大蒜素水溶液穩定性及分解產物組成研究

李文清， 周 華， 胡興鵬， 晏日安， 歐仕益， 黃雪松

（暨南大學 理工學院，廣東 廣州510632）

大蒜素水溶液穩定性及分解產物組成研究

李文清， 周 華*， 胡興鵬， 晏日安， 歐仕益， 黃雪松

（暨南大學 理工學院，廣東 廣州510632）

大蒜素水溶液的穩定性對大蒜制品的加工極其重要。作者研究了體系溫度、濃度、pH值對大蒜素水溶液穩定性以及分解產物組成的影響。研究結果顯示：溫度或濃度越高，大蒜素水溶液的穩定性越低；溫度相對較低或大蒜素濃度較高時，大蒜素的分解產物越趨向于以3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯為主的環狀物；反之，產物以二烯丙基二硫醚等直鏈化合物為主。溶液的酸性越強，大蒜素越穩定。采用氫譜表征了大蒜素與氘代乙酸的氫鍵作用，采用理論計算，發現大蒜素在酸性溶液中發生質子化后，O（13）與H（5）的鍵長變長，分子的能量降低，初步揭示大蒜素在酸性溶劑中穩定性更高的原因。

大蒜素；水溶液；穩定性；機理

大蒜素（二烯丙基硫代亞磺酸酯，Allicin）是大蒜內所有化合物中最具有代表性的一種含硫化合物。從風味上來說，大蒜素對比于大蒜中其他含硫化合物，其更接近于新鮮大蒜的味道［1］；并且在生物活性方面，特別是其抗氧化活性均遠勝于大蒜中的其他化學成分［2-4］。

大蒜素有其非常突出的生物活性，但卻至今未得到很好的實際利用，探究其原因主要是大蒜素極易分解，不穩定。據文獻報道，在80℃下，大蒜素只需30 min即可接近完全分解［5-8］；而對于新切的大蒜，其半衰期僅2.5 d［9］。至于大蒜素的分解機理，加拿大學者Vaidya 2009年提出，大蒜素可能經歷一個先常溫下發生Cope消除反應，而后再生成次磺酸中間體這樣一個分解過程。也就是說大蒜素先生成一個五元環的過渡態結構，而后再分解成兩個主要產物（如化學反應方程式1）。BlockE等2010年采用新的實時直接分析-質譜技術 （DART-MS）［11-12］，第一次成功檢測到次磺酸中間體的存在，于是Vaidya提出的機理得到了進一步的確認。

在反應方程式（1）中，顯而易見可知大蒜素的本身結構特征就決定了它的分解特性。當然，大蒜素存放的溫度、溶劑等條件也密切影響著大蒜素的分解。溫度越高，大蒜素就越容易分解［8］。溶劑的影響比溫度更加復雜：大蒜素在乙醇水溶液（或乙醇［13］）等溶劑中的穩定性質明顯強于其在油脂溶液中的穩定性質（在油脂溶液中的半衰期為0.8 h［13］）。作者發現了大蒜素在乙醇、正戊烷兩種溶劑中所具有不一樣的動力學特征，并通過結合理論計算初步揭示了其可能的原因。但是，從安全性、經濟性方面考慮，乙醇、正己烷等溶劑都稱不上是大蒜素的最佳載體，而水才算得上是大蒜素加工處理過程中最安全、最實用，也是最廉價的溶劑，雖然此前有文獻報道了大蒜素在水中表現出較差的穩定性，但并沒有考慮大蒜素濃度、溫度、酸度等對大蒜素水溶液中分解產物的分布或組成的影響。因此，作者擬從詳細考察上述關鍵因素對大蒜素的穩定性著手，并探討水對大蒜素穩定性的影響機制，從而為優化大蒜素的提取工藝提供理論支持，進一步為大蒜素的儲存（或分散）提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器原料

1.1.1 原料 二烯丙基二硫醚、乙醇、正戊烷、雙氧水等試劑均購自于阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.1.2 主要儀器設備 電子天平Acculab ALC210：德國Sarto rius公司產品；UV3600紫外-可見分光光度計：日本SH IMADZU公司產品；高效液相色譜：美國安捷倫公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 大蒜素的合成 大蒜素的合成參考相關文獻［8］。分別將1.46 g二烯丙基二硫醚溶解在30 mL氯仿中，間氯過氧苯甲酸溶解于5 mL氯仿中。在0℃下，緩慢地將間氯過氧苯甲酸溶液滴加到二烯丙基二硫醚溶液中，在此溫度下繼續攪拌1 h。然后邊劇烈攪拌邊分多次加入8.0 g碳酸鈉，0℃下再繼續攪拌1 h。反應完后濾去殘渣，經減壓蒸去溶劑，得到大蒜素粗品。粗品用柱層析法（V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=20∶1）純化，得到的大蒜素成品保存于冰箱中。經核磁測定其結構，氫譜、碳譜數據為1H-NMR （400 MHz，CD3COOD）：δ 3.72×10-6～3.92×10-6（m，4H），5.20×10-6～5.56×10-6（m，4H），5.88×10-6～5.99×10-6（m，2H）；13C-NMR （75 MHz，CD3COOD）：δ 35.02×10-6、59.90×10-6、119.10×10-6、124.00×10-6、125.80×10-6、132.90×10-6，與文獻數據一致［10］。

