响应面法优化大蒜油的提取工艺研究

王煜伟，李琳琳，王乐，尹卫，王永红，洒威，梁健

（省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810016）

大蒜（Allium sativum L.）属于葱科（Alliaceae）葱属（Allium），具有其特有的酸臭味，味辛辣，是一种浅根性的多年生草本植物[1]。大蒜的蒜头、蒜叶和花薹均可食用，大蒜可作调料也可入药，是著名的食药两用植物[2]。大蒜起源于中亚和地中海地区，至今已有约5 000年的历史[3]。大蒜含有丰富的碳水化合物、蛋白质、磷、钾、胡萝卜素、VC和VB2，营养价值高。通过对其主要活性成分的研究，发现大蒜及其分解产物有抑菌、防治心脑血管疾病、降血脂、抗氧化、抗肿瘤和抗病原微生物的作用[4-8]。

大蒜油又称为大蒜素，是指大蒜破碎以后，蒜氨酸通过内源蒜氨酸酶的作用而形成的一种浅黄色油状有机硫化物[9]，具有抗菌、抗病毒、降糖、降脂、抗肿瘤、保护心脑血管健康以及提高机体免疫力等广谱的生物学活性[10-12]。目前，对大蒜油的提取方法有很多种，如超临界流体提取[13-15]、水蒸气蒸馏法[16-18]、有机溶剂萃取[19-20]等。其中超临界流体提取法虽然得率高，有效成分损失少，但工艺复杂、操作困难、成本较高；有机溶剂萃取法虽然稳定性较好，但纯度较低；而水蒸气蒸馏法提取大蒜油试验装置简单、成本低、稳定性好、操作性强，大蒜中的蒜氨酸在经活化蒜氨酸酶的催化作用下，能发生酶水解反应生成大蒜素，出油率高。本试验利用水蒸气蒸馏法优化提取大蒜油，在单因素试验基础上，通过响应面分析确定最佳提取工艺[21-22]。以期为大蒜油的进一步开发与利用提供一定的科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大蒜样品为青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室种植，葱科葱属紫皮大蒜。所用试剂均为国产分析纯。

小型粉碎机（KC-130）：浙江武义鼎日用金属制品厂；分析天平（FA1004）：上海佑科仪器仪表有限公司；低噪音无油空压机（TYM）：苏州市同一机电有限公司；低温恒温槽（SDC-6）：南京新辰生物科技有限公司；挥发油提取器：北京新科实验室有限公司。

1.2 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油

1.2.1 工艺流程

大蒜去皮→洗净→加水捣碎→酶解→水蒸气蒸馏→油水分离→大蒜油

1.2.2 操作步骤

备料：将新鲜大蒜去皮，洗净备用。

粉碎：将干净去皮大蒜加入粉碎机粉碎成蒜泥，加入120 mL去离子水混匀（蒜泥∶水=1∶2，体积比），制成大蒜匀浆。

酶解：精确称取60.0 g大蒜匀浆，置于圆底烧瓶中，50℃水浴条件下酶解3 h。

蒸馏：通入水蒸气，蒸馏时间2 h，收集馏出液。

分离：将馏出液倒入分液漏斗中静置分层，收集下层纯净的大蒜油。

提取：按一定的萃取温度、萃取时间、蒸馏水体积浸泡发酵4 h后，连接挥发油提取器进行提取，收集大蒜油提取物。

1.3 大蒜油得率测定

大蒜油得率X/%=（m2-m1）/M×100

式中：m2为萃取后试管及油的质量，g；m1为萃取前试管的质量，g；M为样品质量，g。

1.4 单因素试验

精确称取60.0g大蒜匀浆于圆底烧瓶中，以萃取温度（15、25、35、45、55 ℃）、萃取时间（2、3、4、5、6 h）、蒸馏水体积（120、240、360、480、600 mL）为影响因素，分别考察各因素对大蒜油得率的影响。

1.5 大蒜油提取条件响应面试验设计

分别选取对大蒜油得率影响较大的萃取温度（A）、萃取时间（B）、蒸馏水体积（C）为考察因素，采用Design-Expert 8.0.7.1软件中Box-Behnken中心设计模型设计三因素三水平响应面试验，以大蒜油得率为响应值，通过结果分析得出水蒸气蒸馏法提取大蒜油的最佳提取工艺条件和方法。试验设计因素编码及水平见表1。

表1 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油中心组合设计因素与水平Table 1 Factors and levels in the central composite design for extraction of garlic oil by steam distillation

1.6 数据处理

使用Office 2010软件进行数据处理，使用Origin 2018软件进行单因素作图，利用Design Expert 8.0.7.1软件进行响应面试验的相关设计、方差分析及响应曲面的处理。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 萃取温度对大蒜油得率的影响

萃取温度对大蒜油得率的影响见图1。

图1 萃取温度对大蒜油得率的影响Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of garlic oil

由图1可知，随着萃取温度的升高，大蒜油得率呈先升高后降低的趋势。当萃取温度为35℃时，大蒜油得率达到最高值，为0.476%。这是由于萃取温度升高加剧了水蒸气分子和大蒜油分子的运动速度，从而使大蒜油得率升高；当萃取温度高于35℃时，大蒜油得率明显下降，这是因为温度较高时，大蒜油不稳定，发生了分解，转化成小分子物质，从而使大蒜油得率下降。因此，选择最佳萃取温度为35℃。

