超声波辅助提取茶皂苷的工艺参数研究*

韩 敏，张常虎

（西安文理学院化学工程学院，陕西西安710065）

超声波辅助提取茶皂苷的工艺参数研究*

韩 敏，张常虎

（西安文理学院化学工程学院，陕西西安710065）

本文对超声波辅助水提取茶皂苷的工艺进行了研究，分别对超声波频率、超声处理时间、提取液温度和料液比做了单因素实验。单因素和正交试验法结合优化工艺试验条件为：超声波频率28kHz、超声处理20min、料液比1∶18、提取液温度30℃，在此条件下，其茶皂苷得率可达16.96%。利用红外光谱分析了茶皂苷的结构信息，并用扫描电镜观察其形貌特征。

超声波；茶皂苷；工艺参数；水提法

图1 茶皂苷分子结构Fig.1 Tea saponin Molecular Structure

超声波的主要作用之一是提取植物的有效成分[4]，它可以充分运用自身机械破碎、固有的空化等机理，使植物细胞细胞壁破损，推动提取剂和细胞内部有效成分的接触、融合直至溶解。这种利用超声波机理提取植物有效成分的方法，既能提高提取效率，又不会破坏提取物自身结构，节能环保。

近年来，尽管多数学者对超声波在提取有效成分茶皂苷过程中，其发挥的辅助作用做了大量科研工作，却都采用乙醇作为提取剂。本实验旨在运用超声波辅助水提法提取有效成分茶皂苷，利用正交试验对其过程改善，探究影响茶皂苷得率的各种因素。我国作为世界生产茶叶的强国，拥有丰厚的茶籽资源，这种方法使得综合高效利用茶籽资源有了强力的原料与科技支撑[5]。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

茶籽粕、香草醛、无水乙醇、95%乙醇、浓H2SO4，实验用水为蒸馏水。

电子分析天平（丹佛仪器（北京）有限公司）；电热恒温水浴锅（北京科伟永兴仪器有限公司）；可见分光光度计（上海元析仪器有限公司）；超声波多频清洗仪（宁波新芝生物科技股份有限公司）；精密增力电动搅拌器（常州国华电器有限公司）；高速台式离心机（北京时代北利离心机有限公司）；傅立叶变换红外光谱仪（赛默飞世尔科技）；扫描电子显微镜（日本日立）。

1.2 超声提取方法

冰再多，也不能繁衍生命，我们更希望能够发现液态水。于是，科学家在凤凰号着陆器的着陆腿上，观察到了冷凝的水滴——露珠。火星夏季的赤道地区，在一些斜坡上，发现了一些奇怪的暗色条纹，可能是融化的液态水，但只是季节性出现，这还不够。要有生命，就要有稳定的液态水体，但火星上一直没有发现。

称取脱脂茶籽粕5g放入烧杯中，按照一定比例加入蒸馏水，然后将该烧杯放置于超声波清洗仪中，利用电动搅拌器以平稳的转动速度搅动脱脂茶籽粕水溶液，直至溶液均匀[6,7]。按照预设时间、固定超声波频率和一定提取温度，对其进行超声处理，然后按照香草醛-浓H2SO4显色法将处理后的液体进行离心操作[7]，从而得到上层水提液，最后量取该部分水提液的体积并计算其中茶皂苷（茶皂甙、茶皂素）的具体含量和取得效率。

1.3 单因素试验

本实验分别考察以下5个因素对茶皂苷得率的影响：（1）超声处理时间取值从5~45min，间隔为5min；（2）料液比中蒸馏水取值从20~110mL，间隔为10mL；（3）超声波频率分别为25、28、40及59kHz；（4）提取液温度取值从10~70℃,间隔为10℃。

1.4 正交设计实验

通过对提取液温度、超声波频率、料液比和超声处理时间等单因素对茶皂苷得率影响的研究[6]，将茶皂苷的提取效率做为评价指标，利用L9（33）计算模型分别对各个样本进行正交试验。

1.5 茶籽粕超声后的扫描电镜分析

按照上文中正交试验的最优结果进行茶皂苷的提取，离心操作后，取下层固体，进行干燥处理。在此基础上，分别对处理后的3份样本进行取样，最后用电子扫描电子显微镜分别观察各自表面特征。

1.6 茶皂苷的红外光谱分析

取同1.5的样品3份，进行红外光谱扫描，并对结果进行分析。

2 结果与讨论

2.1 计算与数据处理方法

2.2 单因素实验结果

2.2.1 超声处理时间对茶皂苷得率的影响超声处理时间对茶皂苷得率的影响见图2。

图2 超声处理时间对茶皂苷得率的影响Fig.2 Effect of sonication time on the tea saponin yield

由图2可知，随着超声处理时间的不断增大，茶皂苷得率也随之增大，当处理时间达到20min，茶皂苷得率达到最大值。若超声处理时间继续增大，茶皂苷得率变化较小，原因是在20min时茶皂苷的浓度较大，提取所需传质推动力小。故本实验超声处理最佳时间为20min。

2.2.2 料液比对茶皂苷得率的影响料液比对茶皂苷得率的影响见图3。

图3 料液比对茶皂苷得率的影响Fig.3 Effect of ratio of liquid tea saponin yield

由图3可知，随着料液比的变化，茶皂苷得率出现不同程度的变化。当固态料与浸提液的比例不断增大时，提取液中茶皂苷的浓度随之不断下降，与此同时，茶籽细胞内外的茶皂苷浓度差表现出了不断增大的趋势，因为茶皂苷溶出的速度不断增加[8]，茶皂苷得率也不断的增加，当料液比为1∶16时茶皂苷得率达到最大值。在此基础上，如果继续增加料液比，此时由于大部分茶皂苷已被洗出，所以茶皂苷得率趋于稳定，得率变化幅度不大，故本实验最佳料液比为1∶16。

