生姜精油CO2超临界提取工艺优化及其抗肿瘤活性研究

杨淼 高利 苏慧慧

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.022

引文格式：楊淼，高利，苏慧慧.生姜精油CO2超临界提取工艺优化及其抗肿瘤活性研究[J].中国调味品，2024，49（5）：132-136.

YANG M， GAO L， SU H H.Optimization of CO2 supercritical extraction process of essential oil from ginger and its anti-tumor activity[J].China Condiment，2024，49（5）：132-136.

摘要：植物中精油的提取方式很多，然而传统的生姜精油提取工艺中存在很多不足，超临界流体是近些年发展起来的一种新型的精油提取工艺，与传统提取方式相比较，精油品质得到了明显的改善。基于此，该研究利用单因素试验和正交试验优化CO2超临界法提取生姜精油工艺，研究结果表明，生姜精油的最佳提取工艺为提取温度40 ℃、提取压力25 MPa、CO2流量1.5 L/min和提取时间35 min，此时生姜精油的提取率为4.58%；再通过GC-MS对CO2超临界法提取的生姜精油挥发性成分进行分析，发现生姜精油中一共有29种挥发性成分，其中萜烯类化合物含量较高，姜烯含量最高（相对含量为37.623%）；其次是α-姜黄烯，相对含量为10.314%。此外，该研究还对生姜精油抗肿瘤生物活性的研究现状进行了总结，目前的相关研究结果表明，生姜精油在抗肿瘤方面的应用前景非常广阔。

关键词：生姜精油；工艺优化；挥发性成分；GC-MS

中图分类号：TS225.19      文献标志码：A      文章编号：1000-9973（2024）05-0132-05

Optimization of CO2 Supercritical Extraction Process of Essential

Oil from Ginger and Its Anti-Tumor Activity

YANG Miao， GAO Li， SU Hui-hui*

（Sanquan College of Xinxiang Medical University， Xinxiang 453003， China）

Abstract： There are many ways to extract essential oils from plants. However， there are many deficiencies in the traditional ginger essential oil extraction process.Supercritical fluid is a new type of essential oil extraction process that has developed in recent years.Compared with traditional extraction methods， the quality of essential oil has been significantly improved.Based on this， in this study， single factor test and orthogonal test are used to optimize the extraction process of essensial oil from ginger by CO2 supercritical method.The research results show that the optimal extraction process of ginger essential oil is extraction temperature of 40 ℃， extraction pressure of 25 MPa， CO2 flow rate of 1.5 L/min and extraction time of 35 min. At this time， the extraction rate of ginger essential oil is 4.58%， and then the volatile components of ginger essential oil extracted by CO2 supercritical method are analyzed by GC-MS. It is found that there are a total of 29 volatile components in ginger essential oil， among which， the content of terpenes is relatively high， and the content of zingiberene is the highest （the relative content of 37.623%）， followed by α-curcumene， with the relative content of 10.314%. In addition， the current research status of anti-tumor bioactivity of ginger essential oil is also summarized. Current relevant research results show

收稿日期：2023-10-27

基金项目：河南省科技攻关项目（232102310337）；新乡医学院三全学院骨干教师培养计划（SQ2022GGJS03，SQ2021GGJS02）

作者简介：杨淼（1986—），女，讲师，硕士，研究方向：天然食药用化合物的提取及活性检测。

*通信作者：苏慧慧（1989—），女，副教授，硕士，研究方向：天然食药用化合物活性成分。

that ginger essential oil has a broad application prospect in anti-tumor aspect.

Key words： ginger essential oil; process optimization; volatile components; GC-MS

生姜是一种常见的香料和药用植物，主要分布在热带和亚热带地区，是全球第二大调味品，仅次于黑胡椒[1-2]。据统计，2019年全球生姜产量为277.5万吨，我国是最大的生姜产地，占全球生姜产量的一半以上[3-4]，主要种植于云南、广东、福建、江西、浙江等地。

生姜精油是一种从姜根部提取的精油[5]，具有辛辣和木质的香味[6]。生姜精油富含姜辣素和姜酚[7]，这些化合物具有很强的抗氧化和抗炎作用，可以帮助缓解各种身体不适，常被用于按摩、蒸汽疗法和香薰疗法中[8]。

生姜精油可以用于烹饪和调味，增加菜肴的味道和香气，提高食欲和促進消化。一些研究结果表明[9-10]，生姜精油也具有抗炎、改善消化不良、提高免疫力、镇痛和抗氧化的作用。

