響應面法優化大蒜油的提取工藝研究

王煜偉，李琳琳，王樂，尹衛，王永紅，灑威，梁健

（省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

大蒜（Allium sativum L.）屬于蔥科（Alliaceae）蔥屬（Allium），具有其特有的酸臭味，味辛辣，是一種淺根性的多年生草本植物[1]。大蒜的蒜頭、蒜葉和花薹均可食用，大蒜可作調料也可入藥，是著名的食藥兩用植物[2]。大蒜起源于中亞和地中海地區，至今已有約5 000年的歷史[3]。大蒜含有豐富的碳水化合物、蛋白質、磷、鉀、胡蘿卜素、VC和VB2，營養價值高。通過對其主要活性成分的研究，發現大蒜及其分解產物有抑菌、防治心腦血管疾病、降血脂、抗氧化、抗腫瘤和抗病原微生物的作用[4-8]。

大蒜油又稱為大蒜素，是指大蒜破碎以后，蒜氨酸通過內源蒜氨酸酶的作用而形成的一種淺黃色油狀有機硫化物[9]，具有抗菌、抗病毒、降糖、降脂、抗腫瘤、保護心腦血管健康以及提高機體免疫力等廣譜的生物學活性[10-12]。目前，對大蒜油的提取方法有很多種，如超臨界流體提取[13-15]、水蒸氣蒸餾法[16-18]、有機溶劑萃取[19-20]等。其中超臨界流體提取法雖然得率高，有效成分損失少，但工藝復雜、操作困難、成本較高；有機溶劑萃取法雖然穩定性較好，但純度較低；而水蒸氣蒸餾法提取大蒜油試驗裝置簡單、成本低、穩定性好、操作性強，大蒜中的蒜氨酸在經活化蒜氨酸酶的催化作用下，能發生酶水解反應生成大蒜素，出油率高。本試驗利用水蒸氣蒸餾法優化提取大蒜油，在單因素試驗基礎上，通過響應面分析確定最佳提取工藝[21-22]。以期為大蒜油的進一步開發與利用提供一定的科學依據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大蒜樣品為青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室種植，蔥科蔥屬紫皮大蒜。所用試劑均為國產分析純。

小型粉碎機（KC-130）：浙江武義鼎日用金屬制品廠；分析天平（FA1004）：上海佑科儀器儀表有限公司；低噪音無油空壓機（TYM）：蘇州市同一機電有限公司；低溫恒溫槽（SDC-6）：南京新辰生物科技有限公司；揮發油提取器：北京新科實驗室有限公司。

1.2 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油

1.2.1 工藝流程

大蒜去皮→洗凈→加水搗碎→酶解→水蒸氣蒸餾→油水分離→大蒜油

1.2.2 操作步驟

備料：將新鮮大蒜去皮，洗凈備用。

粉碎：將干凈去皮大蒜加入粉碎機粉碎成蒜泥，加入120 mL去離子水混勻（蒜泥∶水=1∶2，體積比），制成大蒜勻漿。

酶解：精確稱取60.0 g大蒜勻漿，置于圓底燒瓶中，50℃水浴條件下酶解3 h。

蒸餾：通入水蒸氣，蒸餾時間2 h，收集餾出液。

分離：將餾出液倒入分液漏斗中靜置分層，收集下層純凈的大蒜油。

提?。喊匆欢ǖ妮腿囟?、萃取時間、蒸餾水體積浸泡發酵4 h后，連接揮發油提取器進行提取，收集大蒜油提取物。

1.3 大蒜油得率測定

大蒜油得率X/%=（m2-m1）/M×100

式中：m2為萃取后試管及油的質量，g；m1為萃取前試管的質量，g；M為樣品質量，g。

1.4 單因素試驗

精確稱取60.0g大蒜勻漿于圓底燒瓶中，以萃取溫度（15、25、35、45、55 ℃）、萃取時間（2、3、4、5、6 h）、蒸餾水體積（120、240、360、480、600 mL）為影響因素，分別考察各因素對大蒜油得率的影響。

1.5 大蒜油提取條件響應面試驗設計

分別選取對大蒜油得率影響較大的萃取溫度（A）、萃取時間（B）、蒸餾水體積（C）為考察因素，采用Design-Expert 8.0.7.1軟件中Box-Behnken中心設計模型設計三因素三水平響應面試驗，以大蒜油得率為響應值，通過結果分析得出水蒸氣蒸餾法提取大蒜油的最佳提取工藝條件和方法。試驗設計因素編碼及水平見表1。

表1 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油中心組合設計因素與水平Table 1 Factors and levels in the central composite design for extraction of garlic oil by steam distillation

1.6 數據處理

使用Office 2010軟件進行數據處理，使用Origin 2018軟件進行單因素作圖，利用Design Expert 8.0.7.1軟件進行響應面試驗的相關設計、方差分析及響應曲面的處理。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取溫度對大蒜油得率的影響

萃取溫度對大蒜油得率的影響見圖1。

圖1 萃取溫度對大蒜油得率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of garlic oil

由圖1可知，隨著萃取溫度的升高，大蒜油得率呈先升高后降低的趨勢。當萃取溫度為35℃時，大蒜油得率達到最高值，為0.476%。這是由于萃取溫度升高加劇了水蒸氣分子和大蒜油分子的運動速度，從而使大蒜油得率升高；當萃取溫度高于35℃時，大蒜油得率明顯下降，這是因為溫度較高時，大蒜油不穩定，發生了分解，轉化成小分子物質，從而使大蒜油得率下降。因此，選擇最佳萃取溫度為35℃。

