生姜活性成分提取工藝研究進展

石佳佳， 趙咪雪， 岳治光， 常 娟 ， 劉超齊， 金三俊

（1.河南農業大學動物科技學院，河南 鄭州 450046；2.河南安進生物工程有限公司，河南 駐馬店 463800）

生姜屬姜屬科多年生草本植物，又名黃姜、地辛、 百辣， 原產于中國和東南亞以及其他熱帶地帶，目前世界各地都有種植，但主要分布在亞洲東部的中國、日本、印度等國家。 各地方生姜品種在植株大小、根莖形態、活性成分等方面差異顯著。國內有許多優良生姜地方品種，例如山東的肉姜、四川的竹根姜、浙江的紅爪姜、安徽銅陵的白姜、臺灣的肥姜等。 生姜化學成分比較豐富， 含碳水化合物、蛋白質、纖維素、各種維生素和礦質元素等營養成分，同時含有姜酚、黃酮類、醇類和烯類等活性成分。不同品種、生長期和產地生姜的營養成分和活性成分有所差異。

生姜廣泛應用于人們日常飲食中， 具有抗氧化、抗菌、鎮痛、抗炎和保肝等多種醫藥功能，在歷代治療婦科、內科、骨傷科疾病的活血化瘀方劑中多有使用，根據最新《飼料原料目錄》，生姜可用作飼料原料。相對于生姜粉，生姜提取物具有效果穩定、添加量小的優點（Ali 等，2008），開發生姜提取物作為飼料添加劑，具有重要的生產意義。本文對生姜活性成分提取工藝進行闡述， 為生姜等植物源飼料添加劑的開發及在畜禽生產中的應用提供參考。

1 生姜的活性成分及其應用

1.1 生姜的活性成分 不同工藝處理生姜得到的產物不同，分為揮發油和姜油樹脂。生姜中的活性成分主要為姜酚， 姜酚又包括6-姜酚、6-姜烯酚、6-姜二酮、8-姜酚、8-姜烯酚、10-姜酚和10-姜烯酚，以6-姜酚為主，其具有抗癌、抗氧化、抗菌、解熱和抗炎、肝腎保護、中樞神經系統保護、抗過敏和抗胃酸等活性（Semwal 等，2015），其β-羥基酮在高溫或酸性條件下不穩定， 容易脫水并轉化為姜醇。 Dugasani 等（2010）比較6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚以及6-姜酚的抗氧化和抗炎作用，結果表明6-姜酚具有較強的抗氧化和抗炎作用。

1.2 生姜及其活性成分在畜牧業生產中的應用Ali 等（2019）探究生姜和大蒜對肉雞腸道功能及完整性的影響， 發現添加生姜和大蒜后肉雞飼料攝入量、體重和飼料轉化率顯著提高，可明顯改善球蟲感染雞的卵巢脫落和損傷；Al-khalaifah 等（2022） 在肉雞飼料中添加不同劑量的生姜提取物， 觀察到生姜提取物可以提高飼料轉化率和血清和肝臟的抗氧化指數，顯著降低甘油三酯、血液膽固醇和極低密度脂蛋白水平；Ibtisham 等（2019）在熱應激條件下的蛋雞飼料中添加生姜粉和中草藥， 發現中草藥和生姜粉添加組的總抗氧化能力 （T-AOC） 水平和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）顯著提高；Lee 等（2013）探究生姜提取物對新生仔豬和母豬免疫功能的影響， 結果表明生姜提取物可顯著提高血漿中抗氧化和酚類化合物的總水平， 以及血漿和母豬初乳中的免疫球蛋白（IgG） 的濃度， 增強仔豬的免疫功能；Wen 等（2019） 探究生姜提取物對蛋雞生產性能的影響，結果表明飼糧中添加生姜提取物可增加蛋雞的蛋重，降低蛋黃膽固醇含量，改善雞蛋品質，提高其抗氧化能力；An 等（2019）在蛋雞飼料中添加生姜提取物， 發現生姜提取物可顯著提高蛋雞生產性能、抗氧化性能和免疫功能。 綜上，生姜及其活性成分在畜牧業生產中具有較高的應用價值。 通過技術的優化和改進， 開發高效的生姜活性成分提取工藝， 對于飼料資源的開發和產業化應用具有重要的意義。

