超聲波-甲醇法提取茶皂素工藝研究

宗毅， 熊道陵， 李洋， 王露琦， 曹雪文， 歐陽少波， 楊家保

（江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州341000）

我國(guó)是茶葉的原產(chǎn)地，被譽(yù)為茶葉的故鄉(xiāng)，現(xiàn)如今有1．2萬km2油茶園，年產(chǎn)油茶籽180余萬t[1]．茶葉籽提油后產(chǎn)生大量的茶粕，茶粕中含有15%～22%的茶皂素[2]．茶皂素是一種五環(huán)三萜皂苷混合物，主要存在于山茶屬的植物中．這種物質(zhì)是一種天然的表面活性劑，在醫(yī)藥、日化、建材、農(nóng)藥等方面有廣泛的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀[3]．

現(xiàn)今傳統(tǒng)提取茶皂素的方法主要有水提法和有機(jī)溶劑浸提法．由于水提法存在能耗高、分離困難、純度低等缺點(diǎn)[4-5]，而有機(jī)溶劑浸提法又存在成本高、工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高等不足[6]，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷研究新的提取方法．許多方法都存在某些缺陷，例如：Ahmed等[7-8]用超聲波法提取茶皂素并將其應(yīng)用，考察了藥劑因素對(duì)提取工藝的影響，未綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)因素的影響．水提-臨界法提取茶皂素，效果較好，提取率相對(duì)較低[9]；分段分餾提取茶皂素提取率較高，工藝相對(duì)復(fù)雜[10]．微波輔助提取法工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高，存在微波泄漏對(duì)人體產(chǎn)生危害的風(fēng)險(xiǎn)[11]；超臨界提取法對(duì)設(shè)備要求高、提取產(chǎn)品分離工序復(fù)雜[12]；水酶法提取法對(duì)產(chǎn)品預(yù)處理要求嚴(yán)格、工業(yè)成本高、連續(xù)生產(chǎn)困難[13]．李佳橋等[14]利用超聲波輔助提取蓮房原花青素得率較好，張輝等[15]利用甲醇法提取茶皂素，提取時(shí)間較長(zhǎng)且提取溫度較高．

超聲輔助提取法是一種在傳統(tǒng)有機(jī)溶劑萃取法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興工藝，它具有提取時(shí)間短、能耗低、設(shè)備要求低、無污染、素純度高等優(yōu)點(diǎn)．文中擬在醇法提取茶皂素的基礎(chǔ)上加超聲波，有利于茶皂素的提取各項(xiàng)工藝參數(shù)的改進(jìn)，在茶皂素提取中的應(yīng)用較少，工業(yè)應(yīng)用前景廣闊[16-17]．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

茶粕（江西某茶油廠），茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品，無水甲醇、濃硫酸、香草醛、α-萘酚、無水乙醇、乙醚均為分析純．

1.2 試驗(yàn)儀器

DF-101S集熱式磁力攪拌器、KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器、UV-6300紫外可見分光光度計(jì)、R系列旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、SHB-B95型循環(huán)水式多用真空泵、Alpha傅里葉變換紅外光譜儀、FA224電子天平、CHB-6020真空干燥箱．

1.3 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取5．0000 g茶粕于50 mL的燒杯中，在超聲波的輔助作用下用不同濃度的甲醇為浸取劑．在一定料液比、提取溫度、提取時(shí)間下進(jìn)行反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束將燒杯在25℃下恒溫?cái)嚢杼崛?0 min．經(jīng)抽濾、洗滌、濾液濃縮后，放入45℃烘箱烘干．以傅里葉紅外光譜儀掃描茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品及樣品的吸收波譜[18]，采用香草醛-濃硫酸顯色法測(cè)定茶皂素含量[19]．

