響應面法優化大蒜素提取工藝

張文杰，王應強，王 輝，劉 寧

（1.隴東學院生命科學與技術學院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省隴東生物資源保護利用與生態修復重點實驗室，甘肅慶陽745000；3.隴東學院農林科技學院，甘肅慶陽 745000；4.中華人民共和國東營海關，山東 東營 257091；5.陜西農產品加工技術研究院，陜西 西安 710021）

大蒜是百合科蔥屬植物[1]，適合我國多省份種植，其產量占世界總產值25%以上[2]。大蒜具有抑菌、抗病毒、保健等功能[3]，對心血管疾病、糖尿病等有一定的療效[4-5]，其主要功能成分為大蒜素等含硫化合物[6]，大蒜素主要是在大蒜破碎后，由大蒜中的蒜氨酸在內源蒜氨酸酶的催化作用下分解生成，而完整的大蒜中不含大蒜素[7]。

超聲的原理主要是產生空化作用，這種作用可以破壞組織的細胞壁，讓其內的成分釋放到溶劑中，增加了濃度，從而達到較高的提取效果[8]，對大蒜素的超聲輔助提取能提高大蒜素的提取率，縮短時間，提高效率[9]，結合了2種方法的優點，應用性強。

以超聲波輔助溶劑提取法提取大蒜素，以響應面法優化大蒜素的提取工藝，以期為大蒜素的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靜寧紅皮大蒜，市售。

1.2 儀器與設備

HH-S6A型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉水永興儀器有限公司產品；766-0型遠紅外快速干燥箱，上海錦凱科學儀器有限公司產品；SG-3045型組織搗碎機，上海碩光電子科技有限公司產品；RE-52AA型旋轉蒸發器，上海榮生化儀器有限公司產品；KQ3200DE型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 大蒜素的提取方法

大蒜自然干燥后用組織搗碎機搗碎，稱取10.00 g蒜泥樣品于500 mL燒瓶中，注入一定比例乙醇浸泡30 min后，將連接回流冷凝管內裝入樣品的燒瓶置于超聲裝置中，設置一定的功率、溫度、時間進行超聲，然后離心取上清液測定蒜素含量[10]。

1.3.2 蒜素測定方法

采用分光光度法測定蒜素含量[11]。

1.3.3 單因素試驗

精確稱取10.00 g蒜泥于500 mL圓底燒瓶，以超聲功率（50，60，70，80，90，100 W）、超聲時間（30，40，50，60，70，80 min）、超聲溫度（25，30，35，40，45，50℃）、料液比（1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6）為影響因素，分別考查各因素對蒜素得率的影響。

1.3.4 響應面優化

根據單因素試驗結果，運用Box-behnken試驗設計原理，以蒜素得率為響應值，選擇超聲功率、超聲時間、超聲溫度、料液比為影響因素進行試驗設計，優化大蒜素的提取工藝。

響應面設計因素與水平設計見表1。

表1 響應面設計因素與水平設計

1.3.5 數據分析

所有數據處理及統計分析利用SPSS 20.0和Design Expert V 8.0.6軟件進行。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

超聲功率對蒜素得率的影響見圖1。

圖1 超聲功率對蒜素得率的影響

由圖1可知，超聲功率為60～70 W時，蒜素得率最大，而為70～100 W時，得率趨于降低，可能是隨著超聲功率比較小時有利于蒜氨酸酶的活性增強，使得蒜素的得率提高。當功率不斷加大時，蒜素得率下降，可能是因為超聲波振動變大使部分蒜素降解。因此，選擇最佳處理功率70 W。

超聲時間對蒜素得率的影響見圖2。

圖2 超聲時間對蒜素得率的影響

由圖2可知，超聲時間為30～50 min時，蒜素得率逐漸達到最大，可能是在小于50 min時，提取時間比較短，蒜素沒有完全進入到有機相中，因此得率較低，50 min后，蒜素得率趨于下降，可能是隨著時間的延長，蒜素穩定性下降，蒜素得率開始下降。因此，選擇最佳超聲時間50 min。

超聲溫度對蒜素得率的影響見圖3。

由圖3可知，當超聲溫度為25～40℃時，蒜素得率不斷增加，當超聲溫度為40℃時蒜素得率達到最高值，這是由于溫度增加加劇了溶劑分子和蒜素分子的運動速度，使蒜素得率提高，但溫度大于40℃時，蒜素得率明顯下降，這是因為溫度較高時，蒜素不穩定，發生了分解，轉化成小分子物質，從而使蒜素得率下降。因此，選擇最佳超聲溫度為40℃。

料液比對蒜素得率的影響見圖4。

由圖4可知，料液比為1∶1～1∶3時，得率不斷增加，當料液比為1∶3時，得率達到了最高值，這是因為溶劑增加后，該體系內的蒜泥與溶劑之間的固液相濃度差隨著容積率的增加而加大，使得率增加，當料液比到1∶3時，蒜素析出基本到了平衡點，如果繼續增加料液比，得率趨于緩慢下降。因此，選擇最佳料液比為1∶3（g∶mL）。

圖4 料液比對蒜素得率的影響

2.2 響應面優化

2.2.1 回歸模型的建立及其顯著性檢驗

為有效考查超聲和石油醚協同作用提取柚子皮油得率，利用Design Expert對試驗進行多元回歸擬合，得到回歸模型：

響應面試驗設計及結果見表2，回歸模型得率方差分析見表3。

表2 響應面試驗設計及結果

表3 回歸模型得率方差分析

由表3可知，回歸模型極顯著，失擬項不顯著，說明模型有效，能夠較好地預測試驗值。4個因素對蒜素得率影響極顯著。4個因素的二次項影響極顯著，說明這4個因素對蒜素得率有極大的影響。

2.2.2 響應面分析及優化結果

交互作用對蒜素得率的影響見圖5。

由圖5可知，影響蒜素得率的4個因素中任何2個交互因素對蒜素得率的響應面都存在最高點[12]。通過Design Expert軟件分析，蒜素的最佳提取工藝參數為超聲功率70 W，超聲時間50 min，超聲溫度40℃，料液比1∶3（g∶mL），在4個影響因素優化條件下蒜素得率預測值為3.208 mg/g。為驗證模型預測值的可靠性，選擇優化的工藝參數進行平行試驗，蒜素得率為3.169 mg/g，試驗數據說明與模型預測值接近，證明蒜素試驗優化模型結果可靠。

圖5 交互作用對蒜素得率的影響

3 結論

以靜寧紅皮大蒜為研究對象，運用響應面法對提取蒜素的工藝進行了優化，最佳工藝為超聲功率70 W，超聲時間50 min，超聲溫度40℃，料液比1∶3（g∶mL），在此優化條件下得出蒜素的得率為3.169 mg/g。