生姜活性成分提取工艺研究进展

石佳佳， 赵咪雪， 岳治光， 常 娟 ， 刘超齐， 金三俊

（1.河南农业大学动物科技学院，河南 郑州 450046；2.河南安进生物工程有限公司，河南 驻马店 463800）

生姜属姜属科多年生草本植物，又名黄姜、地辛、 百辣， 原产于中国和东南亚以及其他热带地带，目前世界各地都有种植，但主要分布在亚洲东部的中国、日本、印度等国家。 各地方生姜品种在植株大小、根茎形态、活性成分等方面差异显著。国内有许多优良生姜地方品种，例如山东的肉姜、四川的竹根姜、浙江的红爪姜、安徽铜陵的白姜、台湾的肥姜等。 生姜化学成分比较丰富， 含碳水化合物、蛋白质、纤维素、各种维生素和矿质元素等营养成分，同时含有姜酚、黄酮类、醇类和烯类等活性成分。不同品种、生长期和产地生姜的营养成分和活性成分有所差异。

生姜广泛应用于人们日常饮食中， 具有抗氧化、抗菌、镇痛、抗炎和保肝等多种医药功能，在历代治疗妇科、内科、骨伤科疾病的活血化瘀方剂中多有使用，根据最新《饲料原料目录》，生姜可用作饲料原料。相对于生姜粉，生姜提取物具有效果稳定、添加量小的优点（Ali 等，2008），开发生姜提取物作为饲料添加剂，具有重要的生产意义。本文对生姜活性成分提取工艺进行阐述， 为生姜等植物源饲料添加剂的开发及在畜禽生产中的应用提供参考。

1 生姜的活性成分及其应用

1.1 生姜的活性成分 不同工艺处理生姜得到的产物不同，分为挥发油和姜油树脂。生姜中的活性成分主要为姜酚， 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-姜酚为主，其具有抗癌、抗氧化、抗菌、解热和抗炎、肝肾保护、中枢神经系统保护、抗过敏和抗胃酸等活性（Semwal 等，2015），其β-羟基酮在高温或酸性条件下不稳定， 容易脱水并转化为姜醇。 Dugasani 等（2010）比较6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚以及6-姜酚的抗氧化和抗炎作用，结果表明6-姜酚具有较强的抗氧化和抗炎作用。

1.2 生姜及其活性成分在畜牧业生产中的应用Ali 等（2019）探究生姜和大蒜对肉鸡肠道功能及完整性的影响， 发现添加生姜和大蒜后肉鸡饲料摄入量、体重和饲料转化率显著提高，可明显改善球虫感染鸡的卵巢脱落和损伤；Al-khalaifah 等（2022） 在肉鸡饲料中添加不同剂量的生姜提取物， 观察到生姜提取物可以提高饲料转化率和血清和肝脏的抗氧化指数，显著降低甘油三酯、血液胆固醇和极低密度脂蛋白水平；Ibtisham 等（2019）在热应激条件下的蛋鸡饲料中添加生姜粉和中草药， 发现中草药和生姜粉添加组的总抗氧化能力 （T-AOC） 水平和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）显著提高；Lee 等（2013）探究生姜提取物对新生仔猪和母猪免疫功能的影响， 结果表明生姜提取物可显著提高血浆中抗氧化和酚类化合物的总水平， 以及血浆和母猪初乳中的免疫球蛋白（IgG） 的浓度， 增强仔猪的免疫功能；Wen 等（2019） 探究生姜提取物对蛋鸡生产性能的影响，结果表明饲粮中添加生姜提取物可增加蛋鸡的蛋重，降低蛋黄胆固醇含量，改善鸡蛋品质，提高其抗氧化能力；An 等（2019）在蛋鸡饲料中添加生姜提取物， 发现生姜提取物可显著提高蛋鸡生产性能、抗氧化性能和免疫功能。 综上，生姜及其活性成分在畜牧业生产中具有较高的应用价值。 通过技术的优化和改进， 开发高效的生姜活性成分提取工艺， 对于饲料资源的开发和产业化应用具有重要的意义。

