正交优化生姜油提取工艺及其GC-MS成分分析

（湖南科技职业学院药学院，湖南长沙410000）

生姜是姜科多年生草本植物姜的根茎，是一种常用的调味植物。在我国分布广泛，主要分布于我国中部，东南部至西南部，常栽于亚热带地区。生姜原产于东南亚热带地区，在中国已经有了2 000多年的栽培历史，既是一种调味料，也是常见的中药材。在2014年，全球生姜的年产量已经达到2 260万t。生姜同时具有散寒发汗、化痰止咳、和胃、止呕等多种功效[1-2]。

虽然我国的生姜产量年年升高，但是我国对生姜的综合利用还处于起步阶段，没有对生姜进行有效的利用，对于生姜资源来说造成了极大的浪费。并且因为生姜的储藏困难，很容易就腐败变质，这也就造成了生姜的极大损失。目前，生姜的主要贸易还是以鲜姜，干姜为主。虽然干姜能够有效的避免腐败变质，但是这样提高利用率还是远远不够的。随着科学技术的发展，已能从生姜中提取一些功效成分，并且发现这些功效成分在保健以及对疾病的预防与治疗上取得了良好的功效，这一发现，能够大大的提高生姜的综合利用效率[3-4]。

而生姜油作为生姜内的主要提取物，是使用蒸馏法提取得到的挥发性植物油。现在已发现的组分已经有了100多种，主要为倍半萜烯类碳水化合物（占50%～66%）与氧化倍半萜烯（17%）。研究发现，桉树脑、里哪醇、香茅醇乙酸酯、龙脑、香叶醛和香叶醇是鲜姜香气的最主要的呈香组分[5-6]。生姜油的主要提取方法有超临界CO2萃取法，溶剂萃取法，水蒸气蒸馏法[7-9]。其中超临界萃取法对设备的要求高，存在较大的限制，而水蒸气蒸馏法对于提取生姜油来说，提取率较低，并且很难提取生姜油内部分低沸点物质，所以本文使用溶剂萃取法，这种方法的优点在于操作简单，同时对于生姜油内的有效物质能够很好的提取。

生姜油含有的多种成分，使它广泛应用于食品，化妆品等行业中。生姜油同时具有抗氧化性，抗炎作用，抗过敏，对肝损害的保护作用，使其同时在医药行业中也得到了广泛应用[10-15]。本文对生姜油提取工艺进行优化及其主要成分进行分析，以期为生姜综合开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验仪器和药品

1.1.1 试验仪器

FG102微型电动植物粉碎机：天津市仪器有限公司；HHSⅡ-2型电热恒温水浴锅：北京长安科学仪器厂；101-2AB型电热鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器公司；FA2004电子天平：赛多利斯科仪器有限公司；7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪：美国安捷伦公司；索氏提取器。

1.1.2 试验药品

干姜：本地市场；石油醚（化学纯）：南京化工厂；碘化钾、淀粉、NaOH、Na2S2O3；乙酸乙酯、三氯甲烷、冰醋酸、酚酞、浓盐酸、正己烷、无水硫酸镁、氢氧化钾：国产分析纯；甲醇、正己烷：国产色谱纯。

1.2 试验方法

1.2.1 生姜油提取工艺

生姜油的提取工艺流程：生姜粉→过筛→溶剂萃取→过滤→蒸馏→成品。

1.2.2 生姜油提取工艺设计

根据前人研究成果缩小关键条件筛选范围，每个试验重复3次，取其平均值，然后根据生姜油提取率选用合适的参数以增大试验的精确性和准确性。

1.2.2.1 物料粒径的选取

称取10 g分别过20、40、60、80目和100目筛的姜粉，按照料液比1∶4（g/mL）、45℃下水浴萃取60min，然后在80℃蒸馏，得到生姜油成品。

1.2.2.2 萃取温度的选取

称取10 g过60目筛的姜粉，料液比为1∶4（g/mL），萃取时间为60min，萃取温度分别为30、35、40、45、50℃的条件下提取生姜油，然后在80℃下蒸馏，得到生姜油成品。

1.2.2.3 萃取时间的选取

称取10 g过60目筛的姜粉，料液比为1∶4（g/mL），萃取温度为45℃，在80℃下蒸馏，萃取时间设为30、45、60、75min和 90min 下提取生姜油。