2 生姜活性成分提取工藝

目前， 生姜活性成分提取工藝主要有水蒸氣蒸餾提取、溶劑浸提、微波輔助提取、超高壓輔助提取、超聲輔助提取工藝、超臨界CO2提取和微生物輔助提取等。

2.1 水蒸氣蒸餾 水蒸氣蒸餾利用高溫蒸發，生姜中的揮發性成分會隨著水蒸氣一并析出， 經過冷凝水油分層， 即可得到含有揮發性成分的揮發油（Padilla-de 等，2021），也可利用道爾頓分壓定律增大混合體系的蒸氣壓， 使沸點未達到水及其揮發性成分沸點就開始沸騰，加快蒸餾的速度，該工藝產物為揮發油。

Shirooye 等（2016）對生姜揮發油進行分析，得出55 種成分，占總成分的94%。 生姜揮發油主要成分為倍半萜烯類物質，以α-姜烯、氧化倍半萜以及單帖烯類碳水化合物為主 （葛毅強等，2004）；鹿浩志等（2019）提取山東生姜精油并對其進行分析，共得出56 中化合物，以α-姜烯、β-倍半水芹烯、β-紅沒藥烯、β-法尼烯、α-姜黃烯為主；馬希漢等（2004）對水蒸氣蒸餾保加利亞玫瑰精油工藝條件進行優化， 得出在液固比4:1（mL/g）、75%裝樣量、蒸餾時間4 h、蒸餾速度200 mL/h 條件下出油率最高；Sener 等（2017） 提取生姜揮發油，分析其化學成分并對18 種微生物進行了抑菌活性測定， 結果顯示生姜揮發油中姜葉皂苷最多占16.32%，且對18 種微生物均具有抑制作用。

水蒸氣蒸餾工藝所需溶劑簡單， 但需要高溫條件，操作具有一定安全隱患，材料消耗量大，生產成本高。

2.2 溶劑浸提 該工藝根據其在不同極性溶劑中溶解度不同的原理，提取分離混合物，可根據要求選擇合適的提取劑。生姜主要活性物質姜酚，微溶于水，可溶于石油醚、乙醇、乙醚、苯、氯仿、甲醇、醋酸等溶劑。 Ng 等（2020）分別對比水、甲醇、乙酸乙酯和正己烷四種不同極性溶劑對積雪草、麝香、 草胡椒和四棱豆四種植物的總酚含量、單寧、黃酮、鐵還原力和自由基清除活性的影響，結果顯示溶劑極性指數與總酚含量、單寧、鐵還原力及自由基清除活性呈較強的線性相關， 溶劑極性越高越有利于酚類抗氧化劑的提取；Wakeel 等（2019） 采用14 種極性不同的溶劑提取板藍根中的總酚和總黃酮， 結果表明溶劑極性對總酚和總黃酮提取率影響較大， 主要隨溶劑極性指數的增加而增加。 Jan 等（2022）比較了干姜和鮮姜在水、乙醇、乙酸乙酯和丙酮的總酚含量，結果表明乙醇提取的總酚含量最高，與Yousfi 等（2021）研究結論接近，75%乙醇總酚含量最高， 其次是50%乙醇；何文珊等（2001）分析了生姜的甲醇、乙酸乙酯和正已烷提取物， 結果顯示甲醇提取物中活性物質含量最高，正己烷最低。

溶劑提取所選溶劑種類多， 但因其他溶劑有一定毒副作用， 僅乙醇可作為提取劑應用于大批量生產。 該工藝提取速度慢，溶劑消耗量大，提取率低，但操作簡單。

2.3 微波輔助提取 微波是電磁波，其由電場和磁場組成， 相互垂直振蕩。 某些物質可以吸收微波，并產生熱量，微波能的加熱通過離子傳導和偶極旋轉直接作用于分子上， 根據提取劑的介電常數進行選擇性和針對性的加熱 （Chan 等，2011）。微波可使被提取物質從原有位置分離， 進入到介電常數較小、微波吸收能力相對差的提取劑中。對于不相溶的物質幾乎不起作用。 也可經微波處理之后再溶劑提取。 該工藝受提取溶劑、固液比、提取物質粒、提取時間、微波功率、溫度等方面的影響，可優化條件以達到最好的效果。

