超临界CO2萃取对油茶饼中油脂品质及茶皂素理化特性影响的研究

王 羚，方学智，杜孟浩，龙奇志

(1.中国林业科学院 亚热带林业研究所，杭州 311400； 2.中南林业科技大学 食品科学与工程学院，长沙 410004)

截至2018年底，我国油茶籽油年产量近60万t，榨油后产生的油茶饼中含有10%～15%的茶皂素[1]。茶皂素是一种天然非离子型表面活性剂，有较好的乳化、分散和湿润能力，还具有祛痰、消炎、止咳等作用，可广泛应用于食品、日用化工、医药等行业[2-3]。

从油茶饼中提取茶皂素的方法有水提法、有机溶剂提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、超临界CO2萃取法等[4-8]。水提法成本低，经过浓缩干燥产生的水汽可冷凝回收重新利用，无污水处理成本,但周期长、产品纯度低、能耗大，易使淀粉糊化、蛋白质胶体化，后续纯化困难[5]；有机溶剂提取法所使用的甲醇、异丙醇、正丁醇等溶剂存在易挥发、易燃、易爆且有毒有害等不利因素[4]。超声波辅助提取法、微波辅助提取法、超临界CO2萃取法等新型环保的提取工艺逐渐被应用。其中超临界CO2萃取法具有操作简便等特点，受到广泛关注，但目前该方法多用于油茶籽油的提取工艺及品质研究[9-10]，虽然有研究者[8]开展了超临界萃取油茶饼残油、茶皂素的工艺研究，但鲜有对超临界萃取油茶饼中的残油品质及茶皂素性质开展研究。

本研究应用超临界CO2萃取油茶饼中残油及茶皂素，并考察其对油脂及茶皂素品质的影响，以期为超临界CO2萃取工艺对油茶饼中油脂及茶皂素的萃取提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

油茶饼(油茶籽经液压压榨提油后得到)，浙江康能食品有限公司；茶皂素标准品，源叶生物科技公司；脂肪酸甲酯混合标准品、β-谷甾醇，上海安谱实验科技股份有限公司；角鲨烯、α-生育酚，美国Sigma公司；甲醇、正己烷、甲基叔丁基醚、四氢呋喃均为色谱纯；其余试剂均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

Spe-edTMSFE-2型超临界萃取实验装置，环球分析测试仪器有限公司；E-816SOX索氏萃取仪，瑞士Buchi有限公司；LGJ-18C冷冻干燥机，北京四环科学仪器厂有限公司；GC-2010 plus气相色谱仪、UV-2550紫外可见分光光度计，日本Shimadzu公司；DSA100光学接触角形貌联用仪，德国克吕士科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超临界CO2萃取[8]

准确称取油茶饼粉15 g装填于萃取釜中，在CO2流量2 mL/min、萃取压力30 MPa、萃取釜温度50℃、出口温度110℃条件下动态萃取2 h，直至残油基本萃取完全。

脱油后的油茶饼粉在不同的萃取压力、萃取温度、萃取时间、夹带剂(乙醇)体积分数条件下进行单因素实验，考察各因素对茶皂素萃取率的影响。根据单因素实验结果进行响应面实验。

1.2.2 有机溶剂提取

取200 g油茶饼粉于三口烧瓶，加入400 mL石油醚，于60℃水浴锅中浸提1 h，提取两次后抽滤，旋蒸得油茶籽油。固相挥干后使用80%乙醇浸提1 h，提取两次后旋蒸得茶皂素[11-12]。

1.2.3 茶皂素含量的测定

参照文献[13]采用香草醛-浓硫酸比色法对茶皂素含量进行测定。线性回归方程为y=0.270 7x+0.098 2，R2=0.997。

茶皂素萃取率=超临界萃取茶皂素含量/油茶饼中茶皂素含量×100%

1.2.4 油茶籽油的品质分析

酸价的测定参考GB 5009.229—2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》；过氧化值的测定参考GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》；皂化值的测定参考GB/T 5534—2008《动植物油脂 皂化值的测定》；脂肪酸的测定参考GB 5009.168—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》；生育酚的测定参考GB 5009.82—2016《食品安全国家标准 食品中维生素A、D、E的测定》；角鲨烯、甾醇的测定参考文献[14]。

1.2.5 茶皂素理化性质的测定

表面张力使用DSA100光学接触角形貌联用仪采用悬滴法进行测定[15]；接触角通过DSA100光学接触角形貌联用仪采用座滴法进行测定；起泡性及泡沫稳定性参考文献[16]进行测定；乳化性参考文献[17]采用搅动法进行测定。

1.2.6 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0软件进行统计分析，响应面优化采用Design-Expert 8.0.6分析处理。

