蒜油的超临界CO2-分子蒸馏分离纯化及其挥发性成分分析

陶宁萍，王赛赛，陈必文

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)

蒜油的超临界CO2-分子蒸馏分离纯化及其挥发性成分分析

陶宁萍，王赛赛，陈必文

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)

采用分子蒸馏技术(MD)将超临界CO2(SFE)萃取的蒜油进行纯化，以顶空固相微萃取气质联用技术(HSSPME-GC-MS)分析蒜油中的挥发性成分，确定最佳工艺：进样速度1滴/s，蒸馏温度60℃，刮膜转速250r/min。纯化的蒜油挥发性成分仅有4种，二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚、2-乙烯基-1,3-二硫杂-4-环己烯和3-乙烯基-1,2-二硫杂-5-环己烯；与水蒸气蒸馏法制得的新鲜蒜油(F-GO)比较，SFE法是一种理想的制取蒜油的方法；蒜油放置30d(S-GO)后有效成分含量下降，导致品质下降。

超临界CO2流体萃取；分子蒸馏；蒜油；顶空固相微萃取气质联用；挥发性成分

大蒜(garlic，Allium sativum)为百合科葱属植物的地下鳞茎，有“天然抗生素”之称。研究发现大蒜的药用价值主要在于其中的含硫化合物，将其提取纯化所得到的油状物即为蒜油，在大蒜鳞茎中的含量为0.2%～0.5%[1]。蒜油对多种致病真菌和病毒有抑制和杀灭作用，并具有抗高血压、抗血栓、抗癌作用，可用于治疗和预防多种疾病[2-5]。

分子蒸馏(molecular distillation，MD)技术是近年来发展起来的一种新型的液-液分离技术，是根据不同物质分子平均自由程的差别实现分离的。当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出，达到物质分离的目的。与传统分离技术相比，分子蒸馏具有操作温度低、真空度高、受热时间短、分离度高等优点，特别适合沸点高、热敏性、易氧化物质的分离[6]。本研究采用分子蒸馏技术分离纯化超临界CO2萃取的蒜油，并进行顶空固相微萃取气质联用(HS-SPME-GC-MS)分析，与市场上的蒜油挥发性成分进行比较，以期为工业化超临界CO2萃取分子蒸馏(SFE-MD)精制蒜油提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜大蒜(产地上海) 上海市新芦苑集贸市场；蒜油(产地河南) 河南远洋香料有限公司，采用水蒸气蒸馏法制取。两个样品分别为新鲜制取的蒜油(F-GO)和放置30d后的蒜油(S-GO)。

1.2 仪器与设备

CPA1245分析天平 Sartorius公司；超临界二氧化碳萃取仪 美国Applied Separations公司；sk3310HPSH超声波清洗器 科导超声仪器有限公司；SHZ-3循环水真空泵 上海华光仪器仪表厂；R205旋转蒸发器 上海申生科技有限公司；THZ-82(A)气浴恒温振荡器 金坛市科析仪器有限公司；固相微萃取装置(手动进样手柄、萃取头(聚丙烯酸酯(85μm PA)涂层厚度) 美国Supelco公司；Trace MS气质联用仪 美国Agilent质谱公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司；MS-FMM型分子蒸馏装置。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备[7]

采用超临界流体萃取技术(supercritical fluid extraction，SFE)制备蒜油。称取经粉碎的新鲜蒜泥35.00g，装入超临界萃取釜中。在温度40℃、压力15MPa、静态循环30min和动态萃取90min的条件下进行萃取，收集得到浅黄色的蒜油提取物，有浓郁的蒜味。

1.3.2 分子蒸馏

取超临界萃取物按进料速度1滴/s，冷却水温度为5℃，设定不同温度和刮膜转速，收集蒸馏液进行HSSMPE-GC-MS分析。

1.3.3HS-SPME-GC-MS测定[8]

1.3.3.1 萃取头的老化

将85μm PA 萃取头于280℃老化1h，老化至无干扰峰出现。

1.3.3.2 顶空固相微萃取

取3mL样品于含微型搅拌子的棕色顶空瓶中。平衡30min，调节电热磁力搅拌器温度至40℃，温度恒定后，设定转速800r/min，将样品置于磁力搅拌台上。将SPME针管插入顶空瓶的硅橡胶瓶垫 ，调整并固定萃取头顶空体积中的位置，伸出85μmPA萃取纤维头，吸附35min。待吸附完毕，缩回纤维头，抽出针头。将萃取头抽出插入GC-MS联用仪，于250℃解吸3min后，进行GC-MS检测分析。