Varghese 和Pare（2019）探究微波輔助提取對大豆提取率和提取物蛋白質含量的影響， 結果表明提取率和蛋白含量均顯著提高；Leao 等（2018）探究微波加熱提取油桃木果皮果膠最適條件，結果表明在微波功率600 W， 溫度108 ℃條件下提取率最高；Xiao 等（2008）在提取黃芪總黃酮時發現，在1000 W 的高微波輸出功率下，黃芪總黃酮的提取率先隨著溫度升高而升高， 溫度高于110 ℃時提取率開始下降， 說明黃酮類化合物會在微波下因熱降解而導致損失；Tsubaki 等（2010）研究表明，從烏龍茶中提取酚類化合物時，多酚提取率隨著提取溫度的增加而增加，最佳微波溫度為170 ℃，進一步提高溫度會降低提取率；Guo 等（2015）使用微波輔助酒石酸水溶液提取生姜中6-姜烯酚、8-姜烯酚和10-姜烯酚，結果顯示微波處理后6-姜烯酚、8-姜烯酚和10-姜烯酚比未加工分別高12 倍、17 倍和19 倍。

微波處理由于其特殊的機制，在成本增加不多的情況下， 可以大大加快提取速度和增加提取率，但在一定程度上會影響熱敏感提取物的提取率。

2.4 加壓溶劑提取 在溶劑提取的基礎上超高壓處理，會對細胞造成一定破壞，導致提取溶劑更多地進入到細胞中，被提取成分溶解至溶劑中，隨溶劑擴散到細胞外。 使得其提取率提升。 同時高壓可以降低溶劑極性， 有利于低極性化合物的選擇性提取（Sarip 等，2014）。

Palaniyandi 等（2017）使用加壓水結合水解酶提取人參皂苷， 觀察到其主要要成分人參皂苷Rg1 和Rb1，結果表明纖維素酶、淀粉酶和果膠酶在壓力100 MPa、pH 4.8、 提取溫度45 ℃條件下聯合處理12 h，提取率最高。Shinwari 等（2018）探究加壓水提取藏紅花中的藏花素、苦番紅花素和藏花醛，結果表明在壓力580 MPa，提取溫度50 ℃條件下提取5 min 時提取率最高， 提取率會隨著壓力的增加而增大，溫度的增大而降低；張萍萍等（2015）對比了乙醇回流、超聲輔助乙醇、加壓輔助乙醇、 超聲-加壓和超聲-回流五種提取工藝，提取石榴籽中的油脂類成分， 結果表明超聲-回流提取率最高，加壓輔助乙醇次之；Ko 等（2019）使用加壓水從姜根莖中提取姜酚，結果表明姜酚的提取率會隨著溫度的增加先增加后降低，130 ℃時會顯著增加，但當溫度達到170 ℃，加壓25 min以上提取率開始降低， 可能是由于高溫導致姜酚降解所造成的；Zhang 等（2007）探究了超高壓提取人參皂苷的工藝，結果表明，與其他提取技術相比，超高壓具有提取率高、耗時短、耗能低等優點。

2.5 超聲波輔助提取 超聲波是利用聲波產生高速、強烈的空化效應和攪拌作用，破壞植物藥材的細胞，使溶劑滲透到藥材細胞中，此提取工藝受工作時間、功率、溶媒和液固比等影響，需要具體根據實際儀器確定影響因素。 酚類物質遇熱不穩定，易氧化，超聲提取的中低溫環境對姜酚具有保護作用。 該工藝可大大降低提取時間，提高提取效率。

姜少娟等（2014）探究超聲輔助乙醇提取生姜中黃酮最適條件，結果顯示生姜中黃酮提取率乙醇濃度在80%、液固比12:1（mL/g）、提取溫度50 ℃、提取時間15 min 條件下最高，為10.42%；苗敬芝等（2011）對比超聲輔助水和超聲結合酶提取生姜中水溶性膳食纖維的影響，結果表明超聲輔助水工藝下的水溶性膳食纖維提取率為10.02%， 超聲結合酶工藝提取率為13.86%；李祖光等（2013）比較水蒸氣蒸餾、微波-水蒸氣蒸餾、超聲-水蒸氣蒸餾和超聲微波-水蒸氣蒸餾四種工藝對鮮生姜揮發油提取的影響， 結果顯示四種工藝提取率分別為0.91%、0.87%、0.94%和0.88%，超聲-水蒸氣蒸餾提取率最高；Anaya-esparza 等（2018）探究超聲提取墨西哥金銀花葉中的酚類化合物最適條件，并對比了該條件下超聲提取、常溫水提和熱提取對提取率的影響，結果顯示在220 W 功率下提取2 min 時的提取率最高， 高于常溫水提和熱提取；Jacotetnavarro 等（2016）將鮮生姜打碎之后超聲波提取姜漿中的6-姜酚和6-姜醇， 結果顯示超聲能提高整體的提取率，6-姜酚和6-姜醇提取率增加了26%。

