生姜中姜辣素的提取与功能研究进展

于泽，韩肖洋，陈静，陈烁，杨明珠，李宛，王若岚，臧渤煦，闫兆伦，刘晔

（河北农业大学理工学院，河北 沧州 061100）

生姜在我国的种植面积十分广阔，因为种植地区的差异，导致生姜中营养成分的结构和含量也有所不同，使生姜具有多样性。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学功能。姜辣素是生姜中姜酚、姜脑等一类不易挥发并且具有微辣味活性物质的化学总称[1]。研究者对于姜辣素成分的研究已有久远的历史，1969年初步确定了姜酚中所含酶是由一系列类似酶的化合物共同组成的，通过建立线性检测范围并采用高效线性液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）进行检测，可以准确分析各种生姜中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]。姜辣素作为生姜中主要营养物质之一，其富含多种生物活性，如抗肿瘤、抗菌、降血压等，研究者对于生姜中姜辣素的提取以及生姜中姜辣素功能的开发在不断进行[3]。综上所述，姜辣素具有较高的研究价值。

1 姜辣素提取预处理

生姜的干燥属于预处理阶段，对整个试验过程有重大影响，鲜姜在干燥过程中分子量小、沸点低的挥发性风味物质会逸出损失，造成了姜精油含量降低。同时在加热过程中姜酚转化成姜酮和姜烯酚，造成了姜辣素含量降低，所以需要进行前期的预处理，对生姜进行干燥，目前生姜干燥工艺有热风干燥、真空干燥、微波干燥、红外干燥、冷冻干燥。

1.1 热风干燥

热风干燥技术又称热空气干燥，Ren等[4]分别研究了纵切（longitudinal cut，Lc）和横切（transverse cut，Tc）以及热风干燥（hot air drying，HD）工艺对干姜理化性质的影响，测定生姜的收缩率、硬度、复水率、色泽、姜辣素、总酚和黄酮含量、抗氧化活性及挥发性成分。结果表明，与Tc相比，Lc明显缩短了干姜的干燥时间，降低了15.12%～29.6%，并且干姜的物理特性（收缩程度、硬度、复水率）有所改善，但是热风干燥的时间略长，为了有效保证前后姜片的光润色泽，干燥过程温度一般不宜高于超过70℃。李晴晴等[5]研究了热风干燥过程中温度对姜酚含量的影响。结果表明，60℃是最合适的干燥温度。热风干燥的优点主要有设备简单、操作容易、适合大规模的工业化生产应用，但是存在干燥效率低、干燥时间长、对物料的品质破坏较大等缺点。

1.2 真空干燥

真空干燥是将物料在隔绝低温的高低压或者隔绝氧气的低温环境下进行的一种干燥方式。通过真空降低物料大气压，物料中水分的恒定沸点也随之降低，在这种低温条件下就可以使其变成水蒸气蒸发。在隔绝氧气的低温环境下可以大大避免干燥过程中发生氧化、褐变等不良反应，不会破坏物料产品的风味、外观、色泽以及其他营养成分。Thorat等[6]研究了不同温度对姜片干燥的影响，结果表明，40℃～65℃是姜片干燥的合适真空温度适应范围。Hawlader等[7]研究了生姜真空干燥对于生姜中6-姜酚色素保留率的影响，结果表明，45℃真空干燥对6-姜酚保留率高于热风干燥和冷冻干燥。相较于热风干燥，真空干燥对物料的风味和组分的保留较好，但是对设备的要求较高，干燥时间长等缺点。

1.3 微波干燥

微波干燥是利用各种物料中极性相同的分子在与静电场相反方向进行迅速微波运动，产生较高热量，进而使水分迅速蒸发，达到对干燥物料内部进行干燥的目的。Hussain等[8]研究了微波干燥对姜的芳香化学物质的影响，结果表明60℃条件下利用微波干燥技术可以很好地控制新鲜姜片等产品的芳香质量。微波干燥与热风干燥对比，食品风味稳定性明显较好。Kubra等[9]研究了微波干燥对姜的不同挥发油含量、色泽、总酚含量、6-姜酚含量以及提取物抗氧化活性的影响，结果表明加热功率800 W更适宜于生姜干燥，此功率下生姜的理化性质得以完整的保存。生姜微波干燥对于生姜中6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚含量的不同影响，结果表明，微波干燥对姜酚的破坏较大。刘丽等[10]通过对鲜姜产品微波干燥的湿热程度进行分析，结果表明，仅采用单一功率微波干燥方法不易控制鲜姜产品的干燥散失程度，在产品水分迅速散失程度达到65%～70%后，可以继续使用40 W缓慢干燥。由于微波干燥加热时，加热干燥速度较快，物料内部干燥温度很高，导致干燥物料过程中容易出现物料过热而焦糊，并且干燥终点不易准确判断，容易造成物料干燥过度，对干燥物料内部破坏很大。

