大蒜素水溶液穩(wěn)定性及分解產(chǎn)物組成研究

李文清， 周 華， 胡興鵬， 晏日安， 歐仕益， 黃雪松

（暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣東 廣州510632）

大蒜素水溶液穩(wěn)定性及分解產(chǎn)物組成研究

李文清， 周 華*， 胡興鵬， 晏日安， 歐仕益， 黃雪松

（暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣東 廣州510632）

大蒜素水溶液的穩(wěn)定性對(duì)大蒜制品的加工極其重要。作者研究了體系溫度、濃度、pH值對(duì)大蒜素水溶液穩(wěn)定性以及分解產(chǎn)物組成的影響。研究結(jié)果顯示：溫度或濃度越高，大蒜素水溶液的穩(wěn)定性越低；溫度相對(duì)較低或大蒜素濃度較高時(shí)，大蒜素的分解產(chǎn)物越趨向于以3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯為主的環(huán)狀物；反之，產(chǎn)物以二烯丙基二硫醚等直鏈化合物為主。溶液的酸性越強(qiáng)，大蒜素越穩(wěn)定。采用氫譜表征了大蒜素與氘代乙酸的氫鍵作用，采用理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)大蒜素在酸性溶液中發(fā)生質(zhì)子化后，O（13）與H（5）的鍵長(zhǎng)變長(zhǎng)，分子的能量降低，初步揭示大蒜素在酸性溶劑中穩(wěn)定性更高的原因。

大蒜素；水溶液；穩(wěn)定性；機(jī)理

大蒜素（二烯丙基硫代亞磺酸酯，Allicin）是大蒜內(nèi)所有化合物中最具有代表性的一種含硫化合物。從風(fēng)味上來說，大蒜素對(duì)比于大蒜中其他含硫化合物，其更接近于新鮮大蒜的味道［1］；并且在生物活性方面，特別是其抗氧化活性均遠(yuǎn)勝于大蒜中的其他化學(xué)成分［2-4］。

大蒜素有其非常突出的生物活性，但卻至今未得到很好的實(shí)際利用，探究其原因主要是大蒜素極易分解，不穩(wěn)定。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在80℃下，大蒜素只需30 min即可接近完全分解［5-8］；而對(duì)于新切的大蒜，其半衰期僅2.5 d［9］。至于大蒜素的分解機(jī)理，加拿大學(xué)者Vaidya 2009年提出，大蒜素可能經(jīng)歷一個(gè)先常溫下發(fā)生Cope消除反應(yīng)，而后再生成次磺酸中間體這樣一個(gè)分解過程。也就是說大蒜素先生成一個(gè)五元環(huán)的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，而后再分解成兩個(gè)主要產(chǎn)物（如化學(xué)反應(yīng)方程式1）。BlockE等2010年采用新的實(shí)時(shí)直接分析-質(zhì)譜技術(shù) （DART-MS）［11-12］，第一次成功檢測(cè)到次磺酸中間體的存在，于是Vaidya提出的機(jī)理得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。

在反應(yīng)方程式（1）中，顯而易見可知大蒜素的本身結(jié)構(gòu)特征就決定了它的分解特性。當(dāng)然，大蒜素存放的溫度、溶劑等條件也密切影響著大蒜素的分解。溫度越高，大蒜素就越容易分解［8］。溶劑的影響比溫度更加復(fù)雜：大蒜素在乙醇水溶液（或乙醇［13］）等溶劑中的穩(wěn)定性質(zhì)明顯強(qiáng)于其在油脂溶液中的穩(wěn)定性質(zhì)（在油脂溶液中的半衰期為0.8 h［13］）。作者發(fā)現(xiàn)了大蒜素在乙醇、正戊烷兩種溶劑中所具有不一樣的動(dòng)力學(xué)特征，并通過結(jié)合理論計(jì)算初步揭示了其可能的原因。但是，從安全性、經(jīng)濟(jì)性方面考慮，乙醇、正己烷等溶劑都稱不上是大蒜素的最佳載體，而水才算得上是大蒜素加工處理過程中最安全、最實(shí)用，也是最廉價(jià)的溶劑，雖然此前有文獻(xiàn)報(bào)道了大蒜素在水中表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性，但并沒有考慮大蒜素濃度、溫度、酸度等對(duì)大蒜素水溶液中分解產(chǎn)物的分布或組成的影響。因此，作者擬從詳細(xì)考察上述關(guān)鍵因素對(duì)大蒜素的穩(wěn)定性著手，并探討水對(duì)大蒜素穩(wěn)定性的影響機(jī)制，從而為優(yōu)化大蒜素的提取工藝提供理論支持，進(jìn)一步為大蒜素的儲(chǔ)存（或分散）提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器原料