2 结果与分析

2.1 超临界CO2萃取条件对茶皂素萃取率的影响

2.1.1 单因素实验

2.1.1.1 萃取温度对茶皂素萃取率的影响

按照1.2.1方法在萃取时间3 h、CO2流量2 mL/min、出口温度110℃、萃取压力30 MPa、夹带剂体积分数65%的条件下进行实验，考察萃取温度对茶皂素萃取率的影响，结果见图1。

由图1可知，在35～55℃的范围内，茶皂素萃取率先上升后下降，在50℃时萃取率最高。萃取温度会影响扩散系数和传质系数，当温度升高，溶质的萃取率也会增加，茶皂素的溶解度随温度的升高而增大[18-19]。在55℃时茶皂素萃取率下降是由于温度持续升高会使得茶皂素结构遭破坏被降解。因此，选择50℃为茶皂素的最佳萃取温度。

2.1.1.2 萃取压力对茶皂素萃取率的影响

按照1.2.1方法在萃取温度50℃、萃取时间3 h、CO2流量2 mL/min、出口温度110℃、夹带剂体积分数65%的条件下进行实验，考察萃取压力对茶皂素萃取率的影响，结果见图2。

图2 不同萃取压力对茶皂素萃取率的影响

由图2可知，在萃取压力25～40 MPa范围内，茶皂素萃取率随萃取压力的增加而升高，在40 MPa时茶皂素萃取率最高，在45 MPa时茶皂素萃取率略有下降。当温度不变，压力升高会使流体密度增加，从而使茶皂素溶解能力增大[20]。考虑到仪器承受能力，压力不宜过高。因此，较佳萃取压力为40 MPa。

2.1.1.3 萃取时间对茶皂素萃取率的影响

按照1.2.1方法在萃取温度50℃、CO2流量2 mL/min、出口温度110℃、萃取压力30 MPa、夹带剂体积分数65%的条件下进行实验，考察萃取时间对茶皂素萃取率的影响，结果见图3。

图3 不同萃取时间对茶皂素萃取率的影响

由图3可知，随着萃取时间的延长，茶皂素萃取率不断增加，2～3.5 h之间增幅较大，而3.5～4 h之间变化趋于平缓。有文献[21]报道，萃取初期超临界CO2与溶质接触不充分，随着萃取时间延长，传质良好，使得大部分茶皂素被溶出，达到最大值。综合考虑，3.5 h为最佳萃取时间。

2.1.1.4 夹带剂体积分数对茶皂素萃取率的影响

本实验选用不同体积分数的乙醇作夹带剂，按照1.2.1方法在萃取温度50℃、萃取时间3 h、CO2流量2 mL/min、出口温度110℃、萃取压力30 MPa的条件下进行实验，考察夹带剂体积分数对茶皂素萃取率的影响，结果见图4。

图4 不同夹带剂体积分数对茶皂素萃取率的影响

由图4可知，夹带剂体积分数对萃取率影响较大，随着夹带剂体积分数的升高，茶皂素萃取率先升高后降低。茶皂素可溶于含水乙醇，而不溶于无水乙醇，有文献[22]指出溶剂中含水量高会导致大量水溶性杂质，如蛋白质、糖等溶出。而乙醇体积分数的升高则会引起茶皂素中的杂质凝固，导致茶皂素溶出被抑制[2]。在本实验中乙醇体积分数为65%和75%时的茶皂素萃取率较高。

2.1.2 响应面实验

2.1.2.1 响应面实验设计及结果

在单因素实验的基础上，选取萃取温度(X1)、萃取压力(X2)、萃取时间(X3)、夹带剂体积分数(X4)为自变量，茶皂素萃取率(Y)为响应值，采用Box-Behnken进行响应面实验。响应面实验因素水平见表1，响应面实验设计及结果见表2，方差分析见表3。

表1 响应面实验因素水平

表2 响应面实验设计及结果

表3 方差分析

2.1.2.2 响应面的分析与优化

由表3可以看出，萃取压力(X2)对茶皂素萃取率的影响最显著，夹带剂体积分数(X4)、萃取取温度(X1)次之，萃取时间影响较小。通过响应面分析得到优化的茶皂素提取工艺条件为：萃取温度45℃，萃取压力30 MPa，萃取时间3.5 h，夹带剂体积分数75%。在优化工艺条件下茶皂素萃取率的预测值为89.40%。

2.1.2.3 验证实验

在优化工艺条件下进行3次平行验证实验，得到茶皂素萃取率平均值为89.21%，与模型预测值89.40%结果相近。

2.2 超临界萃取油茶籽油品质

2.2.1 油茶籽油的理化及营养指标(见表4)

