超聲輔助提取大蔥中蔥辣素的工藝優(yōu)化

徐艷陽，王乃茹，李科靜，胡曉歡，張煥，胡紹峰

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長春130022）

大蔥（Allium fistulosum L.var.giganteum Makino）是百合科蔥屬的一種多年生草本植物，其上部為青色蔥葉，下部為白色蔥白，是人們?nèi)粘Ｊ秤玫恼{(diào)味品和蔬菜。由于其耐寒抗凍，在我國北方比南方種植更廣泛。大蔥中含有揮發(fā)油，其主要成分是蔥辣素。這種有機(jī)硫化合物具有較強(qiáng)的殺菌、抗病毒、降低血糖、以及預(yù)防高膽固醇、高血壓等作用[1-2]。目前，國內(nèi)外提取蔥辣素的方法主要有水蒸氣蒸餾法[3]、有機(jī)溶劑浸提法[4]、減壓蒸餾法[5]、超臨界二氧化碳萃取法[6]等，其中水蒸氣蒸餾法耗能較大、蒸餾溫度相對(duì)較高，導(dǎo)致提取的蔥辣素有效成分被破壞、風(fēng)味較差；有機(jī)溶劑浸提法可溶性雜質(zhì)較多，需要進(jìn)一步處理才能得到高品質(zhì)的蔥辣素；超臨界二氧化碳萃取法具有得率高、品質(zhì)好的特點(diǎn)，但設(shè)備投資大、生產(chǎn)效率較低。而超聲波輔助提取是近年來發(fā)展較快的一種新型植物活性成分提取技術(shù)[7]，具有提取時(shí)間短、不需加熱、易操作和節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。因此本文應(yīng)用超聲波技術(shù)提取大蔥中的蔥辣素，為大蔥的深加工和產(chǎn)品開發(fā)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與儀器

1.1.1 原料

大蔥購于長春市農(nóng)貿(mào)市場，洗凈，干燥、粉碎過60目篩，備用。

1.1.2 試劑

無水乙醇：北京化工廠；L-半胱氨酸：上海惠世生化試劑有限公司；Ellman 試劑（DTNB）：上海楷洋生物技術(shù)有限公司；Hepes 試劑：北京鼎國昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司；所用試劑均為分析純。

1.1.3 主要儀器

PH070A 型培養(yǎng)箱/干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；MM721AAU-PW 美的微波爐：佛山市順德區(qū)美的微波電器制造有限公司；LD4-2A 型雷勃爾低速離心機(jī)：北京雷勃爾離心機(jī)有限公司；T6 新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 大蔥中蔥辣素的提取工藝

大蔥粉碎→乙醇浸泡→超聲提取→離心→定容→測定

1.2.2 大蔥中蔥辣素得率的測定

采用分光光度法[8]測定大蔥中蔥辣素的得率。準(zhǔn)確吸取1.0 mol/L L-半胱氨酸溶液0.5 mL 至試管中，加入待測大蔥稀釋液0.5 mL、2.0 mol/L DTNB 溶液2.0 mL，用50 mol/L Hepes 緩沖液稀釋至6.0 mL，26 ℃下保溫10 min，在412 nm 波長下測定其吸光度A，每5 min 測定一次，同時(shí)做空白試驗(yàn)，其吸光度用A0表示。

蔥辣素得率的計(jì)算公式如下：

式中：V 為大蔥提取液的體積，mL；d 為總稀釋倍數(shù)；162.26 為L-半胱氨酸分子量；14 150 為DTNB 與L-半胱氨酸反應(yīng)產(chǎn)物2-硝基-5-硫代苯甲酸（NTB）的摩爾消光系數(shù)；M0為大蔥質(zhì)量，g。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.3.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)蔥辣素得率的影響

精確稱取0.500 g 大蔥干粉，按照料液比1 ∶20，分別用體積分?jǐn)?shù)為50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇溶液浸泡，在250 W 超聲功率下提取20 min，提取液在4 000 r/min 下離心10 min，取上清液定容后，測其蔥辣素得率。

1.2.3.2 料液比對(duì)蔥辣素得率的影響

精確稱取0.500 g 大蔥干粉，用90%乙醇按照料液比1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35、1 ∶40 g/mL 浸泡，在250 W超聲功率下提取20 min，提取液在4 000 r/min 下離心10 min，取上清液定容后，測其蔥辣素得率。

1.2.3.3 超聲功率對(duì)蔥辣素得率的影響

1.2.3.4 超聲時(shí)間對(duì)蔥辣素得率的影響

精確稱取0.500 g 大蔥干粉，用90%乙醇按料液比1 ∶30 浸泡，在225 W 功率下分別提取7、10、13、16、19 min，提取液在4 000 r/min 下離心10 min，取上清液定容，測其蔥辣素得率。

1.2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以蔥辣素得率為指標(biāo)，按L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)超聲輔助提取大蔥中蔥辣素的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，因素水平見表1。

表1 因素水平表Table 1 Levels of factors

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)蔥辣素得率的影響

在料液比、超聲功率、超聲時(shí)間相同的條件下，考察乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)蔥辣素得率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)蔥辣素得率的影響Fig.1 Effects of ethanol concentration on allicin yield

由圖1 可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)在50%～90%范圍內(nèi)，蔥辣素得率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增高，原因可能是隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，蔥辣素逐漸溶出；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)在90 %時(shí)，蔥辣素得率達(dá)到最大值0.041 mg/g；超過90%后，蔥辣素得率開始下降。因此，選擇90%乙醇為較佳提取條件。

