超聲波輔助乙醇法提取茶皂素工藝優(yōu)化

杜志欣，張崇堅(jiān)，萬端極

（湖北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430068）

超聲波輔助乙醇法提取茶皂素工藝優(yōu)化

杜志欣，張崇堅(jiān)，萬端極

（湖北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430068）

以脫脂后的茶籽餅粕為原料，采用超聲波輔助乙醇法提取茶皂素，并用香草醛-濃硫酸顯色法測(cè)定茶皂素提取率。以茶皂素提取率為考核指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)確定最佳的提取工藝條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)80%、超聲波功率400W、超聲波作用時(shí)間40min、溫度50℃、液料比8∶1（mL∶g），在此條件下，茶皂素提取率達(dá)到13.27%。

茶皂素；乙醇；超聲波輔助提??；香草醛-濃硫酸顯色法

茶皂素是從茶籽餅粕中提取得到的一種五環(huán)三萜類糖苷化合物［1］，由三部分組成，分別為糖體部分、有機(jī)酸部分和皂苷元部分［2］。其分子結(jié)構(gòu)中有親水性的糖體和疏水性的苷元與有機(jī)酸，親水基和疏水基通過醚鍵連接。因此，茶皂素具有多種表面活性，如：分散、潤(rùn)濕、乳化、去污、穩(wěn)泡等［3－4］，被廣泛應(yīng)用于日化、農(nóng)藥、紡織、建材等行業(yè)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益［5］。

茶皂素主要通過水和有機(jī)溶劑進(jìn)行提取，但存在提取率低、能耗高、周期長(zhǎng)等缺陷。為降低能耗、提高提取率、縮短提取時(shí)間，作者在此采用超聲波輔助乙醇法提取茶皂素，并通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提取工藝條件，擬為茶籽餅粕中茶皂素的提取提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

茶籽餅粕產(chǎn)自湖北恩施。

茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品，阿拉丁生物技術(shù)有限公司；去離子水；石油醚、氫氧化鈉、濃硫酸、香草醛、無水乙醇，均為國(guó)產(chǎn)分析純。

UV-2550型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；HDM1000型調(diào)溫恒溫電熱套，常州國(guó)華電器有限公司；超聲波清洗機(jī)，深圳潔康洗凈電器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 茶皂素的提取工藝流程

茶皂素的提取工藝流程如下：茶籽餅粕→粉碎→過60目篩→脫脂→抽濾→超聲波輔助提取→離心→干燥。

1.2.2 提取工藝優(yōu)化

首先分別考察乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲波功率、超聲波作用時(shí)間、溫度、液料比（mL∶g，下同）對(duì)茶皂素提取率的影響；然后根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲波作用時(shí)間、溫度、液料比為考察因素，以茶皂素提取率為考核指標(biāo)，進(jìn)行L9（34）正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提取工藝。

1.2.3 茶皂素提取率的測(cè)定［6］

香草醛上的醛基可與茶皂素C3和C12上的羥基發(fā)生反應(yīng)形成縮醛，成為新的共軛體系而顯色［7］。因此，采用香草醛-濃硫酸顯色法測(cè)定茶皂素的含量：

1）溶液配制

8%香草醛溶液：香草醛0.8g溶于10mL無水乙醇中；77%硫酸溶液：濃硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%）77mL加到23mL去離子水中。

標(biāo)準(zhǔn)溶液：精密稱取經(jīng)80℃干燥至恒質(zhì)量的茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品23.5mg，置于50mL容量瓶中，加80%（體積分?jǐn)?shù)，下同）乙醇溶液適量使之溶解，稀釋到刻度，搖勻，即得。

供試溶液：精密稱取茶皂素樣品65.6mg，置于10 mL容量瓶中，加去離子水適量使之溶解，然后加去離子水稀釋到刻度，搖勻，即得。

2）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制［7］

取0.5mL標(biāo)準(zhǔn)溶液，準(zhǔn)確加入0.5mL的8%香草醛溶液，在冰水浴中加入4mL的77%硫酸溶液，搖勻，放入60℃水浴鍋中加熱15min，再放入冰水浴中冷卻10min，取出，以試劑為空白組，在紫外可見分光光度計(jì)上掃描，確定最大吸收波長(zhǎng)。

