姜辣素提取與分離純化工藝的研究進展

項　敏，郭　嘉，劉競博，梅　軍，王正裔，羅炎烽

(武漢工程大學化工與制藥學院 綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

姜辣素提取與分離純化工藝的研究進展

項敏，郭嘉，劉競博，梅軍，王正裔，羅炎烽

(武漢工程大學化工與制藥學院 綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

摘要：介紹了姜辣素的化學組成和性質，重點闡述了姜辣素的提取、分離純化和測定的方法，并探討了姜辣素研究中存在的問題。

關鍵詞：姜辣素；提??；分離純化；測定

生姜具有解毒止嘔、鎮(zhèn)痛消炎、發(fā)汗解表、營養(yǎng)保健、抗菌、抗氧化作用[1-2]，在醫(yī)藥保健行業(yè)應用廣泛，在食品、化妝品等領域也具有很高的應用價值[3]。生姜的化學成分很復雜，目前已發(fā)現(xiàn)的成分就有140多種，主要分為揮發(fā)性的姜精油和非揮發(fā)性的姜辣素兩大類。研究表明，姜辣素正是生姜藥食兩用的價值所在[4]。姜辣素是一種弱極性的混合物，主要成分是姜酚類，還有少量的烯酚類以及部分酚類經高溫轉化所得的酮類等[5]。

作者在此介紹了姜辣素的化學組成和性質，總結了姜辣素的提取、分離純化及測定方法，為更深入地研究其食用與入藥兩大用途提供參考，也為其將來的工業(yè)化生產提供理論依據(jù)。

1姜辣素的化學組成

1879年，Thrsh首次從生姜中分離出具有辣味的物質，將其命名為姜醇。上世紀中葉，許多關于生姜組成成分的研究表明，姜醇是一種混合物，因具有濃郁的辛辣味而更名為姜辣素(gingerols)，主要的活性成分為姜酚，屬于生姜中的天然成分，而烯類和大部分酮類則屬于實驗過程、運輸或者儲存時轉化而得的產物[6]。

通過溶劑萃取生姜獲得半流體的黏稠物即為姜辣素，其分子式中均有3-甲氧基-4-羥基苯基的官能團，根據(jù)此官能團連有脂肪鏈的不同，將姜辣素分為姜酚類(gingerols)、姜烯酚類(shogaols)、姜酮(zinger-one)、姜二酮類(zingerdiones)和姜二醇類(gingerdiols)等類型[7]。

1.1　姜酚類

姜酚呈黃色油狀液體，是一類含6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚和12-姜酚等物質的混合物，這些組分的性質和結構相似，且分子結構都含有C3-羰基與C5-羰基，使得姜酚化學性質變得活潑；其在強堿性液體里加熱能發(fā)生水解生成以己醛為主的醛類物質[8]。姜酚分子中含有的酚羥基、羥基和羰基使其具備普通酚類、仲醇類和酮類物質的共性，能發(fā)生上述化合物的一般化學反應。且芳香環(huán)上含有的甲氧基、酚羥基都能影響到姜酚的生物活性。生姜含有的酚類化合物也包括含量較低的4-姜酚、12-姜酚，但3-姜酚、5-姜酚目前還未見報道[9]。姜酚的結構式見圖1。

圖1　姜酚的結構式Fig.1　Structural formula of gingerols

1.2　姜烯酚類

姜烯酚在生姜中的含量很低，在生姜儲存加工的過程中由姜酚脫水而成。通過柱色譜法分離姜油樹脂可鑒定出6-姜烯酚、8-姜烯酚、10-姜烯酚，含量大小順序為6-姜烯酚>10-姜烯酚>8-姜烯酚。

圖2　姜烯酚的結構式(n=4,6,8)Fig.2　Structural formula of shogaols(n=4,6,8)

