響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取洋蔥精油及其抗氧化活性

張東峰

廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物技術(shù)學(xué)院（廣州 510300）

洋蔥又名荷蘭蔥、蔥頭等，屬于百合科蔥屬，為二年生草本植物，在我國(guó)分布很廣，是傳統(tǒng)的藥食兩用植物[1]。洋蔥精油是洋蔥中主要風(fēng)味物質(zhì)及活性成分的來(lái)源，其包含各種含硫化合物、類黃酮化合物、前列腺素類、苯丙素酚類化合物、含氮化合物等成分，具有消炎抑菌、活血化瘀、抗哮喘、降血脂和血糖、預(yù)防心血管疾病、助消化等多種生理藥理活性[2]。因此，洋蔥精油具有“保健精油”的美稱，在營(yíng)養(yǎng)保健、疾病的預(yù)防和治療等方面發(fā)揮重要作用[3]。

洋蔥精油的主要提取方法有水蒸氣蒸餾法、蒸餾-萃取法、溶劑萃取法和超臨界二氧化碳萃取法等[4]。水蒸氣蒸餾法能耗大、收率低、活性成分破壞較多；蒸餾-萃取法減少了有機(jī)溶劑使用，但仍未克服蒸餾工藝的不足；溶劑萃取法溶劑消耗大，產(chǎn)品純度低；超臨界二氧化碳萃取能夠保持洋蔥的新鮮風(fēng)味，但設(shè)備復(fù)雜、操作要求苛刻，尚未在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用[5]。超聲波輔助萃取技術(shù)是利用超聲波的空化作用、機(jī)械作用和熱作用來(lái)加速細(xì)胞壁的破裂，提高提取效率，具有效率高、能耗低、活性成分破壞少等優(yōu)勢(shì)[6]。于海蓮等[7]采用超聲波對(duì)新鮮洋蔥漿液進(jìn)行萃取，洋蔥精油的收率為0.33%。蔣華梅等[8]采用超聲輔助提取插田泡花色苷，在優(yōu)化的條件下插田泡花色苷的得率達(dá)到263.15 mg/100 g，高于采用振蕩提取的花色苷，該法耗時(shí)短，萃取效率高。孫婕等[9]對(duì)超聲輔助提取抱樸香桂精油工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后抱樸香桂精油得率達(dá)到6.03%。

隨著人們對(duì)自身保健意識(shí)的增強(qiáng)，開發(fā)利用天然抗氧化劑成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。對(duì)植物提取物的抗氧化作用的研究較多，呂曼曼等[10]發(fā)現(xiàn)高粱色素質(zhì)量濃度達(dá)到40 μg/mL時(shí)，其對(duì)DPPH自由基的清除率達(dá)到93.23%；質(zhì)量濃度2.0 mg/mL時(shí)，其對(duì)羥自由基的清除率達(dá)到91.99%，具有較好的抗氧化能力。呂曉玲等[11]發(fā)現(xiàn)紅花紅色素具有較強(qiáng)的清除超氧陰離子、羥自由基及過(guò)氧化氫的能力，色素質(zhì)量濃度1 mg/mL時(shí)，其對(duì)過(guò)氧化氫的清除率為72%，色素質(zhì)量濃度5 mg/mL時(shí)，羥自由基抑制率達(dá)93.66%。張水平等[12]比較胡椒果和胡椒葉抗氧化能力，發(fā)現(xiàn)胡椒葉提取物的DPPH自由基清除能力和多酚含量均高于胡椒果鮮、黑胡椒和白胡椒。張軒[13]發(fā)現(xiàn)大蒜油的抗氧化活性隨著濃度的增加而提高，0.01%檸檬酸與0.04%大蒜油混合后，其協(xié)同抗氧化作用同0.01%添加量的沒(méi)食子酸丙酯相當(dāng)。

我國(guó)洋蔥產(chǎn)量居世界第一，每年有大量新鮮洋蔥出口，但缺乏科技含量，附加值較低。洋蔥精油被廣泛應(yīng)用于食品添加劑、化妝品、醫(yī)藥及保健食品，在國(guó)際市場(chǎng)上供不應(yīng)求，所以開發(fā)洋蔥精油市場(chǎng)前景廣闊。試驗(yàn)運(yùn)用響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取洋蔥精油的工藝，并探討洋蔥精油的抗氧化活性，以期為天然抗氧化劑的開發(fā)及洋蔥附加值的提升提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

洋蔥（市售）；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（Sigma公司）；其他試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

