响应面分析法优化藠头素提取工艺

陈艳丽，王宏勋*，侯温甫

(武汉工业学院食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023)

响应面分析法优化藠头素提取工艺

陈艳丽，王宏勋*，侯温甫

(武汉工业学院食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023)

在单因素试验基础上，选取提取温度、提取时间和酶添加量为影响因素，用响应面分析法优化以盐渍藠头加工废弃物为原料提取藠头素的工艺。结果表明：优化提取条件为提取温度37℃、提取时间3h、酶添加量0.8%，提取液中蒜素提取量预测值为0.1763g/g，验证值为0.1761g/g。

藠头素；提取工艺；响应面法；优化

藠头(Allium chinense G. Don)为百合科葱属植物[1]，又名薤白，原产于我国[2]，朝鲜、日本以及东南亚等地均有分布，在我国主要分布于南方各省，江西、湖南、湖北和云南等地均有广泛种植。传统中医学认为藠头有温中通阳、理气宽胸、还阳散结之功效，其鳞茎既可入药又可食用[3]。藠头中含有大量的氨基酸和人体所必需的多种元素，其主要功能成分为挥发性成分[4]、含氮化合物[5]和皂苷化合物[6-8]，这些功能成分具有多种药理作用和保健作用[9]，可以清除亚硝酸盐、改善脂质代谢、抗血小板凝聚、抑制肿瘤，同时还具有抗菌、耐缺氧、调节免疫、保护心肌等作用，是一种有待全面开发利用的资源。

随着日本、韩国及东南亚地区藠头产品需求的持续增加，藠头产业已经成为我国南方地区的特色产业。现阶段藠头加工产品以腌制藠头为主，盐渍藠头是加工各种藠头产品的初级产品，其加工过程中产生的大量废弃物没有得到有效利用，造成了环境污染和资源浪费。本研究拟以盐渍藠头加工废弃物为原料，应用响应面分析法优化藠头素提取工艺，为盐渍藠头加工废弃物的利用提供途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

盐渍藠头鳞茎一二层表皮 武汉小蜜蜂食品有限公司；果胶酶(酶比活力30000U/g) 北京双旋微生物培养基制品厂。

乙醇、乙醚均为分析纯；三氯乙酸(分析纯，配制成0.2g/mL溶液)；硝酸汞(分析纯，配制成0.05mol/L标准溶液)；硝酸(分析纯，配制成1∶1的溶液)；硫酸高铁胺(分析纯，配制成饱和指示液)；硫氰化钾(分析纯，配制成0.1mol/L标准溶液)。

1.2 仪器与设备

DHG-9140A型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；FZ102型微型植物试样粉碎机(功率180W，转速1400r/min) 天津泰斯特仪器；先行者CP214(C)型电子分析天平 上海奥斯特仪器有限公司；数显恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司；DHZ-D(Ⅲ)循环水真空泵 巩义市英峪华玉仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

盐渍藠头加工废弃物经50℃热水冲洗1h脱盐，于50℃干燥箱中干燥48h，干燥品用微型植物粉碎机进行粉碎，过40目筛，得到的藠头粉末放入冰箱冷藏室储存。

1.3.2 藠头素提取工艺流程[10-12]

盐渍藠头加工废弃物→脱盐→干燥→粉碎→酶解→抽滤→藠头素初提液

1.3.3 单因素试验设计

称取藠头粉碎干品2g，用80mL蒸馏水加果胶酶酶解，分别研究提取温度(20、30、40、50、60℃，固定提取时间3h、酶添加量0.8%)、提取时间(1、2、3、4、5h，固定提取温度50℃、酶添加量0.8%)和酶添加量(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，固定提取温度50℃、提取时间3h)对提取效果的影响。

1.3.4 响应面试验设计

根据单因素试验结果，选取提取温度、提取时间和酶添加量为响应变量，按照Box-Behnken中心组合试验设计原理，以提取液的蒜素提取量为响应值，利用SAS 9.1软件进行响应面分析[13-15]，优化藠头素提取的工艺条件，从而得到最佳的提取工艺(表1)。

表1 响应面分析因素与水平Table 1 Factors and their coded levels in response surface analysis

1.3.5 蒜素提取量的测定

蒜素提取量的测定采用硝酸汞沉淀法，具体方法见文献[16]，其计算公式为：

式中：c为蒜素提取量/(g/100mL)；c1为硝酸汞标准溶液的浓度/(mol/L)；v1为硝酸汞标准溶液的用量/mL；c2为硫氰化钾标准溶液的浓度/(mol/L)；v2为硫氰化钾标准溶液消耗量/mL；v0为提取液的总体积/mL；v为测定时所取提取液的体积/mL；w0为样品用量/mL；0.02704为每毫升0.05mol/L硝酸汞标准溶液折算的蒜素质量/g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 提取温度对蒜素提取量的影响