2 生姜活性成分提取工艺

目前， 生姜活性成分提取工艺主要有水蒸气蒸馏提取、溶剂浸提、微波辅助提取、超高压辅助提取、超声辅助提取工艺、超临界CO2提取和微生物辅助提取等。

2.1 水蒸气蒸馏 水蒸气蒸馏利用高温蒸发，生姜中的挥发性成分会随着水蒸气一并析出， 经过冷凝水油分层， 即可得到含有挥发性成分的挥发油（Padilla-de 等，2021），也可利用道尔顿分压定律增大混合体系的蒸气压， 使沸点未达到水及其挥发性成分沸点就开始沸腾，加快蒸馏的速度，该工艺产物为挥发油。

Shirooye 等（2016）对生姜挥发油进行分析，得出55 种成分，占总成分的94%。 生姜挥发油主要成分为倍半萜烯类物质，以α-姜烯、氧化倍半萜以及单帖烯类碳水化合物为主 （葛毅强等，2004）；鹿浩志等（2019）提取山东生姜精油并对其进行分析，共得出56 中化合物，以α-姜烯、β-倍半水芹烯、β-红没药烯、β-法尼烯、α-姜黄烯为主；马希汉等（2004）对水蒸气蒸馏保加利亚玫瑰精油工艺条件进行优化， 得出在液固比4:1（mL/g）、75%装样量、蒸馏时间4 h、蒸馏速度200 mL/h 条件下出油率最高；Sener 等（2017） 提取生姜挥发油，分析其化学成分并对18 种微生物进行了抑菌活性测定， 结果显示生姜挥发油中姜叶皂苷最多占16.32%，且对18 种微生物均具有抑制作用。

水蒸气蒸馏工艺所需溶剂简单， 但需要高温条件，操作具有一定安全隐患，材料消耗量大，生产成本高。

2.2 溶剂浸提 该工艺根据其在不同极性溶剂中溶解度不同的原理，提取分离混合物，可根据要求选择合适的提取剂。生姜主要活性物质姜酚，微溶于水，可溶于石油醚、乙醇、乙醚、苯、氯仿、甲醇、醋酸等溶剂。 Ng 等（2020）分别对比水、甲醇、乙酸乙酯和正己烷四种不同极性溶剂对积雪草、麝香、 草胡椒和四棱豆四种植物的总酚含量、单宁、黄酮、铁还原力和自由基清除活性的影响，结果显示溶剂极性指数与总酚含量、单宁、铁还原力及自由基清除活性呈较强的线性相关， 溶剂极性越高越有利于酚类抗氧化剂的提取；Wakeel 等（2019） 采用14 种极性不同的溶剂提取板蓝根中的总酚和总黄酮， 结果表明溶剂极性对总酚和总黄酮提取率影响较大， 主要随溶剂极性指数的增加而增加。 Jan 等（2022）比较了干姜和鲜姜在水、乙醇、乙酸乙酯和丙酮的总酚含量，结果表明乙醇提取的总酚含量最高，与Yousfi 等（2021）研究结论接近，75%乙醇总酚含量最高， 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， 结果显示甲醇提取物中活性物质含量最高，正己烷最低。

溶剂提取所选溶剂种类多， 但因其他溶剂有一定毒副作用， 仅乙醇可作为提取剂应用于大批量生产。 该工艺提取速度慢，溶剂消耗量大，提取率低，但操作简单。

2.3 微波辅助提取 微波是电磁波，其由电场和磁场组成， 相互垂直振荡。 某些物质可以吸收微波，并产生热量，微波能的加热通过离子传导和偶极旋转直接作用于分子上， 根据提取剂的介电常数进行选择性和针对性的加热 （Chan 等，2011）。微波可使被提取物质从原有位置分离， 进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的提取剂中。对于不相溶的物质几乎不起作用。 也可经微波处理之后再溶剂提取。 该工艺受提取溶剂、固液比、提取物质粒、提取时间、微波功率、温度等方面的影响，可优化条件以达到最好的效果。