1.3.3.3GC-MS测定

色谱柱：DB-35弹性毛细管柱(30m×0.25mm，0.25μm)；程序升温：起始温度40℃，保持3min，然后以10℃/min的升温速度升温到50℃，再以4℃/min的升温速度升温到120℃，最后以12℃/min的升温速度升温到240℃，保持5min；载气为He，流量0.8mL/min；汽化室温度250℃。

质谱条件：电子轰击(EI)离子源；电子能量70eV，灯丝发射电流为200μA，离子源温度为200℃，接口温度250℃，检测器电压350V。

1.3.4 定性、定量方法

定性：实验数据处理由Xcalibur软件系统完成。挥发性成分通过NIST和Wiley谱库确认定性，仅报道匹配度大于800(最大值为1000)的鉴定结果。定量：按峰面积归一化法计算相对含量。

2 结果与分析

2.1 蒸馏温度对蒜油分离纯化效果的影响

为考察蒸馏温度对超临界CO2萃取的蒜油分离效果的影响，设定冷凝水温度为5℃，进料速率1滴/s，刮膜转速150r/min，用顶空固相微萃取气质联用仪测定不同温度下馏出物的成分。

表1 蒸馏温度对蒜油分离纯化效果的影响Table 1 Effect of distillation temperature on garlic oil purification

蒜油中主要活性成分为蒜素，蒜素常温或高温下可分解，所产生的有效成分为二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚和2-乙烯基-1,3-二硫杂-4-环己烯和3-乙烯基-1,2-二硫杂-5-环己烯4种含硫化合物，故对于GC-MS结果，可将4种化合物含量作为有效成分含量[9-10]。由表1可以看出，随蒸馏温度的升高，4种物质的总量分别为28.68%、74.15%、74.97%和63.14%。蒸馏温度为

50℃时，可能由于温度较低，未达到活性物质的分子平均自由程，对于有效含硫化合物分离效果较差。温度达到60℃以上时，有效成分含量较50℃有明显上升，80℃时由于温度过高，有效成分馏出的同时，大量的非有效成分也随之馏出，有效化合物纯度降低。60℃和70℃时分离效果相差不大，但由于蒜油中的有效成分为不稳定含硫化合物，温度升高造成物质分解，故最终选定蒸馏温度为60℃。毕艳红等[11]采用分子蒸馏法纯化蒜油，温度为60℃时二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚的总量达到30%。对于有些非目标化合物，如半胱亚硫酸、3-甲基-1-丁醇等，蒸馏温度低时检出，温度升高而未检出，可能是由于GC-MS实际是根据萃取头上吸附的物质高温分解后的产物片段进行推断，经分离纯化的混合物由于其中化合物种类不同从而导致高温分解时化合物间相互作用不同，最终导致GC-MS最终所检测到物质的不同，故对于分子蒸馏纯化的化合物中含硫化合物种类含量及蒜素分解机理，有待进一步研究。

2.2 刮膜转速对蒜油分离纯化效果的影响

在蒸馏温度60℃，冷凝水温度5℃，进料速度1滴/s条件下，分别研究不同刮膜转速对馏出物中有效成分相对含量的影响。

表2 刮膜转速对蒜油分离纯化效果的影响Table 2 Effect of film wiping speed on garlic oil purification

由表2可以看出，刮膜转速为150、200、250r/min和300r/min时，蒜油中的4种有效成分总量分别为74.14%、71.78%、100%和96.21%。当刮膜器转速较低时，有效成分含量随着转速的增加呈上升趋势，说明原料在蒸发表面随着刮膜转子转速的提高在蒸发壁面逐渐形成均匀的液膜，有利于传质和传热，分离效果明显提高。当转速为250r/min时，分离效果最好，所得化合物均为目标化合物。张忠义等[12]利用分子蒸馏纯化的蒜油，经GC-MS检测亦为4种含硫化合物，分别为二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚和2-乙烯基- 1,3-二硫代环己-4-烯、2-乙烯基-1,2-二硫代环己-5-烯。转速达到300r/min时，仪器会因转速过快产生轻微震动而导致物料所形成的液膜均匀性略有下降，从而导致分离效果的下降。综合分离效果和仪器性能，最终确定刮膜转速为250r/min。

2.3 超临界CO2提取与分子蒸馏纯化的蒜油与市售蒜油挥发性成分比较

图1 SFE法萃取蒜油挥发性成分的GC-MS总离子流图Fig.1 GC-MS total ion current chromatogram of SCDE-extracted garlic oil without purification

