超声提取荔枝核中总皂苷的优化提取工艺研究

樊 阳

(四川大学化学工程学院，四川成都，610065)

1 引言

我国是世界上第一大荔枝生产国，种植面积占全世界80%以上，荔枝(Lychee)盛产于我国南方地区。荔枝含有丰富的维生素丙，每百毫升果饮中可达13.20～71.72毫克。古书中记载荔枝具有止渴养颜、增益提神、补脑建身等功效，对治疗肿瘤等疾病有一定的功效。而在剥除果肉之后，荔枝核在食品工业中的利用价值则相对较低，虽然其中所含淀粉也可酿酒，但市面上所售该类型的酒酿并不常见，同时荔枝核提取物的活性成分主要有总皂苷、多糖、黄酮和酚酸等[3]，具有调理血糖血脂、抗氧化、对抗免疫性和急性肝损伤等非常高的药用价值[4,5]。所以怎样更好地利用好荔枝核，使其有效成分能够得到更好地回收利用也逐渐成为许多科研工作者关注的焦点。

目前总皂苷的提取技术主要分为传统的溶剂萃取和新型提取法两类，第一类包括浸泡和索氏提取等方法，这些方法对于总皂苷这种热敏感的物质而言有时可能会造成负面影响，看似提取率不低但容易导致总皂苷分解变性；第二类包括微波、超临界流体和超声波辅助提取法等，这些方法借助外力作用，加快对细胞的破坏使内容物快速得到释放，可进一步提高提取效率。

本文研究的是超声辅助提取法，超声辅助提取法(Ultrasonic-assisted Extraction，UAE)主要借助超声波能量使得液体中的微气核产生振动，当能量增大，振动加强，达到一定的能量时，空化气泡破裂崩溃，产生瞬间高压从而使待提取物料细胞表面受到巨大的爆破能量，这一过程通常被称为超声波空化作用。这一现象可导致细胞膜变形破坏，使内容物加速释放从而推动整个提取过程的进行[6,7,8]。总体而言超声辅助提取的主要优点有：①提取效率高、时间短，通常只需要24-40分钟；②提取温度低，在待提取植物中含有对高温敏感的有效成分时，传统高温提取法如索氏提取缺乏适用性，使用超声提取可以设定温度甚至在室温下提取；③适应性广，适用各类植物材料的提取研究；④提取液杂质少，有利于分离研究；⑤提取成本低，提取效益显著；⑥设备以及操作简单，养护方便。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料与试剂

荔枝核购自广州菠海蔚记食品有限公司；人参皂苷Rg1(纯度≥99.99%)，购自国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇(分析纯)、无水甲醇(分析纯)、98%浓硫酸(分析纯)、香草醛(分析纯)均购自成都科龙化工试剂厂；其余试剂也均为分析纯。配制溶液使用去离子水。

2.2 实验设备

数控超声波清洗器(KQ-700DE)，购自昆山市超声仪器有限公司；紫外分光光度计(751-GW)，购自上海菁华科技仪器有限公司。

2.3 超声波辅助提取法

取用5.00g荔枝核和足量的乙醇水溶液，按照实验方案拟定的不同的料液比加入并将两者充分搅拌混合，在超声提取器上设定好试验温度和提取时间，待温度达到目标温度后将物料置入提取器中提取设定的时间，提取后取出进行抽滤和离心操作，离心过程运行参数设定为4000转、5分钟，随后取用离心后的20mL上清液进行旋蒸蒸发，待提取液充分蒸干后使用甲醇溶剂进行重溶，重溶后过滤取上清液备用。

2.4 传统溶剂提取法

对比实验采用乙醇浸泡提取实验法，进行优化后几个主要的试验参数乙醇浓度、固液比、提取温度和时间分别设定为70%(v/v)，1:60g/mL，60℃和120分钟。提取过程为将原料和溶剂充分混合后采用水浴加热的方法进行浸泡提取。

2.5 总皂苷含量测定

本实验采用分光光度法，基于显色反应对总皂苷的含量进行测定，这种检测方法可被称为香草醛-浓硫酸方法[9,10]，香草醛溶液为0.5%的香草醛乙醇，浓硫酸经过稀释后将浓度降为74%。检测方法的操作具体如下：使用移液枪精确吸取100μL提取液，然后转移置于具塞试管中，空白对照组加入100μL无水甲醇。加入0.5mL新配制的0.5%香草醛-乙醇溶液后，再沿试管壁缓慢加入74%硫酸溶液5mL充分摇匀(注意该步骤硫酸的加入速度必须确定，因为其加入速度会影响最终反应得到的吸光值)，紧着密封好试管后在60℃水浴下恒温加热20分钟，过后取出在室温下放凉以避免温度太高影响比色皿的使用和寿命，使用1cm比色皿在波长478nm测得吸光度后代入经过实验测定得到的人参皂苷Rg1的标准曲线回归方程y=1.4892x-0.0495，x为测得的吸光度，y为皂苷的质量浓度(mg/g)，即可得到样品液中皂苷类化合物的浓度，再根据原料用量和料液比计算可以得到总皂苷的提取率。

