張一鳴 呂緒強(qiáng) 和法濤 初樂(lè) 高玲 葛邦國(guó) 趙巖

摘要

以山東萊蕪白皮蒜秸稈為主要原料，以蒜素主要成分二烯丙基二硫醚含量為指標(biāo)，考察提取時(shí)間、提取溫度、液料比3個(gè)因素對(duì)蒜秸稈蒜素提取效果的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，通過(guò)反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬分析并尋優(yōu)，結(jié)果表明：蒜秸稈蒜素提取最優(yōu)工藝為提取溫度38.5 ℃，提取時(shí)間1.5 h，液料比2.4∶1。在該工藝下蒜素主要成分二烯丙基二硫醚含量為657.21 μg/mL。

關(guān)鍵詞 蒜秸稈；蒜素；提?。簧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào) S-03 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2023）23-0152-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.23.036

Optimization Technology of Allicin in Garlic Straw Extraction Process by Neural Network Algorithm

ZHANG Yi-ming， L Xu-qiang， HE Fa-tao et al

（Jinan Fruit Research Institute All China Federation of Supply and Marketing Co-operatives， Jinan， Shandong 250014）

Abstract Taking white garlic straw in Laiwu district， Shandong Province as the main raw material， taking diallyl disulfide in allicin content as indicators， the effects of extraction time， extraction temperature and liquid material ratio on the extraction effect of allicin from garlic straw were investigated. Based on the single factor test， response surface optimization test was conducted.The optimization test results were simulated and optimized by back propagation neural network and genetic algorithm method . The results showed： The optimal process for allicin in garlic straw was as follows：extraction temperature 38.5 ℃， extraction time 1.5 h， liquid material ratio 2.4∶1. The diallyl disulfide content of white garlic straw extracting solution in Laiwu district under this process was 657.21 μg/mL.

Key words Garlic straw;Allicin;Extraction;Neural network;Process optimization

基金項(xiàng)目 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）——鄉(xiāng)村振興科技創(chuàng)新提振行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（2021TZXD001）。

作者簡(jiǎn)介 張一鳴（1993—），男，山東濟(jì)南人，助理研究員，碩士，從事果蔬干燥及成分評(píng)價(jià)研究。

*通信作者，研究員，博士，從事果蔬采后深加工技術(shù)研究。

收稿日期 2022-11-02

萊蕪的白皮蒜具有悠久的種植歷史，具有蒜瓣大，產(chǎn)量高，富含多種微量元素和生物活性成分的特點(diǎn)［1-3］。萊蕪白皮蒜的大量種植及蒜秸稈廢棄物的處理已成為困擾當(dāng)?shù)厮猱a(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題之一，目前少量秸稈用于動(dòng)物飼料或生物質(zhì)燃料制備，大量秸稈仍是采取就地焚燒的方式處理，嚴(yán)重破壞大蒜產(chǎn)區(qū)生態(tài)環(huán)境［3-5］。大蒜素的主要成分為二烯丙基硫化物，具有顯著的抑菌抗病毒的功效，主要存在于大蒜中，常用于提升動(dòng)物抗病能力的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)［4-8］。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新型數(shù)據(jù)分析建模方法，有極強(qiáng)的非線性映射能力，目前廣泛應(yīng)用于生物、農(nóng)業(yè)、機(jī)械等領(lǐng)域的預(yù)測(cè)模型建立［9-10］。遺傳算法是建立在人工智能的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的隨機(jī)非線性尋優(yōu)工具，可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)、自適應(yīng)、并行性全局搜索尋優(yōu)［11-12］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)用遺傳算法具有避免預(yù)測(cè)模型產(chǎn)生局部最優(yōu)解的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)工藝研究中的全局最優(yōu)組合的設(shè)計(jì)［9-13］。筆者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于萊蕪蒜秸稈蒜素提取工藝優(yōu)化中，以期為萊蕪地區(qū)蒜秸稈處理提供新思路，助力地方農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，推動(dòng)我國(guó)碳達(dá)峰碳中和。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蒜秸稈：萊蕪白皮蒜秸稈，收集于山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；