1.4 红外干燥

物料中所含的水分、有机物和金属大分子等成分对红外线有很强的核磁吸收能力，当红外线发射频率与其他物料中大分子本身固有的核磁振动发射频率完全相符时，物料吸收到的能量大并能产生核磁共振现象，从而达到对物料进行干燥的目的。由于短波远红外线技术产生的红外长波不能直接透过物料水分，只能被表层物料吸收，所以非常适合蔬菜或者薄层果蔬干燥。目前国内短波红外干燥技术可以直接透过物料表面对干燥物料内部水分进行长波加热。红外干燥在生产马铃薯、胡萝卜、苹果、香蕉等果蔬干燥材料方面也都有着广泛应用价值。张钟等[11]利用远红外技术对鲜姜进行干燥，得到的新鲜干姜粉的得率高、容量高、水合乳化能力、吸油乳化能力、对感官刺激性均较好。陈燕等[12]先将在40℃高温条件下进行红外干燥得到的鲜干姜磨成粉，再利用红外超临界温度CO2萃取姜油树脂，结果表明，40℃红外干燥可以很好地保留鲜姜油和樟树脂的化学含量。但红外干燥存在材料电能消耗较大的缺点。

1.5 冷冻干燥

冷冻干燥在干燥物料过程中几乎没有高温加热压缩过程，可以最大程度地保留干燥物料本身原有的色、香、味、组织结构形态以及各种重要营养成分。Tambunan等[13]利用冷冻干燥技术对鲜姜进行干燥，结果表明冷冻干燥的鲜姜耐热品质有所提高，显著优于35℃～40℃热风干燥的鲜姜。Huang等[14]研究了冷冻干燥对新鲜生姜中6-姜烯酚和苯含量的影响，结果表明对生姜进行冷冻干燥后，苯酚姜油内酯树脂的得率最高。但冷冻干燥具有干燥设备耗能高、投入大的缺点，目前多数应用于高附加值产品的干燥。

2 姜辣素提取

2.1 溶剂提取法

溶剂提取法主要采用相似相溶的化学原理，根据姜辣素的溶解性，选择恰当的碱性溶剂对其进行提取，尽量减少其他辣素成分的渗出。考虑到姜辣素的溶解性以及安全性，所用溶剂主要是三氯乙醇。邓仙梅等[15]以姜辣素提取率为指标，研究了姜中姜辣素的乙醇性和回流性。通过正交试验优化提取条件，得到最佳的提取工艺为乙醇添加量80%、料液比1∶10（g/mL）、提取时间1.0 h、提取3次。该工艺条件下，姜辣素提取率为55.87 mg/g。廖钦洪等[16]研究得出乙醇浓度、浸提温度和料液比对姜辣素乙醇提取结果影响较大。最佳浸提提取工艺为乙醇浓度72%、料液比1∶57（g/mL）、浸提温度54℃、提取时间1.25 h。该生产工艺下，姜辣素提取率为0.94%。张鲁明等[17]将生姜干燥后粉碎过60目筛、乙醇浓度80%、料液比1∶10（g/mL）、浸提温度50℃、提取时间2.0 h。该生产工艺下，姜辣素提取率可达1.61%。魏锐等[18]利用响应面法优化最佳浸提提取工艺条件为乙醇浓度80%、料液比1∶12（g/mL）、浸提提取温度70℃，该生产工艺下，姜辣素提取率可达1.67%。

综上所述，乙醇浓度、料液比、提取温度、提取时间和提取次数影响生姜中姜辣素提取率。溶剂提取易于操作、工艺简单、提取率较高且易回收、成本较低、适于工业化生产，但存在时间过长、溶剂用量大、产品杂质较多等问题。

2.2 超声辅助提取法

赖海涛等[19]采用单因素法得出最佳乙醇提取工艺为乙醇体积分数不超过85%，超声功率200 W，料液比1 ∶14（g/mL），超声时间 30 min。该工艺下，姜辣素提取率为1.86%。项敏等[20]利用超声辅助提取法，联合正交试验优化的最佳方法提取条件为超声功率600 W，乙醇浓度60%、料液比1∶15（g/mL）、提取温度25℃、提取时间10 min。该生产工艺下，姜辣素提取率为5.14%，提取率有所提高，时间也缩短。李萍等[21]提高了超声温度，利用正交试验法优化得到的最佳工艺条件为无水乙醇作有机溶剂、生姜姜辣粉选取60目～80目、超声功率 231 W、料液比 1∶25（g/mL），在此工艺下，姜辣素提取率为6.896%。雍其欢等[22]采用乙醇浓度80%、超声时间10 min、料液比1∶15（g/mL）、超声温度50℃，该条件下进行超声辅助提取，平均提取率可以达到2.029%。

