響應面分析法優(yōu)化藠頭素提取工藝

陳艷麗，王宏勛*，侯溫甫

(武漢工業(yè)學院食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023)

響應面分析法優(yōu)化藠頭素提取工藝

陳艷麗，王宏勛*，侯溫甫

(武漢工業(yè)學院食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023)

在單因素試驗基礎上，選取提取溫度、提取時間和酶添加量為影響因素，用響應面分析法優(yōu)化以鹽漬藠頭加工廢棄物為原料提取藠頭素的工藝。結果表明：優(yōu)化提取條件為提取溫度37℃、提取時間3h、酶添加量0.8%，提取液中蒜素提取量預測值為0.1763g/g，驗證值為0.1761g/g。

藠頭素；提取工藝；響應面法；優(yōu)化

藠頭(Allium chinense G. Don)為百合科蔥屬植物[1]，又名薤白，原產于我國[2]，朝鮮、日本以及東南亞等地均有分布，在我國主要分布于南方各省，江西、湖南、湖北和云南等地均有廣泛種植。傳統(tǒng)中醫(yī)學認為藠頭有溫中通陽、理氣寬胸、還陽散結之功效，其鱗莖既可入藥又可食用[3]。藠頭中含有大量的氨基酸和人體所必需的多種元素，其主要功能成分為揮發(fā)性成分[4]、含氮化合物[5]和皂苷化合物[6-8]，這些功能成分具有多種藥理作用和保健作用[9]，可以清除亞硝酸鹽、改善脂質代謝、抗血小板凝聚、抑制腫瘤，同時還具有抗菌、耐缺氧、調節(jié)免疫、保護心肌等作用，是一種有待全面開發(fā)利用的資源。

隨著日本、韓國及東南亞地區(qū)藠頭產品需求的持續(xù)增加，藠頭產業(yè)已經成為我國南方地區(qū)的特色產業(yè)。現階段藠頭加工產品以腌制藠頭為主，鹽漬藠頭是加工各種藠頭產品的初級產品，其加工過程中產生的大量廢棄物沒有得到有效利用，造成了環(huán)境污染和資源浪費。本研究擬以鹽漬藠頭加工廢棄物為原料，應用響應面分析法優(yōu)化藠頭素提取工藝，為鹽漬藠頭加工廢棄物的利用提供途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鹽漬藠頭鱗莖一二層表皮 武漢小蜜蜂食品有限公司；果膠酶(酶比活力30000U/g) 北京雙旋微生物培養(yǎng)基制品廠。

乙醇、乙醚均為分析純；三氯乙酸(分析純，配制成0.2g/mL溶液)；硝酸汞(分析純，配制成0.05mol/L標準溶液)；硝酸(分析純，配制成1∶1的溶液)；硫酸高鐵胺(分析純，配制成飽和指示液)；硫氰化鉀(分析純，配制成0.1mol/L標準溶液)。

1.2 儀器與設備

DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；FZ102型微型植物試樣粉碎機(功率180W，轉速1400r/min) 天津泰斯特儀器；先行者CP214(C)型電子分析天平 上海奧斯特儀器有限公司；數顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；DHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水真空泵 鞏義市英峪華玉儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 原料預處理

鹽漬藠頭加工廢棄物經50℃熱水沖洗1h脫鹽，于50℃干燥箱中干燥48h，干燥品用微型植物粉碎機進行粉碎，過40目篩，得到的藠頭粉末放入冰箱冷藏室儲存。

1.3.2 藠頭素提取工藝流程[10-12]

鹽漬藠頭加工廢棄物→脫鹽→干燥→粉碎→酶解→抽濾→藠頭素初提液

1.3.3 單因素試驗設計

稱取藠頭粉碎干品2g，用80mL蒸餾水加果膠酶酶解，分別研究提取溫度(20、30、40、50、60℃，固定提取時間3h、酶添加量0.8%)、提取時間(1、2、3、4、5h，固定提取溫度50℃、酶添加量0.8%)和酶添加量(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，固定提取溫度50℃、提取時間3h)對提取效果的影響。

1.3.4 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，選取提取溫度、提取時間和酶添加量為響應變量，按照Box-Behnken中心組合試驗設計原理，以提取液的蒜素提取量為響應值，利用SAS 9.1軟件進行響應面分析[13-15]，優(yōu)化藠頭素提取的工藝條件，從而得到最佳的提取工藝(表1)。

表1 響應面分析因素與水平Table 1 Factors and their coded levels in response surface analysis

1.3.5 蒜素提取量的測定

蒜素提取量的測定采用硝酸汞沉淀法，具體方法見文獻[16]，其計算公式為：

式中：c為蒜素提取量/(g/100mL)；c1為硝酸汞標準溶液的濃度/(mol/L)；v1為硝酸汞標準溶液的用量/mL；c2為硫氰化鉀標準溶液的濃度/(mol/L)；v2為硫氰化鉀標準溶液消耗量/mL；v0為提取液的總體積/mL；v為測定時所取提取液的體積/mL；w0為樣品用量/mL；0.02704為每毫升0.05mol/L硝酸汞標準溶液折算的蒜素質量/g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取溫度對蒜素提取量的影響

