多模式超声辅助提取茶皂素工艺条件研究

张雪莉， 洪 晨， 马海乐， 顾 晨， 欧阳宁宁， 罗 轩

(江苏大学食品与生物工程学院，镇江 212013)

油茶籽饼粕是利用对油茶籽生产茶油得到的油茶枯进行残油提取后最终产出的副产品。油茶粕中营养成分丰富，主要含有40%多糖、10%～15%茶皂素、15%粗蛋白、5%粗脂肪及多种氨基酸，是一种潜在价值很高的饲料原料[1]。茶皂素是一类齐墩果烷型五环三萜类皂苷混合物的总称，又称茶皂苷、皂苷、皂角苷[2]。茶皂素作为一类天然的表面活化剂，具有众多功效[3，4]，可广泛应用于日用化工(沐浴露、洗发露等)、纺织(天然洗涤剂)、食品等行业，其不仅具有优异的乳化、分散及发泡稳泡等性能，同时也具有溶血[5]、杀菌[6]、消炎抗渗[7]以及抗氧化[8]等生物活性。因此，提取油茶籽粕中的茶皂素，对于提高油茶籽粕的经济价值，有着重大的现实意义。

近年来，国内外众多学者对茶皂素的提取工艺技术进行了大量研究，主要有水提法[9]、醇提法[10]、微波辅助提取法[11，12]、超临界CO2萃取法[13]等。水提法杂质较多，易将蛋白质、糖类一并提取出来，造成茶皂素纯度低，且提取液易变质，不易保存。醇提法试剂消耗大，成本高。超声波辅助提取利用超声波产生的机械、空化等综合效应，破坏细胞壁，增加溶剂的穿透力，加速细胞内有效成分向溶剂转移，可提高提取物的提取率，减少提取时间，保存生物活性，是一种高效、绿色、安全的提取技术[14，15]。目前国内外对于茶皂素提取的研究技术超声模式单一，关于超声模式的筛选鲜见报道。

本实验以油茶籽饼粕为研究对象，在超声辅助提取下，以乙醇为提取剂，考察超声模式、功率密度、乙醇体积分数、温度、超声时间和料液比等因素对提取工艺的影响，并对茶皂素的基础特性进行研究，为茶皂素的进一步应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

油茶籽饼粕，茶皂素标准品(纯度≥98%)，香兰素、乙醇和浓硫酸等试剂均为分析纯。

三频容器式超声设备为自主研制，DL-5C离心机，T-6新世纪可见分光光度计，HH-4数显恒温水浴锅。

1.2 试验方法

1.2.1 茶皂素的提取及含量测定

三频容器式超声辅助提取茶皂素，提取液4 000 r/min离心10 min，取上清液测定得率。用香草醛-浓硫酸显色法测定溶液中茶皂素含量[16]。取稀释后上清液0.5 mL，加入8%的香草醛溶液(0.8 g香草醛溶于10 mL无水乙醇)0.5 mL，在冰水浴中加入4 mL 77%硫酸溶液，摇晃均匀后，恒温 60 ℃水浴中加热 15 min，取出冷却至室温，以试剂为空白，用 1 cm 比色皿在 550 nm 波长下用紫外-可见分光光度计测定吸光度。以茶皂素标准品绘制标准曲线。按式(1)计算茶皂素得率。

(1)

式中：T为茶皂素得率/%；c为茶皂素质量浓度/mg/mL；V为样液体积/mL；N为稀释倍数；m为油茶籽饼粕质量/mg。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 超声模式的筛选

以茶皂素得率为指标，筛选三频容器式超声的最优工作模式，见表1。其他实验为超声功率密度50 W/L，以1∶12(g/mL)料液比添加75%乙醇，50 ℃提取30 min，间歇时间比10 s/5 s。4 000 r/min离心10 min，取上清液测定得率。

表1 超声工作模式筛选/kHz

1.2.2.2 超声提取参数优化

在最优超声模式下，分别以超声功率密度、乙醇体积分数、温度、超声时间和料液比为单因素进行逐步优化试验，考查各因素对其提取效果的影响。因素设计水平见表2。

表2 因素设计水平

1.2.3 傅里叶变换红外光谱分析

参考邓志宇[17]方法，分别将超声样品与浸提样品进行傅里叶变换红外光谱扫描。以KBr为背景，扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描32次。

1.2.4 茶皂素起泡性和稳泡性测试

利用手摇法测定溶液的起泡性。配制一系列质量分数为0.01%～1.00%的起泡剂溶液，溶液体积均为100 mL，倒入1 000 mL具塞量筒中，以量筒中部为中心，上下180°颠倒60次(30 s)，垂直放在实验台上，静置。记录起泡体积V0和30 min后的泡沫体积V30，并计算泡沫稳定指数FSI[18，19]，计算公式见式(2)：