XL-20B小型粉碎機(jī)（杭州旭眾機(jī)械設(shè)備有限公司）；JY99-IIDN帶溫控超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（冠森生物科技（上海）有限公司）；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海政泓實(shí)業(yè)有限公司）；GC-MS7000氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（江蘇天瑞儀器股份有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 洋蔥精油的提取

取新鮮的洋蔥，清水洗凈，切成0.3cm左右薄片，放入60 ℃的干燥箱中干燥24 h，用小型粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行粉碎，過(guò)100目篩，得到洋蔥粉末。稱取100.0 g洋蔥粉末，以一定的料液比加入70%乙醇溶液，搖勻，在設(shè)定的超聲功率和溫度下的超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中進(jìn)行洋蔥精油的提取，加硅藻土抽濾除殘?jiān)?，萃取液加入無(wú)水亞硫酸鈉脫水，置于60 ℃水浴鍋中減壓蒸餾，得洋蔥精油。

1.3.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)超聲輔助提取洋蔥精油工藝進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 洋蔥精油提取試驗(yàn)因素水平表

1.3.3 洋蔥精油抗氧化性研究

由于洋蔥精油的風(fēng)味物質(zhì)和生理活性成分為含硫化合物，以含硫化合物濃度來(lái)代替洋蔥精油進(jìn)行抗氧化試驗(yàn)，含硫化合物的檢測(cè)使用GC-MS檢測(cè)，按倪力軍等[14]的試驗(yàn)方法進(jìn)行，色譜柱為DB-5毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）。

1.3.3.1 洋蔥精油對(duì)DPPH自由基清除能力的測(cè)定

采用分光光法，按陳云霞等[15]的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3.2 洋蔥精油對(duì)羥自由基的清除能力測(cè)定

采用水楊酸比色法，按范三紅等[16]的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3.3 洋蔥精油對(duì)豬油抗氧化能力的測(cè)定

采用Fe3+-還原法，按范三紅等[16]的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3.4 洋蔥精油得率的計(jì)算

2 結(jié)果與分析

2.1 洋蔥精油提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

2.1.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

在前期試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)原理，進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示。

表2 洋蔥精油提取試驗(yàn)的方案和結(jié)果

2.1.2 模型的建立及方差分析

對(duì)洋蔥精油提取率和各提取條件進(jìn)行回歸擬合，獲得洋蔥精油提取率（Y）與液料比（A）、超聲功率（B）、提取溫度（C）、超聲時(shí)間（D）之間的二次回歸擬合方程：Y=-1.507 62+0.091 833A+9.125 00E-004B-5.000 00E-003C+0.025 583D-2.750 00E-005AB-8.700 00E-004AC+3.700 00E-004AD+5.900 00E-005BC+9.500 00E-006BD-5.500 00E-005CD-1.708 33E-003A2-3.458 33E-006B2-3.833 33E-005C2-2.533 33E-004D2。

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，以洋蔥精油提取率為響應(yīng)值，對(duì)洋蔥精油提取工藝的模型進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表3。

回歸模型具有極顯著性（p＜0.000 1），失擬項(xiàng)p＞0.05，決定系數(shù)R2=0.969 5，表明洋蔥精油各提取工藝的模型與實(shí)際情況擬合程度比較好，可以用于洋蔥精油提取工藝的優(yōu)化。模型中一次項(xiàng)A、B、交互項(xiàng)AD、AC、BC、二次項(xiàng)A2、B2、D2極顯著（p＜0.01），交互項(xiàng)AB顯著（p＜0.05），表明洋蔥精油各提取條件和提取率為非線性關(guān)系。

表3 洋蔥精油提取工藝二次回歸方程模型的方差分析

2.1.3 響應(yīng)面分析及最優(yōu)條件驗(yàn)證

根據(jù)構(gòu)建的回歸模型作響應(yīng)曲面圖，考察洋蔥精油各提取條件間交互作用與提取率之間的響應(yīng)曲面圖，結(jié)果如圖1所示。等高線的中心區(qū)域洋蔥精油提取率最高，由中心向邊緣逐漸降低。超聲功率與提取溫度之間的交互曲面最為陡峭，固定提取溫度，隨著超聲功率增加，提取率呈先快速增大后逐漸減小趨勢(shì)，且變化幅度較大；固定超聲功率，在不同提取溫度條件下，提取率隨超聲功率變化的趨勢(shì)呈曲面變化，表明液固比與超聲功率的交互作用對(duì)洋蔥精油提取率的影響顯著。液料比與超聲功率、液料比與超聲時(shí)間、液料比與超聲功率之間的交互曲面也較為陡峭，表明這些因素之間的交互作用對(duì)洋蔥精油提取率的影響均為顯著，與表3中方差分析結(jié)果一致。

