量Table 5 Chemical constituents and relative contents of Bentong ginger oleoresin and Luoping ginger oleoresin

檢測結果發現,文冬姜姜油樹脂中的主要成分是具有異戊二烯結構的萜烯類化合物。萜烯類化合物主要包括單萜類和倍半萜類化合物,它們是揮發油的重要組成成分,賦予文冬姜濃郁的香氣。在檢測到的化合物中,含量最高的是姜酮(24.50%)。姜油樹脂中的姜酚類物質在加熱時會受熱裂解,發生麥氏重排反應生成相應的醛類物質和姜酮[37],這也解釋了在姜油樹脂的氣質檢測中沒有出現姜酚類物質的原因。在檢測到的萜烯類化合物中,含量最高的是α-姜烯(17.47%),其次是β-柏木萜烯(9.68%)和α-法呢烯(7.49%)。含量在2%以上的物質還有β-防風根烯(4.06%)、柑橘酮(2.58%)和檸檬醛(2.57%)。除此以外,還檢測到了α-蒎烯、β-金合歡烯、β-蓽澄茄油烯、γ-欖香烯和α-松油醇等呈香物質。姜烯是一種倍半萜烯,帶有姜油氣息。β-柏木萜烯具有柏木香氣,α-法呢烯呈木香和青香,柑橘酮具有柑橘的果香香氣,檸檬醛具有檸檬香氣,α-蒎烯具有松木和樹脂香氣[38]。這些物質的存在賦予了姜濃郁的芳香氣味,對文冬姜風味的形成具有十分重要的意義。

對比可得,文冬姜和羅平小黃姜姜油樹脂中相同的揮發性成分共29種。將兩種姜油樹脂中的主要萜烯類化合物進行對比,發現兩種姜油樹脂中含量最高的揮發性成分均為α-姜烯,但文冬姜姜油樹脂中α-姜烯的相對含量(17.47%)低于羅平小黃姜姜油樹脂中α-姜烯的相對含量(22.71%)。與羅平小黃姜相比,文冬姜姜油樹脂中檢測到的特有成分是柑橘酮(2.58%)、檸檬醛(2.57%)、苯甲醇(1.51%)、4,6-雙(4-甲基-3-戊烯基)-6-甲基-1,3-環己二烯-1-甲醛(0.85%)香葉基芳樟醇(0.83%)、雪松醇(0.69%)、桉葉油醇(0.46%)、芳樟醇(0.40%)、香樹烯(0.30%)、β-谷甾醇(0.29%)、表藍桉醇(0.26%)和7-表-順式倍半香檜烯水合物(0.26%)。α-松油醇、α-法呢烯和β-蓽澄茄油烯在文冬姜姜油樹脂中的相對含量比羅平小黃姜中的相對含量略高,β-柏木萜烯和環氧異香樹烯在文冬姜中的相對含量比羅平小黃姜中的相對含量略低,其他物質的相對含量差異不大。

2.2.2α-姜烯含量分析 選用內標法對揮發油中含量最高的物質α-姜烯進行定量測定,結果如表6所示。

由表6可知,每克文冬姜姜油樹脂中約含有87.14 mg的α-姜烯,這比羅平小黃姜姜油樹脂中α-姜烯的含量約低18.37%。結合GC-MS定性分析的結果,得知文冬姜姜油樹脂中的萜烯類化合物種類豐富,但α-姜烯的含量并不占優勢。

表6 兩種姜油樹脂中α-姜烯的含量(mg/g)Table 6 Contents of α-zingiberene in Bentong ginger oleoresin and Luoping ginger oleoresin(mg/g)

2.3 姜辣素含量分析

2.3.1 標準曲線的制作 將不同濃度的混合標準品溶液進行高效液相色譜測定,其中一個濃度的對照品溶液的色譜圖如圖3所示。以峰面積為縱坐標(Y),對照品溶液濃度(μg/mL)為橫坐標(X),繪制三種物質的標準曲線,得線性回歸方程,具體結果見表7。

圖3 對照品的高效液相色譜圖Fig.3 Chromatogram of reference substance

由表7可知,6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚在40～4000 μg/mL的線性范圍內回歸效果較好,方程相關系數均大于0.999。

表7 6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的線性關系結果Table 7 Linear regression equation of 6-gingerol,8-gingerol and 10-gingerol

