響應面優化超聲輔助提取洋蔥精油及其抗氧化活性

張東峰

廣東輕工職業技術學院食品與生物技術學院（廣州 510300）

洋蔥又名荷蘭蔥、蔥頭等，屬于百合科蔥屬，為二年生草本植物，在我國分布很廣，是傳統的藥食兩用植物[1]。洋蔥精油是洋蔥中主要風味物質及活性成分的來源，其包含各種含硫化合物、類黃酮化合物、前列腺素類、苯丙素酚類化合物、含氮化合物等成分，具有消炎抑菌、活血化瘀、抗哮喘、降血脂和血糖、預防心血管疾病、助消化等多種生理藥理活性[2]。因此，洋蔥精油具有“保健精油”的美稱，在營養保健、疾病的預防和治療等方面發揮重要作用[3]。

洋蔥精油的主要提取方法有水蒸氣蒸餾法、蒸餾-萃取法、溶劑萃取法和超臨界二氧化碳萃取法等[4]。水蒸氣蒸餾法能耗大、收率低、活性成分破壞較多；蒸餾-萃取法減少了有機溶劑使用，但仍未克服蒸餾工藝的不足；溶劑萃取法溶劑消耗大，產品純度低；超臨界二氧化碳萃取能夠保持洋蔥的新鮮風味，但設備復雜、操作要求苛刻，尚未在工業上被廣泛應用[5]。超聲波輔助萃取技術是利用超聲波的空化作用、機械作用和熱作用來加速細胞壁的破裂，提高提取效率，具有效率高、能耗低、活性成分破壞少等優勢[6]。于海蓮等[7]采用超聲波對新鮮洋蔥漿液進行萃取，洋蔥精油的收率為0.33%。蔣華梅等[8]采用超聲輔助提取插田泡花色苷，在優化的條件下插田泡花色苷的得率達到263.15 mg/100 g，高于采用振蕩提取的花色苷，該法耗時短，萃取效率高。孫婕等[9]對超聲輔助提取抱樸香桂精油工藝進行優化，優化后抱樸香桂精油得率達到6.03%。

隨著人們對自身保健意識的增強，開發利用天然抗氧化劑成為當今的研究熱點。對植物提取物的抗氧化作用的研究較多，呂曼曼等[10]發現高粱色素質量濃度達到40 μg/mL時，其對DPPH自由基的清除率達到93.23%；質量濃度2.0 mg/mL時，其對羥自由基的清除率達到91.99%，具有較好的抗氧化能力。呂曉玲等[11]發現紅花紅色素具有較強的清除超氧陰離子、羥自由基及過氧化氫的能力，色素質量濃度1 mg/mL時，其對過氧化氫的清除率為72%，色素質量濃度5 mg/mL時，羥自由基抑制率達93.66%。張水平等[12]比較胡椒果和胡椒葉抗氧化能力，發現胡椒葉提取物的DPPH自由基清除能力和多酚含量均高于胡椒果鮮、黑胡椒和白胡椒。張軒[13]發現大蒜油的抗氧化活性隨著濃度的增加而提高，0.01%檸檬酸與0.04%大蒜油混合后，其協同抗氧化作用同0.01%添加量的沒食子酸丙酯相當。

我國洋蔥產量居世界第一，每年有大量新鮮洋蔥出口，但缺乏科技含量，附加值較低。洋蔥精油被廣泛應用于食品添加劑、化妝品、醫藥及保健食品，在國際市場上供不應求，所以開發洋蔥精油市場前景廣闊。試驗運用響應面優化超聲輔助提取洋蔥精油的工藝，并探討洋蔥精油的抗氧化活性，以期為天然抗氧化劑的開發及洋蔥附加值的提升提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

洋蔥（市售）；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（Sigma公司）；其他試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

XL-20B小型粉碎機（杭州旭眾機械設備有限公司）；JY99-IIDN帶溫控超聲波細胞粉碎機（冠森生物科技（上海）有限公司）；RE-52A旋轉蒸發儀（上海政泓實業有限公司）；GC-MS7000氣相色譜質譜聯用儀（江蘇天瑞儀器股份有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 洋蔥精油的提取