二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚標(biāo)準(zhǔn)品，色譜純級(jí)，采購(gòu)于美國(guó)Sigma公司；

乙腈，色譜純級(jí)，美國(guó)TEDIA公司；

其他化學(xué)試劑均為分析純級(jí)，采購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

XS 365M電子天平，瑞士普里賽斯儀器有限公司；9Z-0.4斬草粉碎機(jī)，鄭州商戰(zhàn)機(jī)械設(shè)備有限公司；TRACE 1300-ISQ 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國(guó) Thermos 公司；2695型液相色譜儀，沃特世科技（上海）有限公司；頂空固相微萃取手動(dòng)套裝，青島貞正分析儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 工藝流程。

蒜秸稈→斬拌粉碎→清洗→提取→檢測(cè)。

1.3.2 單因素試驗(yàn)。

將蒜秸稈置于燒杯中，按單因素試驗(yàn)條件加入純水，在水浴鍋中設(shè)置固定溫度提取一定時(shí)間后，將提取液取出，使用高速離心機(jī)4 000 r/min離心10 min，取上清液待測(cè)。單因素試驗(yàn)條件設(shè)置為提取溫度25、30、35、40、45 ℃，提取時(shí)間0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h，液料比（L/kg）2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1?？疾靻我蛩卦囼?yàn)條件時(shí)，設(shè)置固定條件為提取溫度25 ℃，提取時(shí)間1.0 h，液料比2∶1，在進(jìn)行液料比單因素試驗(yàn)時(shí)，含量折合液料比2∶1進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定以提取時(shí)間（X1）、提取溫度（X2）和液料比（X3）作為自變量，樣品大蒜素含量作為因變量（y），進(jìn)行N=17的響應(yīng)面（Box-Behnken）優(yōu)化試驗(yàn)。設(shè)置因素水平見(jiàn)表1。

1.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)置該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為3-10-1，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置輸入層為3個(gè)神經(jīng)元，即提取溫度（X1）、提取時(shí)間（X2）和液料比（X3）；設(shè)置1個(gè)隱含層，包含10個(gè)神經(jīng)元；將二烯丙基二硫醚含量（Y）設(shè)為輸出層；通過(guò)模擬蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量變化，確定相關(guān)因素對(duì)蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量的影響。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測(cè)模型，以預(yù)測(cè)模型作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行個(gè)體篩選，進(jìn)而對(duì)蒜秸稈蒜素提取工藝進(jìn)行尋優(yōu)。

1.3.5 大蒜素含量測(cè)定。

在破碎機(jī)中加入樣品、蒸餾水、20%氯化鈉溶液和1%氟化鈉溶，混勻后置于樣品瓶中，以32.88 μg/mL 2-辛醇作為內(nèi)標(biāo)物，待測(cè)。

GC條件：色譜柱選擇型號(hào)TG-WAX MS（30.00 mm×0.25 mm×0.25 μm），選擇氮?dú)鉃檩d氣，進(jìn)樣溫度設(shè)置250 ℃；流速1.660 mL/min。

MS 條件：設(shè)置離子源溫度為250 ℃，電子轟擊離子源能量70 eV。

掃描方式：全掃描，質(zhì)量掃描范圍m/z 50～500。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)差異顯著性通過(guò)軟件SPSS 22.0進(jìn)行分析，響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)通過(guò)軟件Design Expert 8.0進(jìn)行分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模和遺傳網(wǎng)絡(luò)尋優(yōu)通過(guò)軟件Matlab 2018b進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒜秸稈提取液GC-MS分析結(jié)果

采用 GC-MS 對(duì)蒜秸稈提取液的組成成分進(jìn)行分析檢測(cè)，總離子流圖見(jiàn)圖2。根據(jù)NIST質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢測(cè)分析進(jìn)行定性，以內(nèi)標(biāo)物為含量參考進(jìn)行成分定量，共檢出37種高于檢測(cè)限且RSI值大于800的成分（表2）。