生姜精油是一种具有较高应用价值的天然产品，研究和优化生姜精油加工工艺可以降低生产成本[11]、提高生产效率[12]、增加企业竞争力[13]、减少原材料的浪费和污染及促进生姜产业的可持续发展[14]，对于推动生姜精油产业的发展和提高生姜精油的应用价值有促进作用。

1  材料与方法

1.1  试验材料与试剂

白姜：购自京东商城，将其清洗、去皮、切片、干燥、粉碎过筛后获得姜粉；无水乙醇、去离子水、正己烷。

1.2  试验仪器

粉碎机、高速冷冻离心机、真空冷冻干燥机、超声波清洗机、电子天平、冰箱、气相色谱-质谱联用仪。

1.3  试验方法

1.3.1  生姜精油提取工艺

取10 g姜粉于萃取瓶中，关闭主机门。根据操作流程打开阀门，随后设置CO2流量、提取压力、提取温度，对生姜中的精油进行提取，提取结束后关闭设备阀门，获得生姜精油。

1.3.2  生姜精油提取率计算

生姜精油提取率（Y）的计算公式如下：

Y=mM×100%。

式中：m为提取物的质量（g）；M为姜粉的质量（g）。

1.3.3  生姜精油加工工艺优化

1.3.3.1  单因素试验

通过单因素试验研究各因素对生姜精油加工工艺的影响，基本参数为提取温度40 ℃、提取压力25 MPa、CO2流量1.5 L/min、提取时间35 min。分别研究不同的提取温度（30，35，40，45，50 ℃）、不同的提取压力（15，20，25，30，35 MPa）、不同的CO2流量（1，1.25，1.5，1.75，2 L/min）、不同的提取时间（25，30，35，40，45 min）对生姜精油提取率的影响。

1.3.3.2  正交试验

在单因素试验的基础上，以提取温度、提取压力、CO2流量和提取时间为变量因素，以生姜精油提取率为指标，进行四因素三水平正交试验。生姜精油CO2超临界提取工艺因素水平见表1。

1.3.4  生姜精油的GC-MS分析

将获得的生姜精油用正己烷稀释400倍，再用0.45 μm的微孔膜过滤，将稀释后的样本用GC-MS法进行鉴定。色谱条件参考宋文龙等[15]的研究方法，使用氦气作为载气，柱流量设置为1 mL/min，通过GC质谱检测器进行测定，扫描范围设置为40～400 amu。

2  结果和讨论

2.1  单因素试验

2.1.1  提取温度对生姜精油提取率的影响

由图1可知，随着提取温度的升高，生姜精油提取率先升高后降低，当提取温度低于40 ℃时，生姜精油提取率与温度呈现正相关，随着提取温度的升高，分子运动速度加快，使得生姜精油提取率升高。当提取温度高于40 ℃时，生姜精油提取率与提取温度呈现负相关，随着提取温度继续升高，CO2浓度开始降低，同时一部分生姜精油开始挥发，影响了生姜精油提取率，综合考虑之后，选择提取温度35～45 ℃进行后续的正交试验。

2.1.2  提取压力对生姜精油提取率的影响

由图2可知，随着提取压力的增加，生姜精油提取率先升高后降低，当提取压力小于25 MPa时，生姜精油提取率随着提取压力的增加而升高；当提取压力大于25 MPa时，生姜精油提取率开始缓慢下降，这是由于当提取压力超过25 MPa时，CO2已经近似一种流体状态，持续增加提取压力，CO2的密度增加幅度变小且减缓了分子之间流动的速率[16]，使得生姜精油提取率不断降低。综合考虑之后，选择提取压力20～30 MPa进行后续的正交试验。

2.1.3  CO2流量对生姜精油提取率的影响

由图3可知，当CO2流量小于1.5 L/min时，生姜精油提取率随着CO2流量的增加而不断升高；当CO2流量大于1.5 L/min时，生姜精油提取率受CO2流量的影响较小。当CO2流量较大时，生姜中的一些姜粉被带出，使得生姜精油中混入杂质。综合考虑之后，选择CO2流量1.25～1.75 L/min进行后续的正交试验。

