Vergleichende Studie über fünf Methoden zur Gewinnung von ätherischem Öl aus Ingwer
Zingiber officinale Roscoe ist ein frisches Rhizom der mehrjährigen krautigen Pflanze Ingwer aus der Familie der Ingwergewächse, die im tropischen Asien beheimatet ist und in den meisten tropischen Ländern Amerikas angebaut wird. Im "Shennong Bencao Jing" heißt es: "Lebende Wesen sind von guter Qualität. Langfristiger Verzehr kann üble Gerüche beseitigen und das Wohlbefinden der Götter fördern." In der "Newly Compiled Materia Medica" heißt es: "Glättet das Gemüt der Götter, wehrt Epidemien ab und hilft bei der Erzeugung von Qi, das Wind und böse Geister vertreiben kann." Alte Bücher berichten, dass der regelmäßige Verzehr von Ingwer Wind und böse Geister vertreiben, das Gehirn stärken und den Geist klären kann. Das ätherische Öl des Ingwers enthält hauptsächlich zwei Arten von Verbindungen: Monoterpene und Sesquiterpene. Zu den Verbindungen mit höherem Gehalt gehören α-Geren, α-Pinen, β-Carvacen, Camphen, Lauren, Citronellol, usw. Die moderne pharmakologische Forschung hat gezeigt, dass Ingwer pharmakologische Wirkungen hat, wie z. B. entzündungshemmend, schmerzlindernd, antioxidativ, antibakteriell, antiemetisch, und auch Herz-Kreislauf- und Immunsystemerkrankungen behandeln kann. Das Forschungsteam hat zuvor mit Hilfe der Netzwerkpharmakologie bestätigt, dass das ätherische Ingweröl bei der Behandlung von Gegenwind einen Wirkmechanismus mit mehreren Komponenten, mehreren Zielen und mehreren Wegen hat, was darauf hindeutet, dass es eine gewisse Schutzwirkung auf das Nervensystem hat.
Zu den gängigen Extraktionsverfahren für ätherisches Ingweröl gehören Wasserdampfdestillation, Ultraschall, Mikrowellen, enzymunterstützte Destillation usw. Die überkritische CO2-Extraktion wird in der Industrie häufig verwendet. Li et al. nutzten die Wasserdampfdestillation, um ätherische Öle aus Ingwer aus verschiedenen Regionen zu extrahieren, wobei die Ölausbeute zwischen 0,14% und 0,41% lag, und identifizierten 23 bis 39 Verbindungen. Xie et al. extrahierten das ätherische Öl von Ingwer durch Flash-Destillation mit einer Ausbeute von bis zu 0,665%. Chen et al. stellten fest, dass die Extraktionsrate des ätherischen Öls von Ingwer in den verschiedenen Regionen variiert, wobei der in Sichuan produzierte Ingwer eine höhere Extraktionsrate und der in Shandong produzierte Ingwer eine niedrigere Extraktionsrate aufweist; die Arten der Bestandteile des ätherischen Öls von Ingwer in den verschiedenen Regionen sind ähnlich, wobei der Hauptunterschied in den unterschiedlichen Mengen der einzelnen Bestandteile besteht. Es gibt jedoch nur wenige Berichte über die Unterschiede in den Hauptbestandteilen der ätherischen Öle, die durch verschiedene Extraktionsmethoden von Ingwer aus Shaanxi gewonnen werden. In dieser Studie wurden die chemischen Komponenten des ätherischen Ingweröls, das mit fünf Extraktionsmethoden gewonnen wurde, mittels GC-MS bestimmt. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) und die Cluster-Heatmap-Analyse wurden verwendet, um die Unterschiede in den chemischen Komponenten und den relativen Peakflächen zu vergleichen. Die Mikrostruktur des medizinischen Rückstandes wurde visuell verglichen, um einen Anhaltspunkt für die Auswahl von Extraktionsmethoden für ätherisches Ingweröl und die weitere Entwicklung und Nutzung von Ingwer in praktischen Anwendungen zu liefern.

