蒜片加工廢水及其膜濃縮液的含硫揮發成分分析

吳洋，夏夢穎，湯魯宏

(江南大學 藥學院，江蘇 無錫，214122)

大蒜(AlliumsativumL.)是一種全球各地均廣泛種植和使用的植物，不僅作為香料和食物，而且作為很受歡迎的急救藥物[1]。其重要性早在幾千年前就已被認可，至今仍在世界各地的民間醫學中用于預防和治療各種疾病。目前，大蒜已被證實具有廣譜抗菌、消炎、降血壓、降血脂、抑制血小板凝集、防癌、抗病毒等多種生物學功能[2-7]，相關研究越來越受到廣大研究者的關注。

蒜片加工廢水指在蒜瓣切片過程中，為防止蒜片黏刀、保證切片機的正常運行而對切片刀片連續注射的沖洗用水，以及甩干機脫水甩干時排出的水。蒜片加工廢水中富含大蒜中的各種水溶性成分，包括蒜氨酸酶、蒜氨酸、大蒜辣素、大蒜多糖等多種生物有效活性成分[8]。以前，國內的生產商偷偷地將這些廢水隨意排入周圍環境，因廢水中有機物含量很高，被微生物分解后會造成一系列嚴重的環境問題，且非常難治理。現在，生產商將這些廢水排入污水處理廠去做專門的處理了，但是仍存在很多問題。由于蒜片加工廢水具有很強的殺菌能力，對污水處理廠所用的菌有殺滅作用，處理起來相當麻煩，從而導致污水處理速度趕不上廢水產生速度，蒜片加工廠經常因此而停產。現在也有報導[9]，用厭氧折流板反應器-曝氣生物濾池(anaerobic baffled reactor-biological aerated filter,ABR-BAF)組合工藝來處理蒜片加工廢水。雖然這種方法處理會消除對環境的影響，但從天然資源的開發利用的角度來看，仍是不合理的。如能將蒜片加工廢水作為大蒜資源加以利用，變廢為寶,無疑是十分有意義的。

該課題組于2017年8月在山東金鄉隆祥食品有限公司建設了一套1 t/h的膜分離裝置，采用膜分離技術對蒜片加工廢水進行了超濾-反滲透處理，獲得了蒜片加工廢水的超濾濃縮液、反滲透濃縮液和超濾濃縮液自然發酵產物等一系列產物。本文即為采用固相微萃取-氣質聯用(solid phase micro-extraction-GC-MS, SPME-GC-MS)技術對上述產物的含硫揮發成分(volatile sulfur compounds, VSC)所做的計算機分析，并與新鮮大蒜提取液和蒜片加工廢水原液的揮發成分進行了對比。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蒜片加工廢水、大蒜，由山東金鄉隆祥食品有限公司提供。

蒜片加工廢水膜分離裝置，由無錫宏瑞生物醫藥科技有限公司提供。

GCMS-QP2010 ULTRA型氣相色譜-質譜聯用儀。

固相微萃取頭：75 μm Carboxen/PDMS。

1.2 實驗方法

1.2.1 新鮮大蒜提取液的制備

稱取已經剝好的蒜瓣10 g，搗成蒜泥，放置30 min。然后加入20 mL去離子水，混勻后用濾紙進行過濾，即得到新鮮大蒜提取液。

1.2.2 蒜片加工廢水原液的制備

將蒜片加工廢水經過25 μm、5 μm依次過濾，即得到蒜片加工廢水原液。

1.2.3 蒜片加工廢水超濾濃縮液的制備

將蒜片加工廢水原液在15 ℃下超濾濃縮20倍，即得到蒜片加工廢水的超濾濃縮液。

1.2.4 蒜片加工廢水反滲透濃縮液的制備

將超濾透過液在室溫下反滲透濃縮20倍，即得到蒜片加工廢水的反滲透濃縮液。

1.2.5 超濾濃縮液自然發酵產物的制備

將20倍超濾濃縮液置20～35 ℃室溫下自然放置2個月，然后過濾，即得到蒜片加工廢水超濾濃縮液的自然發酵產物。

1.2.6 SPME-GC-MS分析

將上述的5種液體在氣質聯用前進行預處理——固相微萃取，50 ℃下萃取30 min。GC-MS條件：色譜柱：DB-WAX (30 m×0.25 mm，0.25 μm)；進樣口溫度：250 ℃；升溫程序：40 ℃保持3 min，以5 ℃/min升溫至90 ℃，再以10 ℃/min升溫至230 ℃，并保持7 min；載氣：氦氣；不分流。電離方式：電子轟擊；離子源溫度：200 ℃；電離(EI)能量：70 eV；傳輸線溫度：250 ℃。氣質定性分析由NIST和WELLY譜庫確定。

2 結果與分析

新鮮大蒜提取液、蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液及其自然發酵產物和超濾透過液的反滲透濃縮液的氣相色譜圖見圖1～圖5，所含的揮發性含硫化合物列于表1。