2.1.4  提取时间对生姜精油提取率的影响

由图4可知，随着提取时间的增加，生姜精油提取率先升高后保持不变。当提取时间小于40 min时，生姜精油提取率随着提取时间的增加而快速升高。当提取时间大于40 min时，生姜精油提取率受提取时间的影响较小。综合考虑之后，选择提取时间30～40 min进行后续的正交试验。

2.2  正交试验

根据单因素试验结果，以提取温度（A）、提取压力（B）、CO2流量（C）和提取时间（D）为变量因素，以生姜精油提取率为指标，进行正交试验。正交试验设计及结果见表2。

采用Design Expert数据分析软件对上述数据进行分析，将4个影响因素与生姜精油提取率（Y）进行拟合，获得拟合回归模型为Y=4.56－0.016A＋0.39B＋0.21C＋0.13D＋0.18AB－0.012AC＋0.024AD－0.04BC－0.022BD－0.066CD－0.37A2－0.39B2－0.45C2－0.23D2。

由表3可知，模型结果极显著，失拟项结果不显著，说明该方程的拟合度较好，数据准确可靠。A、B、C、D 4个影响因素的均方分别为0.074，2.19，0.69，0.09，各因素对生姜精油提取率的影响顺序为B>C>D>A。通过分析对比，得到CO2超临界法提取生姜精油的最佳加工工艺：提取温度40 ℃、提取压力25 MPa、CO2流量1.5 L/min和提取时间35 min，此时生姜精油提取率为4.58%。

2.3  生姜精油GC-MS分析

利用GC-MS对CO2超临界法提取的生姜精油的挥发性成分进行分析，结果见表4，共检测出29种挥发性成分，其中萜烯类化合物含量较高，姜烯含量最高，相对含量为37.623%，其次是α-姜黄烯，相对含量为10.314%。

2.4  生姜精油在抗肿瘤生物活性方面的研究现状

生姜精油是从姜根中提取的一种挥发性油，其主要成分包括生姜烯、芳香烃、生姜酮和香豆素等化合物。近年来，越来越多的研究表明生姜精油具有抗肿瘤活性[17]。生姜精油可以通过抑制肿瘤细胞的增殖和促进凋亡、抑制肿瘤细胞的迁移和侵袭来抑制肿瘤的发展。此外，生姜精油还可以调节免疫系统，增强机体的抵抗力，从而帮助预防和治疗癌症。

越来越多的研究证明了生姜精油的抗肿瘤作用，邓开野等[18]的研究结果表明，生姜精油可以抑制人肝癌细胞的增殖和诱导其凋亡；钱佳[19]的研究结果表明，生姜精油可以抑制人乳腺癌细胞的迁移和侵袭；程德竹等[20]发现生姜精油可以增强化疗药物对肿瘤细胞的杀伤作用。

目前，生姜精油的应用主要是在实验室中进行的体外和体内研究，尚没有足够的临床试验数据来支持其用于癌症治疗的应用。但已经有一些研究表明[21]，生姜精油可以与传统的癌症治疗方法相结合使用，如放疗、化疗和手术等，能够增强其治疗效果，降低治疗的副作用，提高患者的生活质量。高群[22]的研究结果表明，生姜精油中的生姜酮和香豆素等成分具有抗氧化作用，可以清除自由基，预防细胞DNA的损伤和突变，从而预防癌症。

总的来说，生姜精油具有抗肿瘤作用，可以与传统的癌症治疗方法相结合使用，也可以用于预防癌症。但是，在使用生姜精油前，需要咨询医生的意见，确定其安全性和有效性。此外，生姜精油的使用需要掌握正确的方法和剂量，以避免可能的副作用和不良反应。

3  小结

生姜的组成成分复杂，包括生姜精油和姜辣素等生物活性成分，为生姜提供了独特的芳香和辛辣风味。本研究利用单因素试验和正交试验优化CO2超临界法提取生姜精油工艺，研究结果表明，生姜精油提取的最佳加工工艺为提取温度40 ℃、提取压力25 MPa、CO2流量1.5 L/min和提取时间35 min，此时生姜精油提取率为4.58%。

利用GC-MS对生姜精油挥发性成分进行分析，在生姜精油中一共检测出29种挥发性成分，其中萜烯类化合物含量较高；姜烯含量最高，相对含量为37.623%，其次是α-姜黄烯，相对含量为10.314%。

此外，本研究还对生姜精油的抗肿瘤生物活性研究现状进行了总结，相关研究结果表明生姜精油在抗肿瘤方面的应用前景非常广阔。

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