姜精油提取工艺优化及对比成分分析

刘红霞，丁荣良，仝锦豪，樊丁迟

(齐齐哈尔大学 化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

姜(ZingiberofficinaleRoscoe, Zingiberacae)是姜科姜属植物的根茎，又称生姜，具有独特的芳香气味，既是一种广泛应用的调味品，又是一种药食同源的植物[1]，其在医学领域具有抗炎、抗癌、术后止吐、抗氧化和治疗结核病等作用[2]。

姜精油是通过水蒸气蒸馏法提取的姜的挥发性组分，是构成姜辛辣气味的主要物质，Michele等[3]利用GC-MS从姜精油中分析出姜烯、姜黄烯、姜醇、法尼烯、红没药烯等几十种芳香物质。水蒸气蒸馏法因装置简单、精油天然纯净，一直是精油提取的主要方法。传统的水蒸气蒸馏法为水中蒸馏法，将物料置于水中。微波可以应用于植物精油提取中，微波可以促进提取效率的提高。水上蒸馏，是指将物料隔水进行水蒸气蒸馏。

本文以云南小黄姜为原料，首先采用水蒸气水中蒸馏法提取姜精油，对提取工艺条件进行优化，然后采用微波辅助水中蒸馏法以及利用一种水上蒸馏提取装置[4]进行水上蒸馏提取精油，对3种工艺提取的精油进行成分对比分析，探讨不同工艺对精油成分的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

干姜：云南罗平产，含水率为14%。

主要仪器：Agilent 7890B-7000C型GC-MS联用仪 美国Agilent公司；MAS-II型常压微波辅助合成/萃取反应仪 上海新仪微波化学科技有限公司；挥发油提取器(定制)。

1.2 水中蒸馏法提取姜精油

将干姜块粉碎后过筛，将一定目数的干姜粉20 g投入1 L的圆底烧瓶中，按不同的料液比加水，浸泡一定时间后，采用水中蒸馏法提取姜精油。根据精油体积，计算精油提取率。

提取率(Y)=(ρV/m)×100%。

式中：Y为精油提取率(%)；V为精油体积(mL)；ρ为精油密度(g/cm3)；m为姜粉质量(g)。

1.2.1 单因素实验

通过单因素实验，考察姜粉粒度、浸泡时间、料液比和蒸馏时间对精油提取率的影响。

分别将10，40，80，100目的姜粉进行水中蒸馏提取姜精油，浸泡时间为1.0 h，料液比为1∶15(g/mL)，蒸馏时间为1.0 h，计算精油提取率。

以100目姜粉为原料，料液比为1∶15(g/mL)，分别浸泡0，0.5，1.0，5.0，12.0 h，蒸馏时间为1.0 h，计算精油提取率。

以100目姜粉为原料，料液比分别为1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL)，浸泡时间为1.0 h，蒸馏时间为1.0 h，计算精油提取率。

以100目姜粉为原料，料液比为1∶15(g/mL)，浸泡时间为1.0 h，蒸馏时间分别为 0.3，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 h，计算精油提取率

1.2.2 正交实验优化

根据单因素实验结果，采用正交实验进一步对提取工艺条件进行优化，L9(34)正交试验因素水平表见表1。

表1 L9(34)正交实验因素水平表Table 1 The factors and levels of L9 (34) orthogonal test

1.3 微波辅助水中蒸馏法提取姜精油

在500 mL的微波专用瓶中，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，设置微波功率为200 W，温度为100 ℃，在微波辐射下提取60 min，精油提取率为1.08%。

1.4 水上蒸馏法提取姜精油

将干姜切成2 mm厚的薄片，取20 g干姜片投入水上挥发油提取器的料管中，在圆底烧瓶中加入300 mL水，进行水上蒸馏，蒸馏时间为2.5 h，精油提取率为0.99%。

1.5 精油成分分析

对水中提取法、微波辅助水中提取法和水上提取法所得的姜精油分别采用GC-MS进行成分分析。将精油用正己烷稀释10倍，无水硫酸钠除水，过0.45 μm微孔有机滤膜。色谱条件：色谱柱HP-5MS(30 m×250 mm×250 μm)，进样口温度250 ℃，柱升温程序为初始温度50 ℃，以5 ℃/min升至250 ℃，保持5 min。载气为氦气，载气流量1.0 mL/min，分流比100∶1，流速1 mL/min，进样量1 μL。质谱条件：离子源EI，电子能量70 eV，扫描范围40～350 amu。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 姜粉粒度对姜精油提取率的影响

姜粉粒度分别为10，40，80，100目时，精油提取率分别为0.13%、0.27%、0.54%、0.72%。

由图1可知，提取率随着粒度的减小而明显增大。但若姜粉的粒径太小，在水蒸气蒸馏时粉末会随着蒸汽进入提取的精油中，致使精油浑浊。而且在蒸馏后期，精油会出现白色不溶物。分析其原因可能是姜醇受热脱水转化为姜烯，且姜烯在蒸馏时会发生聚合现象而形成一类不溶性聚合物。