1.2.2 大蒜素的含量檢測與分析 大蒜素的含量分析也參見文獻［8］。樣品中大蒜素采用HPLC、紫外分光光度法分析 （50%H2O：MeOH，0-15分鐘流速為0.3 mL/min，16～50 min流量為1 mL/min，柱子C18，3.9nm×150mmcolumn，UVdetectionat254nm）。

1.2.3 大蒜素產物的分布 Aglient GC-MS7890A/ 5975E氣質聯用儀。毛細管柱 （HP-5MS）：30 m×0.25 mm；膜厚度0.25 μm，以7℃/min升溫至250℃，保持5 min。進樣口溫度：200℃，載氣：氦氣，流量5.8 mL/min。

質譜條件：電子轟擊離子源，電子能量為70 eV，離子源溫度250℃，傳導線溫度250℃，四級桿溫度180℃；質量掃描范圍35～400（m/z）。

1.2.4 大蒜素水溶液穩定性測試 將大蒜素成品按一定濃度配成水溶液，置于恒溫水浴鍋中一定時間，然后測定大蒜素的濃度及產物組成，每個試驗點重復做3次。

1.2.5 計算方法 采用B3LYP方法，在6-31+G基組下，用能量梯度法分別對幾何構型進行了全參數優化。

1.3 數據分析

用 Excell軟件對數據進行統計、分析，所有數據取3次重復的平均值；用Origin 8.0軟件對數據進行擬合以及圖形化處理。

2 結果與討論

2.1 溫度對大蒜素穩定性以及產物分布的影響

溫度是影響大蒜素穩定性的重要因素?？疾炝藴囟葘舛葹?.05 mol/L大蒜素水溶液穩定性的影響（在設定溫度下放置6 h），結果見圖1所示。在0℃，大蒜素的分解速度比較緩慢，6 h后約有40%大蒜素發生分解；在60℃放置6 h，約有80%的大蒜素已經分解，3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯（5X）為主要的分解產物。隨著溫度的進一步升高，分解產物中二烯丙基硫醚（DAS）、二烯丙基二硫醚（DADS）和二烯丙基三硫醚（DATS）的相對含量都有所增加（結果見圖2）。讓人驚訝的是，100℃沸水與100℃水蒸汽中大蒜素的分解產物有著明顯的差異，從圖2中看出，大蒜素在100℃沸水中的分解產物以3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯（5X）為主，二者之和占含硫化合物總量的60%以上；而100℃水蒸汽中，其分解產物則以二烯丙基二硫醚（DADS）與二烯丙基三硫醚（DATS）為主。其原因可以推測為：相對沸水來說，大蒜素在水蒸汽中的分散性要好很多，所以大蒜素在水蒸汽中易受到水分子的進攻，生成二烯丙基二硫醚等鏈狀化合物。而在沸水中大蒜素先分解為烯丙基硫醛，而后發生兩分子間的D-A反應產生3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯（5X）。

2.2 濃度對大蒜素穩定性以及產物分布的影響

將大蒜素成品配制成一定濃度的大蒜素水溶液或懸浮液，30℃下放置6 h后，測定大蒜素的含量（見圖3）和產物組成（見圖4）。在濃度較低時，大蒜素穩定性較好，分解速度較慢；隨著濃度的增加，大蒜素分解趨勢明顯，當濃度為0.1 mol/L時，大蒜素的分解率達到了90%以上（見圖3）。大蒜素的分解產物組成也隨濃度大小而有所不同。大蒜素水溶液濃度較小時，主要產物為二烯丙基二硫醚，亦有少量二烯丙基硫醚與二烯丙基三硫醚存在；而濃度較大時，大蒜素的分解產物則主要為3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯（4X）和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯（5X）等環狀物。

圖1 溫度對大蒜素水溶液穩定性的影響Fig.1 Effect of temperature on the stability of allicin aqueous solution

圖2 溫度對大蒜素分解產物的影響Fig.2 Effectoftemperatureon thedecomposition products of allicin

圖3 濃度對大蒜素水溶液穩定性的影響Fig.3 Effect of concentration on the stability of allicin aqueous solution

圖4 濃度對大蒜素分解產物組成的影響Fig.4 Effect of concentration on the decomposition products of allicin