1.3　其它成分

此外，姜辣素中還含有其它成分，如姜酮、姜二酮、姜二醇等，其結構式見圖3。

圖3　姜酮、姜二酮、姜二醇(n=2,4,6,8)的結構式Fig.3　Structural formula of zingerone,zingerdiones,gingerdiols(n=2,4,6,8)

2姜辣素的提取方法

2.1　壓榨法

用機械壓榨直接處理洗凈的生姜片，屬于物理方法，此法所得姜油產量與所用的生姜總量、壓榨設備、操作情況和姜片預處理情況均相關。壓榨所得姜汁通過沉淀分離，得到上清液和沉淀物兩類不同產品，其中上清液中含有姜精油和極少量的非揮發(fā)性姜辣素[10]。

2.2　溶劑提取法

溶劑提取法有冷提法和熱提法兩種。其中，冷提法分為浸漬法和滲漉法，浸漬法操作簡單，但浸出率低，滲漉法為上下形成濃度差，浸出效果稍優(yōu)于浸漬法；熱提法中的煎煮法比較傳統(tǒng)，適用于水提取，回流提取法需過濾回收有機溶劑，連續(xù)提取不需回收溶劑，且溶劑的用量較少。姜辣素可溶于甲醇、乙醇、乙醚等親水性有機溶劑，朱媛等[11]選取無毒、價廉的乙醇為姜辣素提取溶劑，在50 ℃下將粉碎至60目的生姜末以1∶9(g∶mL)的料液比與75%乙醇混合提取90 min，減壓蒸餾提取液后紫外測定其含量，提取一次的姜辣素含量在姜油樹脂中達1.59%。溶劑提取法成本低、操作簡單、提取完全，但產物中脂肪油和樹脂等雜質較多，后續(xù)分離純化難度大，逐漸被淘汰。

2.3　干柱層析法

根據(jù)極性相似相溶的原理可知，弱極性的生姜粗提物應選用極性較低的含有30%乙醚的正己烷溶液為展開劑，并在展開槽中將硅膠板點樣后展開。再經紫外燈照射對比標準樣品的點距離，可初步判斷經硅膠柱分離姜油樹脂所收集的分離液中含活性成分姜酚比較高的部分，將去除洗脫劑和少量殘留溶劑的粗產物溶解于熱的正己烷中，含量較高的姜酚制品就可在冷凍的正己烷中結晶析出。柳乃奎等[12]用丙酮溶劑提取生姜后，選用硅膠干柱層析法，將得到的粗提液通過旋蒸去除溶劑制得粗產物。

2.4　超臨界CO2萃取法

超臨界CO2流體對壓力和溫度十分敏感，介于氣體和液體之間，具有液體的溶解度和氣體的擴散系數(shù)。其萃取原理是在室溫(35～40 ℃)超臨界狀態(tài)下，混合超臨界CO2流體與待分離物，實驗樣品試劑會因其所含有的各組分物質具有的不同物理特性而有選擇性地被依次萃取，從而達到分離純化的目的，且室溫條件能防止熱敏性物質氧化和擴散。曾凡逵等[13]比較丙酮法、乙醇法和超臨界CO2萃取法提取姜辣素，證實超臨界CO2萃取法提取效果最優(yōu)。

超臨界CO2萃取法中CO2無毒、價格低，提取速度快，工藝簡單，無有機溶劑，萃取過程清潔。但萃取壓力過高，工業(yè)生產成本高，不利于推廣應用。

2.5　微波提取法

劉成梅等[14]用微波法提取姜辣素，得率僅為0.776%。陳莉華等[15]采用正交實驗優(yōu)化微波法提取姜辣素的工藝參數(shù)為：微波功率300 W、66%乙醇為溶劑、料液比1∶16(g∶mL)、處理時間70 s，在此條件下，姜辣素提取率可達1.76%。

微波法產生的電磁場能加快提取速率，具有溶劑用量少、產率高、能耗低等優(yōu)點，被廣泛應用于天然藥物提取領域。但微波升溫迅速一定程度上使姜辣素分解失活，工業(yè)化生產的產品質量仍有待提高。