2.1.2 萃取時間對大蒜油得率的影響

萃取時間對大蒜油得率的影響見圖2。

圖2 萃取時間對大蒜油得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on yield of garlic oil

由圖2可知，隨著萃取時間的延長，大蒜油得率呈先升高后降低的趨勢。當萃取時間為5 h時，大蒜油得率達到最高值，為0.477%；當萃取時間大于5 h時，大蒜油得率趨于下降，分析可能是隨著時間的延長，大蒜油穩定性下降，大蒜油得率開始下降。因此，選擇最佳萃取時間為5 h。

2.1.3 蒸餾水體積對大蒜油得率的影響

蒸餾水體積對大蒜油得率的影響見圖3。

圖3 蒸餾水體積對大蒜油得率的影響Fig.3 Effect of volume of distilled water on yield of garlic oil

由圖3可知，隨著蒸餾水體積的增加，大蒜油得率呈先升高后降低的趨勢。當蒸餾水體積為480 mL時，大蒜油得率達到最高值，為0.482%。這可能是因為溶劑增加后，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增加，從而使大蒜油得率上升；當蒸餾水體積大于480 mL時，大蒜油得率趨于緩慢下降。因此，選擇最佳蒸餾水體積為480 mL。

2.2 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油響應面分析試驗結果與數據分析

2.2.1 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，利用Design Expert 8.0.7.1軟件，對水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油試驗數據進行多元回歸擬合，對試驗結果進行響應面分析，響應面試驗設計與結果表見表2，響應面試驗方差分析表見表3。

表2 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results of extracting garlic oil by steam distillation

表3 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油擬合二次多項式模型的方差分析Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic polynomial model for extraction of garlic oil by steam distillation

續表3 水蒸氣蒸餾法萃取大蒜油擬合二次多項式模型的方差分析Continue table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic polynomial model for extraction of garlic oil by steam distillation

根據表3回歸方程方差分析可知，試驗所選擇的模型F值為61.31，模型P小于0.01，失擬項P為0.0665，差異不顯著，說明模型試驗擬合良好，誤差小，操作可信，回歸極顯著，具有統計學意義，可以用此模型對水蒸氣蒸餾法提取大蒜油進行分析和預測。大蒜油得率與各因素間的二次多項回歸方程為X=0.48+0.004 25A-0.015B+0.002 75C-0.017AB+0.004AC+0.006 5BC-0.075A2-0.062B2-0.098C2。從P值的大小可以看出，A2、B2、C2對萃取效果影響極顯著，B、AB對萃取效果影響顯著，A、C、AC和BC對萃取效果影響不顯著。各因素對大蒜油萃取率的影響由大到小順序為萃取時間（B）＞萃取溫度（A）＞蒸餾水體積（C）。

2.2.2 萃取溫度與萃取時間對大蒜油得率交互作用分析

萃取溫度和萃取時間的三維圖和等高線圖見圖4。

圖4 萃取溫度與萃取時間對大蒜油得率的交互影響Fig.4 Interactive effects of extraction temperature and extraction time on garlic oil yield

由圖4可知，等高線圖是橢圓型，說明萃取溫度和萃取時間交互作用較強，影響顯著；由圖4的三維圖可知，萃取時間的三維圖較陡，說明萃取時間對大蒜油得率的影響顯著，萃取溫度的坡面比萃取時間的坡面陡，說明萃取溫度的二次項對大蒜油得率的影響較大。

2.2.3 萃取溫度與蒸餾水體積對大蒜油得率交互作用分析

萃取溫度和蒸餾水體積的三維圖和等高線圖見圖5。

圖5 萃取溫度與蒸餾水體積對大蒜油得率的交互影響Fig.5 Interactive effects of extraction temperature and distilled water volume on garlic oil yield

由圖5可知，等高線圖近似圓形，并且三維圖較平緩，說明萃取溫度和蒸餾水體積交互作用不強，對大蒜油得率的影響不顯著，蒸餾水體積比萃取溫度的坡面陡，說明蒸餾水體積的二次項對大蒜油得率的影響較大。

2.2.4 萃取時間與蒸餾水體積對大蒜油得率交互作用分析

萃取時間和蒸餾水體積的三維圖和等高線圖見圖6。

圖6 萃取時間與蒸餾水體積對大蒜油得率的交互影響Fig.6 Interactive effects of extraction time and distilled water volume on garlic oil yield

由圖6可知，等高線近似圓形，并且三維圖較平緩，說明萃取時間與蒸餾水體積交互作用不強，對大蒜油得率的影響不顯著，蒸餾水體積比萃取時間的坡面陡，說明蒸餾水體積的二次項對大蒜油得率的影響較大。

2.3 模型驗證

根據Box-Behnken響應面分析可知，大蒜油提取最佳工藝條件為萃取溫度47.34℃、萃取時間5.25 h、蒸餾水體積482 mL。在此條件下大蒜油得率預測值能夠達到0.493%。從實際出發，將各因素數值校正為萃取溫度35℃、萃取時間為5 h、蒸餾水體積480 mL。用此條件進行3次重復的驗證試驗，獲得大蒜油得率均值為0.482%，說明預測值與實際值具有較好的擬合性，同時也證明了回歸模型的可靠性。

3 結論

水蒸氣蒸餾法提取大蒜油的最佳工藝為萃取溫度35℃、萃取時間為5 h、蒸餾水體積480 mL，在此條件下，大蒜油得率高達0.482%，為大蒜油的進一步開發與利用提供一定的科學依據和理論參考。