1.1.1 原料 二烯丙基二硫醚、乙醇、正戊烷、雙氧水等試劑均購自于阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備 電子天平Acculab ALC210：德國Sarto rius公司產(chǎn)品；UV3600紫外-可見分光光度計(jì)：日本SH IMADZU公司產(chǎn)品；高效液相色譜：美國安捷倫公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 大蒜素的合成 大蒜素的合成參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］。分別將1.46 g二烯丙基二硫醚溶解在30 mL氯仿中，間氯過氧苯甲酸溶解于5 mL氯仿中。在0℃下，緩慢地將間氯過氧苯甲酸溶液滴加到二烯丙基二硫醚溶液中，在此溫度下繼續(xù)攪拌1 h。然后邊劇烈攪拌邊分多次加入8.0 g碳酸鈉，0℃下再繼續(xù)攪拌1 h。反應(yīng)完后濾去殘?jiān)?jīng)減壓蒸去溶劑，得到大蒜素粗品。粗品用柱層析法（V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=20∶1）純化，得到的大蒜素成品保存于冰箱中。經(jīng)核磁測(cè)定其結(jié)構(gòu)，氫譜、碳譜數(shù)據(jù)為1H-NMR （400 MHz，CD3COOD）：δ 3.72×10-6～3.92×10-6（m，4H），5.20×10-6～5.56×10-6（m，4H），5.88×10-6～5.99×10-6（m，2H）；13C-NMR （75 MHz，CD3COOD）：δ 35.02×10-6、59.90×10-6、119.10×10-6、124.00×10-6、125.80×10-6、132.90×10-6，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一致［10］。

1.2.2 大蒜素的含量檢測(cè)與分析 大蒜素的含量分析也參見文獻(xiàn)［8］。樣品中大蒜素采用HPLC、紫外分光光度法分析 （50%H2O：MeOH，0-15分鐘流速為0.3 mL/min，16～50 min流量為1 mL/min，柱子C18，3.9nm×150mmcolumn，UVdetectionat254nm）。

1.2.3 大蒜素產(chǎn)物的分布 Aglient GC-MS7890A/ 5975E氣質(zhì)聯(lián)用儀。毛細(xì)管柱 （HP-5MS）：30 m×0.25 mm；膜厚度0.25 μm，以7℃/min升溫至250℃，保持5 min。進(jìn)樣口溫度：200℃，載氣：氦氣，流量5.8 mL/min。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源，電子能量為70 eV，離子源溫度250℃，傳導(dǎo)線溫度250℃，四級(jí)桿溫度180℃；質(zhì)量掃描范圍35～400（m/z）。

1.2.4 大蒜素水溶液穩(wěn)定性測(cè)試 將大蒜素成品按一定濃度配成水溶液，置于恒溫水浴鍋中一定時(shí)間，然后測(cè)定大蒜素的濃度及產(chǎn)物組成，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)做3次。

1.2.5 計(jì)算方法 采用B3LYP方法，在6-31+G基組下，用能量梯度法分別對(duì)幾何構(gòu)型進(jìn)行了全參數(shù)優(yōu)化。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用 Excell軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，所有數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值；用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以及圖形化處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)大蒜素穩(wěn)定性以及產(chǎn)物分布的影響

