張軒
(武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院 食品與生物科技學(xué)院,湖北 武漢 430205)
大蒜是我國一大優(yōu)勢資源,年產(chǎn)量占世界總量的1/4,出口量居世界第4位[1]。大蒜油又稱大蒜素,是大蒜破碎以后,由蒜氨酸在蒜氨酸酶作用下形成的一種油狀有機(jī)硫化物,具有抗病毒、抗菌、抗腫瘤、降脂降糖、保護(hù)心腦血管健康、提高機(jī)體免疫力等作用[2-3]。大蒜油的開發(fā)不僅具有很好的商業(yè)價(jià)值,還可提高大蒜這一農(nóng)產(chǎn)品的附加值,對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)民增收起到積極的促進(jìn)作用[4]。相比目前文獻(xiàn)所報(bào)道的單純的超聲波輔助有機(jī)溶劑提取大蒜油[5-7],本課題將蒜氨酸酶活性調(diào)控理論應(yīng)用到提取工藝中,以期提高大蒜油的提取率,為工業(yè)上大蒜油的獲取提供有一定價(jià)值和意義的參考。
白皮大蒜;無水乙醇、氯化錳、氯化鎂、磷酸吡哆醛(PLP)、甘油、氯化鋇、硝酸、甲基橙等均為分析純。
722 型可見分光光度計(jì);HH-S6型恒溫水浴鍋;FA2014B型電子分析天平;DFY-300型組織搗碎機(jī);MEC-200SAH型超聲波合成萃取儀;RE52-CS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。
大蒜去皮后用組織搗碎機(jī)搗碎。取30 g蒜泥(精確到0.01 g)放入250 mL三角瓶中,加入15 mmol/L氯化錳溶液、2 mmol/L PLP溶液、10 mmol/L甘油、10 mmol/L氯化鎂溶液各5 mL,在35 ℃,pH 6.5條件下酶解60 min。放入超聲波合成萃取儀中,添加95%乙醇,液料比為5∶1 mL/g,超聲功率600 W,在35 ℃下超聲萃取50 min。
根據(jù)GB 8862—1988《脫水大蒜揮發(fā)性有機(jī)硫化合物的測定方法》,以濃硝酸滴定大蒜油樣品,將其中的硫醚基團(tuán)氧化成硫酸根離子,再采用硫酸鋇沉淀稱重法換算出大蒜油中有機(jī)硫化物的含量[8]。
2.1.1 酶促反應(yīng)溫度對大蒜油提取率的影響 取新鮮蒜泥6份,每份30 g,酶解溫度分別為25,30,35,40,45,50 ℃,其他提取條件保持不變,結(jié)果見圖1。
圖1 酶促反應(yīng)溫度對大蒜油提取率的影響Fig.1 Effect of enzymatic reaction temperature on extraction rate of garlic oil
由圖1可知,隨著溫度的提高,蒜氨酸酶的催化效率提高,溫度35 ℃時(shí),大蒜油的提取率最高,為0.397%,溫度繼續(xù)升高,酶蛋白逐漸變性失活,相應(yīng)大蒜油的提取率開始降低。因此,選擇最適酶解溫度為35 ℃。
2.1.2 酶促反應(yīng)pH對大蒜油提取率的影響 取新鮮蒜泥5份,每份30 g,用磷酸緩沖液調(diào)節(jié)蒜泥pH分別為5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,其他提取條件保持不變,結(jié)果見圖2。
圖2 酶促反應(yīng)pH對大蒜油提取率的影響Fig.2 Effect of enzymatic reaction pH on extraction rate of garlic oil
pH直接影響著蒜氨酸酶活性中心基團(tuán)的解離,對蒜氨酸酶活性影響顯著。由圖2可知,隨著pH的升高,大蒜油的提取率先升高后降低,在pH為6.5 時(shí),大蒜油的提取率最高,為0.385%,這一趨勢同蒜氨酸酶的酶學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果一致[9]。選擇最適酶解pH為6.5。
2.1.3 酶促反應(yīng)時(shí)間對大蒜油提取率的影響 取新鮮蒜泥6份,每份30 g,控制酶解時(shí)間,其他提取條件保持不變,結(jié)果見圖3。
圖3 酶促反應(yīng)時(shí)間對大蒜油提取率的影響Fig.3 Effect of enzymatic reaction time on extraction rate of garlic oil
由圖3可知,隨著酶解時(shí)間的延長,大蒜油的提取率逐漸上升,但當(dāng)酶解時(shí)間>60 min后,大蒜油的提取率上升趨于平緩,100 min后提取率開始下降。推測可能隨著酶解時(shí)間的延長,大蒜油中有機(jī)硫化物被催化為其他副生產(chǎn)物。綜上,選擇最適酶解時(shí)間60 min。
2.1.4 外加酶激活劑對大蒜油提取率的影響 PLP是蒜氨酸酶重要的輔酶因子,外源添加PLP可提高蒜氨酸酶活,其通過與酶蛋白的亞基結(jié)合,催化裂解底物蒜氨酸,Mn2+則通過靜電作用促使底物結(jié)合在酶活性中心靠近PLP的部位,從而促進(jìn)酶反應(yīng)的進(jìn)行,是蒜氨酸酶良好的激活劑[10]。甘油作為反應(yīng)體系中引入的多羥基化合物,在Mg2+的配合使用下,可保護(hù)蒜氨酸酶活性,同時(shí)因其親水性,減弱了酶蛋白與水分子之間的相互作用,從而促進(jìn)酶蛋白疏水活性中心的形成,使底物與酶的活性中心更好地結(jié)合,有利于酶促反應(yīng)的進(jìn)行。
在酶解溫度35 ℃、酶解pH 6.5、酶解時(shí)間60 min下,向蒜泥添加MnCl2、PLP、MgCl2、甘油溶液各5 mL,設(shè)置正交實(shí)驗(yàn),確定其最適添加量。超聲提取條件不變,結(jié)果見表1。