Die Extraktion des ätherischen Öls von Ingwer wird im chinesischen Arzneibuch (Ausgabe 2020) nach der Methode zur Bestimmung des ätherischen Öls (Methode der Allgemeinen Vorschrift 2204A) durchgeführt. Derzeit wird bei der Laborextraktion von ätherischem Ingweröl in der Regel die Wasserdampfdestillationsmethode des aktuellen Arzneibuchs verwendet. Literaturrecherchen haben gezeigt, dass die ätherischen Ölbestandteile von Ingwer, die durch überkritische CO2-Extraktion in der Industrie gewonnen werden, komplexer sind als die durch Wasserdampfdestillation gewonnenen, erhebliche Unterschiede in der Zusammensetzung aufweisen und dazu neigen, sich mit anderen nicht flüchtigen Bestandteilen wie Phenolen zu vermischen. Daher wurden in dieser Studie hauptsächlich drei Arten der unterstützten Wasserdampfdestillation, nämlich enzymatische Hydrolyse, Ultraschall und Mikrowellen, zum Vergleich mit der Wasserdampfdestillation verwendet, und es wurde auch die einfache Pressmethode zum Vergleich mit den oben genannten vier Methoden hinzugefügt.
Die Ölausbeute des ätherischen Ingweröls, das mit fünf Methoden extrahiert wurde, nämlich Wasserdampfdestillation, enzymunterstützte Wasserdampfdestillation, ultraschallunterstützte Wasserdampfdestillation, mikrowellenunterstützte Wasserdampfdestillation und Pressen, betrug 0,18%, 0,19%, 0,21%, 0,18% bzw. 0,10%. Bei der ultraschallunterstützten Wasserdampfdestillation wurde die höchste Ölausbeute erzielt und die meisten chemischen Komponenten identifiziert. Die in dieser Studie mittels GC-MS nachgewiesenen ätherischen Ölkomponenten ähnelten denen, die von Li et al. und Gunasena et al. nachgewiesen wurden, aber es gab auch Unterschiede, die auf Unterschiede in der Herkunft und den Extraktionsmethoden des Ingwers zurückzuführen sein könnten.
Bei der Verwendung traditioneller Methoden wie der Wasserdampfdestillation und der Lösungsmittelextraktion zur Gewinnung ätherischer Öle aus Heilkräutern treten in der Regel Probleme wie ein übermäßiger Energie- und Zeitverbrauch, Rückstände organischer Lösungsmittel und eine geringe Ausbeute an ätherischen Ölen auf, die nach und nach durch neue Technologien ersetzt werden. Die enzymunterstützte Wasserdampfdestillation ist eine neu entwickelte Methode zur Extraktion ätherischer Öle aus natürlichen Pflanzen. Durch die Anwendung geeigneter Enzyme zur enzymatischen Vorbehandlung von Pflanzen wird die Zellwand vollständig hydrolysiert, wodurch die Freisetzung von Sekundärmetaboliten innerhalb der Zelle gefördert und die Ausbeute an ätherischen Ölen erhöht wird. Bei der ultraschallunterstützten Wasserdampfdestillation werden hauptsächlich mechanische Effekte, Kavitationseffekte, thermische Effekte und chemische Effekte genutzt, um die rasche Abtrennung der Zielmoleküle vom Träger zu fördern, d. h. die Zerstörung der pflanzlichen Zellstruktur zu begünstigen und den Ausfluss von Zellinhalten wie ätherischen Ölen wirksam zu fördern. Die Mikrowelle ist eine elektromagnetische Welle, die die schnelle Rotation polarer Moleküle in einem elektrischen Feld durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen fördern kann, wodurch eine schnelle Erwärmung erreicht wird. Durch die Einführung von Mikrowellen wird die Erhitzungsrate des Systems erheblich verbessert, indem die Erhitzungsmethode bei der Destillation ätherischer Öle geändert wird. Durch den Synergieeffekt von Wärme- und Stoffübertragung wird die Trennungsrate von ätherischen Ölen effektiv verbessert. Eine zu hohe Mikrowellenbestrahlungsleistung kann jedoch leicht zum Verlust von flüchtigen Bestandteilen und zum thermischen Abbau von Pflanzenmaterial führen. Im Vergleich zur Wasserdampfdestillation können sich bei den drei Hilfsmethoden der Wasserdampfdestillation aufgrund der thermischen Instabilität der flüchtigen Bestandteile Veränderungen ergeben, die durch Mikrowellen-, Ultraschall- und Enzymeffekte beeinflusst werden können, was zu Unterschieden bei den Bestandteilen und den relativen Peakflächen führt.
