蒜片加工廢水及其膜濃縮液的含硫揮發(fā)成分分析

吳洋，夏夢(mèng)穎，湯魯宏

(江南大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122)

大蒜(AlliumsativumL.)是一種全球各地均廣泛種植和使用的植物，不僅作為香料和食物，而且作為很受歡迎的急救藥物[1]。其重要性早在幾千年前就已被認(rèn)可，至今仍在世界各地的民間醫(yī)學(xué)中用于預(yù)防和治療各種疾病。目前，大蒜已被證實(shí)具有廣譜抗菌、消炎、降血壓、降血脂、抑制血小板凝集、防癌、抗病毒等多種生物學(xué)功能[2-7]，相關(guān)研究越來(lái)越受到廣大研究者的關(guān)注。

蒜片加工廢水指在蒜瓣切片過(guò)程中，為防止蒜片黏刀、保證切片機(jī)的正常運(yùn)行而對(duì)切片刀片連續(xù)注射的沖洗用水，以及甩干機(jī)脫水甩干時(shí)排出的水。蒜片加工廢水中富含大蒜中的各種水溶性成分，包括蒜氨酸酶、蒜氨酸、大蒜辣素、大蒜多糖等多種生物有效活性成分[8]。以前，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)商偷偷地將這些廢水隨意排入周圍環(huán)境，因廢水中有機(jī)物含量很高，被微生物分解后會(huì)造成一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，且非常難治理?，F(xiàn)在，生產(chǎn)商將這些廢水排入污水處理廠去做專門的處理了，但是仍存在很多問(wèn)題。由于蒜片加工廢水具有很強(qiáng)的殺菌能力，對(duì)污水處理廠所用的菌有殺滅作用，處理起來(lái)相當(dāng)麻煩，從而導(dǎo)致污水處理速度趕不上廢水產(chǎn)生速度，蒜片加工廠經(jīng)常因此而停產(chǎn)。現(xiàn)在也有報(bào)導(dǎo)[9]，用厭氧折流板反應(yīng)器-曝氣生物濾池(anaerobic baffled reactor-biological aerated filter,ABR-BAF)組合工藝來(lái)處理蒜片加工廢水。雖然這種方法處理會(huì)消除對(duì)環(huán)境的影響，但從天然資源的開(kāi)發(fā)利用的角度來(lái)看，仍是不合理的。如能將蒜片加工廢水作為大蒜資源加以利用，變廢為寶,無(wú)疑是十分有意義的。

該課題組于2017年8月在山東金鄉(xiāng)隆祥食品有限公司建設(shè)了一套1 t/h的膜分離裝置，采用膜分離技術(shù)對(duì)蒜片加工廢水進(jìn)行了超濾-反滲透處理，獲得了蒜片加工廢水的超濾濃縮液、反滲透濃縮液和超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物等一系列產(chǎn)物。本文即為采用固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用(solid phase micro-extraction-GC-MS, SPME-GC-MS)技術(shù)對(duì)上述產(chǎn)物的含硫揮發(fā)成分(volatile sulfur compounds, VSC)所做的計(jì)算機(jī)分析，并與新鮮大蒜提取液和蒜片加工廢水原液的揮發(fā)成分進(jìn)行了對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蒜片加工廢水、大蒜，由山東金鄉(xiāng)隆祥食品有限公司提供。

蒜片加工廢水膜分離裝置，由無(wú)錫宏瑞生物醫(yī)藥科技有限公司提供。

GCMS-QP2010 ULTRA型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。

固相微萃取頭：75 μm Carboxen/PDMS。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 新鮮大蒜提取液的制備

稱取已經(jīng)剝好的蒜瓣10 g，搗成蒜泥，放置30 min。然后加入20 mL去離子水，混勻后用濾紙進(jìn)行過(guò)濾，即得到新鮮大蒜提取液。

1.2.2 蒜片加工廢水原液的制備

將蒜片加工廢水經(jīng)過(guò)25 μm、5 μm依次過(guò)濾，即得到蒜片加工廢水原液。

1.2.3 蒜片加工廢水超濾濃縮液的制備

將蒜片加工廢水原液在15 ℃下超濾濃縮20倍，即得到蒜片加工廢水的超濾濃縮液。

1.2.4 蒜片加工廢水反滲透濃縮液的制備

將超濾透過(guò)液在室溫下反滲透濃縮20倍，即得到蒜片加工廢水的反滲透濃縮液。

1.2.5 超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物的制備

將20倍超濾濃縮液置20～35 ℃室溫下自然放置2個(gè)月，然后過(guò)濾，即得到蒜片加工廢水超濾濃縮液的自然發(fā)酵產(chǎn)物。

1.2.6 SPME-GC-MS分析

將上述的5種液體在氣質(zhì)聯(lián)用前進(jìn)行預(yù)處理——固相微萃取，50 ℃下萃取30 min。GC-MS條件：色譜柱：DB-WAX (30 m×0.25 mm，0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；升溫程序：40 ℃保持3 min，以5 ℃/min升溫至90 ℃，再以10 ℃/min升溫至230 ℃，并保持7 min；載氣：氦氣；不分流。電離方式：電子轟擊；離子源溫度：200 ℃；電離(EI)能量：70 eV；傳輸線溫度：250 ℃。氣質(zhì)定性分析由NIST和WELLY譜庫(kù)確定。

