生姜中姜辣素的提取與功能研究進展

于澤，韓肖洋，陳靜，陳爍，楊明珠，李宛，王若嵐，臧渤煦，閆兆倫，劉曄

（河北農業大學理工學院，河北 滄州 061100）

生姜在我國的種植面積十分廣闊，因為種植地區的差異，導致生姜中營養成分的結構和含量也有所不同，使生姜具有多樣性。生姜成熟后可供食用，不同的加工方法使生姜具有不同的生物學功能。姜辣素是生姜中姜酚、姜腦等一類不易揮發并且具有微辣味活性物質的化學總稱[1]。研究者對于姜辣素成分的研究已有久遠的歷史，1969年初步確定了姜酚中所含酶是由一系列類似酶的化合物共同組成的，通過建立線性檢測范圍并采用高效線性液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）進行檢測，可以準確分析各種生姜中6-姜辣素、8-姜辣素、10-姜辣素、12-姜辣素以及姜酚素的含量[2]。姜辣素作為生姜中主要營養物質之一，其富含多種生物活性，如抗腫瘤、抗菌、降血壓等，研究者對于生姜中姜辣素的提取以及生姜中姜辣素功能的開發在不斷進行[3]。綜上所述，姜辣素具有較高的研究價值。

1 姜辣素提取預處理

生姜的干燥屬于預處理階段，對整個試驗過程有重大影響，鮮姜在干燥過程中分子量小、沸點低的揮發性風味物質會逸出損失，造成了姜精油含量降低。同時在加熱過程中姜酚轉化成姜酮和姜烯酚，造成了姜辣素含量降低，所以需要進行前期的預處理，對生姜進行干燥，目前生姜干燥工藝有熱風干燥、真空干燥、微波干燥、紅外干燥、冷凍干燥。

1.1 熱風干燥

熱風干燥技術又稱熱空氣干燥，Ren等[4]分別研究了縱切（longitudinal cut，Lc）和橫切（transverse cut，Tc）以及熱風干燥（hot air drying，HD）工藝對干姜理化性質的影響，測定生姜的收縮率、硬度、復水率、色澤、姜辣素、總酚和黃酮含量、抗氧化活性及揮發性成分。結果表明，與Tc相比，Lc明顯縮短了干姜的干燥時間，降低了15.12%～29.6%，并且干姜的物理特性（收縮程度、硬度、復水率）有所改善，但是熱風干燥的時間略長，為了有效保證前后姜片的光潤色澤，干燥過程溫度一般不宜高于超過70℃。李晴晴等[5]研究了熱風干燥過程中溫度對姜酚含量的影響。結果表明，60℃是最合適的干燥溫度。熱風干燥的優點主要有設備簡單、操作容易、適合大規模的工業化生產應用，但是存在干燥效率低、干燥時間長、對物料的品質破壞較大等缺點。

1.2 真空干燥

真空干燥是將物料在隔絕低溫的高低壓或者隔絕氧氣的低溫環境下進行的一種干燥方式。通過真空降低物料大氣壓，物料中水分的恒定沸點也隨之降低，在這種低溫條件下就可以使其變成水蒸氣蒸發。在隔絕氧氣的低溫環境下可以大大避免干燥過程中發生氧化、褐變等不良反應，不會破壞物料產品的風味、外觀、色澤以及其他營養成分。Thorat等[6]研究了不同溫度對姜片干燥的影響，結果表明，40℃～65℃是姜片干燥的合適真空溫度適應范圍。Hawlader等[7]研究了生姜真空干燥對于生姜中6-姜酚色素保留率的影響，結果表明，45℃真空干燥對6-姜酚保留率高于熱風干燥和冷凍干燥。相較于熱風干燥，真空干燥對物料的風味和組分的保留較好，但是對設備的要求較高，干燥時間長等缺點。

1.3 微波干燥

微波干燥是利用各種物料中極性相同的分子在與靜電場相反方向進行迅速微波運動，產生較高熱量，進而使水分迅速蒸發，達到對干燥物料內部進行干燥的目的。Hussain等[8]研究了微波干燥對姜的芳香化學物質的影響，結果表明60℃條件下利用微波干燥技術可以很好地控制新鮮姜片等產品的芳香質量。微波干燥與熱風干燥對比，食品風味穩定性明顯較好。Kubra等[9]研究了微波干燥對姜的不同揮發油含量、色澤、總酚含量、6-姜酚含量以及提取物抗氧化活性的影響，結果表明加熱功率800 W更適宜于生姜干燥，此功率下生姜的理化性質得以完整的保存。生姜微波干燥對于生姜中6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚含量的不同影響，結果表明，微波干燥對姜酚的破壞較大。劉麗等[10]通過對鮮姜產品微波干燥的濕熱程度進行分析，結果表明，僅采用單一功率微波干燥方法不易控制鮮姜產品的干燥散失程度，在產品水分迅速散失程度達到65%～70%后，可以繼續使用40 W緩慢干燥。由于微波干燥加熱時，加熱干燥速度較快，物料內部干燥溫度很高，導致干燥物料過程中容易出現物料過熱而焦糊，并且干燥終點不易準確判斷，容易造成物料干燥過度，對干燥物料內部破壞很大。