圖1 新鮮大蒜提取液氣相色譜圖

Fig.1 Gas chromatogram of fresh garlic extract

從圖1～圖5和表1中可以看出，在0～34 min的保留時間內，對于新鮮大蒜提取液、蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液及其自然發酵產物和超濾透過液的反滲透濃縮液的揮發成分，計算機系統分別檢出了35、54、57、46和54種揮發成分，其中的新鮮大蒜提取液的揮發成分中有21種(60%)是揮發性含硫化合物，其相對峰面積含量96.279%，而蒜片加工廢水的原液、超濾濃縮液及其自然發酵產物和超濾透過液的反滲透濃縮液的揮發性含硫化合物的種類分別為20種(37.0%)、25種(43.9%)、17種(37.0%)和20種(37.0%)，其相對峰面積含量分別為87.737%、76.897%、58.971%和87.300%。

圖2 蒜片加工廢水原液氣相色譜圖

Fig.2 Gas chromatogram of slices rinse water (withou treatment)

圖3 蒜片加工廢水超濾濃縮液氣相色譜圖

Fig.3 Gas chromatogram of slices rinse water (the UF concentrate)

圖4 蒜片加工廢水超濾濃縮液自然發酵產物氣相色譜圖

Fig.4 Gas chromatogram of slices rinse water (the natural fermentate of UF concentrate)

圖5 蒜片加工廢水反滲透濃縮液氣相色譜圖

Fig.5 Gas chromatogram of slices rinse water (the RO concentrate of UF permeate)

表1 五種樣品中揮發性含硫化物匯總

Table 1 The summary of volatile sulfur compounds identified from all such samples

編號含硫揮發性化合物相對峰面積百分含量/%名稱結構F1F2U1U2N1二烯丙基硫代亞磺酸酯38.997----2二氧化硫SO20.926----3二烯丙基硫醚0.91711.31325.84211.13415.7514二烯丙基二硫醚26.31514.2835.0002.04113.3225二烯丙基三硫醚6.9980.0810.235-0.5586烯丙基甲基硫醚-5.9332.293-4.2787烯丙基甲基二硫醚2.0031.4120.4340.0681.4848烯丙基甲基三硫醚--0.117--9烯丙基叔丁基硫醚---0.142-10烯丙基正丙基硫醚-0.0370.195-0.06411烯丙基正丙基二硫醚0.055----12丙烯基甲基硫醚--0.064--13反式丙烯基甲基二硫醚2.718----14二甲基二硫醚-0.0350.033-0.05415二甲基三硫醚0.041----162,3,5-三硫雜己烷----0.17117甲基-1-甲硫基丙基二硫醚-0.263---181-丙基-2-(4-硫代-2-庚烯-5-基)二硫醚-0.794---19甲硫醇---0.011-20丙硫醇--0.089--212-丙烯-1-硫醇1.59617.1530.24923.3711.17522環硫丙烷--13.879-0.0323硫代乙酸-0.056---24硫代乙酸-S-甲酯-0.7500.3222.8510.682

續表1

編號含硫揮發性化合物相對峰面積百分含量/%名稱結構F1F2U1U2N25硫代乙酸-S-丙酯--1.1150.080.42926烯丙基2-巰基丙酸酯-0.210-0.137-273-乙酰氧基環己硫醇---0.199-285-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮-29.01313.343-36.138292-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮---11.818-302-甲基噻吩---0.043-313-甲基噻吩--0.054--322,4-二甲基噻吩1.397----332-巰-3,4-二甲-2,3-二氫噻吩0.557----34乙烯基噻吩0.055----353,4-二甲基-2,5-二氫噻吩-2-酮0.0910.043---36順式-2-乙基-3-甲基四氫噻吩-0.0520.046-0.039371,2-二硫環戊烷-0.249---383,5-二乙基-1,2,4-三硫環戊烷--0.740--394-乙基-3H-1,2-二硫雜環2.187----403-乙烯-[4H]-1,2-二噻烯3.324-0.1170.0490.24541[2H, 4H]-1,3-二噻烯2.509----

續表1

編號含硫揮發性化合物相對峰面積百分含量/%名稱結構F1F2U1U2N422-乙烯基-[4H]-1,3-二噻烯0.6890.0320.253-0.228431,3-二噻烷--0.1320.0710.117442-亞乙基-[1,3]二噻烷0.213-0.089--452-乙基-1,3-二噻烷-1.48810.8014.3172.248461,3-二噻烷-2-γ-氧丁酸--0.073--471-(2-乙基-[1,3]二噻烷-2-基)-3-甲基-丁醇-4.5401.3822.6060.236486-乙基-3,4-二氫-1H-1,2?4-二噻烯-1-酮4.653----491-壬硫醇----0.051501,5-二硫雜環辛烷0.038--0.035-總計96.27987.73776.89758.97187.300

注：F1為新鮮大蒜提取液；F2為蒜片加工廢水原液；U1為蒜片加工廢水超濾濃縮液；U2為蒜片加工廢水超濾濃縮物的自然發酵產物；N為蒜片加工廢水超濾透過液的反滲透濃縮液。

蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液及其自然發酵產物和超濾透過液的反滲透濃縮液中所檢測出的揮發成分種類要多于新鮮大蒜提取液。而新鮮大蒜提取液中含硫揮發成分的種類占比和含量占比大于其他4種樣品。事實上，大蒜組織中存在著豐富而活性強的酶系，自大蒜被切為蒜片，大蒜組織遭受損傷開始，各種揮發成分就在這些酶系的作用下開始代謝、產生。隨著加工時間的延長，各種非含硫揮發成分的種類增多和濃度增大。

超濾濃縮液中含硫揮發成分含量占比略小于蒜片加工廢水的原液和超濾透過液的反滲透濃縮液，而含硫揮發成分種類卻是多于兩者。究其原因，可能是超濾濃縮過程中有大量而又活性強的酶系被截留下來，而這些活性酶系又在不斷作用，使非含硫揮發性化合物含量增加和含硫揮發化合物種類增多(含硫總含量不變)，從而導致含硫揮發性含量占比相對減少。

蒜片加工廢水的原液、超濾濃縮液和超濾透過液的反滲透濃縮液的含硫揮發成分含量占比遠遠大于超濾濃縮液自然發酵產物。可能是由于經過微生物的作用導致其他非含硫化合物含量增多。經微生物發酵過后，大蒜辛辣味變弱、顏色變黃、蒜味變輕。同時大蒜的特有蒜味隨著發酵時間的延長而逐漸減弱[10]。超濾濃縮液自然發酵產物中2-丙烯-1-硫醇和二烯丙基硫醚所占的比例很大，分別占了23.370%和11.134%，可能這2種物質是含硫揮發性成分最終分解物質或者是它們相對其他含硫揮發成分來說比較穩定。

從圖1～圖5中可以看出，新鮮大蒜提取液在3～10 min內只檢測出了少量含硫揮發成分(3種)，且所占含量(3.439%)極小，而其他4種樣品卻檢測出多種類含硫揮發成分且所占含量較高，分別為蒜片加工廢水原液(6種，35.221%)，超濾濃縮液(11種，44.135%)，超濾濃縮液自然發酵產物(7種，49.307%)，超濾透過液的反滲透濃縮液(8種，32.463%)。這可能是由于加工過程時間過長，這4種樣品中的大蒜辣素分解而導致的。

從表1可以看出，從上述5份樣品中共檢出了50種含硫揮發成分，其中約60% (29種)均為新鮮大蒜液所沒有的，是在后續的代謝過程中衍生的。二烯丙基硫醚，二烯丙基二硫醚，二烯丙基三硫醚，3-乙烯-[4H]-1,2二噻烯，2-乙烯-[4H]-1,3-二噻烯等這些均是大蒜辣素最常見的分解含硫產物[11-13]，都能在新鮮大蒜提取液，蒜片加工廢水超濾濃縮液，超濾透過液的濃縮液中找到。此外，還有2-丙烯-1-硫醇，烯丙基甲基二硫醚在5種樣品都存在。上述這些含硫揮發成分，在不揮發損失的前提下，可以一直完好的保藏在蒜片加工廢水的超濾濃縮液和反滲透濃縮液中，構成活性有效成分的基礎，為這些產品的開發利用提供了理論依據。

從表1看出，計算機檢出了1種迄今為止國內外均未見任何報導的大蒜衍生物，5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮(CAS No. 1762-69-2)。該物質在蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液和超濾透過液的反滲透濃縮液的含硫揮發分中占比都很高，分別為29.013%，13.343%和36.138%。通過比較，該物質在原液和反滲透濃縮液中占比最高，在超濾濃縮液中排列第3。但是，在超濾濃縮液自然發酵產物中該物質未再被檢出，卻檢出了具有相同母環的結構類似物，2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮，該物質含量在含硫揮發分中占比也很高，為11.818%，位列第2。

那么5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮究竟能否轉化為2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮，兩者之間存在怎樣的關系？以及5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮和2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮究竟是否都具有生理活性？若有生理活性，則會具有怎樣的生理活性？這些需進一步的研究來加以證明與闡釋。

3 結論

蒜片加工廢水的膜分離技術(超濾與反滲透)處理液：超濾濃縮液及其自然發酵產物和超濾透過液的反滲透濃縮液中均含有豐富的含硫揮發性化合物。雖然與新鮮大蒜提取液(21種，占96.279%)相比已經不含大蒜辣素，揮發成分的含量也有所下降，但所含有的含硫揮發性化合物的種類和含量仍相當可觀(超濾濃縮液為25種、占76.897%，超濾濃縮液的自然發酵產物為17種，占58.971%、超濾透過液的反滲透濃縮液為20種、占87.30%)。

5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮(CAS No. 1762-69-2)是原液(29.013%)和反滲透濃縮液(36.138%)中含量最高的含硫揮發分，在超濾濃縮液(13.343%)也排第3。超濾濃縮液經自然發酵后該物質未再被檢出，但檢出了具有相同母環的結構類似物，2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮(11.818%，位列第2)。這值得深入進行研究。

總之，蒜片加工廢水在經過超濾-反滲透處理后所得到的濃縮液及其自然發酵產物可以作為提取有效活性物質的大蒜資源加以開發利用。