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大蒜挥发油的提取工艺优化及GC-MS成分分析

2024-09-24 96 上传者：管理员

摘要：目的优化大蒜挥发油的提取工艺，并进行GC-MS分析。方法采用响应面法对大蒜挥发油的提取工艺进行优化，并采用GC-MS对其进行成分分析。结果最佳提取工艺：萃取温度为36℃、料液比为1∶4(g∶m L)、蒸馏时间为3h。采用GC-MS共检测出21个挥发性成分，多为硫醚类化合物。结论该提取工艺可有效提取大蒜的功能提取物，并通过GC-MS鉴定出大蒜的化学成分，为大蒜的药食两用提供理论基础。

关键词：
响应曲面法
大蒜挥发油
天然药品
成分分析
水蒸气蒸馏法
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大蒜（Allium sativum L.）为百合科葱属植物，属于多年生草本植物，味辛辣刺激，性温，归脾、胃、肺经，具有多种营养成分和保健作用，常用作调味品和天然药品，是一种典型的药食两用植物[1,2]。大蒜至今有五千多年的历史，秦汉时期从西域传入我国，于我国已有多年的种植历史。我国是大蒜的主要生产国，每年大蒜的产量约占世界总产量的25%，出口销量位于世界第4位，我国周边国家的大蒜市场由我国供应的约80%以上。

大蒜油又被称为大蒜素，是以有机硫化物为主的一类浅黄色油状物质。大蒜素有“地里长出的青霉素”的美誉，具有抗炎[3]、抗菌[4]、抗氧化[5]、降血糖、抗肿瘤[6]、保肝、防治心血管疾病[7]等功效。大蒜及大蒜制品深受大众欢迎，但新鲜大蒜外皮湿润，其嫩芽部位容易发生霉变，对人体有很大的危害，且大蒜不易贮藏，严重影响大蒜的品质和销量。因此，本研究采用提取成本低、易操作、稳定性好的水蒸气蒸馏法对大蒜油进行提取，并采用响应曲面法优化出大蒜挥发油的最佳提取工艺，并运用GC-MS法对挥发油的成分进行分析。提取出功能有效的大蒜提取物并鉴定出大蒜的化学成分，对我国大蒜的出口、开发、研究和利用具有深远意义，可提高大蒜的药食两用适用范围。

1、实验部分

1.1 材料与仪器

大蒜（市售陕西）；甲醇（色谱级美国Fisher Scientific公司）；甲醇、无水乙醚、无水Na2SO4，均为分析纯，天津富宇精细化工有限公司。

Thermo ISQ单四级杆TRACE1300气相-质谱联用仪（包括Thermo Scientific Dyna Max XR检测系统）；GL1004B型电子分析天平（上海佑科仪器仪表有限公司）；SB-5200D型超声波清洗机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；Milli-QIQ7000型超纯水仪（德国默克公司）；RE-52AA型旋转蒸发仪（河南自玉铖科技有限公司）；TGL-16G型高速台式离心机（上海安亭科学仪器）；HH-1型数显恒温水浴锅（国飞实验室仪器有限公司）；SHT型电热套（山东光明仪器）。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理

新鲜大蒜去皮称重，粉碎机破碎适量时间，得蒜泥，备用。

1.2.2 挥发油提取与体积读取

将粉碎后蒜泥（60g，含水量约50%）置于圆底烧瓶中，超声萃取后，置于电热套内，安装好挥发油提取装置，按照所设定条件进行挥发油提取，提取结束后，静置0.5h，待挥发油冷却后，再读取挥发油体积。

1.2.3 单因素实验

将所得蒜泥置于圆底烧瓶，以萃取温度（15、25、35、45℃）、料液比（1∶2、1∶3、1∶4、1∶5(g∶m L））、蒸馏时间（1、2、3、4h）为影响因素，分别考察各因素对大蒜油得率的影响。

1.2.4大蒜油提取条件的响应面实验设计

基于单因素实验，分别以对大蒜油提取率影响较大的萃取温度（A）、料液比（B）、蒸馏时间（C）为考察因素，以大蒜油得率（Y）为响应值，对该水蒸气蒸馏法提取大蒜油的工艺进行优化。实验设计因素及水平见表1。