In dieser Studie wurde die Extraktionsmethode des ätherischen Ingweröls aus der Referenzliteratur für die Saftextraktion und die weitere Verarbeitung zur Gewinnung fettlöslicher Bestandteile verwendet. Bei der Verwendung von GCMS zur Bestimmung der ätherischen Öle (lipophile Komponenten), die durch verschiedene Extraktionsmethoden gewonnen wurden, wurde der Schwellenwert einheitlich auf 20 eingestellt, und drei Verbindungen wurden durch die Pressmethode identifiziert. Es wird vermutet, dass die Extraktion des ätherischen Ingweröls durch die Pressmethode im Vergleich zu anderen Methoden nicht unvollständig ist. Allerdings waren die relativen Peakflächen von α-Gingeren und β-Sesquiterpenen deutlich höher als bei den anderen vier Methoden, und es konnte relativ viel 6-Gingerol gewonnen werden. Daraus ist ersichtlich, dass die Pressmethode α-Gingenere, β-Sesquiterpene und 6-Gingerol aus frischem Ingwer leicht und schnell extrahieren kann, bei geringem Energieverbrauch und minimaler Umweltbelastung. 6-Gingerol ist eine alkylphenolische Verbindung, die durch Dehydratisierung von 6-Gingerol gebildet wird und zum Gingerol gehört. Die Molekularstruktur von Gingerol enthält eine funktionelle 3-Methoxy-4-hydroxyphenyl-Gruppe. Je nach den verschiedenen Kohlenwasserstoffketten, die durch diese funktionelle Gruppe verbunden sind, kann Gingerol in verschiedene Typen unterteilt werden, wie Gingerol, Gingerol, Gingerol-Diketon, Gingerol-Diol usw. Die Konzentration von Gingerol ist geringer als die von Gingerol, aber es hat eine höhere biologische Aktivität.
Bei der mikroskopischen Betrachtung von Ingwerrückständen, die mit verschiedenen Extraktionsmethoden gewonnen wurden, ist es schwierig, durch manuelles Schneiden eine einheitliche Probendicke zu gewährleisten, und die Probe enthält eine große Anzahl von Blasen. Daher ist die mikroskopische Beobachtung nur eine einfache und intuitive Methode, um die Auswirkungen der verschiedenen Methoden auf die Extraktion des ätherischen Öls zu überprüfen. Verglichen mit der Ölausbeute hat Ingwer starke faserige Eigenschaften, und Ultraschall und enzymatische Hydrolyse begünstigen das Aufbrechen der Ölzellen und das Ausfließen des ätherischen Öls während der Wasserdampfdestillation, wodurch die Extraktionseffizienz verbessert wird. Obwohl die Mikrowelle einen gewissen Einfluss auf die Struktur der Ingwerzellen hat, kann sie zum Verlust von flüchtigen Bestandteilen und zur thermischen Zersetzung der frischen Pflanzen führen.

Diese Studie verglich die chemische Zusammensetzung, die relative Peakfläche und die Mikrostruktur des ätherischen Ingweröls, das mit verschiedenen Extraktionsmethoden gewonnen wurde, und analysierte die charakteristischen Komponenten des ätherischen Ingweröls, das mit verschiedenen Methoden gewonnen wurde, um einen Anhaltspunkt für die Auswahl von Extraktionsmethoden für ätherisches Ingweröl und die weitere Entwicklung und Nutzung von rohem Ingwer in der Praxis zu liefern.