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1800—2009，大蒜素的主要成分為二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚，該樣品檢測(cè)中二烯丙基二硫醚含量為599.59 μg/mL，二烯丙基三硫醚含量為91.11 μg/mL，二烯丙基二硫醚含量顯著高于二烯丙基三硫醚。選擇二烯丙基二硫醚含量為指標(biāo)有利于分析不同工藝條件對(duì)蒜素提取效果的影響，故后續(xù)工藝優(yōu)化試驗(yàn)以二烯丙基二硫醚含量為指標(biāo)。

2.2 工藝優(yōu)化結(jié)果

2.2.1 單因素試驗(yàn)。

提取溫度對(duì)蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著提取溫度的上升，二烯丙基二硫醚含量先顯著上升，當(dāng)達(dá)到35 ℃后呈不顯著下降后顯著下降趨勢(shì)。分析原因?yàn)楫?dāng)提取溫度低于35 ℃時(shí)，秸稈中的蒜氨酸酶活性隨著溫度升高逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度接近35 ℃時(shí)，蒜氨酸酶活性趨于平穩(wěn)，當(dāng)溫度高于35 ℃酶活性下降，二烯丙基二硫醚生成量下降且受熱分解。故選擇35 ℃為單因素最適提取溫度。

提取時(shí)間對(duì)蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，二烯丙基二硫醚含量呈先顯著上升，2.0 h后不顯著下降。分析原因可能是提取時(shí)間較短時(shí)蒜氨酸不能充分轉(zhuǎn)化為二烯丙基二硫醚，當(dāng)提取時(shí)間大于2.0 h后，二烯丙基二硫醚達(dá)最大提取量，且逐漸分解揮發(fā)或轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)。故選擇2.0 h為單因素最適提取時(shí)間。

液料比對(duì)蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，隨著液料比的上升，二烯丙基二硫醚含量先顯著上升，當(dāng)達(dá)到3∶1后呈不顯著上升。分析原因可能是隨著液料比逐漸加大，蒜秸稈中的二烯丙基二硫醚提取率上升，當(dāng)液料比達(dá)到3∶1時(shí)，蒜秸稈中的二烯丙基二硫醚已基本提取完全，故繼續(xù)提高液料比對(duì)提取二烯丙基二硫醚影響不大。從提高試驗(yàn)效率角度考慮，選擇3∶1為單因素最適液料比。

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化。

響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。使用Design Expert 8.0.6中的Box-Behnken模塊進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，得到二次多項(xiàng)方程：

Y=650.028 00+2.895 00X1-4.106 25X2+11.733 75X3+0.360 00X1X2-3.865 00X1X3+3.567 50X2X3-7.840 25X12-11.802 80X22-17.687 80X32

該二次項(xiàng)模型R2=0.96，說(shuō)明該模型僅有4%的總量變

異不能由模型因素解釋，同時(shí)模型信噪比=21.73>4，說(shuō)明該模型擬合程度較好，優(yōu)化結(jié)果較為可信。模型方差分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，該預(yù)測(cè)模型項(xiàng)P<0.000 1，呈極顯

著水平，模型失擬項(xiàng)P=0.139 6，呈不顯著水平，同時(shí)模型X2、X3、X12、X22、X32項(xiàng)呈極顯著水平，模型X1、X1X3、X2X3項(xiàng)呈

顯著水平，說(shuō)明該預(yù)測(cè)模型擬合程度良好。

2.2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立與訓(xùn)練。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差下降曲線如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，模型的均方誤差逐漸接近最優(yōu)誤差值。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練迭代到257次時(shí)，訓(xùn)練誤差達(dá)到最優(yōu)值0.001 9，表明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可信性較高。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)圖7。由圖7可知，當(dāng)訓(xùn)練誤差為0.001 9時(shí)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的相關(guān)系數(shù)為0.997 6（R>0.95），結(jié)果表明，該訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于訓(xùn)練樣本逼近能力較強(qiáng)，能較好地描述提取溫度、提取時(shí)間、液料比和二烯丙基二硫醚含量的關(guān)系。

