蒜片加工废水中大蒜素动态提取研究

李宁阳，刘鸿旭，卢晓明，乔旭光

（1 山东农业大学食品科学与工程学院 山东泰安271018 2 山东省高校食品加工技术与质量控制重点实验室 山东泰安271018）

大蒜（Allium Sativum L.）又名胡蒜、葫、独蒜等，具有丰富的药用价值，大蒜中的主要有效成分是大蒜素（Allicin）。研究证明，新鲜的大蒜中不存在游离大蒜素，只含有其前体物质——蒜氨酸（Alliin），蒜氨酸在大蒜中以稳定、无臭的形式存在，当对大蒜进行加工或其受到物理作用而破碎后，大蒜中存在的蒜氨酸酶（Alliinase）被迅速激活，催化蒜氨酸分解为大蒜素[1]。许多研究表明，大蒜素具有许多独特的药理活性。它不仅杀菌力强、抗菌谱广[2]，而且具有抗肿瘤、降胆固醇、抗血小板聚集、护肝、预防心血管疾病、降血压[3]、抗氧化及预防记忆力下降等生理学及医学作用。

大蒜及大蒜制品出口连续13年位居农产品第1 位，其中脱水蒜片是主要的加工制品。大蒜脱水生产加工一般包括挑选、清理、切片、漂洗、脱水（烘干）、平衡水分、分选、包装、成品等几个过程，其中清理、漂洗和脱水过程中会产生大量的废水，其化学需氧量（COD 值）可达到上万个单位以上，并带有强烈的刺激性蒜臭味。大蒜加工废水中含有大量的有机物质（大蒜多糖和大蒜蛋白等），如不经处理直接排入水体，就会消耗水中大量的溶解氧，造成水体缺氧，水生生物死亡。同时，废水中含有的悬浮颗粒物沉入水底，经厌氧分解，产生臭气使水质恶化，不仅给水体造成了严重污染，还损害了周围的空气环境[4]。

目前，蒜片加工废水未受到足够重视，国内外有关蒜片加工污水处理的研究较少[5]。一般大蒜加工企业处理生产废水都是经简单的物理处理后直接排放，其中含有的大蒜素等有机硫化物，具有强烈的抑菌杀菌作用，且该废水难以降解，既浪费了宝贵的大蒜素资源又给水资源造成一定的污染。消除污染，变废为宝迫在眉睫。

本文以蒜片加工废水为主要原料，采用动态提取大蒜素，并优化提取过程中的各项参数，可为蒜片加工废水副产物大蒜素的回收方法，以及大蒜加工废水回收大蒜素的产业化应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大蒜，产地莱芜；硝酸汞，泰兴市化学试剂厂；硫氰酸钾、硝酸银、硫酸铁胺、硝酸、氢氧化钠、无水氯化钙，天津凯通化学试剂有限公司；植物油抽提溶剂，大明化工实业有限公司。

1.2 仪器与设备

连续动态萃取系统（自行设计，结构见图1）。

图1 连续动态萃取系统结构图Fig.1 Structure diagram of continuous dynamic extraction system

系统工作原理：采用真空恒流泵将料液罐中蒜片加工废水经输送管道运送至布水器中调节流速。蒜片加工废水经布水器布水后以一定的速度进入含有提取溶剂的萃取交换器中，使废水与萃取溶剂在混合过程中密切接触，对大蒜素进行萃取。萃取后的废水进入废液储存罐，待萃取过程完成后将提取溶剂导入溶剂回收器中，进行含量检测、分离纯化等工作。

1.3 试验方法

1.3.1 大蒜素动态提取方法 因蒜片企业生产具有季节性，故以下试验均采用以总糖为指标的模拟废水作为试验材料。其模拟方法为：取1 kg 蒜破碎，加入5 L 水搅匀，用纱布过滤得滤液，测定滤液的总糖含量，适当倍数稀释到总糖为6.0 mg/mL 时所得的溶液即标准蒜片生产模拟废水[6]。将废水通入连续自动萃取系统中进行大蒜素动态提取。

1.3.2 大蒜素得率的检测方法[7]向0.05 mol/L硝酸汞标准溶液中滴加一定量样品，放置片刻后加20 mL 硝酸（v硝酸汞∶v硝酸=1∶1），加水至150 mL，加硫酸铁铵2 mL，以0.1 mol/L 硫氰酸钾标准溶液滴定至微橙红色并形成絮状沉淀为终点，记录消耗的硫氰酸钾的体积，大蒜素得率按公式（1）计算：

