不同干燥方法對生姜葉活性成分和抗氧化活性的影響

邢 穎,張 月,徐懷德,周素梅

(1.運城學院生命科學系,山西運城 044000;2.西北農林科技大學食品科學與工程學院,陜西楊凌 712100;3.中國農業科學院農產品加工研究所,北京 100193)

生姜是姜科姜屬多年生宿根草本植物,在我國分布廣泛,是我國傳統的藥食同源植物[1-2]。生姜葉為豎行排列,長約15～30 cm,寬約2 cm。生姜葉可用作蔬菜、茶和草藥[3]。研究表明,生姜葉含有姜黃素、酚類、黃酮類等化合物,具有抗氧化[4]、抗癌[5]、降壓、利尿和抗潰瘍[6]等功能。生姜的主要利用部位是根莖,而地上部分莖和葉常被丟棄或者用作肥料。對生姜葉進行干燥處理后可作為提取黃酮、多酚、精油等活性成分的原料,避免浪費,同時也能提高生姜的綜合利用。

干燥能有效地抑制微生物的生長和延緩生化反應,方便運輸和貯存[7]。然而新鮮樣品在干燥過程中會發生酶促或者非酶促反應導致植物化學成分發生顯著的變化[8]。Sim等[9]對比了陰干、烘干、真空干燥、微波及冷凍干燥對紅麻葉黃酮、多酚及抗氧化活性的影響,結果表明冷凍干燥得到的產品在活性成分含量及抗氧化活性方面效果最好,微波干燥僅次于冷凍干燥,但其操作成本低,節省時間,在一定程度上可代替冷凍干燥。Ozdemir等[10]以牛至為原料,對比了曬干、陰干及烘干三種方式對精油含量、組分及抗氧化活性的影響,研究表明精油含量及抗氧化活性最高的方式是陰干,其次是烘干,新鮮樣品最低。有關生姜葉干燥處理的研究較少,不同干燥方式對其活性成分的研究還未見報道。

因此,本文以生姜葉為原料,以新鮮樣品對對照,分析陰干、曬干、烘干、真空干燥及冷凍干燥對其黃酮含量、多酚含量、抗氧化活性、精油含量及組分的影響,為生姜副產物生姜葉的利用提供理論依據,開辟新的消費市場。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生姜葉 山西省運城市;蘆丁、沒食子酸、2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS+·)、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH·)、水楊酸、硫酸亞鐵、過氧化氫、福林酚、二氯甲烷、無水乙醇 西隴化工有限公司;所有試劑均為 分析純。

UV-5200紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;KQ-500DE數控超聲波清洗機 昆山市超聲儀器有限公司;18ND冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;DZ-3BCⅡ真空干燥機 上海一恒科學儀器有限公司;7890A氣質聯用儀自動進樣器 上海安捷倫科技有限公司;101A-IE電熱鼓風干燥箱 上海實驗儀器總廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 生姜葉的干燥 取12 kg新鮮生姜葉,分為6等份,一份不做任何處理作為對照,其余5份分別采用如下5種干燥方法進行干燥至恒重。新鮮生姜葉含水量為92.93%。陰干:將生姜葉平鋪在紗網上,在室內平均溫度為20 ℃干燥96 h,濕基含水量為11.76%;曬干:將生姜葉平鋪在紗網上,放在太陽底下直射干燥40 h,溫度范圍為22～28 ℃,濕基含水量為9.04%;烘干:將生姜葉放在電熱鼓風干燥箱中(溫度為50 ℃,風速為2.0 m/s)連續干燥15 h,濕基含水量為8.87%;冷凍干燥:先在冰箱(-80 ℃)中預凍24 h,再將生姜葉放在凍干托盤上,在冷阱溫度為-50 ℃,真空壓力為22 Pa的條件下干燥48 h,濕基含水量為6.22%;真空干燥:將生姜葉放在真空干燥箱中(溫度為50 ℃,真空度為0.1 MPa)連續干燥27 h,濕基含水量為7.26%。

