大蒜素的合成及应用

大蒜素的合成及应用山东大学化学与化工学院应用化学赵亮指导教师：任艺兵前言在畜禽饲料中滥用抗生素对人体、动物体的危害现在已被人们广泛认识到，世界卫生组织、联合国粮农组织对其药物残留问题都极为重视。从1999年7月1日起欧盟已禁止使用抗生素在畜禽饲料中作为促生长剂。而我国也发布了对磺胺类、奎诺酮类等抗生素的禁令。因此，研制、开发新型的无药物残留、无公害的促生长剂就成为食品工业、饲料工业的重要课题。大蒜素与抗生素的促生长作用效果相似，但在动物体内无毒、无害而且无药物残留，是一种较为安全和有效的抗菌、保健、促生长剂，现在广泛用于替代抗生素应用在养殖业。同时，大蒜素还具有强烈的诱食性能，既可用作治疗药物，又可作为诱食剂及食品风味改善剂。（一）大蒜素1.大蒜素的化学组成大蒜素是百合科多年生宿根草本蒜（alliumsativum）中所含的主要生物活性有效成份。天然大蒜的精油含有丙基二硫化丙烯（约60%），二硫化二丙烯（23%～39%），三硫化二丙烯（13%～19%），二硫化二丙烯（4%～5%）及甲基二硫化丙烯等100多种挥发性含硫化合物，总含硫量约为35～40%。每吨干蒜球中约含精油1kg～2kg(0.1%～0.2%)。天然大蒜油广泛应用于沙司、肉糜的增香和调配肉香、海鲜及辛香类香精。近年来还出现了以天然蒜油为原料制造的高级保健品蒜素片，具有明显的防病、治病和抗衰老作用。饲料工业中使用的大蒜素一般指人工合成的大蒜油吸附载体后制成的预混料。人工合成的大蒜油的主要成份是三硫化二丙烯（50%～80%），二硫化二丙烯（20%～50%），少量的单硫化二丙烯和四硫化二丙烯。这四种成分的总含量一般在92%以上。项目性能指标颜色淡黄色液体气味浓烈的大蒜气味密度1.050～1.095折光率1.550～1.580溶解性能溶于大多数非挥发性油，部分溶于乙醇，不溶于水，甘油和丙二醇等。化学稳定性强酸、强氧化剂和紫外线可引起变质。表1.大蒜油的主要理化性能（二）大蒜素的合成大蒜素的来源有两种方法：一是生物提取法，即从天然大蒜片中精馏而成，该方法收率低，成本高，原料季节性强；一是化学合成法，化学合成的大蒜素与天然提取的大蒜素主要成分一致，原料易得，而且有效成分的浓度要高于天然提取物。合成产品在性质上更稳定，杀菌力强，疗效也更好。目前，用于兽用及水产的大蒜素，多为人工合成产品。人工合成大蒜素主要以三硫二丙烯和二硫二丙烯混合物含量的高低来表示大蒜素产品质量的优劣。目前工业中通常使用的氯丙烯-硫代硫酸钠-硫化钠法合成大蒜素路线简单可行，但由于其工艺中需加入一定量的甲醛和石油醚，既污染环境，而且石油醚还需减压分离、回收，工艺流程复杂，成本高而收率不理想。本文依据该合成路线对其工艺流程进行改进，采用水相反应，不添加甲醛和石油醚，所用原料价廉易得，无需减压蒸馏过程，在简化了工艺流程的同时，既降低了生产成本，又提高了收率，效果较为理想。1.实验方法1）合成反应原理CH2=CH-CH2Cl+Na2S2O3ACH2=CH-CH2-S2O3Na+NaClCH2=CH-CH2-S2O3Na+Na2S→CH2=CH-CH2-S-S-S-CH2-CH=CH2+CH2=CH-CH2-S-S-CH2-CH=CH2在电热磁力搅拌器上安装好三口烧瓶，附置回流冷凝管、滴液漏斗、温度计，取180ml氯丙烯（配比基准）置于滴液漏斗中。按表2中所设计的量称取Na2S2O3•5H2OX克配成饱和溶液加入三口烧瓶中,开启搅拌并加热升温至所设计的实验温度。然后将氯丙烯缓慢滴入三口烧瓶，约0.5h滴完。保持温度搅拌至反应完成。冷至室温，用2mol/L氨水溶液调节反应液的pH为7.5左右，滴加Na2S溶液，滴完后，在室温下搅拌反应0.5h，静置过夜。料液分层后，用分液漏斗分液，弃去下层水相，用去离子水洗涤油相3次，弃去水相。取样测含量，计算产品收率。2.