模型隨機(jī)驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知，由軟件隨機(jī)選擇3組優(yōu)化試驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果代入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，3組數(shù)據(jù)實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值誤差分別為0.850 6%、0.878 8%、0.763 9%，均小于5%，說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)性較好。

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）預(yù)測(cè)各因素對(duì)二烯丙基二硫醚含量的影響結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知，提取溫度、提取時(shí)間和液料比對(duì)蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量有較大影響且相互間存在交互作用。說(shuō)明建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的預(yù)測(cè)性，可以明確輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，作為模擬蒜秸稈提取液二烯丙基二硫醚含量的預(yù)測(cè)工具。

2.2.4 遺傳算法尋優(yōu)。

圖10為遺傳算法尋優(yōu)的適應(yīng)度曲線。

由圖10可知，遺傳算法（GA）能夠進(jìn)一步完善試驗(yàn)的優(yōu)化工藝并在模型中尋找最優(yōu)值。隨著遺傳進(jìn)化迭代次數(shù)的增加，適應(yīng)度值首先呈斷崖式下降，隨后又進(jìn)行了3次選擇處理，被選擇個(gè)體的適應(yīng)度值產(chǎn)生小范圍的改變，并逐步向最優(yōu)適應(yīng)度值逼近，適應(yīng)度曲線在進(jìn)行40次迭代時(shí)收斂于最優(yōu)適應(yīng)度。通過(guò)循環(huán)迭代處理，當(dāng)進(jìn)化代數(shù)增大至50代時(shí)，GA 停止選擇并得出適應(yīng)度值最高的個(gè)體。運(yùn)行出的優(yōu)化結(jié)果：最優(yōu)工藝參數(shù)為提取溫度38.312 1 ℃，提取時(shí)間1.500 8 h，液料比2.417 0∶1，理論最優(yōu)二烯丙基二硫醚含量為655.08 μg/mL。根據(jù)實(shí)際情況，根據(jù)模型優(yōu)化方案并結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)置參數(shù)實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，即提取溫度38.5 ℃，提取時(shí)間1.5 h，液料比2.4∶1，

驗(yàn)證試驗(yàn)的二烯丙基二硫醚含量為657.21 μg/mL，比模型理論值655.08 μg/mL偏差為0.3%，相對(duì)誤差維持在±5%的范圍內(nèi)，達(dá)到該模型對(duì)試驗(yàn)精確度的要求。GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最佳條件為提取溫度38.5 ℃，提取時(shí)間1.5 h，液料比2.4∶1。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)蒜秸稈蒜素進(jìn)行水提取，研究提取溫度、提取時(shí)間、液料比對(duì)提取液中大蒜素主要成分二烯丙基二硫醚含量的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用 Design Expert 8.0中Box-Behnken模塊進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，通過(guò)matlab2018b建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合遺傳算法確定最優(yōu)工藝參數(shù)。蒜秸稈蒜素提取最優(yōu)工藝為：提取溫度38.5 ℃，提取時(shí)間1.5 h，液料比2.4∶1。在該工藝下蒜素主要成分二烯丙基二硫醚含量為657.21 μg/mL。通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型優(yōu)化，可對(duì)蒜秸稈蒜素提取工藝提供較為可信的優(yōu)化數(shù)據(jù)，可推動(dòng)蒜產(chǎn)區(qū)廢棄物處理提供理論依據(jù)，帶動(dòng)地方特色農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但該研究未對(duì)蒜秸稈提取液進(jìn)行生物活性評(píng)價(jià)，尚需結(jié)合抑菌試驗(yàn)、體外抗氧化試驗(yàn)等技術(shù)手段進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步拓展蒜秸稈廢棄物利用前景。

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