图2 SFE-MD纯化蒜油挥发性成分GC-MS总离子流图Fig.2 GC-MS total ion current chromatogram of SCDE-extracted garlic oil after MD purification

图3 新鲜市售蒜油挥发性成分GC-MS总离子流图Fig.3 GC-MS total ion current chromatogram of freshly extracted garlic oil by steam distillation

图4 放置30d的市售蒜油挥发性成分GC-MS总离子流图Fig.4 GC-MS total ion current chromatogram of steam distillationextracted garlic oil after 30 days of storage

超临界CO2萃取、经分子蒸馏纯化以及市售蒜油的挥发性成分的 GC-MS色谱图如图1～4所示，各成分及其相对含量如表3所示。

表3 市售蒜油与超临界萃取蒜油及分子蒸馏纯化蒜油挥发性成分分析结果(±s)Table 3 Identified volatile components and their relative contents in four different garlic oils±s)

表3 市售蒜油与超临界萃取蒜油及分子蒸馏纯化蒜油挥发性成分分析结果(±s)Table 3 Identified volatile components and their relative contents in four different garlic oils±s)

序号化合物名称 相对含量/% SFESFE-MDF-GOS-GO 1(环状含硫成分)环丁烯砜1.71±0.04N D0.39±0.040.32±0.06 2(链状含硫成分)二甲基硫醚N DN D0.13±0.00N D 3(非含硫化合物)2-丙烯醛0.5±0.04N DN DN D 41,5-己二烯0.04±0.01N DN DND 5甲酸-2丙烯酯0.28±0.05N D0.50±0.00N D 6丙烯醇0.23±0.04N DN DN D 7三甲烯化硫0.43±0.17N DN DN D 8硫化丙烯0.48±0.01N D0.37±0.030.21±0.03 9烯丙硫醇1.71±0.01N D0.10±0.01N D 10甲基烯丙基硫醚0.45±0.04N D2.20±0.062.84±0.35 11正戊醇0.61±0.03N DN DN D 12二甲基二硫醚0.11±0.02N D1.09±0.031.32±0.16 13二烯丙基硫醚0.51±0.11N D5.81±0.180.29±0.05 141,2 -二硫杂环戊烷N DN D0.48±0.19N D 15C6H10S0.37±0.01N DN D9.30±1.05 16糠醛0.34±0.02N DN DN D 17C6H10S0.26±0.01N DN DN D 182,4-二甲基噻吩0.42±0.01N D0.90±0.050.57±0.07 192-乙基噻吩0.09±0.01N DN DN D 201,3-二噻烷1.11±0.02N DN DN D 21甲基-1-丙烯基二硫醚0.58±0.07N DN DN D 22二甲基三硫醚0.50±0.07N D5.57±0.146.95±0 231-环己烯-3-硫酮0.25±0.00N DN DN D 24二烯丙基二硫醚6.67±1.8046.89±2.0135.12±0.56N D 25 C6H10S25.09±0.57N D0.15±0.000.14±0 26C6H10S26.67±1.63N D0.32±0.030.27±0.37 27癸醛0.06±0.02N DN DN D 282-乙烯基-1,3-二硫杂-4-环己烯22.49±0.5130.94±0.935.88±0.134.84±0.24 29二甲基四硫醚N DN DN D39.59±6.21 303-乙烯基-1,2-二硫杂-5-环己烯36.32±2.8421.77±1.067.51±0.225.78±0.42 31二烯丙基三硫醚11.42±0.380.40±0.0131.06±0.1524.71±3.12 32C6H10S0.30±0.05N DN DN D 33二烯丙基四硫醚N DN D1.73±0.271.73±0.09

表4 市售蒜油与超临界萃取蒜油及分子蒸馏纯化蒜油挥发性成分分类比较(±s)Table 4 Comparison on groups of identified volatile components in four different garlic oils (±s)

表4 市售蒜油与超临界萃取蒜油及分子蒸馏纯化蒜油挥发性成分分类比较(±s)Table 4 Comparison on groups of identified volatile components in four different garlic oils (±s)

成分分类 相对含量/% SFESFE-MDF-GOS-GO链状含硫化合物34.54±1.9247.29±2.0387.55±0.3288.27±0.82环状含硫化合物64.37±3.2152.71±1.8511.99±0.3311.73±0.82非含硫化合物1.09±0.0800.46±0.010