大蒜素含量的测定1）测定原理将大蒜素样品用氧瓶燃烧法燃烧分解，燃烧产物为硫的氧化物，以过氧化氢溶液吸收，使之生成硫酸，加热除去过量的过氧化氢，以甲基红作为指示剂，用氢氧化钠标准溶液滴定生成的硫酸。2）试剂和溶液过氧化氢（HG-3-1082）无水乙醇（GB678）甲基红（HG3-958）1g/L溶液氢氧化钠（GB629）0.01mol/L的标准溶液乙醚（HG3-1002-76）实验号氯丙烯:硫代硫酸钠（X）:硫化钠（Y）（重量比）温度（℃）时间（h）产品（ml）收率（％）11:X1:Y150412066.6721:X1:Y150512569.4431:X1:Y150612871.1141:X2:Y240614077.7851:X2:Y250614882.2261:X1:Y260615183.8971:X2:Y150614278.8981:X1:Y250615586.112）工艺过程为了考察产品收率，我们通过改变反应物配比、反应温度和反应时间三个条件来进行实验。实验方案及结果见表2。表2.反应物配比、反应温度和时间对产品收率的影响（五）应用目前，大蒜素在饲料行业应用逐步广泛，一般认为，大蒜素作为新型饲料添加剂具有杀菌、促进生长、动物保健、调味诱食等多种功能。为了验证大蒜素的功效，2004年2月－4月期间，我们在章丘埠村肉鸡场进行了大蒜素饲喂肉仔鸡应用效果的试验。2.试验结果与分析试验肉仔鸡只增重、成活率及饲料消耗情况见表4。表4.试验鸡成活率、增重及耗料情况组别\项目试初只数试末只数成活率（%）只均始重（g）只均末重（g）耗料（g）料肉比试验组98897898.9939.62287.64428.61.97对照组98894495.5539.92144.34293.02.043.结论1）在肉仔鸡日粮中添加大蒜素可以提高仔鸡采食量，使其精神旺盛。增重明显，平均日增重提高6.8%，料肉比则降低3.4%。有效提高了饲料利用率。大蒜素有浓郁的自然香味，能消除饲料中的药物及其他物质带来的不良味道，提高饲料的适口性，显著增加动物胃液分泌，增加胃肠蠕动，刺激动物食欲，从而提高采食量。而且大蒜素能有效抑制和杀死消化道内硝酸盐还有原菌；阻断致癌物质亚硝酸胺的合成，从而起到防止消化道癌变的功效，保证动物消化道正常生理功能。2）在肉仔鸡日粮中添加大蒜素可以降低仔鸡的死淘率，明显提高成活率。大蒜素能增强机体免疫功能，防治疾病。众所周知，细胞的衰老是因为细胞膜的渗透性下降，细胞吸收营养物质的功能降低，同时滞留在细胞内的废物（代谢产物）也不易排出细胞外。大蒜素含有多种活性物质，具有活化由糖脂质组成的细胞膜功能，能再度提高其渗透性，于是细胞的新陈代谢加强，活力提高，机体的免疫力随之加强。大蒜素具有增加巨噬细胞、淋巴细胞功能的免疫调节作用。大蒜素中的二硫醚和三硫醚能够透过细菌的细胞膜进入细胞质中，将含巯基的酶氧化为双硫键，从而抑制细胞分裂，破坏病菌和癌细胞的正常代谢。而且对引起畜禽疾病的福氏痢疾杆菌、巴氏杆菌、伤寒杆菌、白色葡萄球菌、变形杆菌、绿脓杆菌等均有良好的抑制和杀灭作用，因此可以替代日粮中的其他抗生素，有效的解决畜禽产品中的药物残留问题，改善畜禽产品品质，保护环境。此外，大蒜素还能有效杀灭黄曲霉、黑曲霉、烟曲霉等各种霉菌，防止饲料变质。3）在肉仔鸡日粮中添加大蒜素能增强鸡肉的香味成份，使鸡肉更鲜。据泰国研究报道，鸡肉香味成份主要是靠C3H5—S（O）—基团，而大蒜素中的硫醚化合物含有这一结构，因而可以改善鸡肉的香味。4）综上所述，在肉仔鸡日粮中添加0.01%大蒜素可以明显提高肉鸡的成活率和日增重量，降低料肉比，提高饲料报酬，而且可以改善肉鸡风味，明显提高肉鸡饲养经济效益。大蒜素在养殖业中是一种高效的值得推广的饲料添加剂。谢辞本论文是在任艺兵老师的悉心指导和严格要求下完成的。论文从选题、文献整理、步骤设计、实验、写作、修改至最后定稿的全过程中，任老师都给予了无微不至的关心与帮助。任老师渊博的学识、敏捷的思维、严谨的科学态度都给予我很大的影响，并深深感染了我，也将激励我今后不断刻苦学习、不断进取。