1.4 紅外干燥

物料中所含的水分、有機物和金屬大分子等成分對紅外線有很強的核磁吸收能力，當紅外線發射頻率與其他物料中大分子本身固有的核磁振動發射頻率完全相符時，物料吸收到的能量大并能產生核磁共振現象，從而達到對物料進行干燥的目的。由于短波遠紅外線技術產生的紅外長波不能直接透過物料水分，只能被表層物料吸收，所以非常適合蔬菜或者薄層果蔬干燥。目前國內短波紅外干燥技術可以直接透過物料表面對干燥物料內部水分進行長波加熱。紅外干燥在生產馬鈴薯、胡蘿卜、蘋果、香蕉等果蔬干燥材料方面也都有著廣泛應用價值。張鐘等[11]利用遠紅外技術對鮮姜進行干燥，得到的新鮮干姜粉的得率高、容量高、水合乳化能力、吸油乳化能力、對感官刺激性均較好。陳燕等[12]先將在40℃高溫條件下進行紅外干燥得到的鮮干姜磨成粉，再利用紅外超臨界溫度CO2萃取姜油樹脂，結果表明，40℃紅外干燥可以很好地保留鮮姜油和樟樹脂的化學含量。但紅外干燥存在材料電能消耗較大的缺點。

1.5 冷凍干燥

冷凍干燥在干燥物料過程中幾乎沒有高溫加熱壓縮過程，可以最大程度地保留干燥物料本身原有的色、香、味、組織結構形態以及各種重要營養成分。Tambunan等[13]利用冷凍干燥技術對鮮姜進行干燥，結果表明冷凍干燥的鮮姜耐熱品質有所提高，顯著優于35℃～40℃熱風干燥的鮮姜。Huang等[14]研究了冷凍干燥對新鮮生姜中6-姜烯酚和苯含量的影響，結果表明對生姜進行冷凍干燥后，苯酚姜油內酯樹脂的得率最高。但冷凍干燥具有干燥設備耗能高、投入大的缺點，目前多數應用于高附加值產品的干燥。

2 姜辣素提取

2.1 溶劑提取法

溶劑提取法主要采用相似相溶的化學原理，根據姜辣素的溶解性，選擇恰當的堿性溶劑對其進行提取，盡量減少其他辣素成分的滲出。考慮到姜辣素的溶解性以及安全性，所用溶劑主要是三氯乙醇。鄧仙梅等[15]以姜辣素提取率為指標，研究了姜中姜辣素的乙醇性和回流性。通過正交試驗優化提取條件，得到最佳的提取工藝為乙醇添加量80%、料液比1∶10（g/mL）、提取時間1.0 h、提取3次。該工藝條件下，姜辣素提取率為55.87 mg/g。廖欽洪等[16]研究得出乙醇濃度、浸提溫度和料液比對姜辣素乙醇提取結果影響較大。最佳浸提提取工藝為乙醇濃度72%、料液比1∶57（g/mL）、浸提溫度54℃、提取時間1.25 h。該生產工藝下，姜辣素提取率為0.94%。張魯明等[17]將生姜干燥后粉碎過60目篩、乙醇濃度80%、料液比1∶10（g/mL）、浸提溫度50℃、提取時間2.0 h。該生產工藝下，姜辣素提取率可達1.61%。魏銳等[18]利用響應面法優化最佳浸提提取工藝條件為乙醇濃度80%、料液比1∶12（g/mL）、浸提提取溫度70℃，該生產工藝下，姜辣素提取率可達1.67%。

綜上所述，乙醇濃度、料液比、提取溫度、提取時間和提取次數影響生姜中姜辣素提取率。溶劑提取易于操作、工藝簡單、提取率較高且易回收、成本較低、適于工業化生產，但存在時間過長、溶劑用量大、產品雜質較多等問題。

