响应面法优化大蒜素提取工艺

张文杰，王应强，王 辉，刘 宁

（1.陇东学院生命科学与技术学院，甘肃 庆阳 745000；2.甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室，甘肃庆阳745000；3.陇东学院农林科技学院，甘肃庆阳 745000；4.中华人民共和国东营海关，山东 东营 257091；5.陕西农产品加工技术研究院，陕西 西安 710021）

大蒜是百合科葱属植物[1]，适合我国多省份种植，其产量占世界总产值25%以上[2]。大蒜具有抑菌、抗病毒、保健等功能[3]，对心血管疾病、糖尿病等有一定的疗效[4-5]，其主要功能成分为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内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]。

超声的原理主要是产生空化作用，这种作用可以破坏组织的细胞壁，让其内的成分释放到溶剂中，增加了浓度，从而达到较高的提取效果[8]，对大蒜素的超声辅助提取能提高大蒜素的提取率，缩短时间，提高效率[9]，结合了2种方法的优点，应用性强。

以超声波辅助溶剂提取法提取大蒜素，以响应面法优化大蒜素的提取工艺，以期为大蒜素的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

静宁红皮大蒜，市售。

1.2 仪器与设备

HH-S6A型电热恒温水浴锅，北京科伟水永兴仪器有限公司产品；766-0型远红外快速干燥箱，上海锦凯科学仪器有限公司产品；SG-3045型组织捣碎机，上海硕光电子科技有限公司产品；RE-52AA型旋转蒸发器，上海荣生化仪器有限公司产品；KQ3200DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 大蒜素的提取方法

大蒜自然干燥后用组织捣碎机捣碎，称取10.00 g蒜泥样品于500 mL烧瓶中，注入一定比例乙醇浸泡30 min后，将连接回流冷凝管内装入样品的烧瓶置于超声装置中，设置一定的功率、温度、时间进行超声，然后离心取上清液测定蒜素含量[10]。

1.3.2 蒜素测定方法

采用分光光度法测定蒜素含量[11]。

1.3.3 单因素试验

精确称取10.00 g蒜泥于500 mL圆底烧瓶，以超声功率（50，60，70，80，90，100 W）、超声时间（30，40，50，60，70，80 min）、超声温度（25，30，35，40，45，50℃）、料液比（1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6）为影响因素，分别考查各因素对蒜素得率的影响。

1.3.4 响应面优化

根据单因素试验结果，运用Box-behnken试验设计原理，以蒜素得率为响应值，选择超声功率、超声时间、超声温度、料液比为影响因素进行试验设计，优化大蒜素的提取工艺。

响应面设计因素与水平设计见表1。

表1 响应面设计因素与水平设计

1.3.5 数据分析

所有数据处理及统计分析利用SPSS 20.0和Design Expert V 8.0.6软件进行。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

超声功率对蒜素得率的影响见图1。

图1 超声功率对蒜素得率的影响

由图1可知，超声功率为60～70 W时，蒜素得率最大，而为70～100 W时，得率趋于降低，可能是随着超声功率比较小时有利于蒜氨酸酶的活性增强，使得蒜素的得率提高。当功率不断加大时，蒜素得率下降，可能是因为超声波振动变大使部分蒜素降解。因此，选择最佳处理功率70 W。

超声时间对蒜素得率的影响见图2。

图2 超声时间对蒜素得率的影响

由图2可知，超声时间为30～50 min时，蒜素得率逐渐达到最大，可能是在小于50 min时，提取时间比较短，蒜素没有完全进入到有机相中，因此得率较低，50 min后，蒜素得率趋于下降，可能是随着时间的延长，蒜素稳定性下降，蒜素得率开始下降。因此，选择最佳超声时间50 min。

超声温度对蒜素得率的影响见图3。

由图3可知，当超声温度为25～40℃时，蒜素得率不断增加，当超声温度为40℃时蒜素得率达到最高值，这是由于温度增加加剧了溶剂分子和蒜素分子的运动速度，使蒜素得率提高，但温度大于40℃时，蒜素得率明显下降，这是因为温度较高时，蒜素不稳定，发生了分解，转化成小分子物质，从而使蒜素得率下降。因此，选择最佳超声温度为40℃。

料液比对蒜素得率的影响见图4。

由图4可知，料液比为1∶1～1∶3时，得率不断增加，当料液比为1∶3时，得率达到了最高值，这是因为溶剂增加后，该体系内的蒜泥与溶剂之间的固液相浓度差随着容积率的增加而加大，使得率增加，当料液比到1∶3时，蒜素析出基本到了平衡点，如果继续增加料液比，得率趋于缓慢下降。因此，选择最佳料液比为1∶3（g∶mL）。

图4 料液比对蒜素得率的影响

2.2 响应面优化

2.2.1 回归模型的建立及其显著性检验

为有效考查超声和石油醚协同作用提取柚子皮油得率，利用Design Expert对试验进行多元回归拟合，得到回归模型：

响应面试验设计及结果见表2，回归模型得率方差分析见表3。

表2 响应面试验设计及结果

表3 回归模型得率方差分析

由表3可知，回归模型极显著，失拟项不显著，说明模型有效，能够较好地预测试验值。4个因素对蒜素得率影响极显著。4个因素的二次项影响极显著，说明这4个因素对蒜素得率有极大的影响。

2.2.2 响应面分析及优化结果

交互作用对蒜素得率的影响见图5。

由图5可知，影响蒜素得率的4个因素中任何2个交互因素对蒜素得率的响应面都存在最高点[12]。通过Design Expert软件分析，蒜素的最佳提取工艺参数为超声功率70 W，超声时间50 min，超声温度40℃，料液比1∶3（g∶mL），在4个影响因素优化条件下蒜素得率预测值为3.208 mg/g。为验证模型预测值的可靠性，选择优化的工艺参数进行平行试验，蒜素得率为3.169 mg/g，试验数据说明与模型预测值接近，证明蒜素试验优化模型结果可靠。

图5 交互作用对蒜素得率的影响

3 结论

以静宁红皮大蒜为研究对象，运用响应面法对提取蒜素的工艺进行了优化，最佳工艺为超声功率70 W，超声时间50 min，超声温度40℃，料液比1∶3（g∶mL），在此优化条件下得出蒜素的得率为3.169 mg/g。