2.2.3 超声波频率对茶皂苷得率的影响超声波频率对茶皂苷得率的影响见图4。

图4 超声波频率对茶皂苷得率的影响Fig.4 Effect of tea saponin yield ultrasonic frequenc

由图4可知，超声波频率的不同会导致茶皂苷得率的不同。在24~28kHz之间，随着超声波频率的增加茶皂苷得率迅速增加[9]，在28kHz时达到最大值7.8%。茶皂苷得率随着超声波频率的增加而不断下降，尤其在40kHz以后下降速度最快，故实验最佳超声波频率为28kHz。

2.2.4 提取液温度对茶皂苷得率的影响提取液温度对茶皂苷得率的影响见图5。

图5 提取液温度对茶皂苷得率的影响Fig.5 Effect of temperature on tea saponin extract yield

由图5可以看出，在一定的范围内，随着提取液温度的增加，茶皂苷得率迅速增大，这是由于水分子的热运动，其对超声波中能量的传播有促进作用。随着提取液温度的增加茶皂苷得率发生了先升后降的变化趋势，当该温度到达30℃时，茶皂苷得率上升到最大值10.2%，后随着提取液温度的增加而迅速下降。究其原因，当提取液温度较高时，其液体中微小的气泡不断增加，达到30℃后，微小气泡的数量密集且对液体压力产生影响，通常认为众多的微小气泡里面有较高的蒸汽压力，这些压力能减弱超声波对气泡的拉伸和挤压作用，最终阻碍和削弱了超声处理的效果[9]。故本次实验提取液选择的最佳温度为30℃。

2.3 正交试验结果与分析

依据上文的实验步骤和方法，最终得到正交试验结果见表1。

表1 正交试验方案及结果Tab.1 Otrhogonal experiment and results

通过对表1的分析，可知，所选3个因素对茶皂苷得率的影响由大到小依次为：提取液温度、超声处理时间和料液比。通过对3个因素的正交优化分析，最终得到利用超声辅助提取工艺提取茶皂苷的最佳组合模式为，即将提取液的温度设定为30℃，料液比设定为1∶18，超声处理的时间设定为20min，在此条件下时茶皂苷得率最高。

2.4 超声后茶籽粕的扫描电镜分析

图6 未经超声波处理的茶籽粕（0min）Fig.6 Without sonication tea seeds（0min）

图7 超声处理后的茶籽粕（10min）Fig.7 Sonication tea seeds（10min）

图8 超声处理最优时间的茶籽粕（20min）Fig.8 Optimal sonication time tea seeds（20min）

由图可知，若只对茶籽粕进行水提法提取（未进行超声处理）如图6，茶皂苷的表面裂纹不明显，几乎看不到裂纹，这说明茶籽粕的结构没有被破坏完全，这也是导致差皂苷得率低的原因。若对茶籽粕进行短时间（10min）的超声处理，如图7，茶籽粕的表面有部分破坏，差皂苷的得率稍有提高。若对茶籽粕进行最优时间（20min）的超声处理，如图8，可看出茶籽粕表面裂纹很多，这也充分说明了超声波的破碎作用，进而提高了茶皂苷的提取率。

2.5 超声后茶籽粕的红外光谱分析

由图9可以看出，超声后的茶籽粕的红外光谱图（B）与茶皂苷标样图（A）的趋势，形状等都相似，峰值也基本吻合。在谱图B中，3411cm-1处的宽峰为缔合羟基的伸缩振动吸收峰；2953cm-1处为烃基中C-H的不对称伸缩振动峰；1710cm-1处为羰基的伸缩振动峰；1619cm-1处为碳碳双键的伸缩振动峰；1383cm-1处为甲基的对称面内弯曲振动峰；1272cm-1处为羟基的面内弯曲振动峰；1082cm-1处为C-O的伸缩振动峰，表明谱图B中含有-OH、-CH3、-CH2、-C=O、C=C等基团。由此可以说明，本实验提取物是茶皂苷。

图9 标准茶皂苷与超声后的红外图Fig.9 Standard tea saponin tea saponin with ultrasonic rear infrared FIG

3 结论

（1）本文不仅对影响茶皂苷得率的各个因素进行考察，而且通过正交试验确定了D（超声波频率）、A（超声处理时间）、B（料液比）和C（提取液温度）的最优组合即当D为28kHz、A为20min、B为1∶18和C为30℃时茶皂苷得率最大。

（2）通过超声处理茶籽粕的扫描电镜分析表明，茶籽粕经过超声处理之后，其表面出现多处裂纹，说明超声波对茶籽粕具有较明显的破碎作用，能够促进其中茶皂苷的释放。

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Preparation of sodium copper chlorophyllin by direct saponification*

HAN Min，ZHANG Chang-hu
（School of Chemical Engineering,Xi'an University,Xi'an 710065,China）

Ultrasonic assisted extraction of theasaponins was conducted inthis study.We made Single-factor experiments about ultrasonicfrequency,ultrasonic treatment time,temperature and solid-liquid ratio.Single factor experiment and orthogonal test method in optimization of process test conditions:ultrasonic frequency of 28kHz,ultrasonic treatment for 20min at 30℃,the ratio of solid to liquid 1∶18.Under optimum conditions,the theasaponins yield reached 16.96%.IR was applied to analyse the structure of theasaponins,and its morphology observed by SEM.

Ultrasound；tea saponin；process parameters；water extraction

TS229；TQ423

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161219

2016-10-23

西安市科技计划项目（CXY1531WL33）

韩敏（1981-），女，汉，陕西西安人，硕士，高级实验师，主要从事天然产物的改性研究。