姜精油提取工藝優化及對比成分分析

劉紅霞，丁榮良，仝錦豪，樊丁遲

(齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

姜(ZingiberofficinaleRoscoe, Zingiberacae)是姜科姜屬植物的根莖，又稱生姜，具有獨特的芳香氣味，既是一種廣泛應用的調味品，又是一種藥食同源的植物[1]，其在醫學領域具有抗炎、抗癌、術后止吐、抗氧化和治療結核病等作用[2]。

姜精油是通過水蒸氣蒸餾法提取的姜的揮發性組分，是構成姜辛辣氣味的主要物質，Michele等[3]利用GC-MS從姜精油中分析出姜烯、姜黃烯、姜醇、法尼烯、紅沒藥烯等幾十種芳香物質。水蒸氣蒸餾法因裝置簡單、精油天然純凈，一直是精油提取的主要方法。傳統的水蒸氣蒸餾法為水中蒸餾法，將物料置于水中。微波可以應用于植物精油提取中，微波可以促進提取效率的提高。水上蒸餾，是指將物料隔水進行水蒸氣蒸餾。

本文以云南小黃姜為原料，首先采用水蒸氣水中蒸餾法提取姜精油，對提取工藝條件進行優化，然后采用微波輔助水中蒸餾法以及利用一種水上蒸餾提取裝置[4]進行水上蒸餾提取精油，對3種工藝提取的精油進行成分對比分析，探討不同工藝對精油成分的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

干姜：云南羅平產，含水率為14%。

主要儀器：Agilent 7890B-7000C型GC-MS聯用儀 美國Agilent公司；MAS-II型常壓微波輔助合成/萃取反應儀 上海新儀微波化學科技有限公司；揮發油提取器(定制)。

1.2 水中蒸餾法提取姜精油

將干姜塊粉碎后過篩，將一定目數的干姜粉20 g投入1 L的圓底燒瓶中，按不同的料液比加水，浸泡一定時間后，采用水中蒸餾法提取姜精油。根據精油體積，計算精油提取率。

提取率(Y)=(ρV/m)×100%。

式中：Y為精油提取率(%)；V為精油體積(mL)；ρ為精油密度(g/cm3)；m為姜粉質量(g)。

1.2.1 單因素實驗

通過單因素實驗，考察姜粉粒度、浸泡時間、料液比和蒸餾時間對精油提取率的影響。

分別將10，40，80，100目的姜粉進行水中蒸餾提取姜精油，浸泡時間為1.0 h，料液比為1∶15(g/mL)，蒸餾時間為1.0 h，計算精油提取率。

以100目姜粉為原料，料液比為1∶15(g/mL)，分別浸泡0，0.5，1.0，5.0，12.0 h，蒸餾時間為1.0 h，計算精油提取率。

以100目姜粉為原料，料液比分別為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL)，浸泡時間為1.0 h，蒸餾時間為1.0 h，計算精油提取率。

以100目姜粉為原料，料液比為1∶15(g/mL)，浸泡時間為1.0 h，蒸餾時間分別為 0.3，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 h，計算精油提取率

1.2.2 正交實驗優化

根據單因素實驗結果，采用正交實驗進一步對提取工藝條件進行優化，L9(34)正交試驗因素水平表見表1。

表1 L9(34)正交實驗因素水平表Table 1 The factors and levels of L9 (34) orthogonal test

1.3 微波輔助水中蒸餾法提取姜精油

在500 mL的微波專用瓶中，投入100目的姜粉20 g，按料液比1∶15(g/mL)加入300 mL水，浸泡1.0 h，設置微波功率為200 W，溫度為100 ℃，在微波輻射下提取60 min，精油提取率為1.08%。

1.4 水上蒸餾法提取姜精油

將干姜切成2 mm厚的薄片，取20 g干姜片投入水上揮發油提取器的料管中，在圓底燒瓶中加入300 mL水，進行水上蒸餾，蒸餾時間為2.5 h，精油提取率為0.99%。

1.5 精油成分分析

對水中提取法、微波輔助水中提取法和水上提取法所得的姜精油分別采用GC-MS進行成分分析。將精油用正己烷稀釋10倍，無水硫酸鈉除水，過0.45 μm微孔有機濾膜。色譜條件：色譜柱HP-5MS(30 m×250 mm×250 μm)，進樣口溫度250 ℃，柱升溫程序為初始溫度50 ℃，以5 ℃/min升至250 ℃，保持5 min。載氣為氦氣，載氣流量1.0 mL/min，分流比100∶1，流速1 mL/min，進樣量1 μL。質譜條件：離子源EI，電子能量70 eV，掃描范圍40～350 amu。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 姜粉粒度對姜精油提取率的影響

姜粉粒度分別為10，40，80，100目時，精油提取率分別為0.13%、0.27%、0.54%、0.72%。

由圖1可知，提取率隨著粒度的減小而明顯增大。但若姜粉的粒徑太小，在水蒸氣蒸餾時粉末會隨著蒸汽進入提取的精油中，致使精油渾濁。而且在蒸餾后期，精油會出現白色不溶物。分析其原因可能是姜醇受熱脫水轉化為姜烯，且姜烯在蒸餾時會發生聚合現象而形成一類不溶性聚合物。