以新鮮生姜葉為對照,進行3次重復處理。將干制的生姜葉粉碎,過60目篩,保存備用。新鮮生姜葉于試驗前剪碎備用。

1.2.2 生姜葉中黃酮、多酚的提取與測定

1.2.2.1 生姜葉中黃酮、多酚的提取 采用超聲波輔助法對生姜葉中的黃酮、多酚進行提取,經過預實驗確定其提取條件。準確稱取0.500 g生姜葉,加入20倍的70%乙醇,在超聲波功率400 W下提取30 min,過濾,濾渣在同樣條件下再提取一次,合并兩次濾液于50 mL容量瓶中,定容,用于不同干燥方法對生姜葉中黃酮、多酚及提取液抗氧化活性的測定。

1.2.2.2 黃酮含量的測定 采用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法對生姜葉中黃酮含量進行測定[11]。以蘆丁為標準品,制出標準曲線為y=5.4289x+0.0074,R2=0.9964。生姜葉中黃酮的含量以mg(蘆丁當量)/g(生姜葉干質量)表示,公式如下:

式(1)

式中:C-從標準曲線中得出的黃酮濃度,mg/mL;V1-稀釋體積,mL;V2-樣液體積,mL;V3-取樣體積,mL;X-濕基含水率,%;m-樣品質量,g。

1.2.2.3 多酚含量的測定 采用福林酚法對生姜葉中的多酚含量進行測定[12]。以沒食子酸為標準品,制出標準曲線為y=134x+0.0323,R2=0.9931。生姜葉中多酚的含量以mg(沒食子酸當量)/g(生姜葉干質量)表示。公式如下:

式(2)

式中:C-由標準曲線中得出的多酚濃度,mg/mL;V1-稀釋體積,mL;V2-樣液體積,mL;V3-取樣體積,mL;X-含水率,%;m-樣品質量,g。

1.2.3 生姜葉提取液中抗氧化能力的測定

1.2.3.1 DPPH·清除能力測定 加入樣液1.5 mL,濃度為0.1 mmol/L的DPPH· 4 mL,搖勻,避光30 min,對照組是1 mL 70%乙醇溶液,在517 nm處測其吸光度,用80%乙醇調零[13]。計算公式為:

式(3)

式中:A0-對照組的吸光度;A-加樣品的吸光度。

1.2.3.2 ABTS+·清除能力測定 移取7.4 mmol/L ABTS+·和2.6 mmol/L 過硫酸鉀溶液各1 mL,混勻,室溫避光14 h,形成ABTS+·母液備用。然后在734 nm波長處,將ABTS+·母液用無水乙醇稀釋至吸光度為0.70±0.002,形成ABTS+·工作液備用。移取1.5 mL樣液,加5 mL ABTS+·工作液,室溫避光10 min,在734 nm處測吸光度。空白組為加1.5 mL無水乙醇[14]。計算公式為:

式(4)

式中:A0-空白組的吸光值;A-加樣品的吸光值。

1.2.3.3 ·OH清除能力的測定 加入濃度為4.5 mmol/L的硫酸亞鐵1 mL,4.5 mmo/L的水楊酸-乙醇溶液1 mL,樣液1.5 mL,蒸餾水10.5 mL,10 mmol/L過氧化氫1 mL,試管中的總體積為15 mL,在37 ℃水浴鍋中加熱30 min,在510 nm處測吸光度[15]。計算公式為:

式(5)

式中:Ax-加樣品的吸光值;A0-空白組的吸光值;Ax0-不加過氧化氫的吸光值。

1.2.4 精油的提取與測定 將30.00 g生姜葉粉末加入500 mL圓底燒瓶中,加入300 mL蒸餾水,3.000 g NaCl,混勻。采用揮發油提取器加熱提取4 h,收集精油,加入無水硫酸鈉干燥[16]。生姜葉中的精油含量公式如下:

式(6)