2.2 超聲輔助提取法

賴海濤等[19]采用單因素法得出最佳乙醇提取工藝為乙醇體積分數不超過85%，超聲功率200 W，料液比1 ∶14（g/mL），超聲時間 30 min。該工藝下，姜辣素提取率為1.86%。項敏等[20]利用超聲輔助提取法，聯合正交試驗優化的最佳方法提取條件為超聲功率600 W，乙醇濃度60%、料液比1∶15（g/mL）、提取溫度25℃、提取時間10 min。該生產工藝下，姜辣素提取率為5.14%，提取率有所提高，時間也縮短。李萍等[21]提高了超聲溫度，利用正交試驗法優化得到的最佳工藝條件為無水乙醇作有機溶劑、生姜姜辣粉選取60目～80目、超聲功率 231 W、料液比 1∶25（g/mL），在此工藝下，姜辣素提取率為6.896%。雍其歡等[22]采用乙醇濃度80%、超聲時間10 min、料液比1∶15（g/mL）、超聲溫度50℃，該條件下進行超聲輔助提取，平均提取率可以達到2.029%。

綜上所述，超聲輔助提取能縮短提取時間、效率較高，并且在提取過程中溫度較低，適應范圍廣，對姜辣素的品質影響小，但超聲波進行提取成本較高。

2.3 微波輔助提取法

微波輔助提取法是利用高頻電磁波快速穿透細胞，使溫度升高導致細胞破裂，提高溶劑分子滲透率的速度，將有效成分流出并溶解于溶劑中的一種高效提取方法。湯秀華等[23]通過正交試驗優化的乙醇提取最佳工藝為微波功率220 W、微波溫度55℃、微波時間100s。在此條件下姜辣素提取率為1.989%。朱沛沛等[24]通過正交試驗法優化的最佳微波提取工藝為聚乙醇體積分數80%、料液比1∶14（g/mL）、微波功率300 W、微波溫度55℃、微波時間120 s。在此條件下，姜辣素提取率為1.710 8%。陳莉華等[25]優化的微波輔助乙醇提取姜辣素的最佳工藝條件為乙醇濃度66%、料液比 1 ∶16（g/mL）、微波功率 300 W、微波時間 70 s，姜辣素提取率1.76%。

綜上所述，微波輔助提取姜辣素具有良好的選擇性，能縮短提取時間，達到較高提取效率等優勢，但該工藝前期投入相對較高。

2.4 酶法提取

酶法的酸化提取主要是利用復合酶酸化反應的高度專一性的特征，選擇適當的酸化酶破壞酸性細胞的壁膜和結構、減少傳質阻力、加快物質溶解[26]。孫昕等[27]利用纖維素酶提取姜辣素，經正交試驗進行優化后的提取工藝為料液比1∶50（g/mL）、酶用量0.95%、酶解溫度50℃、酶解時間90 min。該工藝下，姜辣素提取率1.85%。

酶法利用酶作為試劑，無毒無害，并且沒有多余溶劑的殘留，對環境起到了保護作用，但是目前酶解法所需時間長，而且成本較高，不適用于大規模的生產。

2.5 協同提取法

采用兩種或兩種以上的提取方法協同提取，可實現優勢互補[28]。于博等[29]采用超聲和低溫凍融對姜辣素進行提取，超聲時間40 min，姜辣素提取率為2.98%。徐麗萍等[30]研究纖維酶與超聲輔助提取姜辣素的工藝，加入纖維酶酶解1 h后，再加入無水乙醇提取0.5 h，兩種方法協同發揮作用，姜辣素的提取率達到4.770 1%。

綜上所述，協同提取可提高姜辣素提取率，符合工業生產要求，可廣泛推廣。

3 姜辣素的生理活性

3.1 抗腫瘤

姜辣素有細胞毒性，通過引導癌細胞凋亡，可以達到抑制癌細胞生長的目的，姜辣素中10-姜酚和8-姜酚對三陰性乳腺癌有較高的抑制作用[31]。6-姜酚能調節細胞通路，將M2巨噬細胞重新編程為M1巨噬細胞，從而達到抑制癌癥細胞的生長和轉移的目標[32]。6-姜酚能夠通過調控遺傳物質復制以及核小體的形成，達到抑制宮頸癌Hela細胞的增殖和促進細胞凋亡的目的[33]。生姜中的辛辣成分可以阻隔羥色胺（5-HT3）的受體，這些辛辣成分與已知的5-HT3受體拮抗劑不同，具有獨特的化學結構，而姜辣素不僅能與5-HT3受體發生作用，還可以與其他受體發生阻隔作用，使姜辣素具有止吐作用，進一步與抗癌藥物聯合使用，不僅可以提高藥效，減少化療所產生的不良反應，從而降低了藥物副作用[34]。