表1 响应面实验分析因素与水平

1.2.5 数据处理

将单因素实验所得数据采用origin软件进行处理作图，利用Design Expert 13软件中Box-Behnken中心进行响应曲面实验的设计、方差分析及处理。

1.2.6 GC-MS分析

(1)GC条件程序升温：初始温度40℃，保持1min，以5℃·min-1升至80℃，保持2min，以10℃·min-1升至220℃，保持5min，以10℃·min-1升至280℃，保持5min，流速1.0mL·min-1，载气为高纯He。

(2）质谱条件进样口温度：280℃；分流比：不分流；总流速：50mL·min-1；进样量：1μL；电离方式：电子轰击电离化（EI）；离子源温度：300℃；传出限温度：280℃，扫描范围：全扫描10～500aum；总时长41min。

2、结果与讨论

2.1 单因素实验

图1为萃取温度、料液比、蒸馏时间对挥发油提取率的影响。

图1 萃取温度、料液比、蒸馏时间对挥发油提取率的影响

2.1.1 萃取温度对提取率的影响

由图1(A）可见，当萃取温度为15～35℃时，大蒜挥发油的提取率逐渐升高，说明温度升高有助于挥发油的溶出，但温度继续升高至45℃时，其挥发油提取率又略有降低，这可能与温度过高部分挥发油会降解有关。因此，最佳萃取温度为35℃，故选取25、35、45℃为响应实验水平。

2.1.2 料液比对提取率的影响

由图1(B）可见，随着蒸馏水的比例逐渐增大，大蒜挥发油的提取率先显著升高后略降低，这可能因为适量的蒸馏水有利于增加蒜泥中挥发油与蒸馏水的比表面积，更有利于挥发油的挥发，但随着蒸馏水的比例继续增大，导致溶解于蒸馏水中的挥发油也变多，该结果与文献[1,8]结论相同。因此，本研究中最佳料液比为1∶4(g∶m L），故选取1∶3、1∶4、1∶5(g∶mL）为响应实验水平。

2.1.3蒸馏时间对提取率的影响

由图1(C）可见，当以大蒜挥发油的蒸馏时间为指标时，1～3h时间内，大蒜油得率呈单调递增的趋势，但将蒸馏时间延长至4h时，大蒜挥发油的提取率与3h相比略有上升，变化不大。这可能是由于大蒜挥发油在合适的提取时间内已经得到了充分的提取，继续延长蒸馏时间收效甚微，意义不大。因此，本研究中选取2、3、4h为响应实验水平。

2.2 响应曲面实验

基于单因素实验结果，采用Design Expert 13软件对水蒸气蒸馏法萃取大蒜油实验进行响应曲面实验设计与分析，结果见表2，方差分析结果见表3。

表2 水蒸气蒸馏法萃取大蒜油实验设计与结果

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

经过深入分析和实验验证，所选模型展现出了极高的显著性，其F值高达34.66，且模型P值小于0.0001，充分证明了模型对实验数据的拟合效果优异。同时，失拟项的P值为1.32，对应的实际P值为0.3852，表明模型与实验数据之间的偏差并不显著，即未知因素对实验的干扰较小，实验误差处于较低水平，从而保证了实验操作的可信度。基于这一模型，得到大蒜油提取率与各因素间的二次多项回归方程为Y=-0.391+0.015A+0.104B+0.116AB+2.49×10-18AC+0.003BC-0.0002A2-0.015B2-0.019C2。通过对方程中各项系数的分析发现，A2（萃取温度的平方）和C2（蒸馏时间的平方）对萃取效果的影响极为显著，而C（蒸馏时间）和B2（料液比的平方）的影响也很显著。结果表明，这些因素对大蒜油提取率的影响至关重要。

因此，基于这一回归方程所确定的最佳工艺参数是可信的，能够有效指导实际生产操作。

图2为响应面分析立体图。

图2 大蒜挥发油提取工艺优化中各因素交互作用的响应曲面图

通过响应面分析立体图（图2）和综合分析表3，可以进一步确认各因素对大蒜油提取率的影响程度，其顺序为蒸馏时间（C）最为关键，其次是萃取温度（A），最后是料液比（B）。