2.1.2 料液比對(duì)蔥辣素得率的影響

21世紀(jì)是信息化高速發(fā)展時(shí)代,多媒體的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為大趨勢(shì)。隨著高校信息化的發(fā)展,也必然使多媒體教室的使用朝著信息化、智能化方向深入發(fā)展[6]。不同高校應(yīng)該從學(xué)校的實(shí)際情況出發(fā),堅(jiān)持發(fā)展的理念,運(yùn)用科學(xué)的管理方法、先進(jìn)的管理技術(shù)、完善的管理制度,認(rèn)真做好多媒體的管理使用工作,同時(shí)還要做好多媒體管理人員和任課教師等的培訓(xùn)工作,為高校的正常教學(xué)運(yùn)行提供可靠的軟件支持和硬件支撐,更好地服務(wù)于全校的教學(xué)工作。

在乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲功率、超聲時(shí)間相同的條件下，考察料液比對(duì)蔥辣素得率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 料液比對(duì)蔥辣素得率的影響Fig.2 Effects of solid-liquid rate on allicin yield

由圖2 可知，料液比在1 ∶35（g/mL）處，蔥辣素得率達(dá)到最大值，在1 ∶25（g/mL）～1 ∶35（g/mL）之間，隨著料液比的增加，蔥辣素的得率增高，超過1 ∶35（g/mL）后，蔥辣素的得率明顯下降。原因可能是料液比較小時(shí)，蔥辣素沒有得到充分的浸泡溶出，導(dǎo)致蔥辣素的得率較低；當(dāng)料液比超過1 ∶35（g/mL）后，大蔥中一些易溶于乙醇的成分被溶出，與蔥辣素競爭溶劑，導(dǎo)致蔥辣素得率下降。因此，選1 ∶35（g/mL）為較佳料液比。

2.1.3 超聲功率對(duì)蔥辣素得率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲時(shí)間相同的條件下，考察超聲功率對(duì)蔥辣素得率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 超聲功率對(duì)蔥辣素得率的影響Fig.3 Effects of ultrasonic power on allicin yield

由圖3 可知，超聲功率在125 W～225 W 時(shí)，隨著超聲功率的升高，蔥辣素的得率逐漸升高，在225 W時(shí)蔥辣素的得率達(dá)到最大值，超過225 W 后，蔥辣素的得率開始下降。原因可能是超聲功率低于225 W時(shí)，超聲破碎作用使蔥辣素逐漸有效的溶出；當(dāng)超聲功率高于225 W 后，可能破壞了大蔥中蔥辣素的穩(wěn)定性，使蔥辣素的得率降低，因此，選取超聲功率225 W為較佳條件。

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)蔥辣素得率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲功率相同的條件下，考察超聲時(shí)間對(duì)蔥辣素得率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)蔥辣素得率的影響Fig.4 Effects of ultrasonic time on allicin yield

由圖4 可知，超聲時(shí)間在7 min～10 min 內(nèi)，蔥辣素得率隨著超聲時(shí)間的增加而升高，在10 min 時(shí)，蔥辣素的得率達(dá)到最大值，超過10 min 后，蔥辣素的得率逐漸下降。原因可能是當(dāng)超聲時(shí)間超過10 min 后，蔥辣素在超聲作用下發(fā)生分解，得率下降。因此，選取10 min 為較佳超聲時(shí)間。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

通過單因素試驗(yàn)，表明乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲時(shí)間及超聲功率對(duì)蔥辣素得率有一定的影響。因此，通過對(duì)這四個(gè)因素按照L9（34）表進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，以蔥辣素得率為指標(biāo)來確定最優(yōu)提取工藝條件，結(jié)果見表2、3。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiments

續(xù)表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Continue table 2 Results of orthogonal experiments

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of ANOVA

由表2 極差分析可知，影響蔥辣素得率的主次因素順序?yàn)椋毫弦罕龋疽掖俭w積分?jǐn)?shù)＞超聲功率＞超聲時(shí)間；最優(yōu)組合是A3B3C1D3，即超聲輔助提取大蔥中蔥辣素的最佳工藝條件是：乙醇體積分?jǐn)?shù)為100%、料液比為1 ∶35、超聲功率為200 W、超聲時(shí)間為13 min。

由表3 方差分析可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲功率、超聲時(shí)間對(duì)蔥辣素得率的影響都極顯著，對(duì)最優(yōu)組合進(jìn)行區(qū)間估計(jì)：y^優(yōu)=0.052 3+0.005 3+0.003 0+0.003 0+0.006 3=0.070，誤差限為0.003。因此，最優(yōu)組合的蔥辣素得率真值在0.067 mg/g～0.073 mg/g 之間，此時(shí)的置信度為99%。

按上述條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測得蔥辣素得率為（0.069±0.002）mg/g，經(jīng)表3 方差分析得出置信區(qū)間為0.067 mg/g～0.073 mg/g，因此采用正交試驗(yàn)對(duì)超聲波提取蔥辣素工藝進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)論

通過對(duì)乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲功率、超聲時(shí)間進(jìn)行單因素和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定影響蔥辣素得率的主次因素順序?yàn)椋毫弦罕龋疽掖俭w積分?jǐn)?shù)＞超聲功率＞超聲時(shí)間；最佳工藝條件是：乙醇體積分?jǐn)?shù)為100 %、料液比為1 ∶35、超聲功率為200 W、超聲時(shí)間為13 min。在該條件下蔥辣素的得率為（0.069±0.002）mg/g，實(shí)際測定值與理論預(yù)測值基本吻合。

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