由表3、4可见，超临界CO2萃取物呈微黄色黏稠液体，经分子蒸馏纯化后为白色浑浊液体，均有浓郁的蒜香味儿，SFE法萃取得到的粗蒜油共检出27种成分，高于文献[13-14]报道的水蒸气蒸馏法检测出的22种化合物，酶法提取物所得的11种化合物[15]，含硫成分总量达到98.91%，链状含硫成分有13种，相对含量34.54%，其环状含硫成分9种，总量达到64.37%，其中二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚和2-乙烯基-1,3-二硫杂-4-环己烯、3-乙烯基-1,2-二硫杂-5-环己烯的含量分别为6.67%、11.41%和22.49%、36.32%。但仅经过超临界CO2流体萃取所得的物质其他成分含量相对较高，经分子蒸馏纯化后的蒜油经顶空固相微萃取气质联用分析可以发现，所得物质均为4种目标产物，从而表明所选取的分子蒸馏条件能够很好地对超临界提取的混合物较好分离。

通过与市售的新鲜蒜油及放置30d的蒜油比较，可以发现：新鲜蒜油中链状含硫化合物有10种，环状含硫化合物6种，4种目标产物相对含量为47.97%，放置30d后链状含硫化合物为10种，环状含硫化合物为5种，虽然含硫化合物种类基本没有变化，但4种有效成分含量均有不同程度下降，总量仅为35.33%，由此推断，随放置时间延长，蒜油质量呈下降趋势。而市售蒜油为水蒸气蒸馏法提取所得，生产过程中存在热处理过程，加速蒜素的分解。从而证明超临界CO2流体萃取法比水蒸气蒸馏法更适合于蒜油的提取。

3 结 论

3.1 分子蒸馏纯化超临界大蒜萃取物最佳工艺参数为蒸馏温度60℃，刮膜转速250r/min，纯化后的物质经顶空固相微萃取气质联用分析挥发性成分均是目标化合物含硫化合物，分别为二烯丙基二硫醚(46.89%)、二烯丙基三硫醚(0.40%)和2-乙烯基-1,3-二硫杂-4-环己烯(30.94%)、3-乙烯基-1,2-二硫杂-5-环己烯(21.77%)。3.2超临界CO2萃取的蒜油与市售的经水蒸气蒸馏法制取的蒜油的挥发性成分比较，可以看出SFE所得的蒜油有效成分含量(76.90%)显著高于市售蒜油(47.97%)，从而证明SFE是一种相对比较理想的制取蒜油的方法且操作简单、无溶剂残留，保留了大蒜天然的风味，故而应用前景广泛。

3.3 市售蒜油存放30d后以相同条件测定其中的挥发性成分，其中有效成分含量呈下降趋势，从47.97%下降至35.33%，说明随存放时间延长，蒜油品质呈下降趋势。故对于分离纯化的蒜油，由于易分解变质，采取一定的方式如喷雾干燥技术制取微胶囊进行包埋，有一定的市场前景。

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Molecular Distillation Purification and Analysis of Volatile Components of Garlic Oil Extracted by Supercritical Carbon Dioxide Extraction

TAO Ning-ping，WANG Sai-sai，CHEN Bi-wen
(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Molecular distillation (MD) purification the garlic oil extracted by supercritical carbon dioxide extraction (SCDE) was studied, followed by volatile composition analysis of the purified garlic oil using headspace solid-phase microwextraction coupled to gas chromatography-mass spectrometry (HS-SPME-GC-MS). The optimal MD conditions were determined as follows: sample loading speed 1 drop/s; distillation temperature 60 ℃; and film wiping speed 250 r/min. Only 4 compounds were found in MD-purified garlic oil, namely, diallyl disulfide, diallyl trisulfide, 2-vinyl-1,3-dithiacyclohex-4-ene and 3-vinyl-1,2-dithiacyclohex-5-ene. From comparison of volatile composition between steam distillation-extracted and SCDE-extracted garlic oils, SCDE is a better method for garlic oil extraction. Moreover, after 30-day storage of steam distillation-extracted garlic oil, the contents of the efficient components in it decreased, resulting in quality deterioration.

supercritical fluid extraction；molecular distillation；garlic oil；headspace-solid phase microextraction coupled to gas chromatography-mass spectrometry；volatile components

TS207.3

A

1002-6630(2010)18-0365-05

2010-06-28

陶宁萍(1968—)，女，副教授，博士，研究方向为食品营养与安全。E-mail：nptao@shou.edu.cn