響應(yīng)面分析法優(yōu)化藠頭素提取工藝

陳艷麗，王宏勛*，侯溫甫

(武漢工業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

響應(yīng)面分析法優(yōu)化藠頭素提取工藝

陳艷麗，王宏勛*，侯溫甫

(武漢工業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取提取溫度、提取時(shí)間和酶添加量為影響因素，用響應(yīng)面分析法優(yōu)化以鹽漬藠頭加工廢棄物為原料提取藠頭素的工藝。結(jié)果表明：優(yōu)化提取條件為提取溫度37℃、提取時(shí)間3h、酶添加量0.8%，提取液中蒜素提取量預(yù)測(cè)值為0.1763g/g，驗(yàn)證值為0.1761g/g。

藠頭素；提取工藝；響應(yīng)面法；優(yōu)化

藠頭(Allium chinense G. Don)為百合科蔥屬植物[1]，又名薤白，原產(chǎn)于我國(guó)[2]，朝鮮、日本以及東南亞等地均有分布，在我國(guó)主要分布于南方各省，江西、湖南、湖北和云南等地均有廣泛種植。傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為藠頭有溫中通陽(yáng)、理氣寬胸、還陽(yáng)散結(jié)之功效，其鱗莖既可入藥又可食用[3]。藠頭中含有大量的氨基酸和人體所必需的多種元素，其主要功能成分為揮發(fā)性成分[4]、含氮化合物[5]和皂苷化合物[6-8]，這些功能成分具有多種藥理作用和保健作用[9]，可以清除亞硝酸鹽、改善脂質(zhì)代謝、抗血小板凝聚、抑制腫瘤，同時(shí)還具有抗菌、耐缺氧、調(diào)節(jié)免疫、保護(hù)心肌等作用，是一種有待全面開發(fā)利用的資源。

隨著日本、韓國(guó)及東南亞地區(qū)藠頭產(chǎn)品需求的持續(xù)增加，藠頭產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)南方地區(qū)的特色產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)階段藠頭加工產(chǎn)品以腌制藠頭為主，鹽漬藠頭是加工各種藠頭產(chǎn)品的初級(jí)產(chǎn)品，其加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢棄物沒有得到有效利用，造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。本研究擬以鹽漬藠頭加工廢棄物為原料，應(yīng)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化藠頭素提取工藝，為鹽漬藠頭加工廢棄物的利用提供途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鹽漬藠頭鱗莖一二層表皮 武漢小蜜蜂食品有限公司；果膠酶(酶比活力30000U/g) 北京雙旋微生物培養(yǎng)基制品廠。

乙醇、乙醚均為分析純；三氯乙酸(分析純，配制成0.2g/mL溶液)；硝酸汞(分析純，配制成0.05mol/L標(biāo)準(zhǔn)溶液)；硝酸(分析純，配制成1∶1的溶液)；硫酸高鐵胺(分析純，配制成飽和指示液)；硫氰化鉀(分析純，配制成0.1mol/L標(biāo)準(zhǔn)溶液)。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；FZ102型微型植物試樣粉碎機(jī)(功率180W，轉(zhuǎn)速1400r/min) 天津泰斯特儀器；先行者CP214(C)型電子分析天平 上海奧斯特儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；DHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水真空泵 鞏義市英峪華玉儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

鹽漬藠頭加工廢棄物經(jīng)50℃熱水沖洗1h脫鹽，于50℃干燥箱中干燥48h，干燥品用微型植物粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過(guò)40目篩，得到的藠頭粉末放入冰箱冷藏室儲(chǔ)存。

1.3.2 藠頭素提取工藝流程[10-12]

鹽漬藠頭加工廢棄物→脫鹽→干燥→粉碎→酶解→抽濾→藠頭素初提液

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取藠頭粉碎干品2g，用80mL蒸餾水加果膠酶酶解，分別研究提取溫度(20、30、40、50、60℃，固定提取時(shí)間3h、酶添加量0.8%)、提取時(shí)間(1、2、3、4、5h，固定提取溫度50℃、酶添加量0.8%)和酶添加量(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，固定提取溫度50℃、提取時(shí)間3h)對(duì)提取效果的影響。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取提取溫度、提取時(shí)間和酶添加量為響應(yīng)變量，按照Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以提取液的蒜素提取量為響應(yīng)值，利用SAS 9.1軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析[13-15]，優(yōu)化藠頭素提取的工藝條件，從而得到最佳的提取工藝(表1)。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Factors and their coded levels in response surface analysis