3.2 治療關節炎和骨質疏松

類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA）是一種病因未明的自身性免疫疾病，姜辣素有免疫調節、改善免疫應答的機制的作用，6-姜酚具有抗炎和止痛的作用，對于各種關節腫脹具有顯著療效[35-36]。Zang等[37]用小鼠單核巨噬細胞白血病細胞（RAW264.7）破骨細胞分化試驗（體外）和斑馬魚骨質疏松癥模型（體內）評價生姜成分對破骨細胞形成的影響。通過抗酒石酸鹽酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase，TRAP）染色，發現含有10-姜酚的部分抑制了RAW264.7細胞的破骨細胞生成。以斑馬魚為試驗材料，研究10-姜酚和黃姜酚對強的松龍誘導的骨質疏松癥再生鱗片中破骨細胞生成的抑制作用。基因表達分析顯示，10-姜酚抑制RAW264.7細胞中的破骨細胞標志物[破骨細胞相關免疫球蛋白樣受體，樹突細胞表達7個跨膜蛋白，基質金屬肽酶9（mmp9）]和斑馬魚鱗片[破骨細胞特異性組織蛋白酶 k（ctsk），mmp2 和 mmp9]。

3.3 抗氧化

人體所產生的自由基是導致疾病、衰老的主要原因。生姜中的辣味提取物具有DPPH自由基清除作用和超氧陰離子自由基清除作用，研究顯示姜辣素對于自由基的清除效果較好[38]。6-姜酚可以減少棒曲霉素引起人體肝癌細胞內活性氧水平的升高以及減少8-羥基脫氧鳥苷的升高，同時升高谷酰甘肽的含量，從而驗證出6-姜酚的抗氧化作用。姜辣素的抗氧化作用與側鏈結構、反應介質和底物有關[39]，從鏈長6個碳延長到12個碳，顯著降低DNA鏈的斷裂，增強抗溶血活性，因此10-姜酚的抗氧化性較強[40]。

3.4 抑菌

姜酚對于各種細菌均有較強抑制作用，例如金黃色葡萄球菌、痢疾志賀氏菌、黑曲霉菌絲等[41]。姜酚可以通過破壞金黃色葡萄球菌細胞壁的通透性和完整性，使細胞發生溶解，產生空腔。姜酚還可以使黑曲霉菌絲的結構發生收縮變形，使表面變得粗糙，甚至變得干癟，從而使菌絲內部的細胞質和細胞器溶解，形成大量空泡，從而抑制黑曲霉菌絲的繁殖，降低幾丁質的含量，但是姜酚不會改變細菌的DNA序列[42]。

3.5 調節血壓、降血脂

姜酚和其脫水降解產物對血管收縮舒張的影響明顯，其作用機理與人體的血液調節相關，能起到降低血壓的功效。研究發現，敲打ApoE基因的小鼠灌胃姜酚10周后，小鼠體內血清甘油三酯減少，主動脈粥樣硬化的程度減輕[43-44]。Almatroodi等[44]用單劑量新鮮制備的55 mg/kg鏈脲佐菌素（streptozocin，STZ）對小鼠進行腹腔注射，會造成胰島朗格漢斯胰島β細胞變性，從而誘發糖尿病。糖尿病大鼠灌胃6-姜酚（10 mg/kg），連續8周，每周檢查體重和空腹血糖水平。對處理后的大鼠進行脂質剖面、腎臟剖面、抗氧化酶水平、脂質過氧化和抗炎標記物水平等生化指標的測定，用蘇木素-伊紅染色法檢查腎臟病理情況，結果顯示姜辣素通過調節氧化應激和炎癥反應減輕鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠腎臟損傷。

4 姜辣素在食品中的應用與存在問題

姜辣素在食品中能發揮抗氧化作用，姜辣素所制成的薄膜可以抑制冷卻豬肉脂肪發生氧化，延長豬肉的保鮮期。姜辣素所制得的保鮮膜應用于雞蛋保鮮中，發現其具有綠色、天然等特點，并且可延長雞蛋的貯藏期[45-46]。在魚片制品中加入姜辣素，可減少脂肪氧化，延長食物的保存期[47-48]。

姜辣素因其特有的療效，應用前景十分廣闊。但在加工過程中，姜辣素中的酚類物質不穩定，容易損失。另外，酚類物質與蛋白質等物質結合，會產生沉淀，造成飲料不澄清，隨著澄清劑的發展，這一問題有望得到解決[49]。

5 總結與展望

我國的生姜資源十分豐富，對于開發利用生姜中的姜辣素有先天的地理資源優勢，姜辣素作為生姜中的重要組分，已應用于治療骨質疏松、抗氧化等方面，本文主要綜述了姜辣素預處理以及提取的方法，對姜辣素的功能進行總結，以期為姜辣素的提取以及應用提供理論支持。姜辣素的研究前景廣闊，但姜辣素的組成部分較為復雜，目前提取系統并不完善，難以形成產業鏈，缺少理論基礎作為支撐，需要有更好的方法去分離姜辣素，更為深入地研究姜辣素的提取工藝，創新生姜中姜辣素的提取技術，實現生姜中姜辣素的高效提取。