超临界二氧化碳萃取大蒜素

崔保伟，秦广利，朱俊朋

1. 商丘职业技术学院（商丘 476000）；2. 国家面粉及制品质量监督检验中心（商丘 476000）；3. 国家面粉及制品质量监督检验中心（商丘 476000）

大蒜（Alium sativumL.）又称胡蒜，是百合科葱属半年生植物的地下鳞茎[1]。大蒜素是大蒜中的主要生物活性物质[2]，可以作为香料和调味品用于食品中；在药用方面也具有较好的抗氧化、抗病毒、抗菌、增强机体免疫功能[3-6]，因此大蒜素的研究和开发越来越受到重视。传统的大蒜素提取方法主要有水蒸气蒸馏法[7]，这种方法需要较高的温度，大蒜素提取率也较低。溶剂提取法虽然萃取率较高，但产品中会有溶剂残留，使大蒜素的风味和价值大大受损，而且也不利于人体的健康。因此，采用温和、高效的提取技术获得大蒜素对于促进大蒜的开发和利用具有重要意义。

超临界二氧化碳萃取技术的原理是基于处在临界点时二氧化碳，压力和温度的微小波动会导致二氧化碳溶解能力有很大的变化，利用二氧化碳在低温高压对大部分物质具有较高提取能力的性质，提取大蒜中的有效成分[8]。然后在较低的压力下进行分离，从而实现混合物的分离或提纯[9]。该技术在提取分离药用植物有效成分中有很广泛的应用。例如：包晓青等[10]利用超临界二氧化碳萃取技术对齿瓣石斛的有效成分进行提取；李金海等[11]利用超临界二氧化碳从西瓜皮中提取果胶，结果发现用该方法萃取果胶具有提取率高、萃取速度快等优点；杜琨[12]采用超临界CO2流体萃取法从杏仁中提取杏仁油。另外，利用超临界二氧化碳也可萃取辣椒红素、桃叶中柚皮素、桑叶中总黄酮等成分[13-17]。

试验用超临界CO2萃取技术对大蒜素的萃取工艺条件进行探究，分别研究萃取温度、萃取压力、大蒜粒度、萃取时间对萃取率的影响。通过单因素试验和正交试验，最终确定最佳的超临界萃取参数，为规模化生产大蒜素提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大蒜（市售）；CO2气体（纯度≥99.9%）；大蒜素标准品（HPLC≥98%，北京世纪奥科生物技术有限公司）；乙腈（色谱纯，天津市四友精细化学品有限公司）。

1.2 仪器与设备

HD220-50-06二氧化碳超临界萃取装置（海安华达石油仪器有限公司）；FD-1冷冻干燥机（北京德天佑发展科技有限公司）；LC-20AT高效液相色谱仪（日本岛津）；CPA224S电子天平（赛多利斯）。

1.3 方法

1.3.1 试验方法

新鲜大蒜经去皮、破碎、冷冻干燥，粉碎后过筛，取100 g放入萃取釜中进行萃取。

1.3.2 高效液相色谱检测大蒜素方法、色谱条件及标准曲线

称取5 g样品，加入30 g蒸馏水，打浆机粉碎。取10 g样品于50 mL离心管中，在40 ℃水浴锅中加热40 min，之后加入20 mL甲醇，振荡提取30 min，然后离心（5000 r/min，20 min），取上清液过0.22 μm滤膜后上机。

Insert Sustain C18色谱柱；流速：1 mL/min；柱温：30 ℃；流动相：乙腈-水（75∶25，V/V）；分析时间：15 min；检测波长：215 nm；进样量：20 μL。

准确称取20 mg大蒜素标准品，置于10 mL容量瓶中，用甲醇溶解并定容，配制成2000 μg/mL标准品储备液，并依次稀释成200，100，50，20和10 μg/mL的系列标准品溶液，以大蒜素峰面积为纵坐标，大蒜素质量浓度为横坐标，绘制标曲，获得线性方程：Y= 66271X-103280，相关系数R2=0.9992，曲线如图1所示。