圖1 姜粉粒度對提取率的影響Fig.1 Effect of ginger powder particle size on extraction rate

2.1.2 浸泡時間對姜精油提取率的影響

當浸泡時間分別為0，0.5，1.0，5.0，12.0 h時，姜精油提取率分別為0.9%、1.08%、1.17%、1.08%和1.00%。

由圖2可知，精油的提取率隨著浸泡時間的增加呈現先增加后減小的趨勢。姜粉浸泡1 h時，姜精油提取率達到最高，為1.17%。

圖2 浸泡時間對提取率的影響Fig.2 Effect of soaking time on extraction rate

2.1.3 料液比對姜精油提取率的影響

當料液比分別為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 (g/mL)時，所得姜精油的提取率分別為1.08%、1.17%、1.22%和0.90%。

由圖3可知，隨著料液比的增加，精油提取率呈現出先增后減的趨勢。料液比為1∶25時，精油的提取率最高，為1.22%。實驗中發現，料液比對提取過程有較大的影響，當料液比低于1∶15時，姜粉會與水形成膏狀物，物料與水接觸不充分，影響提取過程。

圖3 料液比對提取率的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate

2.1.4 蒸餾時間對姜精油提取率的影響

蒸餾時間分別為20，30，60，120，300，600 min時，姜精油的提取率分別為0.36%、0.45%、0.54%、1.08%、1.13%和1.17%。

由圖4可知，隨著蒸餾時間的增加，姜精油提取率呈明顯的上升趨勢，但在蒸餾120 min后，提取率增大不明顯。

圖4 蒸餾時間對提取率的影響Fig.4 Effect of distillation time on extraction rate

2.2 正交實驗結果

根據單因素實驗結果，將姜粉粒度、浸泡時間、料液比、蒸餾時間作為優化因素，以精油提取率為衡量指標進行4因素3水平的正交實驗，結果見表2。

表2 正交實驗結果Table 2 The results of orthogonal test

由表2可知，極差RD>RC>RA>RB，說明蒸餾時間(D)對精油提取率的影響最大，其次是料液比(C)、粒度(A)，而浸泡時間(B)對精油提取率的影響較小。水中蒸餾法提取姜精油的較佳條件為 A3B1C2D3，即姜粉粒度120目、浸泡時間0.5 h、料液比1∶25 (g/mL)、蒸餾時間2.5 h時，精油的提取率可達到1.44%。

2.3 精油 GC-MS 物質成分分析

3種提取方法得到的姜精油分別經GC-MS分析，結合NIST 1譜庫、保留指數及相關文獻進行比對分析[5-7]，并采用面積歸一化法計算各成分的相對百分含量，結果見表3。

表3 不同方法提取的姜精油成分及含量Table 3 The components and content of ginger essential oil extracted by different methods

由表3可知，經水中蒸餾提取法、微波輔助水中提取法、水上蒸餾提取法提取的姜精油共有37種化合物，其中相同成分有16種。3種方法提取的精油均含有姜精油的主要成分，包括β-紅沒藥烯、γ-杜松烯、α-姜黃烯、β-愈創木烯、α-姜烯、β-倍半水芹烯、L-香芹醇、β-蒎烯等。但是3種方法在有些組分或成分含量上有明顯的差異，微波輔助水中提取法所得精油中α-雪松烯(32.79%)的含量遠遠高于普通的水中蒸餾法提取的精油，是水中蒸餾法的數十倍，而α-姜烯的含量為4.65%，低于其他兩種方法。另外，微波輔助提取法精油中還分析出檸檬醛(1.14%)和α-可巴烯(0.33%)等其他兩種方法中沒有的特有組分。

水上蒸餾法采用了隔水蒸餾法，其精油成分與水中蒸餾有較大差異，鑒定出了27種化合物，其中有6種特有的成分，分別為D-檸檬烯(11.81%)、α-金合歡烯(4.16%)、桉油精(2.95%)、3-蒈烯(2.25%)、月桂烯(0.76%)、α-馬欖烯(0.40%)。另外，水上蒸餾精油中的α-姜烯(21.10%)、γ-杜松烯(5.28%)等含量均明顯高于另外兩種方法所得精油。 但β-倍半水芹烯、β-紅沒藥烯的含量明顯低于水中蒸餾法。

3 結論

本文首先對水中蒸餾法提取姜精油的條件進行了優化，精油的提取率可以達到1.44%。采用微波輔助水中蒸餾法提取姜精油，提取效率有一定的提高，在相同提取率的情況下，提取時間縮短近1倍。對3種不同提取方法所得姜精油經GC-MS分析對比，結果顯示：3種精油成分有明顯的差異，微波法得到的精油中α-雪松烯含量高達32.79%；水上蒸餾采用一種新型的揮發油提取器，鑒定出了D-檸檬烯(11.81%)等多種特有的成分，為生姜在中藥資源中的開發利用提供了一定的理論依據和物質基礎。