圖1 洋蔥精油各提取因素交互效應(yīng)的響應(yīng)曲面

對(duì)回歸方程進(jìn)行求解，獲得洋蔥精油最佳提取工藝：液料比16.83∶1（mL/g）、超聲功率585.48 W、提取溫度50 ℃、超聲時(shí)間68.35 min。此時(shí)洋蔥精油提取率的預(yù)測(cè)值達(dá)到最大，為0.464%。

為驗(yàn)證構(gòu)建模型的可靠性，同時(shí)方便操作，采用液料比16.8∶1（mL/g）、超聲功率58.5 W、提取溫度50 ℃、超聲時(shí)間68 min進(jìn)行洋蔥精油的提取，經(jīng)過(guò)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，洋蔥精油的提取率為0.462%，表明洋蔥精油提取工藝穩(wěn)定。

2.2 洋蔥精油抗氧化性研究

2.2.1 洋蔥精油對(duì)DPPH自由基的清除能力測(cè)定

洋蔥精油對(duì)DPPH自由基的清除能力如圖2所示。結(jié)果表明，在100～600 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，洋蔥精油清除DPPH自由基的能力與洋蔥精油濃度呈正相關(guān)，洋蔥精油濃度越大，其對(duì)DPPH自由基清除能力越強(qiáng)。洋蔥精油質(zhì)量濃度600 μg/mL時(shí)，其對(duì)DPPH自由基清除率達(dá)72.3%；VC在500 μg/mL時(shí)，其對(duì)DPPH自由基清除率達(dá)97.3%，對(duì)DPPH自由基的清除率要優(yōu)于洋蔥精油。

2.2.2 蔥精油對(duì)羥自由基的清除能力測(cè)定

洋蔥精油對(duì)羥自由基的清除能力如圖3所示。結(jié)果表明，不同濃度洋蔥精油對(duì)羥自由基均有一定清除作用，在100～500 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，洋蔥精油對(duì)羥自由基清除率迅速增加，之后隨著洋蔥精油濃度增加，羥自由基的清除率增加緩慢。質(zhì)量濃度為500 μg/mL時(shí)，洋蔥精油對(duì)羥自由基的清除能力達(dá)59.1%；濃度600 μg/mL時(shí)，洋蔥精油對(duì)羥自由基的清除能力達(dá)61.5%；VC在400 μg/mL時(shí)對(duì)羥自由基清除率達(dá)97.9%，之后維持穩(wěn)定，其對(duì)羥自由基的清除率要優(yōu)于洋蔥精油。

圖2 洋蔥精油對(duì)DPPH自由基的清除能力

圖3 洋蔥精油對(duì)羥自由基的清除能力

2.2.3 洋蔥精油還原能力的測(cè)定

洋蔥精油還原能力如圖4所示。結(jié)果表明，在質(zhì)量濃度10～100 μg/mL范圍內(nèi)，VC和洋蔥精油的還原能力隨著其濃度增加而增加，呈直線上升趨勢(shì)。質(zhì)量濃度為100 μg/mL時(shí)，VC和洋蔥精油的還原能力分別為0.94和0.45，說(shuō)明洋蔥精油具有較強(qiáng)的還原性。

圖4 洋蔥精油的還原能力

3 結(jié)論

以洋蔥為原料，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)超聲輔助提取洋蔥精油的工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，并對(duì)洋蔥精油抗氧化性能進(jìn)行初步研究。洋蔥精油的最佳提取條件為：液料比16.8∶1（mL/g）、超聲功率58.5 W、提取溫度50 ℃、超聲時(shí)間68 min，該工藝條件下洋蔥精油提取率達(dá)到0.462%。提取的洋蔥精油對(duì)DPPH自由基、羥自由基具有很好的清除作用，且具有很好還原力，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯量效關(guān)系，洋蔥精油質(zhì)量濃度為600 μg/mL時(shí)，其對(duì)DPPH自由基和超氧陰離子的清除率分別達(dá)到72.3%和61.5%；洋蔥精油濃度100 μg/mL時(shí)，還原能力達(dá)到0.45，可見洋蔥精油具有很好的抗氧化活性。試驗(yàn)為洋蔥精油作為天然抗氧化劑的開發(fā)提供參考價(jià)值。