超聲輔助萃取大蒜素工藝研究

楊 婷， 楊欣偉， 韓明金，劉 晶

(1.青海民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810000；2.福建師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350000)

超聲輔助萃取大蒜素工藝研究

楊 婷1， 楊欣偉2， 韓明金1，劉 晶1

(1.青海民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810000；2.福建師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350000)

選取新鮮紫皮大蒜為原料進(jìn)行変溫發(fā)酵制得黑蒜，采用超聲輔助提取法提取黑蒜中的大蒜素并對提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。以黑蒜大蒜素得率為指標(biāo)，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲時間、超聲溫度和料液比等4個影響因素進(jìn)行單因素試驗，然后用正交試驗設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化試驗。結(jié)果表明：超聲時間、料液比和超聲溫度對大蒜素得率影響顯著，顯著性順序為超聲時間、料液比、超聲溫度；最佳工藝條件參數(shù)為超聲時間30 min、料液比1∶6、超聲溫度35℃。在此條件下，大蒜素得率為0.545%。研究結(jié)論可為大蒜素的工業(yè)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

黑蒜；大蒜素；提取工藝；超聲波

黑蒜(black garlic)是新鮮大蒜(Allium sativum L.)在高溫高濕的條件下發(fā)酵一段時間制得。發(fā)酵后的蒜瓣變黑，口感香甜并且柔軟富有彈性[1]。近年來，有關(guān)黑蒜的研究表明，新鮮大蒜的傳統(tǒng)保健作用經(jīng)發(fā)酵成黑蒜后有所增強(qiáng)，其自由基清除能力和總酚含量均高于鮮蒜，因此，黑蒜的抗氧化特性也有所提高。另外，有研究報道長期攝入黑蒜可有效降低血糖、防止肥胖并且可抵抗紫外線對皮膚的損傷[2]。大蒜素(Allicin)是一種從大蒜球莖中提取的有機(jī)硫化合物，化學(xué)名為二烯丙基硫代亞磺酸酯，是大蒜的主要生物活性物質(zhì)，具有抗菌消炎、降血壓、抗腫瘤和防止肝細(xì)胞損傷等多種生理功效[3-7]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)大蒜素的提取方法主要有4種：水蒸氣蒸餾法、雙水相萃取法、超臨界CO2萃取法和有機(jī)溶劑萃取法[8-11]。水蒸汽蒸餾法操作簡單易行，提取純度較高，但由于壓力控制不穩(wěn)，溫度較高的原因?qū)е麓笏馑氐寐瘦^低；雙水相萃取法條件溫和，含水量高，有利于保留產(chǎn)物的活性，但由于成相高聚物價格貴、成本高、回收困難等原因?qū)е略摲椒ㄎ茨軕?yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；超臨界CO2萃取法無污染、無殘留溶劑，純度高且品質(zhì)好，但需要復(fù)雜的設(shè)備且成本較高；有機(jī)溶劑萃取法具有生產(chǎn)能力大、提取周期短、能耗較低、利于連續(xù)操作和實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，故應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前，有機(jī)溶劑萃取法在抗生素提取中占據(jù)著重要地位，幾種重要的抗生素，如青霉素、林可霉素、金霉素、螺旋霉素、麥迪霉素和紅霉素等都采用該法提取。此外，某些有機(jī)酸、維生素、激素等發(fā)酵產(chǎn)物也可采用此法提取。作為提取過程的輔助方法，超聲波具有操作簡單快捷、提取時間短、效率高等優(yōu)點[12]。因此，本文利用超聲波輔助有機(jī)溶劑萃取法進(jìn)行黑蒜大蒜素的提取工藝研究，獲取最佳的提取工藝條件，為黑蒜的深加工和大蒜素提取工藝的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青海樂都紫皮大蒜；分析純試劑包括硝酸、硝酸銀、硫酸鐵銨、硫氰酸鉀、無水乙醇硝酸汞等。

1.2 儀器與設(shè)備

實驗儀器有HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋；TD4K-2低速離心機(jī)；DZF-6090箱真干燥箱；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；FA1604N電子天平；組織搗碎機(jī)。

1.3 試驗方法

1.3.1 黑蒜的制備[13]