2.3 pH的影響

2.3.1 大蒜素在不同pH溶液中的穩定性 將濃度0.05 mol/L的大蒜素在一定的pH溶液中 （用乙酸、氫氧化鈉調節pH值）放置6 h后，測定其穩定性，結果如圖5所示。從圖5中得出，pH為2時，大蒜素相對穩定、基本上沒有分解，隨著體系pH值增大，大蒜素的分解程度越高；而pH為10時，大蒜素基本接近完全分解。因此可知，溶液酸性越強，大蒜素的穩定性越好。

圖5 pH值對大蒜素水溶液穩定性的影響Fig.5 Effect of pH on the stability of allicin aqueous solution

2.3.2 氫鍵分析 圖6為大蒜素在氘代乙酸中的氫譜圖。從圖6中可知大蒜素溶于氘代乙酸后，氘代乙酸活潑氫的化學位移值向低場移動，從11.091×10-6變為11.410×10-6，說明活潑氫可能受到電負性原子的靜電作用，從而形成了較強的氫鍵。

圖6 大蒜素氘代乙酸溶液的氫譜圖Fig.6 Hydrogen spectrum of allicin in the deuterated acetic acid solution

2.3.3 大蒜素質子化的理論計算

1）結構優化及鍵長變化 采用B3LYP方法，在6-31+G基組下對大蒜素質子化前后的結構進行逐步優化，獲得大蒜素質子化的優化結構如圖7所示，計算了大蒜素質子化前后的電荷與鍵長以及能量的變化。從圖7可以看出，大蒜素質子化前后鍵長發生了顯著的變化，其中O（13）與H（5）之間的距離由2.012×10-10m變成2.974×10-10m，此意味著大蒜素質子化后發生分子內cope反應的難度將大幅提高，也間接說明質子化后大蒜素的穩定性得到改善的原因。

2）大蒜素質子化前后能量變化 采用密度泛函方法計算了大蒜素發生質子化前后的能量變化（見反應式2），發現大蒜素經質子化后，大蒜素的能量降低了22.02 kJ/mol，說明了大蒜素經質子化后可以更加穩定的存在。

3 結語

1）研究了體系溫度、濃度、pH值對大蒜素水溶液穩定性以及分解產物的影響。溫度較低時，大蒜素水溶液的穩定性較高，分解產物以3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯為主；溫度越高，大蒜素水溶液的穩定性越差，100℃沸水與水蒸氣中大蒜素的分解產物差異明顯，可能與大蒜素在沸水或水蒸汽中的分散性有關；大蒜素水溶液的穩定性受其濃度的影響非常明顯，濃度越大，穩定性越差，分解產物中3-乙烯基-1，2-二硫環己-4-烯和3-乙烯基-1，2-二硫環己-5-烯所占比例越大；pH值是影響大蒜素穩定性的另一重要因素，pH越小，大蒜素的穩定性越好。

圖7 大蒜素質子化前后的優化構型、重要鍵長、原子編號Fig.7 Optimized geometries，atomic numbering and bond distances of allicin

2）針對pH對大蒜素穩定性的影響，采用核磁共振方法研究了大蒜素溶于氘代乙酸的化學位移，其位移值明顯向低場移動，說明大蒜素與氘代乙酸中的活潑氫形成了較強烈的氫鍵。通過對大蒜素質子化前后鍵長、能量變化的理論計算，初步解釋了大蒜素質子化后穩定性提升的原因。

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Stability and Decomposition Products of Allicin in the Aqueous Solution

LI Wenqing， ZHOU Hua*， HU Xingpeng， YAN Rian， OU Shiyi， HUANG Xuesong
（College of Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China）

The stability of allicin in an aqueous solution is extremely important for the processing of garlic products.In this paper，the effects of temperature，concentration and pH value on the stability of allicin were investigated.Results show that the higher the temperature and concentration，the lower the stability of allicin in the aqueous solution.When temperature was relatively low or allicin concentration was high，decomposition products of allicin tended to be ring compounds such as 3-vinyl 1，2-disulfide cyclohex-4-ene and 3-vinyl 1，2-disulfide cyclohex-5-ene；conversely，the products primarily contained straight-chain compounds such as diallyl disulfide.The stronger the solution acidity was，the more stable allicin became.For this phenomenon，hydrogen bonding interaction of allicin with deuterated acetic acid was characterized by NMR.Theoretical calculations found that the main bond length between O（13）and H（5）of allicin obviously elongated and the molecular energy decreased in the protonated acid solution，which revealed the mechanism for the higher stability of allicin in an acidic solvent.

allicin，aqueous solution，stability，mechanism

S 573

A

1673—1689（2016）07—0699—05

2014-12-12

國家自然科學基金項目（31101323）。

周 華（1976—），男，湖南湘潭人，理學博士，副教授，主要從事食品化學研究。Email：zhouhua5460@jnu.edu.cn