溫度是影響大蒜素穩(wěn)定性的重要因素?？疾炝藴囟葘?duì)濃度為0.05 mol/L大蒜素水溶液穩(wěn)定性的影響（在設(shè)定溫度下放置6 h），結(jié)果見圖1所示。在0℃，大蒜素的分解速度比較緩慢，6 h后約有40%大蒜素發(fā)生分解；在60℃放置6 h，約有80%的大蒜素已經(jīng)分解，3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯（5X）為主要的分解產(chǎn)物。隨著溫度的進(jìn)一步升高，分解產(chǎn)物中二烯丙基硫醚（DAS）、二烯丙基二硫醚（DADS）和二烯丙基三硫醚（DATS）的相對(duì)含量都有所增加（結(jié)果見圖2）。讓人驚訝的是，100℃沸水與100℃水蒸汽中大蒜素的分解產(chǎn)物有著明顯的差異，從圖2中看出，大蒜素在100℃沸水中的分解產(chǎn)物以3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯（5X）為主，二者之和占含硫化合物總量的60%以上；而100℃水蒸汽中，其分解產(chǎn)物則以二烯丙基二硫醚（DADS）與二烯丙基三硫醚（DATS）為主。其原因可以推測(cè)為：相對(duì)沸水來說，大蒜素在水蒸汽中的分散性要好很多，所以大蒜素在水蒸汽中易受到水分子的進(jìn)攻，生成二烯丙基二硫醚等鏈狀化合物。而在沸水中大蒜素先分解為烯丙基硫醛，而后發(fā)生兩分子間的D-A反應(yīng)產(chǎn)生3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯（5X）。

2.2 濃度對(duì)大蒜素穩(wěn)定性以及產(chǎn)物分布的影響

將大蒜素成品配制成一定濃度的大蒜素水溶液或懸浮液，30℃下放置6 h后，測(cè)定大蒜素的含量（見圖3）和產(chǎn)物組成（見圖4）。在濃度較低時(shí)，大蒜素穩(wěn)定性較好，分解速度較慢；隨著濃度的增加，大蒜素分解趨勢(shì)明顯，當(dāng)濃度為0.1 mol/L時(shí)，大蒜素的分解率達(dá)到了90%以上（見圖3）。大蒜素的分解產(chǎn)物組成也隨濃度大小而有所不同。大蒜素水溶液濃度較小時(shí)，主要產(chǎn)物為二烯丙基二硫醚，亦有少量二烯丙基硫醚與二烯丙基三硫醚存在；而濃度較大時(shí)，大蒜素的分解產(chǎn)物則主要為3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯（5X）等環(huán)狀物。

圖1 溫度對(duì)大蒜素水溶液穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of temperature on the stability of allicin aqueous solution

圖2 溫度對(duì)大蒜素分解產(chǎn)物的影響Fig.2 Effectoftemperatureon thedecomposition products of allicin

圖3 濃度對(duì)大蒜素水溶液穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of concentration on the stability of allicin aqueous solution

圖4 濃度對(duì)大蒜素分解產(chǎn)物組成的影響Fig.4 Effect of concentration on the decomposition products of allicin

2.3 pH的影響

2.3.1 大蒜素在不同pH溶液中的穩(wěn)定性 將濃度0.05 mol/L的大蒜素在一定的pH溶液中 （用乙酸、氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值）放置6 h后，測(cè)定其穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示。從圖5中得出，pH為2時(shí)，大蒜素相對(duì)穩(wěn)定、基本上沒有分解，隨著體系pH值增大，大蒜素的分解程度越高；而pH為10時(shí)，大蒜素基本接近完全分解。因此可知，溶液酸性越強(qiáng)，大蒜素的穩(wěn)定性越好。

圖5 pH值對(duì)大蒜素水溶液穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of pH on the stability of allicin aqueous solution

2.3.2 氫鍵分析 圖6為大蒜素在氘代乙酸中的氫譜圖。從圖6中可知大蒜素溶于氘代乙酸后，氘代乙酸活潑氫的化學(xué)位移值向低場(chǎng)移動(dòng)，從11.091×10-6變?yōu)?1.410×10-6，說明活潑氫可能受到電負(fù)性原子的靜電作用，從而形成了較強(qiáng)的氫鍵。

圖6 大蒜素氘代乙酸溶液的氫譜圖Fig.6 Hydrogen spectrum of allicin in the deuterated acetic acid solution