图1 姜粉粒度对提取率的影响Fig.1 Effect of ginger powder particle size on extraction rate

2.1.2 浸泡时间对姜精油提取率的影响

当浸泡时间分别为0，0.5，1.0，5.0，12.0 h时，姜精油提取率分别为0.9%、1.08%、1.17%、1.08%和1.00%。

由图2可知，精油的提取率随着浸泡时间的增加呈现先增加后减小的趋势。姜粉浸泡1 h时，姜精油提取率达到最高，为1.17%。

图2 浸泡时间对提取率的影响Fig.2 Effect of soaking time on extraction rate

2.1.3 料液比对姜精油提取率的影响

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

由图3可知，随着料液比的增加，精油提取率呈现出先增后减的趋势。料液比为1∶25时，精油的提取率最高，为1.22%。实验中发现，料液比对提取过程有较大的影响，当料液比低于1∶15时，姜粉会与水形成膏状物，物料与水接触不充分，影响提取过程。

图3 料液比对提取率的影响Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate

2.1.4 蒸馏时间对姜精油提取率的影响

蒸馏时间分别为20，30，60，120，300，600 min时，姜精油的提取率分别为0.36%、0.45%、0.54%、1.08%、1.13%和1.17%。

由图4可知，随着蒸馏时间的增加，姜精油提取率呈明显的上升趋势，但在蒸馏120 min后，提取率增大不明显。

图4 蒸馏时间对提取率的影响Fig.4 Effect of distillation time on extraction rate

2.2 正交实验结果

根据单因素实验结果，将姜粉粒度、浸泡时间、料液比、蒸馏时间作为优化因素，以精油提取率为衡量指标进行4因素3水平的正交实验，结果见表2。

表2 正交实验结果Table 2 The results of orthogonal test

由表2可知，极差RD>RC>RA>RB，说明蒸馏时间(D)对精油提取率的影响最大，其次是料液比(C)、粒度(A)，而浸泡时间(B)对精油提取率的影响较小。水中蒸馏法提取姜精油的较佳条件为 A3B1C2D3，即姜粉粒度120目、浸泡时间0.5 h、料液比1∶25 (g/mL)、蒸馏时间2.5 h时，精油的提取率可达到1.44%。

2.3 精油 GC-MS 物质成分分析

3种提取方法得到的姜精油分别经GC-MS分析，结合NIST 1谱库、保留指数及相关文献进行比对分析[5-7]，并采用面积归一化法计算各成分的相对百分含量，结果见表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，经水中蒸馏提取法、微波辅助水中提取法、水上蒸馏提取法提取的姜精油共有37种化合物，其中相同成分有16种。3种方法提取的精油均含有姜精油的主要成分，包括β-红没药烯、γ-杜松烯、α-姜黄烯、β-愈创木烯、α-姜烯、β-倍半水芹烯、L-香芹醇、β-蒎烯等。但是3种方法在有些组分或成分含量上有明显的差异，微波辅助水中提取法所得精油中α-雪松烯(32.79%)的含量远远高于普通的水中蒸馏法提取的精油，是水中蒸馏法的数十倍，而α-姜烯的含量为4.65%，低于其他两种方法。另外，微波辅助提取法精油中还分析出柠檬醛(1.14%)和α-可巴烯(0.33%)等其他两种方法中没有的特有组分。

水上蒸馏法采用了隔水蒸馏法，其精油成分与水中蒸馏有较大差异，鉴定出了27种化合物，其中有6种特有的成分，分别为D-柠檬烯(11.81%)、α-金合欢烯(4.16%)、桉油精(2.95%)、3-蒈烯(2.25%)、月桂烯(0.76%)、α-马榄烯(0.40%)。另外，水上蒸馏精油中的α-姜烯(21.10%)、γ-杜松烯(5.28%)等含量均明显高于另外两种方法所得精油。 但β-倍半水芹烯、β-红没药烯的含量明显低于水中蒸馏法。

3 结论

本文首先对水中蒸馏法提取姜精油的条件进行了优化，精油的提取率可以达到1.44%。采用微波辅助水中蒸馏法提取姜精油，提取效率有一定的提高，在相同提取率的情况下，提取时间缩短近1倍。对3种不同提取方法所得姜精油经GC-MS分析对比，结果显示：3种精油成分有明显的差异，微波法得到的精油中α-雪松烯含量高达32.79%；水上蒸馏采用一种新型的挥发油提取器，鉴定出了D-柠檬烯(11.81%)等多种特有的成分，为生姜在中药资源中的开发利用提供了一定的理论依据和物质基础。