1.3.2 黑蒜大蒜素粗提液的制備

分別稱取3份黑蒜粉各5 g(精準(zhǔn)到0.01 g)置于250 mL三角瓶中，加入一定體積的乙醇，先在超聲波清洗器中進(jìn)行超聲處理，然后在30℃水浴鍋中保溫2 h。轉(zhuǎn)移至離心管中，以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min，取上清液，最后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至10 mL，即得大蒜素粗提液。

1.3.3 大蒜素含量的測定

參考劉瑩[14]的硝酸汞測定法，測定粗提液中大蒜素的含量。

1.3.4 大蒜素提取的單因素試驗

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時間和料液比等4個單因素作為考查大蒜素得率的影響因素，進(jìn)行單因素試驗。

1.3.5 大蒜素提取條件優(yōu)化正交試驗

綜合單因素試驗結(jié)果，選擇影響黑蒜大蒜素得率的各因素中有意義的水平進(jìn)行正交優(yōu)化試驗。根據(jù)BOX-Benhnken的中心組合設(shè)計原理，設(shè)計3因素3水平的正交試驗，確定最優(yōu)的大蒜素提取工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蒜素提取單因素試驗

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對黑蒜粉中大蒜素提取率的影響

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對大蒜素得率的影響

準(zhǔn)確稱取5份黑蒜粉各5 g至燒杯中，按料液比1∶4分別加入體積分?jǐn)?shù)為55%、65%、75%、85%、95%的乙醇溶液，在溫度30℃條件下超聲20 min，然后按1.3.2的步驟提取黑蒜大蒜素并進(jìn)行含量的測定，每個水平重復(fù)做3次，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)對大蒜素得率有顯著的影響，當(dāng)其他條件一定時，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高，黑蒜中大蒜素的得率呈緩慢上升趨勢。這恰好說明了大蒜素易溶于乙醇有機(jī)溶劑，難溶于水。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)95%時，大蒜素得率達(dá)最大，因此，選擇最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)為95%。

圖2 超聲溫度對大蒜素得率的影響

2.1.2 超聲溫度對黑蒜粉中大蒜素提取率的影響

準(zhǔn)確稱取5份黑蒜粉各5 g至燒杯中，按料液比1∶4加入體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇，設(shè)置超聲溫度分別為25 ℃、30 ℃、35 ℃，40 ℃、45 ℃，超聲處理20 min，然后按1.3.2的步驟提取黑蒜大蒜素并測定其含量，每個水平重復(fù)做3次，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著超聲溫度的增加，大蒜素得率呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)溫度增加到35℃時，大蒜素得率達(dá)到最大，超過35℃后，大蒜素得率開始緩慢下降。這可能是由于溫度太低酶活性較小，催化蒜氨酸轉(zhuǎn)化為大蒜素所需要的時間比較長；同時隨著溫度的升高，大蒜素分子的熱運動相應(yīng)有所增加，而溫度太高，生成的大蒜素又容易分解。因此，確定35℃為較佳超聲溫度，選擇超聲溫度25 ℃、35 ℃、45 ℃做進(jìn)一步的優(yōu)化試驗。

2.1.3 超聲時間對黑蒜粉中大蒜素提取率的影響

圖3 超聲時間對大蒜素得率的影響

圖4 料液比對大蒜素得率的影響

準(zhǔn)確稱取5份黑蒜粉各5 g至燒杯中，按料液比1∶4加入體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇，設(shè)置超聲時間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min，在溫度35 ℃條件下進(jìn)行超聲處理，然后按1.3.2的步驟提取黑蒜大蒜素并測定其含量，每個水平重復(fù)做3次，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)其他條件一定時，大蒜素得率在30 min內(nèi)隨著超聲時間的延長而有所升高，30 min時達(dá)到最大，之后便逐漸下降。造成這種變化的原因可能是超聲處理時間太短，蒜氨酸不能充分轉(zhuǎn)化為大蒜素，而時間過長，溫度會逐漸升高，較高的溫度會導(dǎo)致大蒜素受熱分解。因此，超聲提取時間應(yīng)控制在30 min，選定超聲時間20 min、30 min、40 min做進(jìn)一步的優(yōu)化試驗。