2.3.3 大蒜素質(zhì)子化的理論計(jì)算

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鍵長(zhǎng)變化 采用B3LYP方法，在6-31+G基組下對(duì)大蒜素質(zhì)子化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步優(yōu)化，獲得大蒜素質(zhì)子化的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖7所示，計(jì)算了大蒜素質(zhì)子化前后的電荷與鍵長(zhǎng)以及能量的變化。從圖7可以看出，大蒜素質(zhì)子化前后鍵長(zhǎng)發(fā)生了顯著的變化，其中O（13）與H（5）之間的距離由2.012×10-10m變成2.974×10-10m，此意味著大蒜素質(zhì)子化后發(fā)生分子內(nèi)cope反應(yīng)的難度將大幅提高，也間接說明質(zhì)子化后大蒜素的穩(wěn)定性得到改善的原因。

2）大蒜素質(zhì)子化前后能量變化 采用密度泛函方法計(jì)算了大蒜素發(fā)生質(zhì)子化前后的能量變化（見反應(yīng)式2），發(fā)現(xiàn)大蒜素經(jīng)質(zhì)子化后，大蒜素的能量降低了22.02 kJ/mol，說明了大蒜素經(jīng)質(zhì)子化后可以更加穩(wěn)定的存在。

3 結(jié)語

1）研究了體系溫度、濃度、pH值對(duì)大蒜素水溶液穩(wěn)定性以及分解產(chǎn)物的影響。溫度較低時(shí)，大蒜素水溶液的穩(wěn)定性較高，分解產(chǎn)物以3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯為主；溫度越高，大蒜素水溶液的穩(wěn)定性越差，100℃沸水與水蒸氣中大蒜素的分解產(chǎn)物差異明顯，可能與大蒜素在沸水或水蒸汽中的分散性有關(guān)；大蒜素水溶液的穩(wěn)定性受其濃度的影響非常明顯，濃度越大，穩(wěn)定性越差，分解產(chǎn)物中3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-4-烯和3-乙烯基-1，2-二硫環(huán)己-5-烯所占比例越大；pH值是影響大蒜素穩(wěn)定性的另一重要因素，pH越小，大蒜素的穩(wěn)定性越好。

圖7 大蒜素質(zhì)子化前后的優(yōu)化構(gòu)型、重要鍵長(zhǎng)、原子編號(hào)Fig.7 Optimized geometries，atomic numbering and bond distances of allicin

2）針對(duì)pH對(duì)大蒜素穩(wěn)定性的影響，采用核磁共振方法研究了大蒜素溶于氘代乙酸的化學(xué)位移，其位移值明顯向低場(chǎng)移動(dòng)，說明大蒜素與氘代乙酸中的活潑氫形成了較強(qiáng)烈的氫鍵。通過對(duì)大蒜素質(zhì)子化前后鍵長(zhǎng)、能量變化的理論計(jì)算，初步解釋了大蒜素質(zhì)子化后穩(wěn)定性提升的原因。

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Stability and Decomposition Products of Allicin in the Aqueous Solution

LI Wenqing， ZHOU Hua*， HU Xingpeng， YAN Rian， OU Shiyi， HUANG Xuesong
（College of Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China）

The stability of allicin in an aqueous solution is extremely important for the processing of garlic products.In this paper，the effects of temperature，concentration and pH value on the stability of allicin were investigated.Results show that the higher the temperature and concentration，the lower the stability of allicin in the aqueous solution.When temperature was relatively low or allicin concentration was high，decomposition products of allicin tended to be ring compounds such as 3-vinyl 1，2-disulfide cyclohex-4-ene and 3-vinyl 1，2-disulfide cyclohex-5-ene；conversely，the products primarily contained straight-chain compounds such as diallyl disulfide.The stronger the solution acidity was，the more stable allicin became.For this phenomenon，hydrogen bonding interaction of allicin with deuterated acetic acid was characterized by NMR.Theoretical calculations found that the main bond length between O（13）and H（5）of allicin obviously elongated and the molecular energy decreased in the protonated acid solution，which revealed the mechanism for the higher stability of allicin in an acidic solvent.

allicin，aqueous solution，stability，mechanism

S 573

A

1673—1689（2016）07—0699—05

2014-12-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31101323）。

周 華（1976—），男，湖南湘潭人，理學(xué)博士，副教授，主要從事食品化學(xué)研究。Email：zhouhua5460@jnu.edu.cn