超臨界二氧化碳萃取大蒜素

崔保偉，秦廣利，朱俊朋

1. 商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院（商丘 476000）；2. 國家面粉及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（商丘 476000）；3. 國家面粉及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（商丘 476000）

大蒜（Alium sativumL.）又稱胡蒜，是百合科蔥屬半年生植物的地下鱗莖[1]。大蒜素是大蒜中的主要生物活性物質(zhì)[2]，可以作為香料和調(diào)味品用于食品中；在藥用方面也具有較好的抗氧化、抗病毒、抗菌、增強(qiáng)機(jī)體免疫功能[3-6]，因此大蒜素的研究和開發(fā)越來越受到重視。傳統(tǒng)的大蒜素提取方法主要有水蒸氣蒸餾法[7]，這種方法需要較高的溫度，大蒜素提取率也較低。溶劑提取法雖然萃取率較高，但產(chǎn)品中會(huì)有溶劑殘留，使大蒜素的風(fēng)味和價(jià)值大大受損，而且也不利于人體的健康。因此，采用溫和、高效的提取技術(shù)獲得大蒜素對(duì)于促進(jìn)大蒜的開發(fā)和利用具有重要意義。

超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的原理是基于處在臨界點(diǎn)時(shí)二氧化碳，壓力和溫度的微小波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致二氧化碳溶解能力有很大的變化，利用二氧化碳在低溫高壓對(duì)大部分物質(zhì)具有較高提取能力的性質(zhì)，提取大蒜中的有效成分[8]。然后在較低的壓力下進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離或提純[9]。該技術(shù)在提取分離藥用植物有效成分中有很廣泛的應(yīng)用。例如：包曉青等[10]利用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)對(duì)齒瓣石斛的有效成分進(jìn)行提取；李金海等[11]利用超臨界二氧化碳從西瓜皮中提取果膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用該方法萃取果膠具有提取率高、萃取速度快等優(yōu)點(diǎn)；杜琨[12]采用超臨界CO2流體萃取法從杏仁中提取杏仁油。另外，利用超臨界二氧化碳也可萃取辣椒紅素、桃葉中柚皮素、桑葉中總黃酮等成分[13-17]。

試驗(yàn)用超臨界CO2萃取技術(shù)對(duì)大蒜素的萃取工藝條件進(jìn)行探究，分別研究萃取溫度、萃取壓力、大蒜粒度、萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響。通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，最終確定最佳的超臨界萃取參數(shù)，為規(guī)模化生產(chǎn)大蒜素提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大蒜（市售）；CO2氣體（純度≥99.9%）；大蒜素標(biāo)準(zhǔn)品（HPLC≥98%，北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司）；乙腈（色譜純，天津市四友精細(xì)化學(xué)品有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

HD220-50-06二氧化碳超臨界萃取裝置（海安華達(dá)石油儀器有限公司）；FD-1冷凍干燥機(jī)（北京德天佑發(fā)展科技有限公司）；LC-20AT高效液相色譜儀（日本島津）；CPA224S電子天平（賽多利斯）。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)方法

新鮮大蒜經(jīng)去皮、破碎、冷凍干燥，粉碎后過篩，取100 g放入萃取釜中進(jìn)行萃取。

1.3.2 高效液相色譜檢測(cè)大蒜素方法、色譜條件及標(biāo)準(zhǔn)曲線

稱取5 g樣品，加入30 g蒸餾水，打漿機(jī)粉碎。取10 g樣品于50 mL離心管中，在40 ℃水浴鍋中加熱40 min，之后加入20 mL甲醇，振蕩提取30 min，然后離心（5000 r/min，20 min），取上清液過0.22 μm濾膜后上機(jī)。

Insert Sustain C18色譜柱；流速：1 mL/min；柱溫：30 ℃；流動(dòng)相：乙腈-水（75∶25，V/V）；分析時(shí)間：15 min；檢測(cè)波長：215 nm；進(jìn)樣量：20 μL。

準(zhǔn)確稱取20 mg大蒜素標(biāo)準(zhǔn)品，置于10 mL容量瓶中，用甲醇溶解并定容，配制成2000 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液，并依次稀釋成200，100，50，20和10 μg/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)品溶液，以大蒜素峰面積為縱坐標(biāo)，大蒜素質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)曲，獲得線性方程：Y= 66271X-103280，相關(guān)系數(shù)R2=0.9992，曲線如圖1所示。

圖1 大蒜素濃度與峰面積的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 壓力對(duì)萃取率的影響