1.2.2.4 料液比的选取

称取10 g过80目筛的姜粉，按料液比分别为1∶3、1 ∶3.5、1 ∶4、1 ∶4.5（g/mL）和 1 ∶5（g/mL）的比例加入萃取剂，萃取温度为45℃，萃取时间为60min，然后在80℃下蒸馏，得到生姜油成品。

1.2.3 正交试验及其验证

正交试验及其验证见表1。

表1 生姜油正交试验因素表Table 1 The table of orthogonal test on ginger oil

根据以上各单因素的适宜水平，使用L9（34）正交试验表，在80℃下蒸馏进行萃取工艺的正交试验，根据生姜油提取率来确定四因素三水平的最佳组合[16]。

1.2.4 生姜油品质的鉴定

1.2.4.1 酸价的测定

按照GB 5009.229－2016《食品安全国家标准食品中酸价的测定》方法测定生姜油的酸值。

1.2.4.2 碘价的测定

按照GB/T 5532－2008《动植物油脂碘值的测定》的方法测定生姜油的碘价。

1.3 生姜油成分GC－MS分析[17]

生姜油甲酯化：称取1 g油样，置于具塞锥形瓶中，加入0.5 mol/L的氢氧化钾－甲醇溶液10 mL，混匀后置于70℃下水浴超声波辅助处理1 h，冷却至室温，用20 mL色谱纯正己烷萃取，静置分层取上层液，用蒸馏水洗涤2次～3次，加入无水硫酸镁干燥脱水，最后4 500 r/min离心10min，取上层清液置于瓶中待测。

GC 条件：HP－5MSAgilent 190191S－433型石英毛细管柱（325℃，30 m×0.25 mm×25 μm）；载气为高纯氦气（99.999%），柱前压 69.8kPa，柱内载气流量 2mL/min；80℃开始保持2min，以10℃/min升温到160℃，保持2min，再以5℃/min升温到250℃保持5min；样品进样量 1 μL；分流比 10 ∶1。

MS条件：四级杆温度150℃，EI离子源温度230℃，溶剂延时4min，电子能量70 eV，扫描范围30 u～500 u。

基于气象色谱保留指数：通过比较保留指数（RI，HP－5）与文献报道的化合物和比较其质谱与Wiley GC/MS Library，Mainlib Library和 Replib Library数据公布的质谱数据[18－19]，使用同系物系的正烷烃C6～C31计算保留指数。

2 结果与讨论

2.1 生姜油提取工艺条件试验

2.1.1 物料目数对生姜油提取率的影响

原料粒径对生姜油提取率的影响见图1。

图1 目数对生姜油提取率的影响Fig.1 Effect of mesh on ginger oil extraction rate

从图1可以看出，随着原料粒径的增大，生姜油的提取率先增大后趋于平缓，如粒径为60、80目以及100 目的提取率分别为4.56%、4.59%和 4.61%，但三者没有显著性差异（p＞0.05）。可以得出的是生姜油萃取效率是和生姜原料与萃取剂的表面接触面积相关的，目数越大接触面积越大，当目数达到一定值时，接触面积将不会有显著变化。故基于工艺的经济可行性考虑选择60目为宜。

2.1.2 萃取温度对生姜油提取率的影响

萃取温度对生姜油提取率的影响见图2。

图2 萃取温度对生姜油提取率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on ginger oil extraction rate

从图2中可以看出，生姜油提取率随着温度的升高先增大后减小；在萃取温度为45℃时的生姜油提取率达到最大值为4.79%；随着温度继续增加，生姜油的提取率反而降低。这主要是生姜油中一些低沸点的物质随着溶剂挥发造成生姜油的提取率下降，从节约能耗和获取更大提取率角度考虑，应该选择45℃为萃取温度。

2.1.3 萃取时间对生姜油提取率的影响

萃取时间对生姜油提取率的影响见图3。

图3 萃取时间对生姜油提取率的影响Fig.3 Effects of extraction time on ginger oil extraction rate

由图3可见，生姜油提取率随着萃取时间的延长先增大后略有下降最后趋于平缓。生姜油的提取过程中随着时间的延长，溶剂能充分将生姜油从原料中萃取出来。当萃取时间为60min时提取率最高为4.7%；萃取时间太短会导致生姜油无法完全萃取，萃取时间太长，同样会导致生姜油随萃取剂挥发且生产效率不高。60、75min和90min的提取率没有显著性差异（p＞0.05），基于生产效率性问题选择60min为宜。