1.4 試驗(yàn)原理

超聲波是一種振蕩頻率20 kHz以上、超過人耳感受頻率范圍的彈性波[20-22]．超聲波在傳播過程中壓力的交替變化產(chǎn)生正壓和負(fù)壓，在壓力為負(fù)值時(shí)介質(zhì)中產(chǎn)生氣泡，即空化氣泡[23]．茶粕細(xì)胞中的空化氣泡在超聲波的頻率帶動(dòng)下達(dá)到達(dá)到共振，在聲波的稀疏階段，小氣泡快速膨脹變大．在聲波的壓縮階段，小氣泡又被快速絕熱壓縮，直到氣泡破滅．當(dāng)氣泡達(dá)到極限爆裂時(shí)，大量的能量瞬間從氣泡內(nèi)釋放出來，產(chǎn)生極高的溫度與超大的壓強(qiáng)．茶粕的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)被瞬間破壞，甲醇溶劑快速進(jìn)入細(xì)胞．在高溫與振動(dòng)的作用下，茶皂素加快了從細(xì)胞內(nèi)向甲醇中擴(kuò)散溶解的速度，這就是超聲波的空化作用[24-27]．試驗(yàn)原理如圖1所示．

圖1 超聲波空化效應(yīng)示意

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2．1．1 不同甲醇濃度對(duì)茶皂素提取的影響

在料液比1∶5、提取溫度40℃和提取時(shí)間20 min的條件下，分別考察濃度為60%、70%、80%、90%、99%的甲醇溶液對(duì)茶皂素提取率和純度的影響．其結(jié)果如圖2所示．

由圖2可以看出，茶皂素的提取率隨甲醇濃度的增加先升高后降低，在甲醇濃度超過90%時(shí)明顯降低，其純度隨著甲醇濃度的增加一直升高．主要是由于在浸提的過程中，茶粕中的茶多糖、蛋白質(zhì)及色素分子等水溶性物質(zhì)在甲醇濃度較低時(shí)易析出，提高甲醇溶液的濃度可降低這些分子的析出；茶皂素在高濃度甲醇中溶解度較低，但是甲醇濃度較高時(shí)的茶皂素溶液較容易處理，綜合考慮茶皂素的提取率和純度，選定90%的甲醇作為提取劑.

圖2 甲醇濃度對(duì)茶皂素提取的影響

2.1.2 不同料液比茶皂素提取的影響

在甲醇濃度90%、提取溫度40℃和提取時(shí)間20 min 的條件下， 分別考察 1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7的料液比對(duì)茶皂素提取效果的影響，其結(jié)果如圖3所示.

圖3 料液比對(duì)茶皂素提取的影響

由圖3可以看出，隨著料液比的減小，茶皂素的提取率和純度都不斷增大，當(dāng)料液比達(dá)到1∶5時(shí)，茶皂素提取率和純度增加速度變緩.因?yàn)榱弦罕鹊臏p小，可以增加茶皂素在甲醇溶液中的溶解量，同時(shí)，降低其在溶液中的濃度，增大傳質(zhì)動(dòng)力，有利于物質(zhì)的浸出；考慮到攪拌、抽濾等過程需要較小的料液比，在料液比1∶5之后提取率和純度變化趨于平緩，綜合考慮采用1∶5的料液比.

2.1.3 不同提取溫度對(duì)茶皂素提取的影響

在甲醇濃度90%、料液比1∶5和提取時(shí)間20 min，分別考察提取溫度為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃對(duì)茶皂素提取效果的影響，其結(jié)果如圖4所示.

圖4 提取溫度對(duì)茶皂素提取的影響

由圖4可以看出，隨著提取溫度的升高，茶皂素的提取率不斷升高，而純度先升高后降低，在40℃處純度最高.因?yàn)闇囟鹊纳?，溶液的溶解度增加，并且可以提高傳質(zhì)速率，有利于茶皂素溶出.隨著溫度超過40℃，繼續(xù)升高會(huì)引起茶皂素水解[20]；溶液中蛋白質(zhì)膠體化，果膠等凝固速度加劇，而且此過程是不可逆的；淀粉迅速糊化，體系的粘度增加，茶皂素釋放擴(kuò)散受阻，最終會(huì)導(dǎo)致溶液中雜質(zhì)含量增加，茶皂素純度下降，綜合考慮設(shè)備要求與經(jīng)濟(jì)效益，選擇40℃為最佳提取溫度.

