姜黃素的提取工藝及其生物活性的研究

代德財，閆浩，徐雪峰

(海南科技職業大學，?？?571126)

姜，是姜科多年生草本植物姜的干燥根莖。作為日常生活中必不可少的食用香辛料，姜也具有多種生理功能，如抗腫瘤、抗炎、抗氧化、抑菌等[1-3]。姜黃(CurcumalongaL.)隸屬于姜科、姜黃屬，是一種藥食同源植物；喜溫暖濕潤的氣候，其生長環境陽光充足、雨水豐富，我國姜黃主要集中分布于臺灣、福建、廣東、廣西、云南、四川、西藏等地[4]。姜黃的根莖最早記載在《唐本草》中，曰其：味苦、辛、性溫，歸脾、肝經，主治寒凝氣滯血瘀，還可驅風療痹[5]。姜黃發揮藥理功效的主要活性成分是揮發油類和姜黃素類化合物，后者在姜黃植物的組成中約占3%～6%[6]。姜黃素(curcumin，C21H20O6)具有特殊的二酮類結構，是一種橙黃色結晶粉末，有特殊的芳香氣味，味微苦，不溶于水，化學結構式見圖1。姜黃素除了可作為天然的食品添加劑、著色劑外，已被證實具有較高的生物活性，例如保護神經、抗癌、抗炎、抗氧化等，并具有非常廣闊的市場前景。

圖1 姜黃素的化學結構式Fig.1 The chemical structural formula of curcumin

1 姜黃的市場現狀以及姜黃素的提取方法與工藝

1.1 姜黃的市場：產量與種植面積

我國是全球姜黃主要的生產國和消費國之一，2009-2018年我國姜黃(鮮)的總產量和種植面積見圖2[7]。同比2017年，2018年我國姜黃(鮮)產量減少4.59%，種植面積減少5.50%，但畝產化程度有所提高。2018年間，我國姜黃(干)總產量約為1.01萬噸，需求量與進口量分別為9718.72噸和516.44噸，進口占比為5.13%，市場規模高達2.14億元，同比2017年的1.65億元增長了29.70%，由此表明姜黃在未來的市場上仍有較大的增長空間。根據Value Market Research的最新報道，2018年全球的姜黃市場規模為0.565億美元(按收入)，市場潛力巨大；至2025年可達1.329億美元，年復合增長率(compound annual growth rate，CAGR)將提高13%[8,9]。姜黃的用途廣泛，涉及食品加工、醫藥以及美容領域等。作為姜黃中重要的生物活性物質，姜黃素在其中扮演著不可或缺的角色。

圖2 2009-2018年我國姜黃的產量與種植面積Fig.2 The yield and planting area of Curcuma longaL. in China from 2009 to 2018

1.2 姜黃素的提取方法與工藝

從姜黃植物中提取姜黃素的方法很多，從單一的溶劑提取法、酸堿提取法、酶提取法、超聲波輔助提取法、微波提取法和超臨界CO2提取法等向多種提取方法的綜合應用發展。姜黃素的提取方法以及工藝參數見表1。

表1 姜黃素的提取方法以及工藝參數Table 1 The extraction methods and process parameters of Curcuma longa L.

續 表

2 姜黃素在食品工業中的應用

姜黃素色澤艷麗，著色能力比檸檬黃和日落黃強，是一種天然的食品添加色素且具有一定的營養價值，多用于泡菜、方便面、罐頭、鹵制品、糕點、糖果、汽水等的制作。在GB 2760-2011《食品添加劑使用標準》中規定，姜黃素可添加到巧克力及巧克力類制品、糖果類、調味糖漿類、飲料和果凍等多種食品中，添加劑量范圍為0.01～0.7 g/kg[18-20]。

張保軍等將姜黃素添加到方便面中，既天然地改觀了方便面的色澤，又提升了產品的營養價值。尹立沖以姜黃素為主要原料，添加維生素等物質，研制了一種姜黃素功能飲料，所制得的姜黃素功能飲料的口感較好，顏色鮮亮。此外，姜黃素因具有抗氧化特性和一定抑菌作用，又可作為一種天然的食品防腐劑，在食品加工、食品烹飪、果蔬貯藏保鮮和果脯蜜餞生產中被廣泛應用[21,22]。

3 姜黃素的生物活性研究

明朝李時珍的《本草綱目》中，將生姜稱為“寶鼎香”，具有通經止痛、破血行氣的功效。姜黃素是一種多酚物質，已被證明可靶向多種信號分子，在細胞水平上表現出生物活性，具有抗炎、止痛、抗氧化、保護神經、抗癌、降血脂等功效[23]。