式中:M0-精油質量,g;M1-生姜葉質量,g;X-樣品含水率,%。

1.2.5 精油組分的GC-MS分析 根據徐宗季等[16]方法并做修改。在兩個進樣瓶中分別加入生姜葉精油1.0 mL,二氯甲烷5 mL,上樣。色譜條件:色譜柱為DB-FFAP(30 mm×0.25 mm×0.25 μm),載氣為氦氣,進樣量為1 μL,流速為1 mL/min,分流比為10∶1,進樣口溫度為250 ℃。升溫程序:起始溫度40 ℃保持5 min,以3 ℃/min升至110 ℃保持2 min,再以15 ℃/min升至120 ℃保持10 min,再以20 ℃/min升至140 ℃保持10 min,然后再以8 ℃/min升至250 ℃,保持10 min。

質譜條件:接口溫度為280 ℃,四級桿溫度為150 ℃,離子源溫度為230 ℃,電離方式是EI源,電壓為70 eV,溶劑切除時間為4 min,質量掃描范圍為45～550 amu/s。

1.3 數據處理

所有實驗重復三次,結果取平均值。采用SPSS 17.0軟件對實驗數據進行處理。生姜精油組分定性分析用NIST標準質譜庫匹配得到,定量分析采用采用峰面積歸一化法,以相對含量表示。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式對生姜葉中黃酮含量的影響

由圖1所示,新鮮生姜葉中黃酮的含量最高,為23.28 mg/g,經過不同干燥方式處理后生姜葉中的黃酮含量均比新鮮生姜葉中的含量低。不同干燥方法中冷凍干燥處理后的黃酮含量最高為21.62 mg/g,與新鮮生姜葉中的黃酮含量相比差異不顯著。這可能是由于相比于其他干燥方式,真空冷凍干燥在較低的溫度下處理且隔絕了氧氣,相關酶的活性較低,因此酶與黃酮的反應減少了,同時其他抗氧化物質也能更好保留[17-18]。羅鳴等[20]在對比熱風干燥、真空干燥、真空微波干燥及真空冷凍干燥對青梅品質的影響中發現類似結果,經冷凍干燥后的青梅中總黃酮含量最高,顯著高于其他干燥方式。與冷凍干燥相比,經過烘干、真空干燥、陰干及曬干之后的生姜葉中黃酮含量均比較低,且差異不顯著,這可能是由于黃酮對溫度比較敏感,較長時間的熱處理使得生姜葉中黃酮含量損失較大,因此其含量較低[20]。

圖1 不同干燥方式對生姜葉中黃酮含量的影響Fig.1 Effects of different drying methods on the content of flavonoids of ginger leaves注:不同小寫字母表示組間有顯著性差異(P<0.05);圖2～圖4同。

2.2 不同干燥方式對生姜葉中多酚含量的影響

由圖2可知,和黃酮結果類似,新鮮生姜葉中多酚含量最高,為1.7 mg/g。經過干燥處理之后多酚含量均有所降低。這可能是由于在較長的干燥過程中,多酚類物質化學結構改變、與蛋白質結合或酶催化反應(如過氧化酶和多酚氧化酶)等原因導致酚類化合物含量的降低[22]。與新鮮生姜葉相比,經過冷凍干燥、陰干、曬干、烘干及真空干燥之后,其多酚含量分別下降8.53%、21.76%、20.59%、15.00%、20.29%。相比于其他干燥方式,冷凍干燥得到的多酚含量較高,這可能與冷凍過程中形成的冰晶體破壞了植物細胞結構有關,同時冷凍過程中形成的蜂窩網絡結構有利于溶劑的溶入及多酚組分的溶出[23]。陰干處理得到的多酚的含量最低,這可能與其長時間的干燥處理有關。

圖2 不同干燥方式對生姜葉中多酚含量的影響Fig.2 Effects of different drying methods on the content of polyphenols of ginger leaves