分別取標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1mL、0.2mL、0.3mL、0.4 mL、0.5mL、0.6mL，置于帶塞試管中，按上述方法加試劑反應(yīng)后，在最大吸收波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，建立回歸方程。

3）提取率的測(cè)定

取供試溶液0.5mL，置于帶塞試管中，按上述方法加試劑反應(yīng)后，加水定容至10mL容量瓶中，在最大吸收波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度。計(jì)算茶皂素的質(zhì)量濃度，按下式計(jì)算茶皂素提取率：

式中：c為茶皂素質(zhì)量濃度，μg·mL－1；V為茶皂素水提液的總體積，mL；n為茶皂素水提液的稀釋倍數(shù)；m為茶籽餅的質(zhì)量，mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 最大吸收波長(zhǎng)的確定（圖1）

圖1 茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品的紫外可見吸收光譜Fig.1 UV-Vis Absorption spectrum of tea saponin standard

由圖1可看出，茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品的紫外可見吸收光譜在550nm處有最大吸收峰。因此，確定最大吸收波長(zhǎng)為550nm。

2.2 茶皂素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

在550nm處測(cè)定不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，以吸光度（x）為橫坐標(biāo)、茶皂素質(zhì)量濃度（y）為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖2），擬合得回歸方程為y＝32.733x＋1.6642，R2＝0.9911。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素提取率的影響

圖2 茶皂素的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of tea saponin

在超聲波功率為400W、超聲波作用時(shí)間為30 min、溫度為50℃、液料比為8∶1的條件下，考察乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素提取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素提取率的影響Fig.3 Effect of ethanol volume fraction on extraction rate of tea saponin

由圖3可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，茶皂素提取率先升高后降低，在乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)提取率達(dá)到最高。這是因?yàn)?，增大乙醇體積分?jǐn)?shù)，可以減少蛋白、膠體等雜質(zhì)溶出，有利于茶皂素的溶出；但是茶皂素不溶于純的無水乙醇，乙醇體積分?jǐn)?shù)過大提取率反而降低［8］。因此，乙醇體積分?jǐn)?shù)以80%為宜。

2.3.2 超聲波功率對(duì)茶皂素提取率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%、超聲波作用時(shí)間為30 min、溫度為50℃、液料比為8∶1的條件下，考察超聲波功率對(duì)茶皂素提取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 超聲波功率對(duì)茶皂素提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on extraction rate of tea saponin

由圖4可知，隨著超聲波功率的增大，提取率逐漸上升，但在400W之后提取率幾乎不再上升。這是因?yàn)?，超聲波產(chǎn)生的空化作用有利于茶皂素從細(xì)胞壁中出來；但當(dāng)超聲波功率過大時(shí)，可能會(huì)破壞茶皂素的性質(zhì)［9］。因此，從降低能耗和得到高品質(zhì)茶皂素的角度考慮，超聲波功率以400W為宜。

2.3.3 超聲波作用時(shí)間對(duì)茶皂素提取率的影響

在超聲波功率為400W、乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%、溫度為50℃、液料比為8∶1的條件下，考察超聲波作用時(shí)間對(duì)茶皂素提取率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 超聲波作用時(shí)間對(duì)茶皂素提取率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic time on extraction rate of tea saponin

由圖5可知，隨著超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)，茶皂素提取率逐漸升高；當(dāng)超聲波作用時(shí)間達(dá)到30min后，茶皂素提取率幾乎達(dá)到平衡，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲波作用時(shí)間，提取率幾乎不變。綜合考慮能耗、提取周期等因素，超聲波作用時(shí)間以30min為宜。

