蒜片加工废水及其膜浓缩液的含硫挥发成分分析

吴洋，夏梦颖，汤鲁宏

(江南大学 药学院，江苏 无锡，214122)

大蒜(AlliumsativumL.)是一种全球各地均广泛种植和使用的植物，不仅作为香料和食物，而且作为很受欢迎的急救药物[1]。其重要性早在几千年前就已被认可，至今仍在世界各地的民间医学中用于预防和治疗各种疾病。目前，大蒜已被证实具有广谱抗菌、消炎、降血压、降血脂、抑制血小板凝集、防癌、抗病毒等多种生物学功能[2-7]，相关研究越来越受到广大研究者的关注。

蒜片加工废水指在蒜瓣切片过程中，为防止蒜片黏刀、保证切片机的正常运行而对切片刀片连续注射的冲洗用水，以及甩干机脱水甩干时排出的水。蒜片加工废水中富含大蒜中的各种水溶性成分，包括蒜氨酸酶、蒜氨酸、大蒜辣素、大蒜多糖等多种生物有效活性成分[8]。以前，国内的生产商偷偷地将这些废水随意排入周围环境，因废水中有机物含量很高，被微生物分解后会造成一系列严重的环境问题，且非常难治理。现在，生产商将这些废水排入污水处理厂去做专门的处理了，但是仍存在很多问题。由于蒜片加工废水具有很强的杀菌能力，对污水处理厂所用的菌有杀灭作用，处理起来相当麻烦，从而导致污水处理速度赶不上废水产生速度，蒜片加工厂经常因此而停产。现在也有报导[9]，用厌氧折流板反应器-曝气生物滤池(anaerobic baffled reactor-biological aerated filter,ABR-BAF)组合工艺来处理蒜片加工废水。虽然这种方法处理会消除对环境的影响，但从天然资源的开发利用的角度来看，仍是不合理的。如能将蒜片加工废水作为大蒜资源加以利用，变废为宝,无疑是十分有意义的。

该课题组于2017年8月在山东金乡隆祥食品有限公司建设了一套1 t/h的膜分离装置，采用膜分离技术对蒜片加工废水进行了超滤-反渗透处理，获得了蒜片加工废水的超滤浓缩液、反渗透浓缩液和超滤浓缩液自然发酵产物等一系列产物。本文即为采用固相微萃取-气质联用(solid phase micro-extraction-GC-MS, SPME-GC-MS)技术对上述产物的含硫挥发成分(volatile sulfur compounds, VSC)所做的计算机分析，并与新鲜大蒜提取液和蒜片加工废水原液的挥发成分进行了对比。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蒜片加工废水、大蒜，由山东金乡隆祥食品有限公司提供。

蒜片加工废水膜分离装置，由无锡宏瑞生物医药科技有限公司提供。

GCMS-QP2010 ULTRA型气相色谱-质谱联用仪。

固相微萃取头：75 μm Carboxen/PDMS。

1.2 实验方法

1.2.1 新鲜大蒜提取液的制备

称取已经剥好的蒜瓣10 g，捣成蒜泥，放置30 min。然后加入20 mL去离子水，混匀后用滤纸进行过滤，即得到新鲜大蒜提取液。

1.2.2 蒜片加工废水原液的制备

将蒜片加工废水经过25 μm、5 μm依次过滤，即得到蒜片加工废水原液。

1.2.3 蒜片加工废水超滤浓缩液的制备

将蒜片加工废水原液在15 ℃下超滤浓缩20倍，即得到蒜片加工废水的超滤浓缩液。

1.2.4 蒜片加工废水反渗透浓缩液的制备

将超滤透过液在室温下反渗透浓缩20倍，即得到蒜片加工废水的反渗透浓缩液。

1.2.5 超滤浓缩液自然发酵产物的制备

将20倍超滤浓缩液置20～35 ℃室温下自然放置2个月，然后过滤，即得到蒜片加工废水超滤浓缩液的自然发酵产物。

1.2.6 SPME-GC-MS分析

将上述的5种液体在气质联用前进行预处理——固相微萃取，50 ℃下萃取30 min。GC-MS条件：色谱柱：DB-WAX (30 m×0.25 mm，0.25 μm)；进样口温度：250 ℃；升温程序：40 ℃保持3 min，以5 ℃/min升温至90 ℃，再以10 ℃/min升温至230 ℃，并保持7 min；载气：氦气；不分流。电离方式：电子轰击；离子源温度：200 ℃；电离(EI)能量：70 eV；传输线温度：250 ℃。气质定性分析由NIST和WELLY谱库确定。