2.3.2 姜油樹脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚含量的測定 分別對兩種姜姜油樹脂進行高效液相色譜測定,樣品色譜圖分別見圖4和圖5。

圖4 文冬姜姜油樹脂的高效液相色譜圖Fig.4 Chromatogram of Bentong ginger oleoresin

圖5 羅平小黃姜姜油樹脂的高效液相色譜圖Fig.5 Chromatogram of Luoping ginger oleoresin

采用外標法計算樣品中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的濃度,結果如表8所示。

由表8可知,文冬姜中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的含量均比羅平小黃姜中高。文冬姜姜油樹脂中6-姜酚的含量高達338.08 mg/g,約是羅平小黃姜的2.81倍;8-姜酚的含量為57.07 mg/g,約為羅平小黃姜的1.79倍;10-姜酚的含量為84.87 mg/g,約為羅平小黃姜的1.02倍。文冬姜姜油樹脂中總姜酚的含量為480.02 mg/g,約為羅平小黃姜姜油樹脂中總姜酚含量的2.04倍。綜上所述,文冬姜中姜酚類物質的含量十分豐富,與羅平小黃姜相比具有明顯的優勢。姜酚類物質是姜辣素的主要成分,具有抗氧化、抗腫瘤、保護心肌等多項生理功能[39],因此文冬姜具有較高的潛在藥用價值。

表8 兩種姜油樹脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的含量Table 8 Contents of 6-gingerol,8-gingerol and 10-gingerol in Bentong ginger oleoresin and Luoping ginger oleoresin

3 結論

采用國標方法對文冬姜中水分、蛋白質、脂肪、膳食纖維、氨基酸、礦物質和維生素等基本營養成分進行檢測,并與中國食物成分表中羅平小黃姜的營養成分進行對比。結果顯示,文冬姜中水分、灰分、蛋白質、氨基酸和維生素的含量與羅平小黃姜相近,脂肪和膳食纖維的含量比羅平小黃姜高,碳水化合物的含量比羅平小黃姜低。在礦物元素的檢測中發現,文冬姜中含有十分豐富的微量元素,尤其以鐵、鋅、硒的含量最為突出。此外,文冬姜也含有十分豐富的鉀元素。

采用超臨界CO2萃取法提取文冬姜的姜油樹脂進行功效成分的檢測,并與國內營養價值較高的羅平小黃姜進行對比。用氣相色譜-質譜法對文冬姜和羅平小黃姜姜油樹脂的揮發性成分進行分析鑒定,在文冬姜姜油樹脂中分離鑒定出42種化合物,在羅平小黃姜姜油樹脂中分離鑒定出35種化合物。文冬姜姜油樹脂中含量最高的是α-姜烯(17.47%),其次是β-柏木萜烯(9.68%)和(-法呢烯(7.49%)。與羅平小黃姜相比,文冬姜姜油樹脂中檢測到的特有成分是柑橘酮(2.58%)、檸檬醛(2.57%)、香葉基芳樟醇(0.83%)、雪松醇(0.69%)、桉葉油醇(0.46%)、芳樟醇(0.40%)、香樹烯(0.30%)和表藍桉醇(0.26%)。以γ-萜品烯為內標物質對姜油樹脂中含量最高的特征性物質α-姜烯進行定量,發現文冬姜姜油樹脂中α-姜烯的含量是87.14 mg/g,羅平小黃姜中α-姜烯的含量是103.15 mg/g。GC-MS的結果表明,與羅平小黃姜相比,文冬姜中α-姜烯的含量較低,但萜烯類化合物的種類豐富,姜的風味更加濃郁。

采用高效液相色譜法檢測姜油樹脂中三種姜酚類物質的含量,結果顯示,文冬姜姜油樹脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚的含量分別為338.08、57.07和84.87 mg/g,是羅平小黃姜姜油樹脂中6-姜酚、8-姜酚和10-姜酚含量的的2.81倍、1.79倍、1.02倍。姜酚類物質具有抗氧化、抗腫瘤等多種生理功能,是生姜中最主要的生物活性成分。文冬姜中姜酚類物質的含量十分豐富,與羅平小黃姜相比具有較高的食用價值和藥用價值,有望用于保健食品或藥品等深加工產品。