圖1 提取溫度對蒜素提取量的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of allicin

由圖1可知，隨著提取溫度的升高，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在40℃時達到最大，可能是因為當提取溫度達到40℃以上，隨著提取溫度升高，果膠酶活性得到了抑制，從而使提取液中蒜素提取量降低。

2.1.2 酶添加量對蒜素提取量的影響

圖2 酶添加量對蒜素提取量的影響Fig.2 Effect of enzyme addition amount on the yield of allicin

由圖2可知，隨著果膠酶添加量的增多，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在果膠酶的添加量達到0.8%時，蒜素提取量達到最大。

2.1.3 提取時間對蒜素提取量的影響

圖3 提取時間對蒜素提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of allicin

由圖3可知，隨著提取時間的延長，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在提取3h時，蒜素提取量達到最大。隨后蒜素提取量反而有所降低，可能是由于酶解時間過長蒜素中某些化合物分解所致。

2.2 響應面分析

表2 藠頭素提取工藝響應面分析試驗設計和結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

根據Box-behnken中心組合試驗設計原理所設計的試驗及其結果(表2)可知，以提取溫度、酶添加量和提取時間為相應變量，蒜素提取量為響應值，利用SAS 9.1軟件進行回歸擬合，得到提取液中蒜素提取量的回歸方程為：Y＝0.0093＋0.007179X1＋0.051708X2＋0.00865X3-0.000104X12＋0.0009X1X2-0.053333X22-0.00007X1X3＋0.0005X2X3-0.001083X32。進一步對回歸方程進行分析，結果見表3。

表3 回歸方程偏回歸系數的估計值Table 3 Estimated values of partial regression coefficients in the regression model

由表3可以看出，相關系數R2＝0.9820，說明此模型與數據擬合度較高，從回歸模型系數的顯著性檢驗可以看出，模型的一次項中X1影響極顯著，二次項中X12影響極顯著，交互項影響均不顯著。由此可知，各影響因素對蒜素提取量的影響不是簡單的線性關系。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

對回歸模型進行顯著性檢驗，結果見表4，回歸項P＝0.0008＜0.01，回歸模型極顯著，失擬項P＝0.4330＞0.05，影響不顯著，說明模型擬合度很好，因此，能夠使用該回歸模型對試驗數據進行分析，優(yōu)化鹽漬藠頭廢棄物中藠頭素的提取工藝參數。

2.3 交互作用對蒜素提取量的影響

為進一步考察3個因素中兩兩因素的交互作用對鹽漬藠頭廢棄物提取液中蒜素提取量的影響，對其響應曲面和等高線圖進一步分析(圖4)。

圖4 各兩因素交互作用對蒜素提取量影響的響應曲面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the pairwise effects of three extraction conditions on the yield of allicin

圖4 表明，提取溫度對鹽漬藠頭廢棄物中藠頭素的提取影響很顯著，提取時間和酶添加量影響不明顯。通過軟件分析，得到最佳提取工藝條件為提取溫度37.0831℃、酶添加量0.8116%、提取時間2.9815h，在此條件下提取液中蒜素提取量的預測值為0.1763g/g。

2.4 優(yōu)化提取工藝參數的驗證

為驗證響應面分析法所得結果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進行3次平行實驗。在實際提取過程中，將實驗條件適度調整為提取溫度37℃、酶添加量0.8%、提取時間3h，實際測得的蒜素提取量的平均值為0.1761g/g。結果說明預測值與實際值之間有很好的擬合性，進一步證實了回歸模型的可靠性。

3 結 論

通過響應面分析，在酶法提取鹽漬藠頭廢棄物中藠頭素時，各因素對蒜素提取量的影響大小依次為提取溫度、酶添加量、提取時間。應用響應面分析優(yōu)化提取工藝參數為提取溫度37℃、酶添加量0.8%、提取時間3h，在此條件下得到的提取液中蒜素的含量為0.1761g/g。

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Optimization of Extraction Process for Allicin from Bulbs of Allium chinense G. Don by Response Surface Methodology

CHEN Yan-li，WANG Hong-xun*，HOU Wen-fu
(College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Pectinase was used for enzymatic extraction of allicin from wastes from the processing of pickled Allium chinense G. Don bulbs. On the basis of one-factor-at-a-time experiments, response surface methodology was employed to optimize the conditions for enzymatic extraction of allicin. The optimal extraction conditions were extraction temperature of 37 ℃, extraction time of 3 h and enzyme amount of 0.8%. Under the optimal extraction conditions, the yield of allicin was up to 0.1763 g/g, which was close to the predicted value of 0.1761 g/g.

allicin；extraction process；response surface methodology；optimization

TS209

A

1002-6630(2011)16-0132-04

2011-04-26

湖北省自然科學基金重點項目(2009CDA094)

陳艷麗(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為食品科學、生物活性物質制備。E-mail：chenyanli3333@126.com

*通信作者：王宏勛(1977—)，男，副教授，博士，研究方向為食品科學、食品工程高新技術。E-mail：wanghongxunhust@163.com