Varghese 和Pare（2019）探究微波辅助提取对大豆提取率和提取物蛋白质含量的影响， 结果表明提取率和蛋白含量均显著提高；Leao 等（2018）探究微波加热提取油桃木果皮果胶最适条件，结果表明在微波功率600 W， 温度108 ℃条件下提取率最高；Xiao 等（2008）在提取黄芪总黄酮时发现，在1000 W 的高微波输出功率下，黄芪总黄酮的提取率先随着温度升高而升高， 温度高于110 ℃时提取率开始下降， 说明黄酮类化合物会在微波下因热降解而导致损失；Tsubaki 等（2010）研究表明，从乌龙茶中提取酚类化合物时，多酚提取率随着提取温度的增加而增加，最佳微波温度为170 ℃，进一步提高温度会降低提取率；Guo 等（2015）使用微波辅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，结果显示微波处理后6-姜烯酚、8-姜烯酚和10-姜烯酚比未加工分别高12 倍、17 倍和19 倍。

微波处理由于其特殊的机制，在成本增加不多的情况下， 可以大大加快提取速度和增加提取率，但在一定程度上会影响热敏感提取物的提取率。

2.4 加压溶剂提取 在溶剂提取的基础上超高压处理，会对细胞造成一定破坏，导致提取溶剂更多地进入到细胞中，被提取成分溶解至溶剂中，随溶剂扩散到细胞外。 使得其提取率提升。 同时高压可以降低溶剂极性， 有利于低极性化合物的选择性提取（Sarip 等，2014）。

Palaniyandi 等（2017）使用加压水结合水解酶提取人参皂苷， 观察到其主要要成分人参皂苷Rg1 和Rb1，结果表明纤维素酶、淀粉酶和果胶酶在压力100 MPa、pH 4.8、 提取温度45 ℃条件下联合处理12 h，提取率最高。Shinwari 等（2018）探究加压水提取藏红花中的藏花素、苦番红花素和藏花醛，结果表明在压力580 MPa，提取温度50 ℃条件下提取5 min 时提取率最高， 提取率会随着压力的增加而增大，温度的增大而降低；张萍萍等（2015）对比了乙醇回流、超声辅助乙醇、加压辅助乙醇、 超声-加压和超声-回流五种提取工艺，提取石榴籽中的油脂类成分， 结果表明超声-回流提取率最高，加压辅助乙醇次之；Ko 等（2019）使用加压水从姜根茎中提取姜酚，结果表明姜酚的提取率会随着温度的增加先增加后降低，130 ℃时会显著增加，但当温度达到170 ℃，加压25 min以上提取率开始降低， 可能是由于高温导致姜酚降解所造成的；Zhang 等（2007）探究了超高压提取人参皂苷的工艺，结果表明，与其他提取技术相比，超高压具有提取率高、耗时短、耗能低等优点。

2.5 超声波辅助提取 超声波是利用声波产生高速、强烈的空化效应和搅拌作用，破坏植物药材的细胞，使溶剂渗透到药材细胞中，此提取工艺受工作时间、功率、溶媒和液固比等影响，需要具体根据实际仪器确定影响因素。 酚类物质遇热不稳定，易氧化，超声提取的中低温环境对姜酚具有保护作用。 该工艺可大大降低提取时间，提高提取效率。

姜少娟等（2014）探究超声辅助乙醇提取生姜中黄酮最适条件，结果显示生姜中黄酮提取率乙醇浓度在80%、液固比12:1（mL/g）、提取温度50 ℃、提取时间15 min 条件下最高，为10.42%；苗敬芝等（2011）对比超声辅助水和超声结合酶提取生姜中水溶性膳食纤维的影响，结果表明超声辅助水工艺下的水溶性膳食纤维提取率为10.02%， 超声结合酶工艺提取率为13.86%；李祖光等（2013）比较水蒸气蒸馏、微波-水蒸气蒸馏、超声-水蒸气蒸馏和超声微波-水蒸气蒸馏四种工艺对鲜生姜挥发油提取的影响， 结果显示四种工艺提取率分别为0.91%、0.87%、0.94%和0.88%，超声-水蒸气蒸馏提取率最高；Anaya-esparza 等（2018）探究超声提取墨西哥金银花叶中的酚类化合物最适条件，并对比了该条件下超声提取、常温水提和热提取对提取率的影响，结果显示在220 W 功率下提取2 min 时的提取率最高， 高于常温水提和热提取；Jacotetnavarro 等（2016）将鲜生姜打碎之后超声波提取姜浆中的6-姜酚和6-姜醇， 结果显示超声能提高整体的提取率，6-姜酚和6-姜醇提取率增加了26%。