2.3 不同干燥方式對生姜葉提取液抗氧化活性的影響

不同干燥方式對生姜葉提取液的清除DPPH·、ABTS+·及·OH能力如圖3。新鮮及5種不同干燥方法處理的生姜葉提取液對DPPH·、ABTS+·及·OH清除能力大小一致,依次為新鮮樣品>冷凍干燥>烘干>真空干燥>陰干>曬干。經冷凍干燥的生姜葉DPPH·、ABTS+·和·OH清除能力最高,分別為70.42%、79.65%和63.41%;曬干的DPPH·、ABTS+·和·OH清除能力最低,分別為51.19%、69.32%及44.42%。研究表明,真空冷凍干燥是能獲得高品質生物產品的干燥方式,具有保持產品外觀色澤及形態,水分殘留量少,生物活性成分提取率接近新鮮對照樣品等優勢[24]。

生姜葉提取液的抗氧化能力與其多酚和黃酮的含量有關,這類化合物在氧化反應過程中是良好的電子供體,可將自由基轉化為更穩定的物質,從而終止自由鏈反應[25-27]。生姜葉中多酚和黃酮含量與其提取液抗氧化能力之間的相關性分析見表1。新鮮樣品及5種不同干燥方式得到的提取液黃酮、多酚含量與DPPH·、ABTS+·及·OH清除能力表現出一定的正相關。黃酮含量與DPPH·、ABTS+·的相關性分別為0.884、0.882,均為顯著(P<0.05),與·OH的相關性為0.980,為極顯著(P<0.01);多酚含量與DPPH·、ABTS+·的相關性分別為0.801、0.829,均為顯著(P<0.05),與·OH的相關性為0.921,為極顯著(P<0.01)。

表1 生姜葉提取液抗氧化活性與黃酮、多酚含量的相關性Table 1 Correlation between the antioxidant activities and content of flavonoids and polyphenols of ginger leaves extract

2.4 不同干燥方式對生姜葉中精油含量及組分的影響

2.4.1 不同干燥方式對生姜葉中精油含量的影響 由圖4可知,不同干燥方式得到的精油含量高低順序依次為:冷凍干燥>烘干>真空干燥>曬干>陰干。新鮮生姜葉的精油含量最高為2.09%,冷凍干燥精油含量為1.91%。有關生姜葉中精油的提取還未見報道,鹿浩志等[28]通過響應面確定了生姜精油的最佳提取條件,得到生姜精油的得率為2.09%。烘干與真空干燥得到精油含量差異不顯著,分別為1.61%、1.44%。烘干和真空干燥的溫度均為60 ℃,但由于生姜葉水分含量高,抽真空并不會對物料的干燥效率起到促進的作用,相反真空干燥耗時更長,且在同樣的條件下,真空干燥的能耗更大,因此相比而言烘干更有優勢[29]。陰干和曬干得到精油含量差異顯著,分別為1.09%、1.26%。陰干處理過程雖溫度低,但長期暴露在空氣中,這可能導致精油組分大量的揮發至空氣中,使其精油含量大大下降。

圖4 不同干燥方式對生姜葉精油含量的影響Fig.4 Effects of different drying methods on the essential oils yield of ginger leaves

2.4.2 不同干燥方式對生姜葉精油組成成分及相對含量的影響 從表2可以看出,通過GC-MS檢測出來的新鮮及5種干燥方法下的生姜葉精油主要組分共30多種,其主要組分為α-柏木烯、乙酸異龍腦酯、(Z)-3,7-二甲基-2,6-辛二烯醛、甲基壬基甲酮及甲基庚烯酮,在新鮮生姜葉中的相對含量分別為66.84%、8.06%、5.74%、4.79%及3.25%。α-柏木烯為生姜葉精油中含量最多的組分,馮爍[30]采用超臨界CO2對生姜精油進行提取,經GC-MS分析發現主要成分為姜烯、α-柏木烯、α-姜黃烯等組分。柏木烯又稱為雪松烯,研究表明,柏木烯具有抗菌、抗白血病等作用[31]。乙酸異龍腦酯為生姜葉精油中含量第二多的組分,Li等[32]對生姜根部的精油分析發現,主要成分為單萜和倍半萜化合物,其中乙酸異龍腦酯占6.6%。乙酸異龍腦酯具有芳香味,易揮發,廣泛應用于香料工業[33]。結果表明,不同干燥方式得到的生姜葉精油組分種類及含量之間有一定的差異。與新鮮生姜葉相比,α-柏木烯、乙酸異龍腦酯等組分的相對含量均有不同程度的升高,個別組分如甲基壬基甲酮、(Z)-3,7-二甲基-2,6-辛二烯醛在冷凍干燥和烘干過程中消失。研究表明不同干燥方法對植物精油組分的影響不一樣,這與干燥方法、干燥參數、精油的分泌組織、植物的生長環境、精油組分的揮發性及化學結構密切相關[34-36]。