2.6　超聲波提取法

孔繁東等[16]采用超聲波輔助提取姜渣中姜辣素，結果表明，在超聲功率800 W、75%乙醇為溶劑、料液比1∶15(g∶mL)、超聲提取10 min的條件下,姜辣素提取率為2.1%。駱海林等[17]運用響應面法優(yōu)化超聲波提取姜辣素的工藝條件為：90%乙醇為溶劑、料液比1∶13.7(g∶mL)、超聲提取25.9 min，姜辣素提取率為7.41 mg·g-1。

超聲波提取法可在常溫常壓下進行，時間短，能耗低，使用溶劑無限制且用量少，還具有一定的殺菌作用。但工業(yè)上大量使用超聲波所產生的噪音對人體健康有害的問題仍有待解決。

2.7　酶解法

酶解法通過酶分解細胞壁的纖維素和果膠，進而破壞細胞壁的結構，產生局部的疏松而減少溶劑提取有效成分的阻力，加快溶解速率。王琛等[18]選用纖維素酶和半纖維素酶聯(lián)合提取姜辣素：酶解溫度45 ℃，纖維素酶-半纖維素酶質量比5∶3，混合酶用量2.8 mg·(100 mL)-1，提取時間2.5 h，姜辣素提取率為3.711%。酶解法提取速率快，操作簡單，節(jié)能環(huán)保，提取率高，但因高純度酶價格過高而使成本上升，有待進一步深入研究。

3姜辣素的分離純化方法

3.1　大孔吸附樹脂法

利用化合物與大孔吸附樹脂吸附力的不同及化合物相對分子質量的不同進行分離純化。劉偉等[19]采用大孔吸附樹脂分離純化生姜中的姜辣素：選用AB-8型樹脂，正己烷∶乙醇=7∶3為洗脫溶劑，洗脫速度0.4 mL·min-1，樹脂用量為40 mg姜辣素·(g干樹脂)-1，純化分離產物姜辣素的含量為48.3%。大孔吸附樹脂不溶于酸堿和有機溶劑，理化性質穩(wěn)定且對有機物選擇性好，但洗脫時間長，不利于工業(yè)生產。

3.2　干柱層析法

含極性酰胺基團的聚酰胺和非極性的脂肪鏈、酚羥基、水形成氫鍵能力十分弱，尤其是水分子與聚酰胺形成氫鍵能力最弱，故聚酰胺與被分離物質形成氫鍵能力在水中最強，常用于分離水溶性成分和脂溶性成分。柳乃奎等[12]用聚酰胺柱和硅膠干柱層析分離粗姜酚，以20%～50%乙醇溶液為流動相，將姜油樹脂中的總姜酚很好地分離。

3.3　高速逆流色譜(HSCCC)法

喬慶亮等[20]將大孔吸附樹脂分離的姜辣素乙醇油狀洗脫液進行HSCCC分離，采用的溶劑系統(tǒng)為石油醚-乙酸乙酯-甲醇-水(1∶1.6∶1∶1.6)，混合靜置分層，取上相為固定相、下相為流動相，并各取50 mL溶解10 g樣品，超聲脫氣后備用。在HSCCC-D1200螺旋管中裝滿固定相，在首端以800 r·min-1轉速將流動相以25 mL·min-1的流量泵入，用量筒在色譜柱尾端收集流出的固定相，當固定相不再流出時系統(tǒng)已達動態(tài)平衡，根據(jù)收集的固定相體積計算固定相的保留率。姜辣素樣品液進樣100 mL后，采用紫外檢測器在色譜柱出口于254 nm波長處連續(xù)檢測，并依據(jù)譜峰的不同分段收集樣品。該方法可從生姜中大量分離出高純度的6-姜酚單體，分離效率高，有望在工業(yè)生產上推廣應用。