式中，M1——硝酸汞标准溶液的浓度，mol/L；V1——硝酸汞标准溶液的体积，mL；M2——硫氰酸钾标准溶液的浓度，mol/L；V2——硫氰酸钾标准溶液的体积，mL；V——萃取所用大蒜加工废水的体积，L。

1.3.3 单因素试验 首先进行溶剂筛选试验，在相同试验条件下筛选出最适提取溶剂。在此基础上对动态提取试验中连续提取次数、有机溶剂体积分数及连续进样速度等因素做单因素试验。

1.3.3.1 溶剂种类单因素试验 设定料液比例1∶3，提取次数3 次，提取时间30 min。分别以石油醚、苯甲醚、正己烷、辛烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、大豆油及植物油抽提溶剂等有机溶剂作为萃取溶剂提取大蒜加工废水中的大蒜素，测定萃取所得大蒜素含量，探究不同提取溶剂对大蒜素提取能力的影响。

1.3.3.2 连续循环次数单因素试验 设定连续进样速度4 cm/s，有机溶剂体积分数50%，连续循环次数分别以1，2，3，4，5 次为试验条件，进行单因素试验，探究不同连续循环次数对大蒜素得率及提取率的影响。

1.3.3.3 有机溶剂体积分数单因素试验 设定连续进样速度4 cm/s，连续循环次数3 次，分别以体积分数20%，30%，40%，50%，60%的有机溶剂为试验条件，进行单因素试验，探究不同有机溶剂体积分数对大蒜素得率及提取率的影响。

1.3.3.4 连续进样速度单因素试验 设定有机溶剂体积分数50%，连续循环次数3 次，分别以废水连续进样速度2，4，6，8，11 cm/s 为试验条件，进行单因素试验，探究不同连续进样速度对大蒜素得率及提取率的影响。

1.3.4 响应面优化试验 在单因素试验的基础上，以连续循环次数、有机溶剂体积分数以及连续进样速度为自变量，以大蒜素得率及大蒜素提取率作为响应值，利用Box-Benhnken（BBD）试验设计原理，采用Design-Expert 8.0.6 软件进行响应面优化试验设计与分析，预测大蒜素连续动态提取最佳工艺参数。试验因素及水平见表1。

表1 试验因素及水平Table 1 Experiment factors and levels

1.3.5 数据分析 采用Design-Expert 8.0.6、Excel 2007、SAS JMP Pro13 及SPSS Statistics 22 等软件进行数据整理与分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 溶剂种类对大蒜素静态提取的影响 从图2 可以看出，不同有机溶剂对大蒜素提取能力均存在显著性影响，其中乙酸乙酯提取大蒜素能力最强，石油醚提取大蒜素能力最弱。虽然乙酸乙酯提取能力最强，但是其具有一定的水溶性与吸水性，对于大蒜素后期纯化及检测有一定影响。苯甲醚有强烈的刺激性气味，在纯化过程中无法将刺激性气味完全去除，影响大蒜素的进一步加工。二氯甲烷有一定的麻醉作用，不适宜进行大规模工业化提取应用。植物油抽提溶剂在食品工业上主要用于天然香料、色素、油脂和其它脂溶性物质的浸出抽提工艺，在工业产品中主要应用于万能胶、橡胶合成过程中的溶剂，在某些防火材料中也有部分应用。植物油抽提溶剂提取能力强，提取效果稳定，经济成本低。本研究最终选取植物油抽提溶剂作为大蒜素的提取溶剂。

2.1.2 连续提取次数单因素试验 从图3 可以看出，大蒜素得率随着连续循环次数的增加呈现先上升后平稳的态势。当提取次数为1 次时，大蒜素得率最低，仅35.396 mg/L；连续循环次数为5 次时大蒜素得率最高，为75.637 mg/L。大蒜素提取率随着连续循环次数的增加呈现先上升后平稳的态势。当连续循环次数为1 次时，大蒜素提取率最低，仅45.879%；连续提循环次数为5 次时大蒜素得率最高，为88.085%。其原因可能是当连续循环次数过少时，大蒜加工废水与提取溶剂交换次数过少，大蒜素分配次数过低，导致不能被全部提取。随着提取次数的增加，大蒜加工废水与提取溶剂的交换次数增加，大蒜素提取率逐渐增加。从图3 还可知当连续循环次数为4 次时，大蒜素得率及提取率基本不再变化，此时大蒜素在两相中基本达到分配平衡。