2.1.4料液比對黑蒜粉中大蒜素提取率的影響

準(zhǔn)確稱取5份黑蒜粉各5 g至燒杯中，按料液比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8和1∶10分別加入體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇，在溫度35 ℃條件下超聲30 min，然后按1.3.2的步驟提取黑蒜大蒜素并進(jìn)行含量的測定，每個水平重復(fù)做3次，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，大蒜素得率隨料液比增加而升高，開始得率增加明顯，當(dāng)料液比達(dá)到1∶6后，大蒜素得率增加緩慢。由于隨著乙醇溶劑量的增加，溶解的雜質(zhì)也會越來越多，溶劑的損耗也越大。綜合考慮成本和能耗等多方面因素，確定料液比1∶6最為合適，選取料液比1∶4、1∶6、1∶8為正交試驗的3個水平。

2.2 正交試驗結(jié)果及分析

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取超聲溫度、超聲時間和料液比3個主要因素，每個因素取3個水平，進(jìn)行3因素3水平正交試驗。因素水平設(shè)置如表1所示，試驗安排及結(jié)果如表2所示，方差分析如表3所示。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果

續(xù)表

序號ABC空白大蒜素得率/%713230.512821330.406932130.398K10.4600.4740.4820.444K20.4720.4090.4690.425K30.3970.4640.3780.439K1/30.1530.1580.1610.148K2/30.1570.1360.1560.142K3/30.1320.1490.1260.146R0.0750.0650.1040.019

表3 方差分析表

以黑蒜大蒜素得率為檢測指標(biāo)，由表2正交試驗結(jié)果可知，極差R反映了3個因素對大蒜素得率的影響主次順序為C>A>B，即超聲時間>料液比>超聲溫度,并得出超聲輔助提取黑蒜中大蒜素的最佳提取工藝條件為A2B2C2，即：料液比為1∶6，超聲溫度為35℃，超聲時間為30 min，此條件下黑蒜大蒜素得率為0.545%。

為進(jìn)一步驗證各影響因素的顯著水平，對所得試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。由表3可以看出，超聲時間、料液比和超聲溫度對黑蒜大蒜素得率有顯著影響(P<0.05)，而且FC>FA>FB,進(jìn)一步說明顯著性為超聲時間>料液比>超聲溫度。

用最佳提取工藝A2B2C2進(jìn)行試驗，結(jié)果所得黑蒜大蒜素得率為0.547%，與正交試驗中最高大蒜素得率為0.545%結(jié)果一致，因此，可以證明A2B2C2為最佳提取工藝。

3 結(jié) 語

本文以新鮮紫皮大蒜為原料，系統(tǒng)地研究了超聲波輔助有機(jī)溶劑萃取法提取黑蒜大蒜素的工藝條件。首先通過單因素試驗確定了單因素的最佳提取條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)95%、超聲溫度35 ℃、超聲時間30 min、料液比1∶6；然后通過正交試驗得出各因素對大蒜素得率影響的大小順序為：超聲時間>料液比>超聲溫度，確定了最佳工藝條件為超聲溫度35 ℃、超聲時間30 min、料液比1∶6，在此條件下黑蒜大蒜素得率為0.545%。

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Research on Allicin Extraction Technology from Black Garlic

YANG Ting1, YANG Xinwei2, HAN Mingjin1, LIU Jing1

(1.Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China; 2. Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)

The black garlic was made with fresh purple garlic by variable temperature fermentation. The garlic was extracted from black garlic by the ultrasonic-assisted extraction processing and the extraction process was optimized. When the extraction yield of allicin was thought of as an experimental index, the ethanol concentration, ultrasonic treatment time, ultrasonic treatment temperature and material-liquid ratio were selected as the key single factors for gradient experiments, and then the orthogonal experiment was carried out in order to optimize the extraction conditions. Results showed that the significance order of ultrasonic treatment time, material-liquid ratio and ultrasonic treatment temperature was as following. First one is ultrasonic treatment time, and the second is material-liquid ratio, and ultrasonic treatment temperature is last one. The optimal extraction condition for ultrasonic treatment was shown that time is 30 minutes, and material-liquid ratio is 1∶6, and ultrasonic treatment temperature is 35℃. The extraction yield of allicin was up to 0.545 percent. The study can provide scientific basis and theoretical support for industrialization production of allicin.

black garlic; allicin; extraction technology; ultrasonic

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.001

TS255

A

1674-5403(2017)04-0001-05

2017-08-10

楊婷(1984-)，女，青海西寧人，博士，講師，主要從事功能性食品方面的研究.

教育部“春暉計劃”項目(Z2010069).