图1 大蒜素浓度与峰面积的关系

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 压力对萃取率的影响

压力的增加可以使二氧化碳密度增大，促进溶质与二氧化碳之间的传质效率，有利于大蒜素的溶出。从图2可以看出，随着压力的升高，大蒜萃取率显著增加，并在15 MPa时萃取率最高。但在15 MPa之后继续增加压力，大蒜素的萃取率并未大幅增加。可能是由于在压力到达二氧化碳临界点附近之前，压力对于二氧化碳密度的影响显著，一旦超临界点，压力对二氧化碳密度变化的影响减小，对应溶解度的增加变得缓慢。而且从经济和安全角度考虑，压力太高损耗仪器，导致仪器的使用成本增加，同时高压也有潜在的不安全因素。

图2 压力对萃取率的影响

2.1.2 温度对萃取率的影响

从图3可以看出，温度对萃取率的影响是双重的：一方面，随着温度的升高，其加速分子运动，有利于大蒜素的溶出，大蒜素萃取率随着萃取温度的升高而显著升高，并且在温度40 ℃时，萃取率达到最高；另一方面，随着温度的继续升高，其会导致超临界二氧化碳密度降低，使大蒜素的溶解能力下降，进而促使大蒜素的萃取率下降。另外，大蒜素本身是热敏性物质[18]，温度过高会导致大蒜素分解，影响萃取率。

图3 温度对萃取率的影响

2.1.3 原料粒度对萃取率的影响

由图4可以看出，当大蒜粒度为250 μm时，萃取率最高；当粉碎粒度大于250 μm时，萃取率逐渐下降。一方面因为大蒜粒度越小，二氧化碳与大蒜接触面积越大，更有利于大蒜素的溶出；另一方面如果大蒜粒度进一步变小，在高压萃取釜里容易造成大蒜颗粒的堆积，使高压萃取釜里的大蒜颗粒密度过大，阻碍二氧化碳流体的流动，降低大蒜传质系数，萃取率会下降。综合考虑生产成本和能耗的因素，选用250 μm比较适合。

图4 大蒜粒度对萃取率的影响

2.1.4 时间对萃取浓度的影响

由图5可以看出，随着萃取时间的增加，萃取率明显提高。萃取率在60 min时达到了一个较高的增速，且之后增加的趋势变慢。这是由于在萃取刚开始时，CO2与大蒜还没有完全接触，大蒜素萃取不充分。但随着萃取时间的延长，大蒜素不断地被萃取出来。但当大蒜素与CO2流体达到溶解平衡后，延长萃取时间，大蒜素的萃取率并不高。

图5 时间对萃取率的影响

2.2 超临界萃取大蒜素优化条件

在单因素试验基础上，选用L9(34)正交表对萃取条件进行优化，各因素水平表见表1，试验设计及结果见表2，方差分析结果见表3。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验极差分析结果

表2表明，影响萃取因素的主次顺序为A（萃取温度）＞D（萃取时间）＞C（萃取压力）＞B（大蒜粒度）。萃取的最佳条件是A2B2C1D3，即萃取温度40 ℃，萃取料度250 μm，萃取压力10 MPa，时间120 min，该组合不在正交试验表中。在此条件下进行验证试验，大蒜素的萃取浓度为76.45%。表3表明，在超临界CO2萃取蒜素的试验中，主要是萃取温度影响大蒜素的萃取率。

表3 正交试验方差分析结果

3 结论

大蒜素是大蒜中的主要活性物质，试验采用L9(34)正交试验优化了大蒜素的提取工艺。结果表明，影响萃取因素的主次顺序为A（萃取温度）＞D（萃取时间）＞C（萃取压力）＞B（大蒜粒度）。萃取的最佳条件是A2B2C1D3，即萃取温度40 ℃，萃取粒度250 μm，萃取压力10 MPa，时间120 min，该组合不在正交试验表中。在此条件下进行验证试验，大蒜素的萃取浓度为76.45%。在超临界CO2萃取大蒜素的试验中，萃取温度显著影响大蒜素的萃取率。此工艺操作简单，不存在溶剂残留，为规模化生产大蒜素提供了依据。