2 结果与分析

新鲜大蒜提取液、蒜片加工废水原液、超滤浓缩液及其自然发酵产物和超滤透过液的反渗透浓缩液的气相色谱图见图1～图5，所含的挥发性含硫化合物列于表1。

图1 新鲜大蒜提取液气相色谱图

Fig.1 Gas chromatogram of fresh garlic extract

从图1～图5和表1中可以看出，在0～34 min的保留时间内，对于新鲜大蒜提取液、蒜片加工废水原液、超滤浓缩液及其自然发酵产物和超滤透过液的反渗透浓缩液的挥发成分，计算机系统分别检出了35、54、57、46和54种挥发成分，其中的新鲜大蒜提取液的挥发成分中有21种(60%)是挥发性含硫化合物，其相对峰面积含量96.279%，而蒜片加工废水的原液、超滤浓缩液及其自然发酵产物和超滤透过液的反渗透浓缩液的挥发性含硫化合物的种类分别为20种(37.0%)、25种(43.9%)、17种(37.0%)和20种(37.0%)，其相对峰面积含量分别为87.737%、76.897%、58.971%和87.300%。

图2 蒜片加工废水原液气相色谱图

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

图3 蒜片加工废水超滤浓缩液气相色谱图

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

图4 蒜片加工废水超滤浓缩液自然发酵产物气相色谱图

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

图5 蒜片加工废水反渗透浓缩液气相色谱图

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

表1 五种样品中挥发性含硫化物汇总

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

编号含硫挥发性化合物相对峰面积百分含量/%名称结构F1F2U1U2N1二烯丙基硫代亚磺酸酯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----162,3,5-三硫杂己烷----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环硫丙烷--13.879-0.0323硫代乙酸-0.056---24硫代乙酸-S-甲酯-0.7500.3222.8510.682

续表1

编号含硫挥发性化合物相对峰面积百分含量/%名称结构F1F2U1U2N25硫代乙酸-S-丙酯--1.1150.080.42926烯丙基2-巯基丙酸酯-0.210-0.137-273-乙酰氧基环己硫醇---0.199-285-乙基-2-亚氨基噻唑烷-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-巯-3,4-二甲-2,3-二氢噻吩0.557----34乙烯基噻吩0.055----353,4-二甲基-2,5-二氢噻吩-2-酮0.0910.043---36顺式-2-乙基-3-甲基四氢噻吩-0.0520.046-0.039371,2-二硫环戊烷-0.249---383,5-二乙基-1,2,4-三硫环戊烷--0.740--394-乙基-3H-1,2-二硫杂环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----

续表1

编号含硫挥发性化合物相对峰面积百分含量/%名称结构F1F2U1U2N422-乙烯基-[4H]-1,3-二噻烯0.6890.0320.253-0.228431,3-二噻烷--0.1320.0710.117442-亚乙基-[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-3,4-二氢-1H-1,2?4-二噻烯-1-酮4.653----491-壬硫醇----0.051501,5-二硫杂环辛烷0.038--0.035-总计96.27987.73776.89758.97187.300

注：F1为新鲜大蒜提取液；F2为蒜片加工废水原液；U1为蒜片加工废水超滤浓缩液；U2为蒜片加工废水超滤浓缩物的自然发酵产物；N为蒜片加工废水超滤透过液的反渗透浓缩液。

蒜片加工废水原液、超滤浓缩液及其自然发酵产物和超滤透过液的反渗透浓缩液中所检测出的挥发成分种类要多于新鲜大蒜提取液。而新鲜大蒜提取液中含硫挥发成分的种类占比和含量占比大于其他4种样品。事实上，大蒜组织中存在着丰富而活性强的酶系，自大蒜被切为蒜片，大蒜组织遭受损伤开始，各种挥发成分就在这些酶系的作用下开始代谢、产生。随着加工时间的延长，各种非含硫挥发成分的种类增多和浓度增大。

超滤浓缩液中含硫挥发成分含量占比略小于蒜片加工废水的原液和超滤透过液的反渗透浓缩液，而含硫挥发成分种类却是多于两者。究其原因，可能是超滤浓缩过程中有大量而又活性强的酶系被截留下来，而这些活性酶系又在不断作用，使非含硫挥发性化合物含量增加和含硫挥发化合物种类增多(含硫总含量不变)，从而导致含硫挥发性含量占比相对减少。