图2 不同有机提取溶剂对蒜片加工废水中大蒜素提取能力的影响Fig.2 Effects of different organic solvents on allicin extraction in garlic processing waste water

图3 连续循环次数对蒜片加工废水中大蒜素得率及提取率的影响Fig.3 Effects of continuous extraction times on the yield and extraction rate of allicin in garlic processing wastewater

图4 有机溶剂体积分数对蒜片加工废水中大蒜素得率及提取率的影响Fig.4 Effects of organic solvent volume fraction on the yield and extraction rate of allicin in garlic processing wastewater

2.1.3 有机溶剂体积分数单因素试验 从图4 可以看出，大蒜素的得率随着有机溶剂体积分数的增加呈先上升后平稳的态势。当有机溶剂体积分数为20%时，大蒜素的得率最低，仅57.155 mg/L；当有机溶剂体积分数50%时大蒜素得率最高，为74.194 mg/L。大蒜素的提取率随有机溶剂体积分数的增加呈现先上升后平稳的态势。当有机溶剂体积分数为20%时大蒜素提取率最低，仅为66.561%；当有机溶剂体积分数为50%时大蒜素提取率最高，为86.405%。其原因为两相之间的传质速率与两相接触与流动的状况密切相关，当有机溶剂体积分数过小时，大蒜加工废水与有机溶剂交换时间过短，大蒜素不能被全部提取出来，导致萃取效率降低。随着有机溶剂体积分数的增加，大蒜加工废水与提取溶剂接触时间增加，传质时间增加，大蒜素提取率逐渐升高；当有机溶剂体积分数为50%时，大蒜素得率及提取率达到最高水平。

2.1.4 连续进样速度单因素试验 从图5 可看出，大蒜素的得率随着连续进样速度的增加呈现先上升后降低的态势。当连续进样速度为11 cm/s时，大蒜素的得率最低，仅43.904 mg/L；当连续进样速度为4.0 cm/s 时大蒜素的得率最高，为73.023 mg/L。大蒜素的提取率随连续进样速度的增加呈先上升后下降的态势。当连续进样速度为11 cm/s 时大蒜素提取率最低，仅为51.130%；当连续进样速度为4 cm/s 时大蒜素提取率最高，为85.042%。其原因为两相之间的传质速率与两相接触与流动的状况密切相关，当连续进样速度过快时引起流动阻力的增加，当流动阻力增到一定程度时，两相正常的逆流流动被破坏，使传质速率降低，废水与有机溶剂接触时间过短，大蒜素无法完全转移到有机溶剂中；当连续进样速度过慢时，废水在溶剂中停留时间较长，被连续相夹带产生反方向运动，从而轴向返混，使两相在轴向的浓度梯度小于理想流动时的数值，容器截面两相间浓度差减小，导致传质推动力减小，传质速率降低。当连续进样速度为4 cm/s 时两相流体质点的流速接近，传质阻力较小，返混程度低，浓度梯度差较大，此时传质推动力较大，加速了传质过程，提高了大蒜素提取率。

图5 连续进样速度对蒜片加工废水中大蒜素得率及提取率的影响Fig.5 Effects of continuous injection rate on the yield and extraction rate of allicin in garlic processing wastewater

2.2 大蒜素动态提取BBD 试验分析

在单因素试验的基础上，以A（连续循环次数）、B（有机溶剂体积分数）、C（连续进样速度）为自变量，以大蒜素得率R1及大蒜素提取率R2作为响应值，进行Box-Benhnken（BBD）试验设计（试验设计水平见表1）。试验设计及结果见表2，大蒜素得率及大蒜素提取率回归方程的参数估计及方差分析见表3 和表4。