取新鮮的洋蔥，清水洗凈，切成0.3cm左右薄片，放入60 ℃的干燥箱中干燥24 h，用小型粉碎機對其進行粉碎，過100目篩，得到洋蔥粉末。稱取100.0 g洋蔥粉末，以一定的料液比加入70%乙醇溶液，搖勻，在設定的超聲功率和溫度下的超聲波細胞粉碎機中進行洋蔥精油的提取，加硅藻土抽濾除殘渣，萃取液加入無水亞硫酸鈉脫水，置于60 ℃水浴鍋中減壓蒸餾，得洋蔥精油。

1.3.2 響應面優化試驗

根據前期試驗結果，采用Box-Behnken試驗設計對超聲輔助提取洋蔥精油工藝進行四因素三水平的響應面優化，試驗設計見表1。

表1 洋蔥精油提取試驗因素水平表

1.3.3 洋蔥精油抗氧化性研究

由于洋蔥精油的風味物質和生理活性成分為含硫化合物，以含硫化合物濃度來代替洋蔥精油進行抗氧化試驗，含硫化合物的檢測使用GC-MS檢測，按倪力軍等[14]的試驗方法進行，色譜柱為DB-5毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）。

1.3.3.1 洋蔥精油對DPPH自由基清除能力的測定

采用分光光法，按陳云霞等[15]的試驗方法進行測定。

1.3.3.2 洋蔥精油對羥自由基的清除能力測定

采用水楊酸比色法，按范三紅等[16]的試驗方法進行測定。

1.3.3.3 洋蔥精油對豬油抗氧化能力的測定

采用Fe3+-還原法，按范三紅等[16]的試驗方法進行測定。

1.3.3.4 洋蔥精油得率的計算

2 結果與分析

2.1 洋蔥精油提取工藝的響應面優化

2.1.1 響應面試驗設計與結果

在前期試驗結果的基礎上，根據Box-Behnken中心組合試驗原理，進行四因素三水平試驗設計，方案設計與結果如表2所示。

表2 洋蔥精油提取試驗的方案和結果

2.1.2 模型的建立及方差分析

對洋蔥精油提取率和各提取條件進行回歸擬合，獲得洋蔥精油提取率（Y）與液料比（A）、超聲功率（B）、提取溫度（C）、超聲時間（D）之間的二次回歸擬合方程：Y=-1.507 62+0.091 833A+9.125 00E-004B-5.000 00E-003C+0.025 583D-2.750 00E-005AB-8.700 00E-004AC+3.700 00E-004AD+5.900 00E-005BC+9.500 00E-006BD-5.500 00E-005CD-1.708 33E-003A2-3.458 33E-006B2-3.833 33E-005C2-2.533 33E-004D2。

根據表2試驗結果，以洋蔥精油提取率為響應值，對洋蔥精油提取工藝的模型進行回歸分析，結果見表3。

回歸模型具有極顯著性（p＜0.000 1），失擬項p＞0.05，決定系數R2=0.969 5，表明洋蔥精油各提取工藝的模型與實際情況擬合程度比較好，可以用于洋蔥精油提取工藝的優化。模型中一次項A、B、交互項AD、AC、BC、二次項A2、B2、D2極顯著（p＜0.01），交互項AB顯著（p＜0.05），表明洋蔥精油各提取條件和提取率為非線性關系。

表3 洋蔥精油提取工藝二次回歸方程模型的方差分析

2.1.3 響應面分析及最優條件驗證

根據構建的回歸模型作響應曲面圖，考察洋蔥精油各提取條件間交互作用與提取率之間的響應曲面圖，結果如圖1所示。等高線的中心區域洋蔥精油提取率最高，由中心向邊緣逐漸降低。超聲功率與提取溫度之間的交互曲面最為陡峭，固定提取溫度，隨著超聲功率增加，提取率呈先快速增大后逐漸減小趨勢，且變化幅度較大；固定超聲功率，在不同提取溫度條件下，提取率隨超聲功率變化的趨勢呈曲面變化，表明液固比與超聲功率的交互作用對洋蔥精油提取率的影響顯著。液料比與超聲功率、液料比與超聲時間、液料比與超聲功率之間的交互曲面也較為陡峭，表明這些因素之間的交互作用對洋蔥精油提取率的影響均為顯著，與表3中方差分析結果一致。