3.4　高效液相色譜法

高效液相色譜法適于分離高沸點、不易揮發(fā)、分子量大且具有不同極性的有機化合物。張雪紅等[21]以超聲波提取的粗姜酚為樣品，采用半制備型高效液相色譜技術，通過調節(jié)流速、進樣體積、流動相的不同配比，考察其對分離效果的影響并得出最優(yōu)化的工藝條件。該法從生姜中分離出高純度6-姜酚單體，但這種工藝條件在工業(yè)上的應用仍有待進一步研究。

4姜辣素的測定方法

4.1　溶出伏安法

某些含電活性的基團是生姜主要的活性成分，其含量可通過溶出伏安法測得溶出峰后，再根據(jù)具體電流強度值計算而得。楊春海等[22]使用玻碳電極溶出伏安法測定姜辣素含量，姜辣素在玻碳電極上呈現(xiàn)單個氧化峰，在1×10-5~5×10-4mol·L-1范圍內溶液濃度和其峰電流呈良好線性關系。

4.2　薄層色譜法

按分離機制可將薄層色譜法分為分配薄層色譜法、分子排阻薄層色譜法以及吸附薄層色譜法，操作是將固定相均勻涂布于如玻璃之類的薄板上，待厚薄均勻后將其活化，然后將混合組分放置于薄板上進行分離。該方法操作簡單，分離能力較強，且只能進行如姜酚、姜烯酚相似同系物的分離。用6-姜酚標準品作對照，以石油醚(60~90 ℃)-醋酸乙酯-冰醋酸(8∶3∶0.2)為展開劑，涂布在0.5%CMC-Na為粘合劑的硅膠G薄層板上，經20 min后展開晾干，加熱并將5%香草醛-硫酸溶液噴至斑點顯色清晰。

4.3　熒光分析法

熒光分析法靈敏度高，是根據(jù)物質熒光譜線位置及其強度進行定性定量測定的方法。Prasad觀察出姜酚有熒光特性，發(fā)射波長為481.6 nm，激發(fā)波長為435 nm。

4.4　紫外可見分光光度法

張明旭等[23]選用香草醛作為標準對照品、乙醇為空白溶劑，在280 nm最大吸收波長處掃描香草醛的無水乙醇溶液，測定樣品中姜辣素的含量。酚類中的羥基具有一定的還原性，在顯色實驗中易被氧化，最終可得到呈現(xiàn)藍色的產物。因姜辣素含量在一定濃度范圍內與產物藍色程度相關，因而可以通過將姜辣素中的羥基氧化后在藍光區(qū)域測定其含量。張維勤[24]以香草醛作為參照物，在660 nm波長處比色測定樣品中姜辣素含量。黃雪松等[25]以香草醛作為標準樣品，根據(jù)Folin 酚試劑與姜辣素所含有的羥基反應顯藍色，在680 nm波長處測定吸光度，此法操作繁瑣，易引起滕氏藍沉淀。

4.5　高效液相色譜法

高沸點難氣化的姜辣素不能直接采用GC或GC-MS測定，需進行乙?；蚬柰榛煽蓳]發(fā)的姜酚衍生物，步驟繁瑣且易生成副產物，因而難以準確測定姜酚。目前在確定標準品作對照的情況下，更多選用HPLC定性定量測定姜酚，因在常溫下進行，能最大限度減少測定過程中姜酚產生的變化。黃雪松等[26]用HPLC法測定姜辣素含量，采用香草醛作內標，無需要求操作過程中每次進樣體積的重復性，但需純品作標樣且步驟和計算繁瑣。陳燕等[27]選用辣椒堿作外標，用HPLC法測定姜辣素，可直接定性定量分析姜酚和姜烯酚，操作計算簡單，無需純品標樣，但需嚴格要求每次進樣體積的重復性。

