響應(yīng)面法優(yōu)化大蒜油的提取工藝研究

王煜偉，李琳琳，王樂，尹衛(wèi)，王永紅，灑威，梁健

（省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

大蒜（Allium sativum L.）屬于蔥科（Alliaceae）蔥屬（Allium），具有其特有的酸臭味，味辛辣，是一種淺根性的多年生草本植物[1]。大蒜的蒜頭、蒜葉和花薹均可食用，大蒜可作調(diào)料也可入藥，是著名的食藥兩用植物[2]。大蒜起源于中亞和地中海地區(qū)，至今已有約5 000年的歷史[3]。大蒜含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、磷、鉀、胡蘿卜素、VC和VB2，營養(yǎng)價值高。通過對其主要活性成分的研究，發(fā)現(xiàn)大蒜及其分解產(chǎn)物有抑菌、防治心腦血管疾病、降血脂、抗氧化、抗腫瘤和抗病原微生物的作用[4-8]。

大蒜油又稱為大蒜素，是指大蒜破碎以后，蒜氨酸通過內(nèi)源蒜氨酸酶的作用而形成的一種淺黃色油狀有機硫化物[9]，具有抗菌、抗病毒、降糖、降脂、抗腫瘤、保護心腦血管健康以及提高機體免疫力等廣譜的生物學(xué)活性[10-12]。目前，對大蒜油的提取方法有很多種，如超臨界流體提取[13-15]、水蒸氣蒸餾法[16-18]、有機溶劑萃取[19-20]等。其中超臨界流體提取法雖然得率高，有效成分損失少，但工藝復(fù)雜、操作困難、成本較高；有機溶劑萃取法雖然穩(wěn)定性較好，但純度較低；而水蒸氣蒸餾法提取大蒜油試驗裝置簡單、成本低、穩(wěn)定性好、操作性強，大蒜中的蒜氨酸在經(jīng)活化蒜氨酸酶的催化作用下，能發(fā)生酶水解反應(yīng)生成大蒜素，出油率高。本試驗利用水蒸氣蒸餾法優(yōu)化提取大蒜油，在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面分析確定最佳提取工藝[21-22]。以期為大蒜油的進一步開發(fā)與利用提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大蒜樣品為青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室種植，蔥科蔥屬紫皮大蒜。所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

小型粉碎機（KC-130）：浙江武義鼎日用金屬制品廠；分析天平（FA1004）：上海佑科儀器儀表有限公司；低噪音無油空壓機（TYM）：蘇州市同一機電有限公司；低溫恒溫槽（SDC-6）：南京新辰生物科技有限公司；揮發(fā)油提取器：北京新科實驗室有限公司。

1.2 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油

1.2.1 工藝流程

大蒜去皮→洗凈→加水搗碎→酶解→水蒸氣蒸餾→油水分離→大蒜油

1.2.2 操作步驟

備料：將新鮮大蒜去皮，洗凈備用。

粉碎：將干凈去皮大蒜加入粉碎機粉碎成蒜泥，加入120 mL去離子水混勻（蒜泥∶水=1∶2，體積比），制成大蒜勻漿。

酶解：精確稱取60.0 g大蒜勻漿，置于圓底燒瓶中，50℃水浴條件下酶解3 h。

蒸餾：通入水蒸氣，蒸餾時間2 h，收集餾出液。

分離：將餾出液倒入分液漏斗中靜置分層，收集下層純凈的大蒜油。

提?。喊匆欢ǖ妮腿囟取⑤腿r間、蒸餾水體積浸泡發(fā)酵4 h后，連接揮發(fā)油提取器進行提取，收集大蒜油提取物。

1.3 大蒜油得率測定

大蒜油得率X/%=（m2-m1）/M×100

式中：m2為萃取后試管及油的質(zhì)量，g；m1為萃取前試管的質(zhì)量，g；M為樣品質(zhì)量，g。

1.4 單因素試驗

精確稱取60.0g大蒜勻漿于圓底燒瓶中，以萃取溫度（15、25、35、45、55 ℃）、萃取時間（2、3、4、5、6 h）、蒸餾水體積（120、240、360、480、600 mL）為影響因素，分別考察各因素對大蒜油得率的影響。

1.5 大蒜油提取條件響應(yīng)面試驗設(shè)計

分別選取對大蒜油得率影響較大的萃取溫度（A）、萃取時間（B）、蒸餾水體積（C）為考察因素，采用Design-Expert 8.0.7.1軟件中Box-Behnken中心設(shè)計模型設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗，以大蒜油得率為響應(yīng)值，通過結(jié)果分析得出水蒸氣蒸餾法提取大蒜油的最佳提取工藝條件和方法。試驗設(shè)計因素編碼及水平見表1。

表1 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油中心組合設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels in the central composite design for extraction of garlic oil by steam distillation

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Office 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理，使用Origin 2018軟件進行單因素作圖，利用Design Expert 8.0.7.1軟件進行響應(yīng)面試驗的相關(guān)設(shè)計、方差分析及響應(yīng)曲面的處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取溫度對大蒜油得率的影響

萃取溫度對大蒜油得率的影響見圖1。

圖1 萃取溫度對大蒜油得率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of garlic oil

由圖1可知，隨著萃取溫度的升高，大蒜油得率呈先升高后降低的趨勢。當萃取溫度為35℃時，大蒜油得率達到最高值，為0.476%。這是由于萃取溫度升高加劇了水蒸氣分子和大蒜油分子的運動速度，從而使大蒜油得率升高；當萃取溫度高于35℃時，大蒜油得率明顯下降，這是因為溫度較高時，大蒜油不穩(wěn)定，發(fā)生了分解，轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)，從而使大蒜油得率下降。因此，選擇最佳萃取溫度為35℃。