由表1可知,外加酶激活劑對大蒜油提取率的影響程度依次為PLP>Mn2+>Mg2+>甘油,大蒜油提取得率最高的最優(yōu)組合為A2B3C2D2,即在最適酶反應(yīng)條件下,加入2 mmol/L PLP溶液、15 mmol/L氯化錳溶液、10 mmol/L甘油、10 mmol/L氯化鎂溶液各5 mL,而后進(jìn)行超聲波提取。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行三組平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),大蒜油的提取率分別為0.445%,0.433%,0.468%,平均提取率為0.449%。
表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Orthogonal experimental results
2.2.1 提取溫度的影響 取新鮮蒜泥6份,每份30 g,采用最佳酶解條件酶解后,分別在25,30,35,40,45,50 ℃下進(jìn)行超聲提取,其他條件保持不變,結(jié)果見圖4。
圖4 提取溫度對大蒜油提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on garlic oil extraction rate
由圖4可知,在35 ℃下大蒜油的提取率最高,可達(dá)0.451%,溫度繼續(xù)升高,大蒜油發(fā)生降解,提取率隨之下降。選擇超聲提取的最佳溫度為35 ℃。
2.2.2 提取時(shí)間的影響 取新鮮蒜泥6份,每份30 g,采用最佳酶解條件酶解后,分別進(jìn)行超聲提取,其他條件保持不變,結(jié)果見圖5。
由圖5可知,隨著提取時(shí)間的延長,大蒜油充分轉(zhuǎn)移至有機(jī)相,提取率也隨之提高,提取時(shí)間為50 min時(shí),提取率最高,可達(dá)0.443%;繼續(xù)延長提取時(shí)間會造成大蒜油一定程度的分解,提取率逐漸降低。選擇最佳超聲提取時(shí)間為50 min。
圖5 提取時(shí)間對大蒜油提取率的影響Fig.5 Effect of extraction time on garlic oil extraction rate
2.2.3 乙醇濃度的影響 取新鮮蒜泥4份,每份30 g,采用最佳酶解條件酶解后,分別采用65%,75%,85%,95%乙醇進(jìn)行超聲提取,其他條件保持不變,結(jié)果見圖6。
圖6 乙醇濃度對大蒜油提取率的影響Fig.6 Effect of ethanol concentration on garlic oil extraction rate
由圖6可知,隨著乙醇濃度的升高,大蒜油的提取率逐漸提高,說明大蒜油易溶于有機(jī)溶劑,乙醇濃度95%時(shí),大蒜油的提取率最高,為0.451%。
2.2.4 液料比的影響 取新鮮蒜泥5份,每份30 g,采用最佳酶解條件酶解后,控制液料比分別為2∶1,3∶1,4∶1,5∶1,6∶1進(jìn)行超聲提取,其他條件保持不變,結(jié)果見圖7。
圖7 液料比對大蒜油提取率的影響Fig.7 Effect of liquid to material ratio on extraction rate of garlic oil
由圖7可知,隨著液料比的提高,大蒜油提取率逐漸提高,液料比≥4∶1 mL/g后,提取率增長趨于平緩,提示大蒜油已被充分提取。選擇最佳液料比為4∶1 mL/g。
2.2.5 超聲功率的影響 取新鮮蒜泥4份,每份30 g,采用最佳酶解條件酶解后,控制超聲功率分別為200,300,400,500,600 W進(jìn)行超聲提取,其他條件保持不變,結(jié)果見圖8。
圖8 超聲功率對大蒜油提取率的影響Fig.8 Effect of ultrasonic power on garlic oil extraction rate
由圖8可知,隨著超聲功率的提高,大蒜油提取率逐漸升高,超聲功率500 W時(shí),大蒜油提取率為0.443%;功率繼續(xù)升高,大蒜油提取率無顯著升高。選擇提取功率為500 W。
2.2.6 超聲提取條件正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以濃度95%的乙醇作為提取劑,對提取溫度、提取時(shí)間、液料比、超聲功率進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。
表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results
由表2可知,超聲提取條件對大蒜油提取率的影響程度依次為:溫度>液料比>功率>時(shí)間,大蒜油提取得率最高的最優(yōu)組合為A2B2C3D3,即酶解后,添加濃度95%的乙醇,并控制液料比為5∶1 mL/g,超聲功率600 W,35 ℃下超聲萃取50 min。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行三組平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),大蒜油的提取率分別為0.469%,0.473%,0.463%,平均提取率為0.468%。
大蒜去皮用組織搗碎機(jī)搗碎后,取新鮮蒜泥3份,每份30 g,不經(jīng)充分酶解,立即采用上述最佳超聲提取條件提取大蒜油,大蒜油的提取率分別為0.296%,0.312%,0.288%,平均提取率為 0.299%。這說明,與傳統(tǒng)的超聲輔助提取大蒜油工藝相比,控制外部條件,將大蒜充分酶解后再進(jìn)行超聲提取,可顯著提高大蒜油的提取率。
超聲波輔助乙醇提取大蒜中大蒜油的最佳工藝條件為:以30 g蒜泥計(jì),加入2 mmol/L PLP溶液、15 mmol/L氯化錳溶液、10 mmol/L甘油、10 mmol/L氯化鎂溶液各5 mL,在35 ℃,pH 6.5條件下酶解60 min,然后放入超聲波合成萃取儀中,添加濃度95%的乙醇,并控制液料比5∶1 mL/g,超聲功率600 W,在35 ℃下超聲萃取50 min。在此條件下,大蒜油平均提取率可達(dá)0.468%。