2.1.4 料液比对生姜提取率的影响

料液比对生姜油提取率的影响见图4。

图4 料液比对生姜油提取率的影响Fig.4 Effect of feed liquid ratio on ginger oil extraction rate

由图4可知，当萃取剂用量增大时，生姜油的提取率呈先增大后趋于平缓。如在料液比为1∶3（g/mL）时，其提取率为4.12%，当料液比为1 ∶4.5（g/mL）时，提取率达到最大值为5.03%；但随着萃取剂用量进一步扩大，提取率并没有显著增大，如料液比为1∶4（g/mL）、1 ∶4.5（g/mL）和 1 ∶5（g/mL）的提取率分别 4.96%、5.03%和4.98%，而三者之间并没有显著性差异（p＞0.05）。萃取剂用量较小，会导致没有足够的接触面积，影响提取率；萃取剂用量太大，物料和溶剂的接触面积达到饱和致使提取率不再增加，甚至由于溶剂的挥发还会引起提取率下降，料液比过大也会导致萃取剂的浪费，以及对后续蒸发增加成本。综合考虑选择1∶4（g/mL）作为萃取生姜油的料液比相对适宜。

2.2 正交试验及其验证

生姜油提取优化L9（34）正交试验的四因素三水平正交试验试验结果见表2。

表2 生姜油提取正交试验结果Table 2 The orthogonal experiment results of ginger oil extraction rate

续表2 生姜油提取正交试验结果Continue table 2 The orthogonal experiment results of ginger oil extraction rate

正交试验结果表2极差R可知：影响生姜油的提取率的4个因素的主次顺序为C＞B＞A＞D。提取生姜油的最佳组合为A2B2C3D3。即最佳萃取温度为45℃，最佳萃取时间为60min，最佳料液比为1 ∶4.5（g/mL），最佳目数为80目。按照最优水平组合A2B2C3D3进行3次平行试验，试验结果见表3。

表3 最优水平验证试验结果Table 3 Optimal level validation test results

由表3可知，生姜油提取得率均值为5.63%，高于正交试验结果，说明该工艺条件可行。

2.3 生姜油化学成分分析

生姜挥发油的主要化学成分见表4。

生姜油经GC－MC分析存在64种化合物，所有鉴定的化合物占总生姜油的97.54%；其中包含13种单萜类化合物（20.77%），20种倍半萜类化合物（50.09%），6 种氧合倍半萜类（4.54%），5中醛类（17.42%），4种酮类（0.57%），9 种醇类（3.52%），2 种酯类（0.04%）以及其他5种化合物（0.41%）；显然，单萜类，倍半萜类和醛类是精油中发现的3大类化合物。在生姜油中检测到的主要有机化合物是姜烯占20.93%；其次是8.82%的 α－姜黄素、8.71%香叶醛、8.26%桧烯、8.13%β－水芹烯、8.02%橙花醛、7.42%α－法尼烯、6.26%莰烯等8种主要物质。本试验结果与Singh等的研究结果基本一致[18－20]。然而，在其他参考文献中确定的生姜油主要化学化合物存在重大差异如：Singh G等研究表明生姜油中姜油酮含量为33.6%，而本试验的研究为0.57%存在较大差异[21]；这些差异可能是由于生长地理环境环境、成熟度、遗传或其他一些因素有关。