FSI=V30/V0

(2)

1.3 统计学分析

采用SPSS统计软件进行统计分析，数据以平均值±标准偏差(SD)表示，多组间差异比较采用单因素方差分析(ANOVA)及Duncan显著性检验。

2 结果和讨论

2.1 超声模式对茶皂素得率的影响

从图1中可看出，超声辅助提取可以显著提高油茶籽饼粕中茶皂素的提取率，且不同超声模式下超声提取效果有显著性差异。从整体提取效果分析，三频顺序式超声>双频同步超声>三频同步超声>双频顺序超声>单频超声。其中20、40、28 kHz顺序超声和20、50、35 kHz顺序超声模式下提取率最高，可到达(23.81±1.81)%和(23.92±2.64)%，较其他模式下的提取率有显著差异性(P<0.05)。因此，选择20、50、35KHz顺序超声模式进行后续实验。

2.2 超声功率密度对茶皂素得率的影响

如图2所示，随着功率密度增大，茶皂素得率呈现先增加后下降又回升的趋势， 30 W/L后，得率开始下降，40 W/L后又逐渐增加。原因可能是在一定功率密度范围，相较而言不利于茶皂素提取。功率密度过小，不足以破坏细胞壁，亦不利于提取。由此可知，超声辅助提取并不是功率密度越大越好，应选择适当的功率密度。综上，20 W/L、30 W/L和50 W/L时得率相差无显著性差异，分别为22.72%、23.46%和23.73%，从能耗上考虑，选择20 W/L的功率密度进行后续实验。

图2 不同条件对茶皂素得率的影响

2.3 乙醇体积分数对茶皂素得率的影响

从图2可知，茶皂素得率随着乙醇体积分数增加而增加，可能是乙醇浓度增大，有利于茶皂素的溶出。但是当乙醇体积分数大于60%后，茶皂素得率增长缓慢，60%到80%乙醇体积分数下的得率没有显著性差异，这可能是因为原料中的茶皂素已被充分提取。从能耗上和提取纯度上考虑，仍选择75%乙醇进行后续提取。

2.4 超声温度对茶皂素得率的影响

由图2可知，茶皂素得率随着提取温度升高而增加，可能是因为温度升高使物料的细胞壁疏松，更容易被超声波的空化作用破坏，使茶皂素溶出。但60 ℃后，茶皂素得率有所下降，可能是高温联合超声效应，使茶皂素的糖基被破坏致使茶皂素得率下降。因此选择60 ℃为最佳提取温度。

2.5 超声时间对茶皂素得率的影响

如图2所示，在20 min之前，茶皂素的得率随着时间增加而增加。但在20 min以后，茶皂素得率上下波动，并无增加。原因可能是，在20 min时，茶皂素的提取率已达到最大值(22.83±1.74)%。因此，超声辅助提取20 min即可。

2.6 料液比对茶皂素得率的影响

结果见图2，在料液比1∶10 时，茶皂素得率最大(22.79±1.16)%，但随着料液比增加，得率呈现降低的趋势。原因可能是过多的乙醇水溶液，会稀释茶皂素含量。从节约资源和得率上考虑，选择1∶10料液比最佳。

图1 不同超声模式对茶皂素得率的影响

2.7 傅里叶变换红外光谱分析

图3 茶皂素的傅里叶红外光谱

2.8 起泡性和稳泡性试验

从图4可看出，超声与未超声提取的茶皂素起泡性和稳泡性相差不大。随着茶皂素浓度的增加，起泡力增强，并且开始时的发泡体积和30 min后的发泡体积没有很大差别，说明茶皂素的泡沫稳定性强。因此，超声提取对茶皂素的起泡性和稳泡性的影响较小。

图4 茶皂素的起泡性和稳泡性

3 结论

本研究采用超声波辅助法提取油茶籽饼粕中茶皂素，通过单因素实验得出最佳超声提取条件为20、50、35 kHz顺序交替模式，功率密度20 W/L，温度60 ℃，提取剂为75%乙醇、料液比1∶10(g/mL)、提取时间20 min，此时茶皂素得率为(22.79±1.16)%。

对所提取的茶皂素进行基础特性研究，结果表明超声辅助提取技术未对茶皂素结构以及其起泡性和稳泡性有显著性影响。因此，在提取油茶籽粕中的茶皂素时，超声辅助提取法具有在不伤害茶皂素自身性质的前提下提高提取率、显著缩减提取时间、提高样品纯度等优点，是一种高效的提取方法。