超声辅助提取具有廉价、广泛、快速和不使用毒副溶剂的优点。此外，该提取工艺可在较低的温度下进行，避免了热敏感物质的降解。

2.6 超临界流体提取 超临界溶剂现最常用的是CO2，超临界流体提取默认是超临界CO2提取。CO2常温常压情况是一种无色无味的气体， 当温度压力增高达到液、气两态相界面消失的状态点，处于气液不分状态，CO2就成为一种溶解能力强的流体， 可作为溶剂提取生姜等天然植物的有效成分， 提取后恢复常温常压状态，CO2变成气体，因此，提取物产物无溶剂残留。

Mesomo 等（2012）和Salea 等（2017）通过超临界CO2处理得到生姜提取物，结果显示压力和CO2流速与提取率呈正相关，认为压力增加了溶剂的密度，从而增加了提取化合物的溶解度，同时流速高会降低传质阻力，减少提取时间；李银塔等（2009）探究了超临界CO2提取生姜挥发油最适条件，得出在压力25 MPa，温度40 ℃，CO2流量30 kg/h，时间100 min 条件下，生姜挥发油提取率最高，其中压力和温度条件影响较大；曾凡逵等（2006）比较了丙酮提取、乙醇提取和超临界CO2提取三种工艺提取生姜中的姜酚含量，结果表明，超临界CO2提取工艺下姜酚含量最高（约为0.72%）， 显著高于溶剂浸提；朱艺佳等（2023）采取水蒸气蒸馏提取、乙醇浸提和超临界CO2提取三种工艺提取贵州生姜中酚类化合物，并对化合物进行定性分析。 结果显示不同提取方法提取的姜精油化学成分接近， 超临界CO2法酚类物质提取率较高。

该超临界流体提取在合适压力条件下无毒、不爆、易得、环保、避免使用毒害溶剂等，又可防止热敏性物质氧化失活，易于从提取物中分离，提取后的原料可充当饲料或继续提取其成分（Yousefi 等，2019）， 但此工艺会因高压使理化性质发生一定的改变，同时生产成本高，对生产安全要求较高。

2.7 微生物法 微生物在生物医药领域涉猎广泛， 现有研究发现微生物可以降解食品和饲料中残留的毒素； 经微生物发酵后的饲料可改善肠道内环境，从而提高饲料消化率；微生物还可应用于粪便除臭，减少环境污染。对于植物活性成分的提取，可选择具有靶向性的生物，比如具有降解纤维素能力微生物，可破坏植物纤维素结构，被提取成分更多的渗透出来。该技术具有绿色、不使用有害溶剂、安全且靶向性高等优点，适合规模化生产。

Saleh 等（2018）利用绿色木霉对生姜进行固态发酵， 结果表明发酵后的姜总酚含量显著提高，其发酵最优条件为pH=6、温度30 ℃、湿度30%，发酵后生姜提取物具有抗氧化和抑菌作用； 周颖等（2018）使用酵母菌、副干酪乳酸菌和醋酸杆菌对生姜进行发酵，结果显示，第4 天时总姜酚含量最高，发酵产物抗氧化活性变化趋势与总酚含量呈正相关；梅晓丹等（2020）使用纤维素酶和果胶酶对生姜进行发酵， 表明发酵后总姜酚化合物显著增加，以姜酚、姜烯酚和副姜油酮为主；朱倩等（2022）使用植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌对生姜水蒸气蒸馏后的副产物进行发酵，表明发酵液的抗氧化活性均呈上升趋势；郭京波等（2019）使用根霉对姜油树脂进行发酵，最优条件为接种量1%孢子悬液，33 ℃培养4 d，发酵后抗氧化活性可提高69.10%。

微生物发酵产物具有更高的纯度、 稳定性和活性，无污染。生物发酵法在植物多酚的提取中具有广阔的应用前景。

3 展望

目前，我国畜牧养殖业正向着绿色、安全且高效的方向发展。植物提取技术日新月异，由传统的浸提、索氏提取到超临界提取和生物发酵。研究和开发合适的生姜活性物质提取工艺， 对于生姜资源的利用和无抗饲料添加剂的开发， 以及畜牧业的健康可持续发展具有重要意义。