蒜片加工废水的原液、超滤浓缩液和超滤透过液的反渗透浓缩液的含硫挥发成分含量占比远远大于超滤浓缩液自然发酵产物。可能是由于经过微生物的作用导致其他非含硫化合物含量增多。经微生物发酵过后，大蒜辛辣味变弱、颜色变黄、蒜味变轻。同时大蒜的特有蒜味随着发酵时间的延长而逐渐减弱[10]。超滤浓缩液自然发酵产物中2-丙烯-1-硫醇和二烯丙基硫醚所占的比例很大，分别占了23.370%和11.134%，可能这2种物质是含硫挥发性成分最终分解物质或者是它们相对其他含硫挥发成分来说比较稳定。

从图1～图5中可以看出，新鲜大蒜提取液在3～10 min内只检测出了少量含硫挥发成分(3种)，且所占含量(3.439%)极小，而其他4种样品却检测出多种类含硫挥发成分且所占含量较高，分别为蒜片加工废水原液(6种，35.221%)，超滤浓缩液(11种，44.135%)，超滤浓缩液自然发酵产物(7种，49.307%)，超滤透过液的反渗透浓缩液(8种，32.463%)。这可能是由于加工过程时间过长，这4种样品中的大蒜辣素分解而导致的。

从表1可以看出，从上述5份样品中共检出了50种含硫挥发成分，其中约60% (29种)均为新鲜大蒜液所没有的，是在后续的代谢过程中衍生的。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]-1,3-二噻烯等这些均是大蒜辣素最常见的分解含硫产物[11-13]，都能在新鲜大蒜提取液，蒜片加工废水超滤浓缩液，超滤透过液的浓缩液中找到。此外，还有2-丙烯-1-硫醇，烯丙基甲基二硫醚在5种样品都存在。上述这些含硫挥发成分，在不挥发损失的前提下，可以一直完好的保藏在蒜片加工废水的超滤浓缩液和反渗透浓缩液中，构成活性有效成分的基础，为这些产品的开发利用提供了理论依据。

从表1看出，计算机检出了1种迄今为止国内外均未见任何报导的大蒜衍生物，5-乙基-2-亚氨基噻唑烷-4-酮(CAS No. 1762-69-2)。该物质在蒜片加工废水原液、超滤浓缩液和超滤透过液的反渗透浓缩液的含硫挥发分中占比都很高，分别为29.013%，13.343%和36.138%。通过比较，该物质在原液和反渗透浓缩液中占比最高，在超滤浓缩液中排列第3。但是，在超滤浓缩液自然发酵产物中该物质未再被检出，却检出了具有相同母环的结构类似物，2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮，该物质含量在含硫挥发分中占比也很高，为11.818%，位列第2。

那么5-乙基-2-亚氨基噻唑烷-4-酮究竟能否转化为2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮，两者之间存在怎样的关系？以及5-乙基-2-亚氨基噻唑烷-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，则会具有怎样的生理活性？这些需进一步的研究来加以证明与阐释。

3 结论

蒜片加工废水的膜分离技术(超滤与反渗透)处理液：超滤浓缩液及其自然发酵产物和超滤透过液的反渗透浓缩液中均含有丰富的含硫挥发性化合物。虽然与新鲜大蒜提取液(21种，占96.279%)相比已经不含大蒜辣素，挥发成分的含量也有所下降，但所含有的含硫挥发性化合物的种类和含量仍相当可观(超滤浓缩液为25种、占76.897%，超滤浓缩液的自然发酵产物为17种，占58.971%、超滤透过液的反渗透浓缩液为20种、占87.30%)。

5-乙基-2-亚氨基噻唑烷-4-酮(CAS No. 1762-69-2)是原液(29.013%)和反渗透浓缩液(36.138%)中含量最高的含硫挥发分，在超滤浓缩液(13.343%)也排第3。超滤浓缩液经自然发酵后该物质未再被检出，但检出了具有相同母环的结构类似物，2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮(11.818%，位列第2)。这值得深入进行研究。

总之，蒜片加工废水在经过超滤-反渗透处理后所得到的浓缩液及其自然发酵产物可以作为提取有效活性物质的大蒜资源加以开发利用。