2 結(jié)果與分析

新鮮大蒜提取液、蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液及其自然發(fā)酵產(chǎn)物和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液的氣相色譜圖見(jiàn)圖1～圖5，所含的揮發(fā)性含硫化合物列于表1。

圖1 新鮮大蒜提取液氣相色譜圖

Fig.1 Gas chromatogram of fresh garlic extract

從圖1～圖5和表1中可以看出，在0～34 min的保留時(shí)間內(nèi)，對(duì)于新鮮大蒜提取液、蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液及其自然發(fā)酵產(chǎn)物和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液的揮發(fā)成分，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別檢出了35、54、57、46和54種揮發(fā)成分，其中的新鮮大蒜提取液的揮發(fā)成分中有21種(60%)是揮發(fā)性含硫化合物，其相對(duì)峰面積含量96.279%，而蒜片加工廢水的原液、超濾濃縮液及其自然發(fā)酵產(chǎn)物和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液的揮發(fā)性含硫化合物的種類分別為20種(37.0%)、25種(43.9%)、17種(37.0%)和20種(37.0%)，其相對(duì)峰面積含量分別為87.737%、76.897%、58.971%和87.300%。

圖2 蒜片加工廢水原液氣相色譜圖

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

圖3 蒜片加工廢水超濾濃縮液氣相色譜圖

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

圖4 蒜片加工廢水超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物氣相色譜圖

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

圖5 蒜片加工廢水反滲透濃縮液氣相色譜圖

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

表1 五種樣品中揮發(fā)性含硫化物匯總

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

編號(hào)含硫揮發(fā)性化合物相對(duì)峰面積百分含量/%名稱結(jié)構(gòu)F1F2U1U2N1二烯丙基硫代亞磺酸酯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----162,3,5-三硫雜己烷----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環(huán)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

續(xù)表1

編號(hào)含硫揮發(fā)性化合物相對(duì)峰面積百分含量/%名稱結(jié)構(gòu)F1F2U1U2N25硫代乙酸-S-丙酯--1.1150.080.42926烯丙基2-巰基丙酸酯-0.210-0.137-273-乙酰氧基環(huán)己硫醇---0.199-285-乙基-2-亞氨基噻唑烷-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-巰-3,4-二甲-2,3-二氫噻吩0.557----34乙烯基噻吩0.055----353,4-二甲基-2,5-二氫噻吩-2-酮0.0910.043---36順式-2-乙基-3-甲基四氫噻吩-0.0520.046-0.039371,2-二硫環(huán)戊烷-0.249---383,5-二乙基-1,2,4-三硫環(huán)戊烷--0.740--394-乙基-3H-1,2-二硫雜環(huán)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----

續(xù)表1

編號(hào)含硫揮發(fā)性化合物相對(duì)峰面積百分含量/%名稱結(jié)構(gòu)F1F2U1U2N422-乙烯基-[4H]-1,3-二噻烯0.6890.0320.253-0.228431,3-二噻烷--0.1320.0710.117442-亞乙基-[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-3,4-二氫-1H-1,2?4-二噻烯-1-酮4.653----491-壬硫醇----0.051501,5-二硫雜環(huán)辛烷0.038--0.035-總計(jì)96.27987.73776.89758.97187.300

注：F1為新鮮大蒜提取液；F2為蒜片加工廢水原液；U1為蒜片加工廢水超濾濃縮液；U2為蒜片加工廢水超濾濃縮物的自然發(fā)酵產(chǎn)物；N為蒜片加工廢水超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液。

蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液及其自然發(fā)酵產(chǎn)物和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液中所檢測(cè)出的揮發(fā)成分種類要多于新鮮大蒜提取液。而新鮮大蒜提取液中含硫揮發(fā)成分的種類占比和含量占比大于其他4種樣品。事實(shí)上，大蒜組織中存在著豐富而活性強(qiáng)的酶系，自大蒜被切為蒜片，大蒜組織遭受損傷開(kāi)始，各種揮發(fā)成分就在這些酶系的作用下開(kāi)始代謝、產(chǎn)生。隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，各種非含硫揮發(fā)成分的種類增多和濃度增大。

超濾濃縮液中含硫揮發(fā)成分含量占比略小于蒜片加工廢水的原液和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液，而含硫揮發(fā)成分種類卻是多于兩者。究其原因，可能是超濾濃縮過(guò)程中有大量而又活性強(qiáng)的酶系被截留下來(lái)，而這些活性酶系又在不斷作用，使非含硫揮發(fā)性化合物含量增加和含硫揮發(fā)化合物種類增多(含硫總含量不變)，從而導(dǎo)致含硫揮發(fā)性含量占比相對(duì)減少。