4.6　其它方法

針對不易被分析到的熱不穩(wěn)定性化合物，Jiang等[28]采用LC/ESI-MS/MS法測定姜的甲醇粗提取物，發(fā)現(xiàn)3種新的姜酚類相似化合物，并鑒定此法為測定分析姜酚類化合物的有效方法。黃四平[29]采用超聲萃取法提取姜酚，并使用柱層析分離和UV、IR光譜定性分析提取物中姜酚純度為71.8%。王艷等[30]以超臨界CO2提取的姜油樹脂為原料，采用固定相為D4020的大孔吸附樹脂，乙醇-水體系為流動相來分離姜酚，并結合UV、HPLC、GC-MS三種方法檢測含姜酚的洗脫液，再進行二次柱層析純化得姜酚，收率為76.75%。

5結語

姜辣素中的主要活性成分姜酚極具藥理和食用價值，有著廣闊的應用前景，但化學性質不穩(wěn)定的姜酚提取與分離純化難度很大。目前，國際市場生姜產品呈現(xiàn)工藝精細多元化的發(fā)展趨勢，而我國的生姜提取工藝仍處于提取效率低、產品雜質多、生產成本高的初級階段，已無法滿足現(xiàn)代化天然產物有效成分提取與分離純化的需求。因此，推廣應用先進的提取與分離純化技術，是提升我國生姜產業(yè)的重要途徑。

對姜辣素分離純化的深入研究發(fā)現(xiàn)，任何單一的分離和測定方法都無法滿足現(xiàn)階段生姜產品的工藝生產要求，必須在姜辣素后續(xù)研究中不斷創(chuàng)新地結合多種分離純化和測定的方法，以得到姜辣素分離純度和收率都極高的綜合型工業(yè)生產方法，為我國在生姜的國際藥食市場競爭中提供支持。

參考文獻：

[1]何文珊，李琳，李炎，等.生姜中一種新化合物的抗氧化活性[J].中國病理生理雜志，2002，17(3):450-451.

[2]吳賈峰，張曉鳴.生姜風味物質的研究進展[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31(4):100-104.

[3]蔣蘇貞，宓穗卿，王寧生.姜辣素的化學成分研究概述[J].中藥新藥與臨床藥理，2006，17(5):386-387.

[4]劉雪梅.生姜的藥理作用研究進展[J].中成藥，2002，24(7):539-541.

[5]盧傳堅.姜的化學成分分析研究概述[J].中藥新藥與臨床藥理，2003，14(3):215-217.

[6]張雪紅，李華昌.姜辣素的研究進展[J].礦冶，2003，12(4):96-98.

[7]CONNELL D W,MCLACHLAN R.Natural pungent compounds.Ⅳ.Examination of the gingerols,shogaols,paradols and related compounds by thin layer and gas chromatography[J].The Journal of Chromatography,1972,67(1):29-35.

[8]CATCHPOLE O J,GREY J B,PERRY N B,et al.Extraction of chili,black pepper,and ginger with near-critical CO2,propane,and dimethyl ether:Analysis of the extracts by quantitative nuclear magnetic resonance[J].J Agric Food Chemistry,2003,51(17):53-60.

[9]DIAZ-MAMTO M C,PEREZ-COELLO M S,CABEZUDO M D.Supercritical carbon dioxide extraction of volatiles from spices:Comparison with simultaneous distillation extraction[J].Journal of Chromatography A,2002,947(1):23-29.

[10]孫亞青.姜精油的提取、分析及純化研究[D].北京:中國農業(yè)大學，2004.

[11]朱媛，張雪松.乙醇溶劑提取姜辣素的實驗研究[J].中國調味品，2008，(4):83-85.

[12]柳乃奎，黃雪松.聚酰胺柱層析分離姜酚類物質的效果[J].食品工業(yè)科技，2005，26(1):99-102.