超聲輔助提取具有廉價、廣泛、快速和不使用毒副溶劑的優點。此外，該提取工藝可在較低的溫度下進行，避免了熱敏感物質的降解。

2.6 超臨界流體提取 超臨界溶劑現最常用的是CO2，超臨界流體提取默認是超臨界CO2提取。CO2常溫常壓情況是一種無色無味的氣體， 當溫度壓力增高達到液、氣兩態相界面消失的狀態點，處于氣液不分狀態，CO2就成為一種溶解能力強的流體， 可作為溶劑提取生姜等天然植物的有效成分， 提取后恢復常溫常壓狀態，CO2變成氣體，因此，提取物產物無溶劑殘留。

Mesomo 等（2012）和Salea 等（2017）通過超臨界CO2處理得到生姜提取物，結果顯示壓力和CO2流速與提取率呈正相關，認為壓力增加了溶劑的密度，從而增加了提取化合物的溶解度，同時流速高會降低傳質阻力，減少提取時間；李銀塔等（2009）探究了超臨界CO2提取生姜揮發油最適條件，得出在壓力25 MPa，溫度40 ℃，CO2流量30 kg/h，時間100 min 條件下，生姜揮發油提取率最高，其中壓力和溫度條件影響較大；曾凡逵等（2006）比較了丙酮提取、乙醇提取和超臨界CO2提取三種工藝提取生姜中的姜酚含量，結果表明，超臨界CO2提取工藝下姜酚含量最高（約為0.72%）， 顯著高于溶劑浸提；朱藝佳等（2023）采取水蒸氣蒸餾提取、乙醇浸提和超臨界CO2提取三種工藝提取貴州生姜中酚類化合物，并對化合物進行定性分析。 結果顯示不同提取方法提取的姜精油化學成分接近， 超臨界CO2法酚類物質提取率較高。

該超臨界流體提取在合適壓力條件下無毒、不爆、易得、環保、避免使用毒害溶劑等，又可防止熱敏性物質氧化失活，易于從提取物中分離，提取后的原料可充當飼料或繼續提取其成分（Yousefi 等，2019）， 但此工藝會因高壓使理化性質發生一定的改變，同時生產成本高，對生產安全要求較高。

2.7 微生物法 微生物在生物醫藥領域涉獵廣泛， 現有研究發現微生物可以降解食品和飼料中殘留的毒素； 經微生物發酵后的飼料可改善腸道內環境，從而提高飼料消化率；微生物還可應用于糞便除臭，減少環境污染。對于植物活性成分的提取，可選擇具有靶向性的生物，比如具有降解纖維素能力微生物，可破壞植物纖維素結構，被提取成分更多的滲透出來。該技術具有綠色、不使用有害溶劑、安全且靶向性高等優點，適合規模化生產。

Saleh 等（2018）利用綠色木霉對生姜進行固態發酵， 結果表明發酵后的姜總酚含量顯著提高，其發酵最優條件為pH=6、溫度30 ℃、濕度30%，發酵后生姜提取物具有抗氧化和抑菌作用； 周穎等（2018）使用酵母菌、副干酪乳酸菌和醋酸桿菌對生姜進行發酵，結果顯示，第4 天時總姜酚含量最高，發酵產物抗氧化活性變化趨勢與總酚含量呈正相關；梅曉丹等（2020）使用纖維素酶和果膠酶對生姜進行發酵， 表明發酵后總姜酚化合物顯著增加，以姜酚、姜烯酚和副姜油酮為主；朱倩等（2022）使用植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌對生姜水蒸氣蒸餾后的副產物進行發酵，表明發酵液的抗氧化活性均呈上升趨勢；郭京波等（2019）使用根霉對姜油樹脂進行發酵，最優條件為接種量1%孢子懸液，33 ℃培養4 d，發酵后抗氧化活性可提高69.10%。

微生物發酵產物具有更高的純度、 穩定性和活性，無污染。生物發酵法在植物多酚的提取中具有廣闊的應用前景。

3 展望

目前，我國畜牧養殖業正向著綠色、安全且高效的方向發展。植物提取技術日新月異，由傳統的浸提、索氏提取到超臨界提取和生物發酵。研究和開發合適的生姜活性物質提取工藝， 對于生姜資源的利用和無抗飼料添加劑的開發， 以及畜牧業的健康可持續發展具有重要意義。