蒜片加工廢水的原液、超濾濃縮液和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液的含硫揮發(fā)成分含量占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物?？赡苁怯捎诮?jīng)過(guò)微生物的作用導(dǎo)致其他非含硫化合物含量增多。經(jīng)微生物發(fā)酵過(guò)后，大蒜辛辣味變?nèi)酢㈩伾凕S、蒜味變輕。同時(shí)大蒜的特有蒜味隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減弱[10]。超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物中2-丙烯-1-硫醇和二烯丙基硫醚所占的比例很大，分別占了23.370%和11.134%，可能這2種物質(zhì)是含硫揮發(fā)性成分最終分解物質(zhì)或者是它們相對(duì)其他含硫揮發(fā)成分來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。

從圖1～圖5中可以看出，新鮮大蒜提取液在3～10 min內(nèi)只檢測(cè)出了少量含硫揮發(fā)成分(3種)，且所占含量(3.439%)極小，而其他4種樣品卻檢測(cè)出多種類含硫揮發(fā)成分且所占含量較高，分別為蒜片加工廢水原液(6種，35.221%)，超濾濃縮液(11種，44.135%)，超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物(7種，49.307%)，超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液(8種，32.463%)。這可能是由于加工過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這4種樣品中的大蒜辣素分解而導(dǎo)致的。

從表1可以看出，從上述5份樣品中共檢出了50種含硫揮發(fā)成分，其中約60% (29種)均為新鮮大蒜液所沒(méi)有的，是在后續(xù)的代謝過(guò)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]-1,3-二噻烯等這些均是大蒜辣素最常見(jiàn)的分解含硫產(chǎn)物[11-13]，都能在新鮮大蒜提取液，蒜片加工廢水超濾濃縮液，超濾透過(guò)液的濃縮液中找到。此外，還有2-丙烯-1-硫醇，烯丙基甲基二硫醚在5種樣品都存在。上述這些含硫揮發(fā)成分，在不揮發(fā)損失的前提下，可以一直完好的保藏在蒜片加工廢水的超濾濃縮液和反滲透濃縮液中，構(gòu)成活性有效成分的基礎(chǔ)，為這些產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用提供了理論依據(jù)。

從表1看出，計(jì)算機(jī)檢出了1種迄今為止國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)任何報(bào)導(dǎo)的大蒜衍生物，5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮(CAS No. 1762-69-2)。該物質(zhì)在蒜片加工廢水原液、超濾濃縮液和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液的含硫揮發(fā)分中占比都很高，分別為29.013%，13.343%和36.138%。通過(guò)比較，該物質(zhì)在原液和反滲透濃縮液中占比最高，在超濾濃縮液中排列第3。但是，在超濾濃縮液自然發(fā)酵產(chǎn)物中該物質(zhì)未再被檢出，卻檢出了具有相同母環(huán)的結(jié)構(gòu)類似物，2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮，該物質(zhì)含量在含硫揮發(fā)分中占比也很高，為11.818%，位列第2。

那么5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮究竟能否轉(zhuǎn)化為2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮，兩者之間存在怎樣的關(guān)系？以及5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-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，則會(huì)具有怎樣的生理活性？這些需進(jìn)一步的研究來(lái)加以證明與闡釋。

3 結(jié)論

蒜片加工廢水的膜分離技術(shù)(超濾與反滲透)處理液：超濾濃縮液及其自然發(fā)酵產(chǎn)物和超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液中均含有豐富的含硫揮發(fā)性化合物。雖然與新鮮大蒜提取液(21種，占96.279%)相比已經(jīng)不含大蒜辣素，揮發(fā)成分的含量也有所下降，但所含有的含硫揮發(fā)性化合物的種類和含量仍相當(dāng)可觀(超濾濃縮液為25種、占76.897%，超濾濃縮液的自然發(fā)酵產(chǎn)物為17種，占58.971%、超濾透過(guò)液的反滲透濃縮液為20種、占87.30%)。

5-乙基-2-亞氨基噻唑烷-4-酮(CAS No. 1762-69-2)是原液(29.013%)和反滲透濃縮液(36.138%)中含量最高的含硫揮發(fā)分，在超濾濃縮液(13.343%)也排第3。超濾濃縮液經(jīng)自然發(fā)酵后該物質(zhì)未再被檢出，但檢出了具有相同母環(huán)的結(jié)構(gòu)類似物，2-乙酰氨基-δ-(2)-噻唑啉-4-酮(11.818%，位列第2)。這值得深入進(jìn)行研究。

總之，蒜片加工廢水在經(jīng)過(guò)超濾-反滲透處理后所得到的濃縮液及其自然發(fā)酵產(chǎn)物可以作為提取有效活性物質(zhì)的大蒜資源加以開(kāi)發(fā)利用。