響應(yīng)面法優(yōu)化大蒜素提取工藝

張文杰，王應(yīng)強(qiáng)，王 輝，劉 寧

（1.隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.甘肅省隴東生物資源保護(hù)利用與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅慶陽(yáng)745000；3.隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅慶陽(yáng) 745000；4.中華人民共和國(guó)東營(yíng)海關(guān)，山東 東營(yíng) 257091；5.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西 西安 710021）

大蒜是百合科蔥屬植物[1]，適合我國(guó)多省份種植，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)值25%以上[2]。大蒜具有抑菌、抗病毒、保健等功能[3]，對(duì)心血管疾病、糖尿病等有一定的療效[4-5]，其主要功能成分為大蒜素等含硫化合物[6]，大蒜素主要是在大蒜破碎后，由大蒜中的蒜氨酸在內(nèi)源蒜氨酸酶的催化作用下分解生成，而完整的大蒜中不含大蒜素[7]。

超聲的原理主要是產(chǎn)生空化作用，這種作用可以破壞組織的細(xì)胞壁，讓其內(nèi)的成分釋放到溶劑中，增加了濃度，從而達(dá)到較高的提取效果[8]，對(duì)大蒜素的超聲輔助提取能提高大蒜素的提取率，縮短時(shí)間，提高效率[9]，結(jié)合了2種方法的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用性強(qiáng)。

以超聲波輔助溶劑提取法提取大蒜素，以響應(yīng)面法優(yōu)化大蒜素的提取工藝，以期為大蒜素的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靜寧紅皮大蒜，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-S6A型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉水永興儀器有限公司產(chǎn)品；766-0型遠(yuǎn)紅外快速干燥箱，上海錦凱科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；SG-3045型組織搗碎機(jī)，上海碩光電子科技有限公司產(chǎn)品；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海榮生化儀器有限公司產(chǎn)品；KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 大蒜素的提取方法

大蒜自然干燥后用組織搗碎機(jī)搗碎，稱(chēng)取10.00 g蒜泥樣品于500 mL燒瓶中，注入一定比例乙醇浸泡30 min后，將連接回流冷凝管內(nèi)裝入樣品的燒瓶置于超聲裝置中，設(shè)置一定的功率、溫度、時(shí)間進(jìn)行超聲，然后離心取上清液測(cè)定蒜素含量[10]。

1.3.2 蒜素測(cè)定方法

采用分光光度法測(cè)定蒜素含量[11]。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

精確稱(chēng)取10.00 g蒜泥于500 mL圓底燒瓶，以超聲功率（50，60，70，80，90，100 W）、超聲時(shí)間（30，40，50，60，70，80 min）、超聲溫度（25，30，35，40，45，50℃）、料液比（1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6）為影響因素，分別考查各因素對(duì)蒜素得率的影響。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以蒜素得率為響應(yīng)值，選擇超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度、料液比為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化大蒜素的提取工藝。

響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 20.0和Design Expert V 8.0.6軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

超聲功率對(duì)蒜素得率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 超聲功率對(duì)蒜素得率的影響

由圖1可知，超聲功率為60～70 W時(shí)，蒜素得率最大，而為70～100 W時(shí)，得率趨于降低，可能是隨著超聲功率比較小時(shí)有利于蒜氨酸酶的活性增強(qiáng)，使得蒜素的得率提高。當(dāng)功率不斷加大時(shí)，蒜素得率下降，可能是因?yàn)槌暡ㄕ駝?dòng)變大使部分蒜素降解。因此，選擇最佳處理功率70 W。

超聲時(shí)間對(duì)蒜素得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)蒜素得率的影響

由圖2可知，超聲時(shí)間為30～50 min時(shí)，蒜素得率逐漸達(dá)到最大，可能是在小于50 min時(shí)，提取時(shí)間比較短，蒜素沒(méi)有完全進(jìn)入到有機(jī)相中，因此得率較低，50 min后，蒜素得率趨于下降，可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蒜素穩(wěn)定性下降，蒜素得率開(kāi)始下降。因此，選擇最佳超聲時(shí)間50 min。

超聲溫度對(duì)蒜素得率的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可知，當(dāng)超聲溫度為25～40℃時(shí)，蒜素得率不斷增加，當(dāng)超聲溫度為40℃時(shí)蒜素得率達(dá)到最高值，這是由于溫度增加加劇了溶劑分子和蒜素分子的運(yùn)動(dòng)速度，使蒜素得率提高，但溫度大于40℃時(shí)，蒜素得率明顯下降，這是因?yàn)闇囟容^高時(shí)，蒜素不穩(wěn)定，發(fā)生了分解，轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)，從而使蒜素得率下降。因此，選擇最佳超聲溫度為40℃。

料液比對(duì)蒜素得率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，料液比為1∶1～1∶3時(shí)，得率不斷增加，當(dāng)料液比為1∶3時(shí)，得率達(dá)到了最高值，這是因?yàn)槿軇┰黾雍?，該體系內(nèi)的蒜泥與溶劑之間的固液相濃度差隨著容積率的增加而加大，使得率增加，當(dāng)料液比到1∶3時(shí)，蒜素析出基本到了平衡點(diǎn)，如果繼續(xù)增加料液比，得率趨于緩慢下降。因此，選擇最佳料液比為1∶3（g∶mL）。

圖4 料液比對(duì)蒜素得率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 回歸模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

為有效考查超聲和石油醚協(xié)同作用提取柚子皮油得率，利用Design Expert對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行多元回歸擬合，得到回歸模型：

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2，回歸模型得率方差分析見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸模型得率方差分析

由表3可知，回歸模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型有效，能夠較好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)值。4個(gè)因素對(duì)蒜素得率影響極顯著。4個(gè)因素的二次項(xiàng)影響極顯著，說(shuō)明這4個(gè)因素對(duì)蒜素得率有極大的影響。

2.2.2 響應(yīng)面分析及優(yōu)化結(jié)果

交互作用對(duì)蒜素得率的影響見(jiàn)圖5。

由圖5可知，影響蒜素得率的4個(gè)因素中任何2個(gè)交互因素對(duì)蒜素得率的響應(yīng)面都存在最高點(diǎn)[12]。通過(guò)Design Expert軟件分析，蒜素的最佳提取工藝參數(shù)為超聲功率70 W，超聲時(shí)間50 min，超聲溫度40℃，料液比1∶3（g∶mL），在4個(gè)影響因素優(yōu)化條件下蒜素得率預(yù)測(cè)值為3.208 mg/g。為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)值的可靠性，選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行平行試驗(yàn)，蒜素得率為3.169 mg/g，試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明與模型預(yù)測(cè)值接近，證明蒜素試驗(yàn)優(yōu)化模型結(jié)果可靠。

圖5 交互作用對(duì)蒜素得率的影響

3 結(jié)論

以靜寧紅皮大蒜為研究對(duì)象，運(yùn)用響應(yīng)面法對(duì)提取蒜素的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，最佳工藝為超聲功率70 W，超聲時(shí)間50 min，超聲溫度40℃，料液比1∶3（g∶mL），在此優(yōu)化條件下得出蒜素的得率為3.169 mg/g。