3 结果与讨论

3.1 提取工艺优化

3.1.1 固液比对荔枝核皂苷产率的影响

在大多数提取实验中，固液比都是十分重要的研究因素，因为适当的固液比有助于有效成分的扩散，增大溶液中待提取有效成分的最大提取平衡。所以很多情况下提取率会随着所用溶剂量的增大而增加，在本提取研究中，我们设定了5个固液比提取梯度(1:30,1:40,1:50,1:60,1:70)g/mL对提取率进行研究。其他参数固定为提取时间30min，提取超声功率420W，提取溶剂70%乙醇，提取温度35℃，提取实验重复三次，可以得到荔枝核内皂苷类化合物与固液比的关系如图1所示。根据实验结果可知荔枝核总皂苷提取率随着固液比从1:30增加到1:60而上升，当固液比达到1:60时，总皂苷的提取率达到了最高值，为33.91±0.58 mg/g。当继续增加固液比时，总皂苷的提取率开始出现轻微下降，下降一定程度上可能是因为1:70的固液比对后面的提取纯化带来难度，造成一定的误差，固液比增大使提取液体积增大还可能使超声能量的衰减更为明显，故导致提取率有一定程度的下降。因此选定1:60固液比作为超声辅助提取的最优固液比参数。

图1 固液比对总皂苷提取率的影响

3.1.2 超声提取时间对荔枝核皂苷产率的影响

超声提取时间会影响物料内有效成分在溶液中的扩散，随着时间的推移，还会影响物料由于空化效应受到破坏的程度，细胞结构的破坏会进一步影响细胞内成分的扩散程度，而又有一些研究表明超声时间过长可能会导致有效成分的降解从而影响提取效果[45]。所以选择适当的提取时间对于超声提取非常关键，根据一些前人的实验研究结果和前期实验得到大致可能的提取时间范围，研究的时间梯度为(10,20,30,40,50 min)来研究超声提取时间对提取率的影响，其他的工艺参数固定为：固液比1:60，超声温度设置为35℃，提取溶剂70%乙醇溶液，超声提取功率420W，实验重复三次得到提取率误差范围，得到超声提取时间与总皂苷提取率的关系图如图2所示。

图2 超声提取时间对总皂苷提取率的影响

根据实验结果可知，在30分钟内超声提取时间不足，物料不能得到充分的破坏，物料的组织结构相对完整，物料的内部成分扩散程度相对较低，显然由此可以看到在30分钟内超声提取的提取平衡还没有达到，物料组织还有待进一步处理。

当研磨时间提高到30min时，总皂苷产率基本达到最高值33.92±0.64mg/g，此时超声的空化效应进行得比较充分，提取扩散得比较充分，整体基本能够达到提取平衡。当提取时间进一步增长，提高到40-50min时，提取率还有轻微的提高，从实验结果看更长的超声提取时间并没有造成荔枝核皂苷明显的降解，但综合考虑到经济因素，所提高的提取效果相比由此带来的更高的能耗显得有些得不偿失，所以根据实验结果，选择超声时间30min作为超声辅助提取荔枝核总皂苷的最佳工艺参数。

3.1.3 超声提取功率对荔枝核皂苷产率的影响

超声提取功率对于荔枝核皂苷提取也有着比较显著的影响，足够的超声功率可以保证足够强度的空化效应，使物料组织细胞结构能够得到更加充分更加有效的破坏。本超声提取装置的最高提取功率为700W，故据此设置提取功率梯度进行研究，将功率参数设定为140、280、420、560、700W。将其他工艺参数固液比、超声提取时间、超声提取温度以及乙醇浓度分别固定为1:60，30min，45℃和70%，实验重复三次，获得荔枝核内皂苷类化合物提取率与料液比的关系曲线如图3所示。

图3 超声提取功率对总皂苷提取率的影响

从图3中我们可以看到提取功率在420W之前，随着功率水平的提高皂苷提取率也有着比较显著的提高，当达到420W时皂苷提取率达到了最大值，说明当功率达到420W时，溶液中的空化效应达到足够强度，同时超声能量对于溶液输入的能量足以达到提取平衡，而当超声能量进一步增大，当超声功率达到700W时，提取甚至出现了一定程度小幅的下降，说明过高的提取功率不利于皂苷的提取，可能会出现一定程度的皂苷降解现象。