壓力的增加可以使二氧化碳密度增大，促進(jìn)溶質(zhì)與二氧化碳之間的傳質(zhì)效率，有利于大蒜素的溶出。從圖2可以看出，隨著壓力的升高，大蒜萃取率顯著增加，并在15 MPa時(shí)萃取率最高。但在15 MPa之后繼續(xù)增加壓力，大蒜素的萃取率并未大幅增加。可能是由于在壓力到達(dá)二氧化碳臨界點(diǎn)附近之前，壓力對(duì)于二氧化碳密度的影響顯著，一旦超臨界點(diǎn)，壓力對(duì)二氧化碳密度變化的影響減小，對(duì)應(yīng)溶解度的增加變得緩慢。而且從經(jīng)濟(jì)和安全角度考慮，壓力太高損耗儀器，導(dǎo)致儀器的使用成本增加，同時(shí)高壓也有潛在的不安全因素。

圖2 壓力對(duì)萃取率的影響

2.1.2 溫度對(duì)萃取率的影響

從圖3可以看出，溫度對(duì)萃取率的影響是雙重的：一方面，隨著溫度的升高，其加速分子運(yùn)動(dòng)，有利于大蒜素的溶出，大蒜素萃取率隨著萃取溫度的升高而顯著升高，并且在溫度40 ℃時(shí)，萃取率達(dá)到最高；另一方面，隨著溫度的繼續(xù)升高，其會(huì)導(dǎo)致超臨界二氧化碳密度降低，使大蒜素的溶解能力下降，進(jìn)而促使大蒜素的萃取率下降。另外，大蒜素本身是熱敏性物質(zhì)[18]，溫度過高會(huì)導(dǎo)致大蒜素分解，影響萃取率。

圖3 溫度對(duì)萃取率的影響

2.1.3 原料粒度對(duì)萃取率的影響

由圖4可以看出，當(dāng)大蒜粒度為250 μm時(shí)，萃取率最高；當(dāng)粉碎粒度大于250 μm時(shí)，萃取率逐漸下降。一方面因?yàn)榇笏饬６仍叫。趸寂c大蒜接觸面積越大，更有利于大蒜素的溶出；另一方面如果大蒜粒度進(jìn)一步變小，在高壓萃取釜里容易造成大蒜顆粒的堆積，使高壓萃取釜里的大蒜顆粒密度過大，阻礙二氧化碳流體的流動(dòng)，降低大蒜傳質(zhì)系數(shù)，萃取率會(huì)下降。綜合考慮生產(chǎn)成本和能耗的因素，選用250 μm比較適合。

圖4 大蒜粒度對(duì)萃取率的影響

2.1.4 時(shí)間對(duì)萃取濃度的影響

由圖5可以看出，隨著萃取時(shí)間的增加，萃取率明顯提高。萃取率在60 min時(shí)達(dá)到了一個(gè)較高的增速，且之后增加的趨勢(shì)變慢。這是由于在萃取剛開始時(shí)，CO2與大蒜還沒有完全接觸，大蒜素萃取不充分。但隨著萃取時(shí)間的延長，大蒜素不斷地被萃取出來。但當(dāng)大蒜素與CO2流體達(dá)到溶解平衡后，延長萃取時(shí)間，大蒜素的萃取率并不高。

圖5 時(shí)間對(duì)萃取率的影響

2.2 超臨界萃取大蒜素優(yōu)化條件

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選用L9(34)正交表對(duì)萃取條件進(jìn)行優(yōu)化，各因素水平表見表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

表2表明，影響萃取因素的主次順序?yàn)锳（萃取溫度）＞D（萃取時(shí)間）＞C（萃取壓力）＞B（大蒜粒度）。萃取的最佳條件是A2B2C1D3，即萃取溫度40 ℃，萃取料度250 μm，萃取壓力10 MPa，時(shí)間120 min，該組合不在正交試驗(yàn)表中。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，大蒜素的萃取濃度為76.45%。表3表明，在超臨界CO2萃取蒜素的試驗(yàn)中，主要是萃取溫度影響大蒜素的萃取率。

表3 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

大蒜素是大蒜中的主要活性物質(zhì)，試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)優(yōu)化了大蒜素的提取工藝。結(jié)果表明，影響萃取因素的主次順序?yàn)锳（萃取溫度）＞D（萃取時(shí)間）＞C（萃取壓力）＞B（大蒜粒度）。萃取的最佳條件是A2B2C1D3，即萃取溫度40 ℃，萃取粒度250 μm，萃取壓力10 MPa，時(shí)間120 min，該組合不在正交試驗(yàn)表中。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，大蒜素的萃取濃度為76.45%。在超臨界CO2萃取大蒜素的試驗(yàn)中，萃取溫度顯著影響大蒜素的萃取率。此工藝操作簡單，不存在溶劑殘留，為規(guī)模化生產(chǎn)大蒜素提供了依據(jù)。