1.3.5 蒜素提取量的測(cè)定

蒜素提取量的測(cè)定采用硝酸汞沉淀法，具體方法見文獻(xiàn)[16]，其計(jì)算公式為：

式中：c為蒜素提取量/(g/100mL)；c1為硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/(mol/L)；v1為硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量/mL；c2為硫氰化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/(mol/L)；v2為硫氰化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗量/mL；v0為提取液的總體積/mL；v為測(cè)定時(shí)所取提取液的體積/mL；w0為樣品用量/mL；0.02704為每毫升0.05mol/L硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液折算的蒜素質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 提取溫度對(duì)蒜素提取量的影響

圖1 提取溫度對(duì)蒜素提取量的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of allicin

由圖1可知，隨著提取溫度的升高，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在40℃時(shí)達(dá)到最大，可能是因?yàn)楫?dāng)提取溫度達(dá)到40℃以上，隨著提取溫度升高，果膠酶活性得到了抑制，從而使提取液中蒜素提取量降低。

2.1.2 酶添加量對(duì)蒜素提取量的影響

圖2 酶添加量對(duì)蒜素提取量的影響Fig.2 Effect of enzyme addition amount on the yield of allicin

由圖2可知，隨著果膠酶添加量的增多，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在果膠酶的添加量達(dá)到0.8%時(shí)，蒜素提取量達(dá)到最大。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)蒜素提取量的影響

圖3 提取時(shí)間對(duì)蒜素提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of allicin

由圖3可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在提取3h時(shí)，蒜素提取量達(dá)到最大。隨后蒜素提取量反而有所降低，可能是由于酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)蒜素中某些化合物分解所致。

2.2 響應(yīng)面分析

表2 藠頭素提取工藝響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

根據(jù)Box-behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)及其結(jié)果(表2)可知，以提取溫度、酶添加量和提取時(shí)間為相應(yīng)變量，蒜素提取量為響應(yīng)值，利用SAS 9.1軟件進(jìn)行回歸擬合，得到提取液中蒜素提取量的回歸方程為：Y＝0.0093＋0.007179X1＋0.051708X2＋0.00865X3-0.000104X12＋0.0009X1X2-0.053333X22-0.00007X1X3＋0.0005X2X3-0.001083X32。進(jìn)一步對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 回歸方程偏回歸系數(shù)的估計(jì)值Table 3 Estimated values of partial regression coefficients in the regression model

由表3可以看出，相關(guān)系數(shù)R2＝0.9820，說(shuō)明此模型與數(shù)據(jù)擬合度較高，從回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可以看出，模型的一次項(xiàng)中X1影響極顯著，二次項(xiàng)中X12影響極顯著，交互項(xiàng)影響均不顯著。由此可知，各影響因素對(duì)蒜素提取量的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

對(duì)回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表4，回歸項(xiàng)P＝0.0008＜0.01，回歸模型極顯著，失擬項(xiàng)P＝0.4330＞0.05，影響不顯著，說(shuō)明模型擬合度很好，因此，能夠使用該回歸模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化鹽漬藠頭廢棄物中藠頭素的提取工藝參數(shù)。

2.3 交互作用對(duì)蒜素提取量的影響

為進(jìn)一步考察3個(gè)因素中兩兩因素的交互作用對(duì)鹽漬藠頭廢棄物提取液中蒜素提取量的影響，對(duì)其響應(yīng)曲面和等高線圖進(jìn)一步分析(圖4)。

圖4 各兩因素交互作用對(duì)蒜素提取量影響的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the pairwise effects of three extraction conditions on the yield of allicin

圖4 表明，提取溫度對(duì)鹽漬藠頭廢棄物中藠頭素的提取影響很顯著，提取時(shí)間和酶添加量影響不明顯。通過(guò)軟件分析，得到最佳提取工藝條件為提取溫度37.0831℃、酶添加量0.8116%、提取時(shí)間2.9815h，在此條件下提取液中蒜素提取量的預(yù)測(cè)值為0.1763g/g。

2.4 優(yōu)化提取工藝參數(shù)的驗(yàn)證

為驗(yàn)證響應(yīng)面分析法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際提取過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)條件適度調(diào)整為提取溫度37℃、酶添加量0.8%、提取時(shí)間3h，實(shí)際測(cè)得的蒜素提取量的平均值為0.1761g/g。結(jié)果說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間有很好的擬合性，進(jìn)一步證實(shí)了回歸模型的可靠性。

3 結(jié) 論

通過(guò)響應(yīng)面分析，在酶法提取鹽漬藠頭廢棄物中藠頭素時(shí)，各因素對(duì)蒜素提取量的影響大小依次為提取溫度、酶添加量、提取時(shí)間。應(yīng)用響應(yīng)面分析優(yōu)化提取工藝參數(shù)為提取溫度37℃、酶添加量0.8%、提取時(shí)間3h，在此條件下得到的提取液中蒜素的含量為0.1761g/g。

[1]汪治. 薤白的本草考證[J]. 中國(guó)中藥雜志, 1991, 16(7)∶ 389-390.