综上所述，超声辅助提取能缩短提取时间、效率较高，并且在提取过程中温度较低，适应范围广，对姜辣素的品质影响小，但超声波进行提取成本较高。

2.3 微波辅助提取法

微波辅助提取法是利用高频电磁波快速穿透细胞，使温度升高导致细胞破裂，提高溶剂分子渗透率的速度，将有效成分流出并溶解于溶剂中的一种高效提取方法。汤秀华等[23]通过正交试验优化的乙醇提取最佳工艺为微波功率220 W、微波温度55℃、微波时间100s。在此条件下姜辣素提取率为1.989%。朱沛沛等[24]通过正交试验法优化的最佳微波提取工艺为聚乙醇体积分数80%、料液比1∶14（g/mL）、微波功率300 W、微波温度55℃、微波时间120 s。在此条件下，姜辣素提取率为1.710 8%。陈莉华等[25]优化的微波辅助乙醇提取姜辣素的最佳工艺条件为乙醇浓度66%、料液比 1 ∶16（g/mL）、微波功率 300 W、微波时间 70 s，姜辣素提取率1.76%。

综上所述，微波辅助提取姜辣素具有良好的选择性，能缩短提取时间，达到较高提取效率等优势，但该工艺前期投入相对较高。

2.4 酶法提取

酶法的酸化提取主要是利用复合酶酸化反应的高度专一性的特征，选择适当的酸化酶破坏酸性细胞的壁膜和结构、减少传质阻力、加快物质溶解[26]。孙昕等[27]利用纤维素酶提取姜辣素，经正交试验进行优化后的提取工艺为料液比1∶50（g/mL）、酶用量0.95%、酶解温度50℃、酶解时间90 min。该工艺下，姜辣素提取率1.85%。

酶法利用酶作为试剂，无毒无害，并且没有多余溶剂的残留，对环境起到了保护作用，但是目前酶解法所需时间长，而且成本较高，不适用于大规模的生产。

2.5 协同提取法

采用两种或两种以上的提取方法协同提取，可实现优势互补[28]。于博等[29]采用超声和低温冻融对姜辣素进行提取，超声时间40 min，姜辣素提取率为2.98%。徐丽萍等[30]研究纤维酶与超声辅助提取姜辣素的工艺，加入纤维酶酶解1 h后，再加入无水乙醇提取0.5 h，两种方法协同发挥作用，姜辣素的提取率达到4.770 1%。

综上所述，协同提取可提高姜辣素提取率，符合工业生产要求，可广泛推广。

3 姜辣素的生理活性

3.1 抗肿瘤

姜辣素有细胞毒性，通过引导癌细胞凋亡，可以达到抑制癌细胞生长的目的，姜辣素中10-姜酚和8-姜酚对三阴性乳腺癌有较高的抑制作用[31]。6-姜酚能调节细胞通路，将M2巨噬细胞重新编程为M1巨噬细胞，从而达到抑制癌症细胞的生长和转移的目标[32]。6-姜酚能够通过调控遗传物质复制以及核小体的形成，达到抑制宫颈癌Hela细胞的增殖和促进细胞凋亡的目的[33]。生姜中的辛辣成分可以阻隔羟色胺（5-HT3）的受体，这些辛辣成分与已知的5-HT3受体拮抗剂不同，具有独特的化学结构，而姜辣素不仅能与5-HT3受体发生作用，还可以与其他受体发生阻隔作用，使姜辣素具有止吐作用，进一步与抗癌药物联合使用，不仅可以提高药效，减少化疗所产生的不良反应，从而降低了药物副作用[34]。

