微乳液法同步萃取茶油和皂素的工艺条件优化

刘汝宽 田莞尔， 易有金 肖志红 李昌珠

(湖南省林业科学院省部共建木本油料资源利用国家重点实验室1，长沙 410004) (湖南农业大学食品科学技术学院2，长沙 410128)

油茶在我国有着极其广阔的种植面积，是重要的高品质油脂原料[1-3]，因其富含油脂及多种活性物质，目前主要是利用冷榨法[4，5]来提取茶籽油，所剩余的茶籽饼中仍残留茶油及多种天然活性成分，若将其废弃，则会造成严重的资源浪费。目前茶籽饼残留成分的提取多采用单独一步或分布联用，工艺存在目标成分单一，操作复杂及加工工序较长的问题。因此，有必要寻找流程简短、操作方便且耗能低的提取方法[6]。

基于茶籽饼中的物质组成特点，利用正丁醇的水溶液作为复合溶剂作用于茶籽饼，达到了同步高效萃取茶油及茶皂素的目的[7]，因此可确定，含水正丁醇混合溶剂是一种能实现亲水亲油功能的双亲复合溶剂，正丁醇的水溶液之所以能达到同步萃取的目的，主要是因为茶油与茶皂素在正丁醇-水溶液体系内的两相中具有不同的溶液特性，利用油料原料中的非油成分对油和水“亲和力”的差异与油水比重的不同，而将茶油及茶皂素等天然活性物质分离出来。而茶皂素作为天然表面活性剂，在一定条件下，以正丁醇作为助表面活性剂，与油相及水相构成能“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳体系，因此可以利用微乳化法增加体系对油相的溶解度，提高茶油的提取率[8]，并在提取过程中充分保护水溶性天然活性成分的活性。

本研究通过响应面实验，优化“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳体系的制备工艺条件。在此基础上，将优化工艺条件作用于冷榨茶籽饼萃取，利用正丁醇的水溶液同步提取茶油及茶皂素，通过计算产物提取率，对其应用效果进行评价。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粗皂素(质量分数为60.8%)、茶皂素标准样品、冷榨茶油、冷榨茶籽饼(油质量分数为10.7%，皂素质量分数为17.4%)；正丁醇、香兰素、浓硫酸、无水乙醇、石油醚：分析纯。

TDL5M型台式低速离心机，SZF-06A型粗脂肪测定仪，索氏提取装置，回流冷凝装置。

1.2 实验方法

1.2.1 微乳体系的制备及乳化效率的测定

采用加水法来制备“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳体系，即按一定的比例准确称取茶油、茶皂素及正丁醇，充分混合均匀后在恒温条件下进行磁力搅拌，边搅拌边缓慢滴加去离子水，当体系呈澄清透明状态时形成微乳液。然后继续往体系中滴加去离子水，直到体系出现破乳现象，并记录此时各组分的质量，计算得出乳化效率，其计算公式如下[9]：

式中：Em为乳化效率/%；m1为油相质量/g；m2为纯水质量/g；m3为表面活性剂质量/g；m4为助表面活性剂质量/g。

1.2.2 响应面实验设计

根据Box-Behnken中心组合设计原理，综合单因素实验结果，以温度、1/Km值、S/O值等3个因素为自变量，以乳化效率(%)为响应值，做三因素三水平的响应面优化实验[10]，其因素及水平设计见表1。

表 1 响应面实验因素和水平设计表

1.2.3 冷榨茶籽饼的预处理及成分分析

1.2.3.1 茶籽饼的预处理

用粉碎机将冷榨茶籽饼粉碎成粉末，过60目筛后将其置于烘箱中烘干，所得干燥粉末即为后续实验所需样品，将其密封保存，备用。

1.2.3.2 茶籽饼含油量的测定

按照国标GB/T 14488.1—2008，采用索氏提取法，对样品的含油量进行测定。

1.2.3.3 茶籽饼中皂素含量的测定

准确称取5 g经预处理的茶籽饼粉末，利用热回流法，加入20 mL 70%的乙醇溶液，在80 ℃温度条件下，提取样品中的茶皂素，将提取液经旋转蒸发浓缩直至其呈粘稠状态后，加20 mL蒸馏水充分震荡摇匀，对浓缩液进行溶解，然后再利用正丁醇对其进行萃取，在将正丁醇萃取液浓缩至干后，用70%乙醇将其至于100 mL容量瓶中定容，然后采用浓硫酸—香草醛法测定茶籽饼中皂素含量。