[2]周向榮, 夏延斌, 周躍斌, 等. 藠頭的主要功能成分及其作用的研究進(jìn)展[J]. 果蔬深加工, 2006, 22(3)∶ 73-75.

[3]何運(yùn)智, 馮健雄, 熊慧薇. 藠頭的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生理活性[J]. 綠色大世界, 2007(9)∶ 54-55.

[4]姚新生. 中藥天然藥物活性成分的研究方法[J]. 藥學(xué)服務(wù)于研究, 2003, 3(4)∶ 205-209.

[5]彭軍鵬, 喬艷秋, 姚新生. 得自小根蒜及薤中的幾種含氮化合物[J].中國(guó)藥物化學(xué)雜志, 1995, 5(2)∶ 134-138.

[6]KURODA M, MIMAKI Y, KAMEYAMA A, et al. Steroidal saponins from Allium chinense and their inhibitory activities on cyclic AMP phosphodiesterase and Na+/K+ATPase[J]. Phytochemistry Oxford, 1995, 40(4)∶ 1071-1076.

[7]PENG Junpeng, YAO Xinsheng, TEZUKA Y, et al. Furostanol glycosides from bulbs of Allium chinense[J]. Phytochemistry Oxford, 1996, 41(1)∶ 283-285.

[8]PENG Junpeng, YAO Xinsheng, TEZUKA Y, et a1. New furostanol glycosides, chinenoside Ⅳ and Ⅴ, from Allium chinense[J]. Planta Medica, 1996, 62(5)∶ 465-468.

[9]周幗萍, 王亞林. 藠頭∶ 有待大力開發(fā)藥食兩用的資源[J]. 中國(guó)釀造, 2006(11)∶ 5-7.

[10]周向榮, 吉維, 盛立新, 等. 果膠酶對(duì)藠頭中蒜素提取的影響[J]. 食品科學(xué), 2008, 29(9)∶ 378-383.

[11]周向榮, 夏延斌, 周躍斌, 等. 鹽漬藠頭中蒜素測(cè)定條件優(yōu)化[J]. 食品工業(yè)科技, 2007, 28(4)∶ 224-225.

[12]周向榮, 夏延斌, 周躍斌, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化鹽漬藠頭蒜素提取工藝參數(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(2)∶ 270-276.

[13]王欽德, 楊堅(jiān). 食品試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析[M]. 北京∶ 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2010∶ 418-421.

[14]羅平主. 飲料分析與檢測(cè)[M]. 北京∶ 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 1992∶ 354-356.

[15]趙思明. 食品科學(xué)與工程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用[M]. 北京∶ 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005∶ 38-46.

[16]楊曉泉, 李汴生, 曹勁松. 計(jì)算機(jī)在食品工程中的應(yīng)用[M]. 廣州∶ 華南理工大學(xué)出版社, 2005∶ 146-151.

Optimization of Extraction Process for Allicin from Bulbs of Allium chinense G. Don by Response Surface Methodology

CHEN Yan-li，WANG Hong-xun*，HOU Wen-fu
(College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Pectinase was used for enzymatic extraction of allicin from wastes from the processing of pickled Allium chinense G. Don bulbs. On the basis of one-factor-at-a-time experiments, response surface methodology was employed to optimize the conditions for enzymatic extraction of allicin. The optimal extraction conditions were extraction temperature of 37 ℃, extraction time of 3 h and enzyme amount of 0.8%. Under the optimal extraction conditions, the yield of allicin was up to 0.1763 g/g, which was close to the predicted value of 0.1761 g/g.

allicin；extraction process；response surface methodology；optimization

TS209

A

1002-6630(2011)16-0132-04

2011-04-26

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2009CDA094)

陳艷麗(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)、生物活性物質(zhì)制備。E-mail：chenyanli3333@126.com

*通信作者：王宏勛(1977—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)、食品工程高新技術(shù)。E-mail：wanghongxunhust@163.com