在此，谨向任老师致以诚挚的谢意！3）测定方法按氧瓶燃烧法测定，称取大蒜素油样品0.03-0.05g，称准至0.00005g,封入玻璃纸（不含硫压敏胶带）筒中，即将一约0.6×5cm2的定量滤纸卷成纸卷，置于约1.6×2.4cm2的玻璃纸中部并一起卷制成筒，先将纸筒的一端压合密封、称重，再将样品小心的滴加并浸润滤纸上，将纸筒上端压合密封后，再一起称量。将封有样品的玻璃纸筒，再用小块带长条尾巴的滤纸裹住，一起夹在铂丝钩（或网）上。在1000ml锥形瓶中加20ml水，10-15滴过氧化氢作吸收液，瓶内充满氧气后，点燃滤纸的尾部，立即插入瓶中并盖紧磨口塞，同时将锥形瓶小心倾侧，用吸收液封住瓶口。燃烧完毕后，将反应瓶剧烈振荡，并在放置过程中也随时加以振荡，直至瓶中烟雾完全消失，用少量水冲洗瓶塞、铂丝及瓶壁，加热煮沸数分钟，除去过量的过氧化氢。放至室温，加甲基红2滴，用0.01mol/L氢氧化钠标准溶液滴定至黄色即可（每0.01mol/L的氢氧化钠标准溶液相当于0.2972mg的C6H10S3）。大蒜油中的各主要成分都属硫醚类化合物，与对应的醚相比，化学性能稳定得多，在非强酸环境中可耐高温120℃以上而不易分解。但如果长期暴露于紫外线下可诱发分解。在强酸性环境中可形成锍盐并析出硫而产生沉淀。在强氧化环境中可被氧化为亚砜甚至砜。因此，大蒜油应存放于阴凉处并避免与强酸或氧化性物料存放在一起。（三）大蒜素的测定1.鉴别1）试剂和溶液无水乙醇（GB678）硫化钠（HG3-905）饱和溶液2）鉴定方法取大蒜素油1ml，加无水乙醇2ml，加硫化钠溶液3滴，即显黄色。2.大蒜素的理化性能大蒜素是以一定的载体吸附大蒜油后形成的预混料，它是白色流动性的细小粉末。其理化性能主要取决于大蒜油的理化性能。大蒜油的理化性能见表1。（四）实验结论由表2可以看出，反应物配比是收率的显著性影响因素，反应温度和反应时间的影响也较大。将各方案结果数据分析比较，得出结论，当工艺条件为氯丙烯:硫代硫酸钠:硫化钠（g）取1:3:1.3,反应温度取50℃，反应时间为6h时，收率最高，能达到85%以上。1.试验方法将2000只刚出壳肉仔鸡随机分为两组，每组1000只，一组为试验组，一组为对照组。两组鸡体重差异不显著。从2004年2月29日至3月6日为预试期7天；从3月7日至4月18日共42天，为正式试验期。试验组饲喂基础日粮+0.01%大蒜素，对照组只饲喂基础日粮（基础日粮配方见表3）。两组供试鸡在相邻的鸡网中均采用地面平养，可充分利用阳光和人工光照，自然通风。预试期内按兽医卫生免疫程序进行防疫，认真观察鸡群，淘汰弱残鸡。根据试验要求，调整鸡群，并经生物统计处理后，组间差异不显著（P0.05）。试验期间，人工定时定量饲喂，自由采食、自由饮水，严格按照预防禽流感措施进行操作。每周每组随机抽取30只肉仔鸡称重，并记录各组饲料消耗情况，以及死亡鸡只数。表3.基础日粮组成及营养水平项目前期（0日龄－14日龄）中期（15日龄－28日龄）后期（29日龄－42日龄）玉米（％）585757豆粕（％）322827鱼粉（％）3.32.02.0磷酸氢钙（％）2.22.22.2石粉（％）0.60.50.5食盐（％）0.30.30.3预混料（％）1.01.01.0油脂（％）——2.02.0高粱（％）2.67.08.0合计100100100粗蛋白（％）代谢能（MJ·kg-1）钙（％）总磷（％）2112.120.980.7119.212.540.960.6918.212.741.010.681）成活率从表4可以看出，对照组试验鸡死亡44只，成活率为95.55%。试验组仅死亡10只，成活率达98.99%，试验组比对照组高出3.5个百分点，提高成活率效果明显。而且试验组仔鸡明显可见精神旺盛，毛色光亮，冠髯鲜红，采食量大。2）料肉比由于大蒜素可刺激肉鸡的食欲，增加采食量，使试验组的鸡耗料量明显高于对照组。表4