表4 生姜挥发油的主要化学成分Table 4 The main chemical constituents of volatile oils of ginger

2.4 生姜油品质分析

2.4.1 感官指标

经试验优化通过石油醚萃取得到的生姜油颜色呈淡黄色油状液体，具有浓郁的辛辣味，风味纯正。

2.4.2 质量指标

本试验提取的生姜油酸价为5.10 mg/g；碘价为169.86 mg/g。

经GC-MS分析经本试验提取得到的生姜油，在生姜油含量中大于6%的主要成分有姜烯、姜黄素、香叶醛、桧烯、水芹烯、橙花醛、α-法尼烯、莰烯。

3 结论

用石油醚作为萃取剂，按料液比为1∶4.5（g/mL），在45℃下，萃取60min，按照最优水平组合A2B2C3D3进行3次平行试验，生姜油的提取率可达5.63%，高于正交试验最高组5.43%，说明工艺可行。通过对生姜油萃取工艺优化，萃取出来的生姜油品质较好，具有的生姜的独特风味，颜色为浅黄色。从生姜油鉴定出64种化合物，姜烯、姜黄素、香叶醛、桧烯、水芹烯、橙花醛、α-法尼烯、莰烯8种为主要化合物。其碘价与酸分别为5.10 mg/g、169.86 g/g。因此，本试验设计的对生姜油提取的优化工艺，能够进一步提高生姜油的提取率，同时对生姜油的品质无影响。

[1]胡炜彦,张荣平,唐丽萍,等.生姜化学和药理研究进展[J].中国民族民间医药,2008,17(9):10-14

[2]叶刚飒,余书洪,杨卫芳,等.生姜的有效成分与药理作用研究进展[J].浙江树人大学学报(自然科学版),2011(3):24-27

[3]陈燕,倪元颖,蔡同一.生姜提取物的综合利用与深加工研究[J].食品工业科技,2000(4):76-78

[4]李月文.生姜资源及开发利用[J].中国林副特产,2005(1):57-59

[5]孙亚青.姜精油的提取、分析及纯化研究[D].北京:中国农业大学,2004

[6]崔俭杰,李琼,金其璋,等.生姜及其提取物研究进展[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),2009,9(3):229-234

[7]李加兴,李敏莉,陈双平,等.超临界CO2萃取生姜油工艺优化研究[J].食品科学,2008,29(10):231-234

[8]王媛媛,赵炳坤,郭衍银,等.溶剂提取生姜油的工艺优化研究[J].北方园艺,2014(11):130-134

[9]徐伟,石海英,徐晓艳,等.超临界CO2萃取生姜油的模型方程和条件优化[J].食品研究与开发,2010,31(4):8-13

[10]魏文毅,牛广财,崔素萍,等.大蒜精油和姜精油对大豆油的抗氧化活性研究[J].中国食品添加剂,2011(1):105-109

[11]王贵林,朱路.生姜油的抗炎作用[J].中药药理与临床,2006(5):26-28

[12]朱路,王贵林,姚观平,等.生姜油抗炎和抗超敏反应作用研究[J].时珍国医国药,2007,18(1):105-106

[13]沈洪.生姜油三个不同提取部位对急性实验性肝损伤的保护作用比较[D].苏州:苏州大学,2009

[14]王贵林,朱路,邓云帆,等.生姜油对小鼠佐剂性关节炎的作用[J].中药药理与临床,2007,23(5):94-96

[15]卞梦瑶,方勇,裴斐,等.生姜油树脂对过氧化氢引起RAW264.7巨噬细胞损伤的保护作用[J].食品科学,2014,35(1):244-249

[16]龚丽芬,谢晓兰.正交试验法研究生姜油树脂的提取工艺[J].泉州师范学院学报,2003,21(2):58-61

[17]崔华莉,孙雪花,樊江鹏.微波辅助提取生姜油的工艺条件及其GC-MS成分分析[J].安徽农业科学,2011,39(21):13088-13090

[18]Elbaroty G S,Elbaky H H A,Farag R S,et al.Characterization of antioxidant and antimicrobial compounds of cinnamon and ginger essential oils.[J].Advances in Food Sciences,2010,32(6):142-149

[19]Yeh H Y,Chuang C H,Chen H C,et al.Bioactive components analysis of two various gingers(Zingiber officinale Roscoe)and antioxidant effect of ginger extracts[J].LWT-Food Science and Technology,2014,55(1):329-334

[20]王媛媛.生姜有效成分提取及其特性研究[D].淄博:山东理工大学,2014

[21]Singh G,Kapoor I P,Singh P,et al.Chemistry,antioxidant and antimicrobial investigations on essential oil and oleoresins of Zingiber officinale[J].Food&Chemical Toxicology An International Journal Published for the British Industrial Biological Research Association,2008,46(10):3295-3302