最终在考虑经济能耗、提取效果等因素后，我们综合考虑确定将420W超声提取功率设定为荔枝核总皂苷的最优提取功率。

3.1.4 超声提取温度对总皂苷提取率的影响

很多皂苷类成分是不耐高温的，过高的提取温度可能导致皂苷类成分出现变质的情况，所以在各类皂苷提取实验中，提取温度都是必须要考虑的因素，选择适宜的提取温度非常重要，同时会对总皂苷提取率有着比较显著的影响。

本节就考察提取温度对提取率的影响。提取温度会对物质的扩散有影响，提取温度越高，分子的热运动速度越快，即可以提高物质的传质速率，从而使细胞组织内部以及周围的待提取物质扩散加快能够更快地达到提取平衡。一些文献中指出荔枝核皂苷提取的温度不宜超过60℃，故从室温开始，我们将提取温度的研究参数设定为(25,35,45,55,65℃)，实验重复三次，获得的荔枝核皂苷类化合物的提取率与超声提取温度的关系如图4所示。

图4 超声提取温度对总皂苷提取率的影响

由图4可知，在45℃之前，随着提取温度的不断上升，皂苷类化合物在水溶液中的溶解与扩散速度的加强显然主导着整体进程，总皂苷的提取率不断上升，当提取温度达到45℃时，总皂苷提取率基本达到峰值，此时总皂苷提取率为41.80±1.20 mg/g。此后提取温度进一步增长时，一方面扩散平衡可能已经达到，另一方面由于荔枝核皂苷可能出现的分解已经开始影响提取率的升高，所以提取率均出现了一定程度的下降。

综合上述实验结果，为了实现最好的提取效果的同时考虑到能耗因素，将45℃选定为最优的超声提取温度。

3.1.5 乙醇浓度对总皂苷提取率的影响

最后我们将进一步确认乙醇浓度对于荔枝核总皂苷提取的影响，根据相似相容原理，荔枝核皂苷的标志性成分为人参皂苷Rg1，这类成分易溶于醇类溶剂，而在水中的溶解程度较低，故乙醇溶液的溶度将会影响整体的提取效果，从理论上说，乙醇浓度越高，总皂苷的提取率越高，从一些热浸泡等预先前期试验中我们发现乙醇浓度达到70%时可以实现最大的提取率，对于超声辅助提取实验我们再次进行进一步的验证。

围绕70%这一乙醇浓度，我们确定将对于乙醇浓度的研究梯度设定为(40,50,60,70,80%)对该参数进行实验研究，每个变量实验重复三次以确保实验结果的可信度，最终实验得到荔枝核皂苷与乙醇浓度的关系曲线如图5所示。

图5 乙醇浓度对总皂苷提取率的影响

从图5可见，乙醇浓度在70%之前，荔枝核皂苷的提取率随着乙醇浓度的提高而提高，可以很好地证明皂苷在乙醇溶液中符合相似相容的原理，乙醇浓度的提高有利于皂苷成分在溶液当中的扩散，加速细胞中成分的渗透，可能能够改变细胞膜通透性，这一情况一定程度上也能加速有效成分的溶出，而当乙醇浓度达到80%时，可能一方面溶液中达到了提取平衡，另一方面有机溶剂中的空化效应可能相对较弱，当溶液浓度过高时可能对提取效果造成不利影响。

综上所述，根据这一实验结果我们可以得到，选择70%乙醇浓度的提取液可以很好地在保证提取效果和提取效率的同时，降低过量有机溶剂所造成的可能的环境污染，故最终经过验证，70%乙醇溶液最适宜作为超声提取浓度。

3.2 传统提取对比验证

为了验证超声提取效果，我们采用热浸泡提取方法对总皂苷进行了提取研究，得到产率为36.80 mg/g，超声辅助提取的41.80 mg/g相比之下高出了13.90%，同时超声辅助提取方法所需的提取时间也大大缩短。结果表明，现代提取方法超声辅助提取的确有着比较显著的优越性，是值得推广研究的。

4 结论与展望

本文使用超声波辅助提取技术，对荔枝核皂苷类物质的提取工艺进行了研究，研究了固液比、提取时间、超声温度、超声功率以及乙醇浓度对提取效率的影响，在此基础之上与传统的溶剂提取对比验证超声提取的效果。结果得到超声波辅助提取荔枝核中总皂苷的各个工艺参数固液比、乙醇浓度、超声提取时间、提取温度以及提取功率的最佳条件分别为1:60 g/mL，70%(v/v)，30分钟，45℃和420W，所得产率为41.80mg/g，表明超声辅助提取提取时间短，温度低，整体上优于传统浸泡提取方法。但实验仍可以进一步改进，如可以采用高效液相色谱法(HPLC)对荔枝核中皂苷的具体成分进行更进一步研究。