表2 不同干燥方式對生姜葉精油組分的影響Table 2 Effect of different drying methods on compositions of essential oils of ginger leaves

生姜葉精油組分主要可分為7大類:萜烯類、酮類、酯類、醛類、醇類、酚類及酸類,其中生姜葉精油組分中最主要的揮發性化合物是萜烯類化合物。通過統計各類精油組分的含量可以看出,萜烯類化合物在新鮮生姜葉、陰干、曬干、烘干、冷凍干燥及真空干燥中的總相對含量分別為68.04%、68.80%、68.00%、70.65%、72.52%及69.19%。其中,單萜烯類和倍半萜類化合物相對含量均有所升高,潘少香等[37]在干燥方式對生姜揮發性成分影響的研究中發現高溫會導致倍半萜類化合物分解轉化為單萜類化合物,而Macleod等[38]在對斯里蘭卡生姜的研究中卻發現倍半萜烯含量顯著升高,單萜烯類含量下降,這些不同的結果可能與生姜品種及干燥條件有關[39]。新鮮及5種不同干燥方式中酮類的總相對含量順序依次為:烘干(8.85%)>陰干(8.49%)>曬干(8.35%)>新鮮(8.2%)>冷凍干燥(5.92%)>真空干燥(3.75%)。在干燥過程中部分酮類如2,2,6-三甲基環己酮、甲基庚烯酮等消失未檢測出,這可能是由于酮類是較不穩定的羰基類化合物,在干燥過程中已被還原為其他類化合物[40]。與新鮮生姜葉相比,經過5種干燥處理后酯類總相對含量均有所升高,醛類除烘干處理外也均升高,而醇類經過干燥處理之后其總相對含量均有所下降。這可能是由于在干燥過程中,隨著溫度的升高或時間的延長,醇類化合物發生氧化反應生成醛類或者酮類化合物,也可能發生酯化反應生成酯類化合物[41]。

3 結論

與新鮮生姜葉相比,經過陰干、曬干、烘干、冷凍干燥及真空干燥5種不同干燥方式處理之后,生姜葉中的黃酮、多酚、精油及抗氧化活性均有所下降。其中,冷凍干燥和烘干處理能夠更好的保留生姜葉中的黃酮、多酚及精油含量,同時具有更好的抗氧化活性。曬干耗能最少,但是生姜葉中黃酮、多酚及精油損失最大。通過GC-MS對生姜葉精油進行分析共鑒定出33種組分,共分為7大類,分別是萜烯類、醇類、醛類、酚類、酸類、酮類及酯類,其主要組分為α-柏木烯。相比而言,冷凍干燥對生姜葉中的精油組分有更好的保留效果,其次為烘干處理。綜上所述,若僅考慮生姜葉內的活性成分且是獲得高端產品則建議采用冷凍干燥處理,若為規模大量生產可采用烘干處理。

總結相關研究發現,不同干燥方式對中草藥或藥食同源物質的影響研究主要集中在理化特性(色澤、復水率、孔隙率等)、活性成分(黃酮、多酚、精油)及活性功能(抗氧化)等方面。其中抗氧化作用主要與黃酮、多酚含量相關,而精油的主要作用為抗菌,其抗菌作用取決于精油的性質、成分及官能團的結構等,而不同干燥方式對精油抗菌作用的影響較少,這方面可作為后續研究,為生姜葉的綜合利用提供更充分的理論依據。