3.1 姜黃素的抗氧化活性和ROS清除劑性能

姜黃素結構中的兩個活性基團酚羥基和β-二酮基可在抗氧化過程中提供質子，阻斷自由基的化學反應，調控多條信號轉導通路，如Nrf2-ARE信號通路、NF-kB信號通路、NADPH/ROS信號通路等，調節相關蛋白的表達水平，誘導抗氧化酶的表達，最終發揮抗氧化作用[24]。Joe和Lokesh在1994年確定姜黃素能抑制超氧自由基、過氧化氫和一氧化氮自由基[25]。姜黃素也可增強許多抗氧化酶的活性，例如過氧化氫酶(catalase)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)等，這些活性均能降低脂質的過氧化作用，降低肝損害。

3.2 姜黃素與抗炎作用

炎癥是一種常見的病理變化，會使機體產生功能性障礙并與自身免疫、心血管、神經退行性以及腫瘤性疾病存在重要的相互聯系。姜黃素不僅能通過抑制一氧化氮合酶(iNOS)和還原型輔酶II氧化酶催化結構域的表達，減少心肌內質網壓力信號蛋白，還可抑制炎性細胞因子，例如白介素(ILs)、趨化因子以及炎癥酶等。Jian等研究表明姜黃素能分別增強和抑制IL-10(抗炎作用)與IL-β(促炎作用)mRNA的表達、調控NF-kB信號通路，繼而能有效地改善三硝基苯磺酸誘導的大鼠腸炎[26]。

3.3 姜黃素與心血管疾病

心血管疾病是全球死亡率較高的疾病之一。大量的臨床前研究表明姜黃素可在心力衰竭、動脈粥樣硬化、腹主動脈瘤、糖尿病性心血管并發癥等中起到有效的保護作用[27]。用姜黃素按200 mg/(kg·d)治療由鏈脲佐菌素誘發的糖尿病大鼠16周，結果顯示大鼠體內晚期糖基化終產物(AGEs)的積累量顯著減少，且抑制了心肌功能障礙和心臟纖維化[28]。

3.4 姜黃素與抗腫瘤

在一些腫瘤細胞中，細胞核因子kB(NF-kB)信號通路的調控出現異?；?，導致環氧合酶-2(COX-2)、G1/S-特異性周期蛋白-D1等癌基因進行表達，從而促進腫瘤細胞的增殖。對裸鼠進行姜黃素注射處理后，發現姜黃素能夠通過抑制NF-kB的活性繼而阻礙裸鼠口癌細胞腫瘤的生長[29]。

3.5 姜黃素與神經性疾病

神經退行性疾病包括阿爾茲海默癥(Alzheimer disease)、帕金森病(Parkinson＇s disease)、腦腫瘤以及神經系統性的創傷性疾病等。目前，姜黃素已被證實具有保護神經的作用，Ma等向神經受損的小鼠腹腔內分別注射姜黃素和生理鹽水4周，結果表明與對照組相比，姜黃素處理組小鼠取得了明顯的神經再生和功能恢復效果[30]。

4 總結

姜黃素在食品工業和醫藥領域均具有廣泛的應用價值和前景。姜黃素不僅是天然的食品添加劑、著色劑和防腐劑，同時也具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化、保護神經等藥理學作用，因此備受科研和醫藥人員等的關注。但姜黃素具有不溶于水的物理特性，口服吸收效果差，在體內的代謝速度快，從而導致其生物利用度極低[31]。目前能提高姜黃素生物利用度的方法有固體脂質納米粒、固體分散劑、長循環脂肪體和佐劑等，但其血藥濃度仍然不高。

姜黃是姜黃素的主要原料之一，姜黃現階段的畝產量約為1000 kg，而生姜的畝產量為5000～7500 kg，約是姜黃產量的5～8倍。研究表明姜黃素在生姜和姜黃中的組分類似，若能利用生姜代替姜黃提取姜黃素，并充分利用其生理功能[32]，不僅可以開拓新的市場，還能提高姜黃素市場的經濟效益[33]。與此同時，我國未來可增加姜黃和姜黃素產品種類的多樣性，尋求更多的新產品劑型。根據美國SPINS市場數據(截至2019年3月)，與姜黃和姜黃素相關的膳食補充劑和食品/飲料等產品的市場都在持續增長，含姜黃的功能性食品和飲料的銷售更是出現了兩位數的增長。因此，未來的研究可集中于利用姜黃和姜黃素的天然特性和藥用活性等去開發與之對應的市場，使姜黃和姜黃素在食品工業、美容產業和醫藥等領域發揮重要的作用。