表2 Box-Benhnken 试验设计及结果Table 2 Results and design of the Box-Benhnken

（续表2）

2.2.1 大蒜素得率响应面分析 从表3 可以看出，回归模型高度显著（P＜0.0001），失拟项不显著（P＞0.05），方程不失拟，模型在回归区域内拟合较好。决定系数R2=0.992942，表明该模型相关性良好。变异系数（CV）越大，试验结果的可靠性和精确度越低。本试验中CV=0.47784%，结果可靠。该回归模型中精确度为42.04028（＞4），数值可靠，模型可用于回归分析。各因素对大蒜素得率的影响顺序为：A（连续循环次数）＞B（有机溶剂体积分数）＞C（连续进样速度）。从回归方程系数显著性检验可知，一次项A（连续循环次数）、B（有机溶剂体积分数）、C（连续进样速度）以及二次项A2、C2表现为极显著（P＜0.01）。从表3 及图6 可以看出交互项作用并不显著。模型的回归方程为：

R1=71.084+2.21775A+1.543625B+0.542625C+0.02575AB +0.00025AC -0.0035BC -1.17925A2+0.348B2-3.4625C2，其中A 为连续循环次数，B 为有机溶剂体积分数，C 为连续进样速度。

对二次回归模型进行响应面分析，预测最佳提取工艺参数为：连续循环次数3.95 次，有机溶剂体积分数50%，连续进样速度4.16 cm/s。在此条件下预测大蒜素得率为74.064 mg/L。考虑到试验的可操作性，试验条件设置为循环次数4 次，有机溶剂体积分数50%，连续进样速度4 cm/s。在此条件下试验，测得大蒜素得率为74.917 mg/L，与预测值接近，说明采用此响应面优化模型得到的工艺参数可靠。

图6 两因素交互作用对大蒜素得率影响的等高线图与响应面图Fig.6 Contour map and response surface map of the interaction of two factors on the yield of allicin

表3 回归方程方差分析Table 3 Regression analysis of variance

表4 回归方程方差分析Table 4 Regression analysis of variance

2.2.2 大蒜素提取率响应面分析 从表4 可知，回归模型高度显著（P＜0.0001），失拟项不显著（P＞0.05），方程不失拟，模型在回归区域内拟合较好。决定系数R2=0.992942，表明该模型相关性良好。变异系数（CV）越大，试验结果的可靠性和精确度越低。本试验中CV=0.47784%，结果可靠。该回归模型中精确度为42.04028（＞4），数值可靠，模型可用于回归分析。各因素对大蒜素得率的影响顺序为：A（连续循环次数）＞B（有机溶剂体积分数）＞C（连续进样速度）；从回归方程系数显著性检验可知，一次项A（连续循环次数）、B（有机溶剂体积分数）、C（连续进样速度）以及二次项A2、C2表现为极显著（P＜0.01）。图7 为两因素交互作用的响应面图。从表4 可以看出交互项作用并不显著。模型的回归方程为：

图7 两因素交互作用对大蒜素提取率影响的等高线图与响应面图Fig.7 Contour map and response surface map of the interaction of two factors on the extraction rate of allicin

R2=82.78+2.58A+1.8B+0.63C+0.03AB-2.91×10-4AC-4.08×10-3BC-1.37A2+0.41B2-4.03C2，其中A 为连续循环次数，B 为有机溶剂体积分数，C 为连续进样速度。

对二次回归模型进行响应面分析，预测最佳提取工艺参数为：连续循环次数3.95 次，有机溶剂体积分数50%，连续进样速度4.15 cm/s。在此条件下的预测大蒜素提取率为86.2529%。考虑到试验的可操作性，试验条件设置为循环次数4 次，有机溶剂体积分数50%，连续进样速度4 cm/s。在此条件下试验，测得大蒜素提取率为87.247%，与预测值接近，说明采用此响应面优化模型得到的工艺参数可靠。

2.2.3 联合求解 利用Design-Expert 中的联合求解法确定大蒜素高得率、高提取率的最佳提取条件为：连续循环次数4 次，有机溶剂体积分数50%，连续进样速度4 cm/s。在此条件下做3 次重复试验，测得大蒜素得率为75.098 mg/L，大蒜素提取率为87.450%。

3 结论

通过单因素试验与响应面试验得出连续循环次数对大蒜素得率及提取率的影响最大，有机溶剂体积分数次之，连续进样速度对其影响最小。大蒜素动态提取最佳参数条件为连续循环次数4次，有机溶剂体积分数50%，连续进样速度4 cm/s。在此条件下做3 次重复试验，测得大蒜素得率为75.098 mg/L，大蒜素提取率为87.450%。上述试验结论可为有机溶剂动态提取研究以及蒜片加工废水回收大蒜素提供理论基础。