表4 超临界CO2萃取法与有机溶剂提取法的油茶籽油品质对比

由表4可知，超临界CO2萃取油的酸价和过氧化值均达到GB/T 11765—2018规定的成品油茶籽油二级标准，而石油醚提取油的酸价超过规定范围。与有机溶剂提取法相比，超临界CO2萃取油酸价、过氧化值和皂化值都较低，α-生育酚、角鲨烯和β-谷甾醇的含量较高，色泽也更清亮。

2.2.2 油茶籽油的脂肪酸组成及含量(见表5)

表5 超临界CO2萃取法与有机溶剂提取法的油茶籽油脂肪酸组成及含量 %

由表5可知，油茶籽油中主要脂肪酸为棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸，含量由大到小分别为油酸>亚油酸>棕榈酸>硬脂酸。不饱和脂肪酸中亚麻酸和亚油酸是人体自身无法合成的，必须从外界摄入[23]。两种方法提取的油茶籽油中不饱和脂肪酸含量都非常高，分别为89.88%、89.70%，其中超临界CO2萃取油的多不饱和脂肪酸含量(11.15%)高于有机溶剂提取油(9.46%)的。油茶籽油中油酸含量最高，其含量多少直接影响油茶籽油的品质[24]。两种方法提取的油茶籽油的油酸含量都在80%左右，有机溶剂提取油的油酸含量(80.15%)较高，总体来看，两种方法提取油茶籽油的脂肪酸含量差别较小。

2.3 茶皂素性质

2.3.1 表面张力(见图5)

图5 不同质量浓度茶皂素溶液的表面张力

茶皂素是一种天然表面活性剂，表面张力是表面活性剂的重要参数。由图5可知，随着茶皂素溶液质量浓度的增加，其表面张力不断降低。整体来看，用超临界CO2萃取的茶皂素降低水溶液表面张力的能力比有机溶剂提取法的要好一些。有机溶剂提取法得到的茶皂素质量浓度为0.5 g/100 mL时，其表面张力降到最低，此时的茶皂素溶液质量浓度即为临界胶束浓度。而超临界CO2萃取得到的茶皂素溶液的表面张力还在下降，其临界胶束浓度比有机溶剂提取法的低。

2.3.2 接触角(见图6)

图6 不同质量浓度茶皂素溶液在石蜡板上的接触角

接触角用于表示液固界面湿润程度的指标，若接触角大于180°，则表示完全不湿润，大于90°则表示不湿润，小于90°说明固体被液体湿润或部分湿润。由图6可知，水的接触角为104°，不湿润，而茶皂素能显著降低液体的接触角，且接触角随茶皂素溶液质量浓度的增加而不断降低。不同方法所得茶皂素的湿润性不同，随着茶皂素溶液质量浓度增大，超临界CO2萃取的茶皂素溶液-石蜡界面的接触角下降较快，当茶皂素溶液质量浓度为1 g/100 mL时，超临界CO2萃取的茶皂素溶液-石蜡界面的接触角为60.61°，而有机溶剂提取法的为73.63°，表明超临界CO2萃取的茶皂素湿润性优于有机溶剂提取法的。

2.3.3 起泡性及乳化性(见表6)

表6 不同提取方法的茶皂素的起泡性及乳化性

起泡性是检验表面活性剂的一个重要指标，而泡沫稳定性是泡沫最重要的一个性质，泡沫稳定性越好，其在不同领域中的应用范围越广。

茶皂素的起泡力强，经振荡后能产生大量泡沫。实验以0.1%的茶皂素水溶液进行对比观察。由表6可知，超临界CO2萃取的茶皂素的泡沫体积为51 mL，比有机溶剂提取法的多6 mL，其起泡性明显较好。从静置5 min后的泡沫体积来看，两者泡沫都下降约13%，差别不大，泡沫稳定性相当。

乳化性即对固体微粒的分散作用，常用石蜡检测其乳化能力。由表6可知，两种方法得到的茶皂素的乳化能力相近，与传统方法相比，超临界CO2萃取的茶皂素乳化能力稍好一点。

3 结 论

通过单因素实验和响应面实验对超临界CO2萃取茶皂素的工艺进行优化，确定最佳工艺条件为：萃取温度45℃，萃取压力30 MPa，萃取时间3.5 h，夹带剂(乙醇)体积分数75%。在最佳条件下茶皂素萃取率为89.21%。

与有机溶剂提取法相比，超临界CO2萃取得到的残油理化性质较好、营养成分更为充分，其酸价、过氧化值和皂化值相比有机溶剂提取油相对较低，α-生育酚、角鲨烯和β-谷甾醇含量较高。

超临界CO2萃取的茶皂素与有机溶剂提取法的相比，其表面张力和湿润性更好，起泡性和乳化性也较好，可产生大量泡沫，泡沫稳定性两者相当。