2.1.2 萃取時間對大蒜油得率的影響

萃取時間對大蒜油得率的影響見圖2。

圖2 萃取時間對大蒜油得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on yield of garlic oil

由圖2可知，隨著萃取時間的延長，大蒜油得率呈先升高后降低的趨勢。當萃取時間為5 h時，大蒜油得率達到最高值，為0.477%；當萃取時間大于5 h時，大蒜油得率趨于下降，分析可能是隨著時間的延長，大蒜油穩(wěn)定性下降，大蒜油得率開始下降。因此，選擇最佳萃取時間為5 h。

2.1.3 蒸餾水體積對大蒜油得率的影響

蒸餾水體積對大蒜油得率的影響見圖3。

圖3 蒸餾水體積對大蒜油得率的影響Fig.3 Effect of volume of distilled water on yield of garlic oil

由圖3可知，隨著蒸餾水體積的增加，大蒜油得率呈先升高后降低的趨勢。當蒸餾水體積為480 mL時，大蒜油得率達到最高值，為0.482%。這可能是因為溶劑增加后，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增加，從而使大蒜油得率上升；當蒸餾水體積大于480 mL時，大蒜油得率趨于緩慢下降。因此，選擇最佳蒸餾水體積為480 mL。

2.2 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油響應(yīng)面分析試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用Design Expert 8.0.7.1軟件，對水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，對試驗結(jié)果進行響應(yīng)面分析，響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果表見表2，響應(yīng)面試驗方差分析表見表3。

表2 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Experimental design and results of extracting garlic oil by steam distillation

表3 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油擬合二次多項式模型的方差分析Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic polynomial model for extraction of garlic oil by steam distillation

續(xù)表3 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油擬合二次多項式模型的方差分析Continue table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic polynomial model for extraction of garlic oil by steam distillation

根據(jù)表3回歸方程方差分析可知，試驗所選擇的模型F值為61.31，模型P小于0.01，失擬項P為0.0665，差異不顯著，說明模型試驗擬合良好，誤差小，操作可信，回歸極顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義，可以用此模型對水蒸氣蒸餾法提取大蒜油進行分析和預(yù)測。大蒜油得率與各因素間的二次多項回歸方程為X=0.48+0.004 25A-0.015B+0.002 75C-0.017AB+0.004AC+0.006 5BC-0.075A2-0.062B2-0.098C2。從P值的大小可以看出，A2、B2、C2對萃取效果影響極顯著，B、AB對萃取效果影響顯著，A、C、AC和BC對萃取效果影響不顯著。各因素對大蒜油萃取率的影響由大到小順序為萃取時間（B）＞萃取溫度（A）＞蒸餾水體積（C）。

2.2.2 萃取溫度與萃取時間對大蒜油得率交互作用分析

萃取溫度和萃取時間的三維圖和等高線圖見圖4。

圖4 萃取溫度與萃取時間對大蒜油得率的交互影響Fig.4 Interactive effects of extraction temperature and extraction time on garlic oil yield

由圖4可知，等高線圖是橢圓型，說明萃取溫度和萃取時間交互作用較強，影響顯著；由圖4的三維圖可知，萃取時間的三維圖較陡，說明萃取時間對大蒜油得率的影響顯著，萃取溫度的坡面比萃取時間的坡面陡，說明萃取溫度的二次項對大蒜油得率的影響較大。

2.2.3 萃取溫度與蒸餾水體積對大蒜油得率交互作用分析

萃取溫度和蒸餾水體積的三維圖和等高線圖見圖5。

圖5 萃取溫度與蒸餾水體積對大蒜油得率的交互影響Fig.5 Interactive effects of extraction temperature and distilled water volume on garlic oil yield

由圖5可知，等高線圖近似圓形，并且三維圖較平緩，說明萃取溫度和蒸餾水體積交互作用不強，對大蒜油得率的影響不顯著，蒸餾水體積比萃取溫度的坡面陡，說明蒸餾水體積的二次項對大蒜油得率的影響較大。

2.2.4 萃取時間與蒸餾水體積對大蒜油得率交互作用分析

萃取時間和蒸餾水體積的三維圖和等高線圖見圖6。

圖6 萃取時間與蒸餾水體積對大蒜油得率的交互影響Fig.6 Interactive effects of extraction time and distilled water volume on garlic oil yield

由圖6可知，等高線近似圓形，并且三維圖較平緩，說明萃取時間與蒸餾水體積交互作用不強，對大蒜油得率的影響不顯著，蒸餾水體積比萃取時間的坡面陡，說明蒸餾水體積的二次項對大蒜油得率的影響較大。

2.3 模型驗證

根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面分析可知，大蒜油提取最佳工藝條件為萃取溫度47.34℃、萃取時間5.25 h、蒸餾水體積482 mL。在此條件下大蒜油得率預(yù)測值能夠達到0.493%。從實際出發(fā)，將各因素數(shù)值校正為萃取溫度35℃、萃取時間為5 h、蒸餾水體積480 mL。用此條件進行3次重復(fù)的驗證試驗，獲得大蒜油得率均值為0.482%，說明預(yù)測值與實際值具有較好的擬合性，同時也證明了回歸模型的可靠性。

3 結(jié)論

水蒸氣蒸餾法提取大蒜油的最佳工藝為萃取溫度35℃、萃取時間為5 h、蒸餾水體積480 mL，在此條件下，大蒜油得率高達0.482%，為大蒜油的進一步開發(fā)與利用提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論參考。