2.3 工艺验证

利用Design Expert 13软件进行优化分析，确定了最佳提取条件：萃取温度为35.81℃，料液比为1∶4.01(g∶mL），蒸馏时间为3.28h。在此最优理论条件下，大蒜挥发油的预测提取率可达0.279%。然而，考虑到实际操作的便捷性，将这些条件调整为：萃取温度为36℃，料液比为1∶4(g∶mL），蒸馏时间为3h。为验证工艺的可行性，进行了3次重复实验，结果显示，大蒜挥发油的提取率为0.283%，与预测值相比，误差为3.180%，低于5%。结果充分证明了该模型的稳定性和可靠性，能够准确预测实际提取效果。

2.4 挥发油化学成分分析

将实验所得大蒜挥发油先用无水Na2SO4干燥，再用色谱纯无水乙醚稀释，进行GC-MS分析，其总离子图见图3，利用NIST 11标准库进行成分分析，结果见表4。

由图3和表4可见，实验从该大蒜挥发油的中分离鉴定出了21种化合物，其中鉴别出的硫醚类化合物共9种，说明该挥发油中最主要的挥发性成分为硫醚类化合物。此外，本研究中鉴别出的挥发性化合物还包括硫烷、硫醇、噻唑、噻吩、环己烯等。

图3 大蒜挥发油总离子流图

表4 大蒜挥发油GC-MS分析结果

3、结论

大蒜挥发油作为大蒜的鳞茎中主要有效成分，是多种有机硫化合物的复合体，大蒜含油量在0.2%～0.4%，呈浅黄色，具有强烈的刺激性气味，有益于心脏血管的健康。本实验对陕西产大蒜的挥发油的提取工艺进行了优化研究，探讨了萃取温度、料液比和蒸馏时间等3个工艺参数对挥发油提取率的影响，通过响应曲面法优化出大蒜挥发油的最佳提取工艺，且最佳工艺验证结果良好。本研究采用GC-MS对该挥发油进行了成分分析，最终在该挥发油中共检测出21个化合物。其中二烯丙基三硫醚（C6H10S3）、大蒜辣素（C6H10OS2）、大蒜新素（C6H10O2S）及多种烯丙基和甲基组成的硫醚化合物是大蒜挥发油的主要成分。同时还含有柠檬醛、芳樟醇、水芹烯、丙醛、戊醛等[9]。研究发现，大蒜素通过竞争性抑制菌体巯基酶，损伤菌体膜系统，抑制菌体的生物被膜等机制而发挥抗菌作用[10]。因此，提取大蒜中的有效成分大蒜挥发油，既能保证大蒜的有效成分，还能提高大蒜的医用效果，从而大大地提高大蒜的食用和药用价值。

参考文献:

[1]王晖,刘伟,王益友.中心复合设计响应面法优化水蒸气提取大蒜油工艺[J].香料香精化妆品, 2022, 10(5):118-123.

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[3]金鑫,李鸿洋,李敬双,等.大蒜素对小鼠腹腔巨噬细胞的抗炎作用[J].畜牧与兽医, 2020, 52(12):85-88.

[4]蔡锦玲,陈品品,蓝波妙,等.大蒜精油提取､成分分析及其抑菌效果[J].江苏农业科学, 2020,(23):186-190.

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[9]王家埔,于克学,高翠希.大蒜油提取与应用研究现状[J].保鲜与加工, 2002, 2(4):11-12.

[10]苏贝婷,苏振丹,张宿荣.大蒜素抗菌作用机制的研究进展[J].中华生物医学工程杂志, 2020, 26(2):187-192.

基金资助:陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ-837;2022JQ-861); 陕西省教育厅自然科学研究项目(21JK0873); 西安市科技计划项目(21YXYJ0078); 西安文理学院三年行动计划项目(2021XDJH36);西安文理学院博士科研启动金项目;

文章来源:师白梅,贾晓妮,郭晓利,等.大蒜挥发油的提取工艺优化及GC-MS成分分析[J].化学工程师,2024,38(09):13-17.