圖1 洋蔥精油各提取因素交互效應的響應曲面

對回歸方程進行求解，獲得洋蔥精油最佳提取工藝：液料比16.83∶1（mL/g）、超聲功率585.48 W、提取溫度50 ℃、超聲時間68.35 min。此時洋蔥精油提取率的預測值達到最大，為0.464%。

為驗證構建模型的可靠性，同時方便操作，采用液料比16.8∶1（mL/g）、超聲功率58.5 W、提取溫度50 ℃、超聲時間68 min進行洋蔥精油的提取，經過3次驗證試驗，洋蔥精油的提取率為0.462%，表明洋蔥精油提取工藝穩定。

2.2 洋蔥精油抗氧化性研究

2.2.1 洋蔥精油對DPPH自由基的清除能力測定

洋蔥精油對DPPH自由基的清除能力如圖2所示。結果表明，在100～600 μg/mL質量濃度范圍內，洋蔥精油清除DPPH自由基的能力與洋蔥精油濃度呈正相關，洋蔥精油濃度越大，其對DPPH自由基清除能力越強。洋蔥精油質量濃度600 μg/mL時，其對DPPH自由基清除率達72.3%；VC在500 μg/mL時，其對DPPH自由基清除率達97.3%，對DPPH自由基的清除率要優于洋蔥精油。

2.2.2 蔥精油對羥自由基的清除能力測定

洋蔥精油對羥自由基的清除能力如圖3所示。結果表明，不同濃度洋蔥精油對羥自由基均有一定清除作用，在100～500 μg/mL質量濃度范圍內，洋蔥精油對羥自由基清除率迅速增加，之后隨著洋蔥精油濃度增加，羥自由基的清除率增加緩慢。質量濃度為500 μg/mL時，洋蔥精油對羥自由基的清除能力達59.1%；濃度600 μg/mL時，洋蔥精油對羥自由基的清除能力達61.5%；VC在400 μg/mL時對羥自由基清除率達97.9%，之后維持穩定，其對羥自由基的清除率要優于洋蔥精油。

圖2 洋蔥精油對DPPH自由基的清除能力

圖3 洋蔥精油對羥自由基的清除能力

2.2.3 洋蔥精油還原能力的測定

洋蔥精油還原能力如圖4所示。結果表明，在質量濃度10～100 μg/mL范圍內，VC和洋蔥精油的還原能力隨著其濃度增加而增加，呈直線上升趨勢。質量濃度為100 μg/mL時，VC和洋蔥精油的還原能力分別為0.94和0.45，說明洋蔥精油具有較強的還原性。

圖4 洋蔥精油的還原能力

3 結論

以洋蔥為原料，采用Box-Behnken試驗設計對超聲輔助提取洋蔥精油的工藝進行響應面優化，并對洋蔥精油抗氧化性能進行初步研究。洋蔥精油的最佳提取條件為：液料比16.8∶1（mL/g）、超聲功率58.5 W、提取溫度50 ℃、超聲時間68 min，該工藝條件下洋蔥精油提取率達到0.462%。提取的洋蔥精油對DPPH自由基、羥自由基具有很好的清除作用，且具有很好還原力，在試驗濃度范圍內呈現明顯量效關系，洋蔥精油質量濃度為600 μg/mL時，其對DPPH自由基和超氧陰離子的清除率分別達到72.3%和61.5%；洋蔥精油濃度100 μg/mL時，還原能力達到0.45，可見洋蔥精油具有很好的抗氧化活性。試驗為洋蔥精油作為天然抗氧化劑的開發提供參考價值。