2.1.2 萃取时间对大蒜油得率的影响

萃取时间对大蒜油得率的影响见图2。

图2 萃取时间对大蒜油得率的影响Fig.2 Effect of extraction time on yield of garlic oil

由图2可知，随着萃取时间的延长，大蒜油得率呈先升高后降低的趋势。当萃取时间为5 h时，大蒜油得率达到最高值，为0.477%；当萃取时间大于5 h时，大蒜油得率趋于下降，分析可能是随着时间的延长，大蒜油稳定性下降，大蒜油得率开始下降。因此，选择最佳萃取时间为5 h。

2.1.3 蒸馏水体积对大蒜油得率的影响

蒸馏水体积对大蒜油得率的影响见图3。

图3 蒸馏水体积对大蒜油得率的影响Fig.3 Effect of volume of distilled water on yield of garlic oil

由图3可知，随着蒸馏水体积的增加，大蒜油得率呈先升高后降低的趋势。当蒸馏水体积为480 mL时，大蒜油得率达到最高值，为0.482%。这可能是因为溶剂增加后，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增加，从而使大蒜油得率上升；当蒸馏水体积大于480 mL时，大蒜油得率趋于缓慢下降。因此，选择最佳蒸馏水体积为480 mL。

2.2 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油响应面分析试验结果与数据分析

2.2.1 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，利用Design Expert 8.0.7.1软件，对水蒸气蒸馏法萃取大蒜油试验数据进行多元回归拟合，对试验结果进行响应面分析，响应面试验设计与结果表见表2，响应面试验方差分析表见表3。

表2 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油试验设计与结果Table 2 Experimental design and results of extracting garlic oil by steam distillation

表3 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油拟合二次多项式模型的方差分析Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic polynomial model for extraction of garlic oil by steam distillation

续表3 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油拟合二次多项式模型的方差分析Continue table 3 Analysis of variance（ANOVA）for the fitted quadratic polynomial model for extraction of garlic oil by steam distillation

根据表3回归方程方差分析可知，试验所选择的模型F值为61.31，模型P小于0.01，失拟项P为0.0665，差异不显著，说明模型试验拟合良好，误差小，操作可信，回归极显著，具有统计学意义，可以用此模型对水蒸气蒸馏法提取大蒜油进行分析和预测。大蒜油得率与各因素间的二次多项回归方程为X=0.48+0.004 25A-0.015B+0.002 75C-0.017AB+0.004AC+0.006 5BC-0.075A2-0.062B2-0.098C2。从P值的大小可以看出，A2、B2、C2对萃取效果影响极显著，B、AB对萃取效果影响显著，A、C、AC和BC对萃取效果影响不显著。各因素对大蒜油萃取率的影响由大到小顺序为萃取时间（B）＞萃取温度（A）＞蒸馏水体积（C）。

2.2.2 萃取温度与萃取时间对大蒜油得率交互作用分析

萃取温度和萃取时间的三维图和等高线图见图4。

图4 萃取温度与萃取时间对大蒜油得率的交互影响Fig.4 Interactive effects of extraction temperature and extraction time on garlic oil yield

由图4可知，等高线图是椭圆型，说明萃取温度和萃取时间交互作用较强，影响显著；由图4的三维图可知，萃取时间的三维图较陡，说明萃取时间对大蒜油得率的影响显著，萃取温度的坡面比萃取时间的坡面陡，说明萃取温度的二次项对大蒜油得率的影响较大。

2.2.3 萃取温度与蒸馏水体积对大蒜油得率交互作用分析

萃取温度和蒸馏水体积的三维图和等高线图见图5。

图5 萃取温度与蒸馏水体积对大蒜油得率的交互影响Fig.5 Interactive effects of extraction temperature and distilled water volume on garlic oil yield

由图5可知，等高线图近似圆形，并且三维图较平缓，说明萃取温度和蒸馏水体积交互作用不强，对大蒜油得率的影响不显著，蒸馏水体积比萃取温度的坡面陡，说明蒸馏水体积的二次项对大蒜油得率的影响较大。

2.2.4 萃取时间与蒸馏水体积对大蒜油得率交互作用分析

萃取时间和蒸馏水体积的三维图和等高线图见图6。

图6 萃取时间与蒸馏水体积对大蒜油得率的交互影响Fig.6 Interactive effects of extraction time and distilled water volume on garlic oil yield

由图6可知，等高线近似圆形，并且三维图较平缓，说明萃取时间与蒸馏水体积交互作用不强，对大蒜油得率的影响不显著，蒸馏水体积比萃取时间的坡面陡，说明蒸馏水体积的二次项对大蒜油得率的影响较大。

2.3 模型验证

根据Box-Behnken响应面分析可知，大蒜油提取最佳工艺条件为萃取温度47.34℃、萃取时间5.25 h、蒸馏水体积482 mL。在此条件下大蒜油得率预测值能够达到0.493%。从实际出发，将各因素数值校正为萃取温度35℃、萃取时间为5 h、蒸馏水体积480 mL。用此条件进行3次重复的验证试验，获得大蒜油得率均值为0.482%，说明预测值与实际值具有较好的拟合性，同时也证明了回归模型的可靠性。

3 结论

水蒸气蒸馏法提取大蒜油的最佳工艺为萃取温度35℃、萃取时间为5 h、蒸馏水体积480 mL，在此条件下，大蒜油得率高达0.482%，为大蒜油的进一步开发与利用提供一定的科学依据和理论参考。