1.2.4 提取工艺设计及应用效果评价

取经预处理粉碎烘干后的茶籽饼粉末，基于响应面试验结果及茶籽饼中内含物含量设置微乳化萃取条件，称取正丁醇溶液与样品充分混合进行萃取；萃取完成后将萃取液过滤、旋蒸、减压蒸馏，分阶段收集茶皂素与茶油，计算其提取率，对其应用效果进行评价。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0进行数据统计与LSD方差分析，利用Origin Pro 8.5软件进行数据处理及做图。

2 结果与分析

2.1 响应面优化实验设计及结果

在已经开展的单因素实验基础上，以温度、1/Km值、S/O值等3个因素为自变量，以乳化效率为指标，考察三因素对“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳体系形成能力的影响，其结果见表2。本实验共有17组，其中有析因点13个，零点5个；5个零点为中心重复实验，用来估计误差。

表2 响应面优化实验结果

2.2 响应面实验结果分析

采用 Design-Expert 8.0.6.1软件，对表2所得的数据进行多元回归分析，得到以乳化效率(%)为目标函数的二次回归方程为：

Y=31.09+0.80A+0.23B+0.054C+0.080AB+0.45AC+0.070BC-3.04A2-1.43B2-0.55C2

在此基础上去除不显著项，综合P值分析，校正后的二元多次回归方程为：

Y=31.09+0.80A+0.23B+0.45AC-3.04A2-1.43B2-0.55C2

表3 回归方程系数显著性检验

分析结果表明，这3个因素对“正丁醇-水-茶油-皂素”体系乳化效率的影响大小顺序为：温度>Km值>S/O值，其中二次项因素A2、B2与C2为极显著(P<0.01)表明具有显著的曲线关系，且AC(温度-S/O值)对乳化效率有显著的交互作用(P<0.05)，而一次项C和交互项AB、BC(P>0.05)，无统计学意义。

2.3 响应面曲面分析

对于温度、Km值和S/O值3个影响因素，若固定某一因素值，其他两个因素值彼此会随着另外一个因素值的增大而呈现“先增大后减小”的现象，只是这种变化的幅度不同。

2.4 验证实验

2.4.1 模型验证

对以乳化效率为指标的二次多项方程求解，得到“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳液体系的最佳制备条件，即温度为76.40 ℃，1/Km值为161.79，S/O值为8.61∶1，在此条件下的乳化效率为30.42%。结合实际操作便利性，确定温度为77 ℃，Km值为1/160，S/O值为8.6∶1，进行验证实验，其乳化效率为29.79%，与预测值误差2.07%，其结果与模型预测吻合度高，从而验证了模型的有效性。

2.4.2 应用验证

实验原料茶籽饼中的油质量分数为10.7%、皂素质量分数为17.4%，即皂素与茶油的质量比为1∶0.62，实验中所采用的茶皂素质量分数为60.8%，经换算，以含水量为23.43%的正丁醇溶液作用于茶籽饼，设定料液比为1∶1.20、温度为77 ℃，进行微乳化萃取操作，得到茶油提取率为(93.61±1.67)%，茶皂素提取率为(56.28±1.21)%，具有较优的提取效率[6,11]。

3 结论

以乳化效率为指标，开展三因素三水平的微乳化萃取响应面优化实验，得到各因素对“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳体系形成能力的影响大小依次为：温度>Km值>S/O值，并且温度和S/O值对乳化效率有极显著的交互作用。优化得到最佳制备条件为：温度为76.40 ℃，1/Km值为161.79，S/O值为8.61∶1。响应面优化提高了微乳形成能力，其结果与模型预测吻合度高，这为同步提取茶籽榨饼中的油、皂素提供了理论依据。

以压榨茶籽饼(油质量分数为10.7%，皂素质量分数为17.4%)为原料，在最优条件下，用含水量为23.43%的正丁醇溶液进行微乳化萃取，得到茶油提取率为(93.61±1.67)%，茶皂素提取率为(56.28±1.21)%，该萃取方法显示出较优的提取效率。