[13]曾凡逵，黃雪松，李愛軍.超臨界二氧化碳萃取姜油樹脂與溶劑浸提的比較[J].食品科學，2006，27(6):155-157.

[14]劉成梅，劉偉，李明,等.微波輔助萃取生姜中姜辣素的研究[J].食品科技，2006，31(2):52-54.

[15]陳莉華，左林艷，唐玉堅.微波輔助乙醇提取姜辣素及其對油脂的抗氧化性質研究[J].食品科學，2011，32(4):69-73.

[16]孔繁東，王戀峰，祖國仁,等.超聲波輔助提取姜渣中姜辣素工藝研究[J].中國釀造，2010，(1):102-104.

[17]駱海林，陸寧.響應面法優(yōu)化生姜中姜辣素的超聲波提取工藝[J].包裝與食品機械，2009，27(6):54-57.

[18]王琛，石太淵.雙酶酶解法提取姜油樹脂工藝優(yōu)化[J].食品科學，2011，32(12):60-63.

[19]劉偉，劉成梅，李明,等.大孔吸附樹脂純化姜辣素研究[J].食品科學，2005，26(9):226-228.

[20]喬慶亮，杜琪珍.高速逆流色譜與大孔吸附樹脂柱色譜結合分離制備生姜中的6-姜酚[J].食品科技，2010，35(10):208-210.

[21]張雪紅，李華昌.高效液相色譜法分離生姜中的6-姜酚[J].化工技術與開發(fā)，2004，33(2):30-32.

[22]楊春海，易楊慧，余愛農.溶出伏安法測定姜中姜辣素含量的研究[J].食品科學，2003，24(2):110-112.

[23]張明旭，李健，蒙繼昭.紫外分光光度法測定姜中姜辣素類化合物的含量[J].貴州醫(yī)藥，2003，27(3):283-284.

[24]張維勤.姜辣素的測定方法[J].山東農業(yè)科學，1991，(6):11-14.

[25]黃雪松，王漢忠.姜辣素的測定方法[J].中國調味品，1996,(8):30-31.

[26]黃雪松，汪建民，王兆升.干姜、姜皮、泡姜中辣味成分的HPLC測定[J].中草藥，1999，30(6):423-424.

[27]陳燕，蔡同一，付力,等.用改進的高效液相色譜法(HPLC)測定姜中姜辣素[J].食品科學，2000，22(4):60-63.

[28]JIANG H,SOLYOM A M,TIMMERMANN B N,et al.Characterization of gingerol-related compounds in ginger rhizome(Zingiberofficinalerosc.)by high-performance liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry[J].Rapid Commun Mass Spectrom,2005,19(20):2957-2964.

[29]黃四平.超聲萃取陜西黃姜中姜酚的工藝研究[J].應用化工，2014，43(2):238-240.

[30]王艷，杜愛玲，薛巖明，等.D4020大孔吸附樹脂分離姜油樹脂中的姜酚[J].山東大學學報(工學版)，2011，41(3):148-153.

Research Progress on Extraction,Separation and Purification of Gingerols

XIANG Min,GUO Jia,LIU Jing-bo,MEI Jun,WANG Zheng-yi,LUO Yan-feng

(KeyLaboratoryforGreenChemicalProcessofMinistryofEducation,Schoolof

ChemicalEngineering&Pharmacy,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430073,China)

Abstract：The composition and properties of gingerols were introduced.The extraction,separation,purification and determination methods were reviewed and the problems in gingerols research were discussed.

Keywords：gingerols;extraction;separation and purification;determination

中圖分類號：R 284.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2015)05-0007-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.002

通訊作者：

作者簡介：項敏(1990-)，女，湖北黃石人，碩士研究生，研究方向：天然產物提取分離;郭嘉，湖北省"楚天學者"計劃特聘教授，博士生導師，E-mail：guojia@wit.edu.cn。

收稿日期：2014-11-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51346005)，武漢工程大學第九期大學生校長基金項目(2014001)