图1 提取温度对蒜素提取量的影响Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of allicin

由图1可知，随着提取温度的升高，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在40℃时达到最大，可能是因为当提取温度达到40℃以上，随着提取温度升高，果胶酶活性得到了抑制，从而使提取液中蒜素提取量降低。

2.1.2 酶添加量对蒜素提取量的影响

图2 酶添加量对蒜素提取量的影响Fig.2 Effect of enzyme addition amount on the yield of allicin

由图2可知，随着果胶酶添加量的增多，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在果胶酶的添加量达到0.8%时，蒜素提取量达到最大。

2.1.3 提取时间对蒜素提取量的影响

图3 提取时间对蒜素提取量的影响Fig.3 Effect of extraction time on the yield of allicin

由图3可知，随着提取时间的延长，提取液中蒜素提取量先上升后下降，在提取3h时，蒜素提取量达到最大。随后蒜素提取量反而有所降低，可能是由于酶解时间过长蒜素中某些化合物分解所致。

2.2 响应面分析

表2 藠头素提取工艺响应面分析试验设计和结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

根据Box-behnken中心组合试验设计原理所设计的试验及其结果(表2)可知，以提取温度、酶添加量和提取时间为相应变量，蒜素提取量为响应值，利用SAS 9.1软件进行回归拟合，得到提取液中蒜素提取量的回归方程为：Y＝0.0093＋0.007179X1＋0.051708X2＋0.00865X3-0.000104X12＋0.0009X1X2-0.053333X22-0.00007X1X3＋0.0005X2X3-0.001083X32。进一步对回归方程进行分析，结果见表3。

表3 回归方程偏回归系数的估计值Table 3 Estimated values of partial regression coefficients in the regression model

由表3可以看出，相关系数R2＝0.9820，说明此模型与数据拟合度较高，从回归模型系数的显著性检验可以看出，模型的一次项中X1影响极显著，二次项中X12影响极显著，交互项影响均不显著。由此可知，各影响因素对蒜素提取量的影响不是简单的线性关系。

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

对回归模型进行显著性检验，结果见表4，回归项P＝0.0008＜0.01，回归模型极显著，失拟项P＝0.4330＞0.05，影响不显著，说明模型拟合度很好，因此，能够使用该回归模型对试验数据进行分析，优化盐渍藠头废弃物中藠头素的提取工艺参数。

2.3 交互作用对蒜素提取量的影响

为进一步考察3个因素中两两因素的交互作用对盐渍藠头废弃物提取液中蒜素提取量的影响，对其响应曲面和等高线图进一步分析(图4)。

图4 各两因素交互作用对蒜素提取量影响的响应曲面和等高线图Fig.4 Response surface and contour plots for the pairwise effects of three extraction conditions on the yield of allicin

图4 表明，提取温度对盐渍藠头废弃物中藠头素的提取影响很显著，提取时间和酶添加量影响不明显。通过软件分析，得到最佳提取工艺条件为提取温度37.0831℃、酶添加量0.8116%、提取时间2.9815h，在此条件下提取液中蒜素提取量的预测值为0.1763g/g。

2.4 优化提取工艺参数的验证

为验证响应面分析法所得结果的可靠性，采用上述优化条件进行3次平行实验。在实际提取过程中，将实验条件适度调整为提取温度37℃、酶添加量0.8%、提取时间3h，实际测得的蒜素提取量的平均值为0.1761g/g。结果说明预测值与实际值之间有很好的拟合性，进一步证实了回归模型的可靠性。

3 结 论

通过响应面分析，在酶法提取盐渍藠头废弃物中藠头素时，各因素对蒜素提取量的影响大小依次为提取温度、酶添加量、提取时间。应用响应面分析优化提取工艺参数为提取温度37℃、酶添加量0.8%、提取时间3h，在此条件下得到的提取液中蒜素的含量为0.1761g/g。

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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

湖北省自然科学基金重点项目(2009CDA094)

陈艳丽(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为食品科学、生物活性物质制备。E-mail：chenyanli3333@126.com

*通信作者：王宏勋(1977—)，男，副教授，博士，研究方向为食品科学、食品工程高新技术。E-mail：wanghongxunhust@163.com