3.2 治疗关节炎和骨质疏松

类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种病因未明的自身性免疫疾病，姜辣素有免疫调节、改善免疫应答的机制的作用，6-姜酚具有抗炎和止痛的作用，对于各种关节肿胀具有显著疗效[35-36]。Zang等[37]用小鼠单核巨噬细胞白血病细胞（RAW264.7）破骨细胞分化试验（体外）和斑马鱼骨质疏松症模型（体内）评价生姜成分对破骨细胞形成的影响。通过抗酒石酸盐酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase，TRAP）染色，发现含有10-姜酚的部分抑制了RAW264.7细胞的破骨细胞生成。以斑马鱼为试验材料，研究10-姜酚和黄姜酚对强的松龙诱导的骨质疏松症再生鳞片中破骨细胞生成的抑制作用。基因表达分析显示，10-姜酚抑制RAW264.7细胞中的破骨细胞标志物[破骨细胞相关免疫球蛋白样受体，树突细胞表达7个跨膜蛋白，基质金属肽酶9（mmp9）]和斑马鱼鳞片[破骨细胞特异性组织蛋白酶 k（ctsk），mmp2 和 mmp9]。

3.3 抗氧化

人体所产生的自由基是导致疾病、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阴离子自由基清除作用，研究显示姜辣素对于自由基的清除效果较好[38]。6-姜酚可以减少棒曲霉素引起人体肝癌细胞内活性氧水平的升高以及减少8-羟基脱氧鸟苷的升高，同时升高谷酰甘肽的含量，从而验证出6-姜酚的抗氧化作用。姜辣素的抗氧化作用与侧链结构、反应介质和底物有关[39]，从链长6个碳延长到12个碳，显著降低DNA链的断裂，增强抗溶血活性，因此10-姜酚的抗氧化性较强[40]。

3.4 抑菌

姜酚对于各种细菌均有较强抑制作用，例如金黄色葡萄球菌、痢疾志贺氏菌、黑曲霉菌丝等[41]。姜酚可以通过破坏金黄色葡萄球菌细胞壁的通透性和完整性，使细胞发生溶解，产生空腔。姜酚还可以使黑曲霉菌丝的结构发生收缩变形，使表面变得粗糙，甚至变得干瘪，从而使菌丝内部的细胞质和细胞器溶解，形成大量空泡，从而抑制黑曲霉菌丝的繁殖，降低几丁质的含量，但是姜酚不会改变细菌的DNA序列[42]。

3.5 调节血压、降血脂

姜酚和其脱水降解产物对血管收缩舒张的影响明显，其作用机理与人体的血液调节相关，能起到降低血压的功效。研究发现，敲打ApoE基因的小鼠灌胃姜酚10周后，小鼠体内血清甘油三酯减少，主动脉粥样硬化的程度减轻[43-44]。Almatroodi等[44]用单剂量新鲜制备的55 mg/kg链脲佐菌素（streptozocin，STZ）对小鼠进行腹腔注射，会造成胰岛朗格汉斯胰岛β细胞变性，从而诱发糖尿病。糖尿病大鼠灌胃6-姜酚（10 mg/kg），连续8周，每周检查体重和空腹血糖水平。对处理后的大鼠进行脂质剖面、肾脏剖面、抗氧化酶水平、脂质过氧化和抗炎标记物水平等生化指标的测定，用苏木素-伊红染色法检查肾脏病理情况，结果显示姜辣素通过调节氧化应激和炎症反应减轻链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠肾脏损伤。

4 姜辣素在食品中的应用与存在问题

姜辣素在食品中能发挥抗氧化作用，姜辣素所制成的薄膜可以抑制冷却猪肉脂肪发生氧化，延长猪肉的保鲜期。姜辣素所制得的保鲜膜应用于鸡蛋保鲜中，发现其具有绿色、天然等特点，并且可延长鸡蛋的贮藏期[45-46]。在鱼片制品中加入姜辣素，可减少脂肪氧化，延长食物的保存期[47-48]。

姜辣素因其特有的疗效，应用前景十分广阔。但在加工过程中，姜辣素中的酚类物质不稳定，容易损失。另外，酚类物质与蛋白质等物质结合，会产生沉淀，造成饮料不澄清，随着澄清剂的发展，这一问题有望得到解决[49]。

5 总结与展望

我国的生姜资源十分丰富，对于开发利用生姜中的姜辣素有先天的地理资源优势，姜辣素作为生姜中的重要组分，已应用于治疗骨质疏松、抗氧化等方面，本文主要综述了姜辣素预处理以及提取的方法，对姜辣素的功能进行总结，以期为姜辣素的提取以及应用提供理论支持。姜辣素的研究前景广阔，但姜辣素的组成部分较为复杂，目前提取系统并不完善，难以形成产业链，缺少理论基础作为支撑，需要有更好的方法去分离姜辣素，更为深入地研究姜辣素的提取工艺，创新生姜中姜辣素的提取技术，实现生姜中姜辣素的高效提取。