2.3.4 溫度對(duì)茶皂素提取率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%、超聲波功率為400W、超聲波作用時(shí)間為30min、液料比為8∶1的條件下，考察溫度對(duì)茶皂素提取率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 溫度對(duì)茶皂素提取率的影響Fig.6 Effect of temperature on extraction rate of tea saponin

由圖6可知，隨著溫度的升高，茶皂素提取率先升高后降低，在溫度為50℃時(shí)茶皂素提取率達(dá)到最高。這是因?yàn)?，溫度升高，溶劑揮發(fā)較嚴(yán)重，溶液濃度幾乎達(dá)到平衡，可能導(dǎo)致部分茶皂素分解，果膠、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)凝固加快，從而阻止了茶皂素析出［10］。因此，溫度以50℃為宜。

2.3.5 液料比對(duì)茶皂素提取率的影響

在乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%、溫度為50℃、超聲波功率為400W、超聲波作用時(shí)間為30min的條件下，考察液料比對(duì)茶皂素提取率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 液料比對(duì)茶皂素提取率的影響Fig.7 Effect of liquid-solid ratio on extraction rate of tea saponin

由圖7可知，隨著液料比的不斷增大（即溶劑量的不斷增加），提取率逐漸升高；在液料比達(dá)到8∶1后，提取率基本保持不變。這是因?yàn)椋黾尤軇┝?，溶質(zhì)濃度越低，傳質(zhì)推動(dòng)力越大，提取速度就越快，茶皂素提取率就相應(yīng)升高。因此，液料比以8∶1為宜。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從節(jié)約能源和得到高品質(zhì)茶皂素的角度考慮，選用400W為正交實(shí)驗(yàn)最適超聲波功率，以茶皂素提取率為考核指標(biāo)，以乙醇體積分?jǐn)?shù)、超聲波作用時(shí)間、溫度、液料比為考察因素，進(jìn)行L9（34）正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提取工藝條件。正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平見表1，結(jié)果與分析見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

由表2可知，各因素對(duì)茶皂素提取率的影響大小順序?yàn)椋阂毫媳龋疽掖俭w積分?jǐn)?shù)＞超聲波作用時(shí)間＞溫度，最佳提取工藝條件為A2B3C2D2，即乙醇體積分?jǐn)?shù)80%、超聲波作用時(shí)間40min、溫度50℃、液料比8∶1。在此最佳條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，茶皂素提取率為13.27%，比正交實(shí)驗(yàn)的最高提取率略高，表明本實(shí)驗(yàn)確定的優(yōu)化條件是可行的。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiment

3 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)確定超聲波輔助乙醇法提取茶皂素的最佳工藝條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)80%、超聲波功率400W、超聲波作用時(shí)間40min、溫度50℃、液料比8∶1，在此條件下，茶皂素提取率達(dá)到13.27%。該法耗時(shí)短、提取率高，為茶皂素的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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Optimization of Extraction Process of Tea Saponin by Ultrasonic-Assisted Ethanol Method

DU Zhi-xin，ZHANG Chong－jian，WAN Duan-ji
（College of Resource and Environmental Engineering，Hubei University of Technology，
Wuhan 430068，China）

Tea saponin was extracted by ultrasonic-assisted ethanol method with camellia seed cake as raw material.Extraction rate of tea saponin was detected by vanillin-sulfuric acid colorimetry.Using extraction rate of tea saponin as index，the extraction conditions were optimized by single factor experiment and orthogonal experiment.The optimal extraction conditions were obtained as follows：ethanol volumn fraction 80%，ultrasonic power 400W，ultrasonic time 40min，temperature 50℃，and liquid-solid ratio 8∶1（mL∶g）.Under the optimal conditions，extraction rate of tea saponin was 13.27%.

tea saponin；ethanol；ultrasonic-assisted extraction；vanillin-sulfuric acid colorimetry

TQ 914.3 TS 229

A

1672-5425（2015）03-0056-04

10.3969/j.issn.1672－5425.2015.03.014

2014-11-04

杜志欣（1988－），女，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物提取，E-mail：duzhixin1989＠163.com；通訊作者：萬端極，教授。