2.1.4 不同提取時(shí)間對(duì)茶皂素提取的影響

在甲醇濃度90%、料液比1∶5和提取溫度40℃的條件下，分別考察提取時(shí)間為10 min、20 min、30 min、40 min對(duì)茶皂素提取效果的影響，其結(jié)果如圖5所示.

圖5 提取時(shí)間對(duì)茶皂素提取的影響

由圖5可以看出，隨著提取時(shí)間的增長(zhǎng)，茶皂素的提取率和純度逐漸上升.茶皂素在40 min之后是處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，隨時(shí)間的增加茶皂素水解越多，提取率和純度都會(huì)有所降低，且雜質(zhì)溶出越多，純度下降，能耗越大.所以綜合考慮選擇提取時(shí)間40 min為佳.

2．1．5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定提取茶皂素的最佳提取工藝及各因素對(duì)提取效果的影響大小，設(shè)計(jì)3水平4因素正交試驗(yàn)，因素水平見表1，A為甲醇濃度，B為提取溫度，C為料液比，D為提取時(shí)間．正交試驗(yàn)結(jié)果見表2．

表1 正交試驗(yàn)水平因素表

表2 茶皂素提取正交試驗(yàn)結(jié)果表

從表2中可以看出，超聲波提取茶皂素時(shí)，各因素對(duì)茶皂素提取率影響的大小為：A（甲醇濃度）＞B（提取溫度）=C（料液比）＞D（提取時(shí)間），在甲醇濃度90%，提取溫度50℃，料液比1∶7，提取時(shí)間40 min的條件下，茶皂素的提取率最高，對(duì)應(yīng)的最佳工藝條件為A2B3C4D2．各因素對(duì)茶皂素純度影響的大小為：A（甲醇濃度）＞ D（提取時(shí)間）＞ B（提取溫度）＞C（料液比），在甲醇濃度99%，提取溫度50℃，料液比1∶5，提取時(shí)間30 min的條件下，茶皂素的純度最高，對(duì)應(yīng)的最佳工藝條件為A3B3C1D1．甲醇濃度對(duì)提取率和純度的影響相對(duì)顯著．甲醇濃度90%時(shí)提取的茶皂素純度雖然不及99%時(shí)甲醇溶液提取的茶皂素純度高，但是較為接近，且提取率大得多，因此，甲醇濃度選擇90%．溫度30℃時(shí)提取率和純度都較高，和最高值相差較少，且考慮到減少能源消耗，所以選擇30℃．料液比對(duì)純度的影響較小，因此選擇提取率最高的1∶7．提取時(shí)間對(duì)提取率的影響較小，且考慮到減少溶劑損失，因此選擇提取時(shí)間30 min．在綜上考慮和分析下，選取茶皂素適宜的提取工藝條件為A2B1C3D1，即甲醇濃度90%，提取溫度30℃，料液比1∶7，提取時(shí)間30 min．在此條件下進(jìn)行3組穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到茶皂素的平均提取率為96．21%，平均純度為59．3%．雖然選取的工藝條件并不是最佳工藝條件，但從能耗、溶劑損耗等方面考慮，更有利于實(shí)際應(yīng)用，是較為適宜的工藝條件．

2.2 檢 測(cè)

2．2．1 Molish 反應(yīng)

圖6顯示出茶皂素與10%萘酚-濃硫酸的反應(yīng)，茶皂素水解、脫水形成呋喃環(huán)結(jié)構(gòu)化合物糠醛及其衍生物，與α-萘酚縮合生成紫紅色的化合物，在圖6中呈現(xiàn)紫紅色環(huán)．表明樣品中含有糖類結(jié)構(gòu)的化合物，初步判定提取的化合物為茶皂素．

圖6 茶皂素與10%萘酚-濃硫酸反應(yīng)

2．2．2 茶皂素紅外光譜鑒定

圖7紅外光譜圖顯示出茶皂素標(biāo)準(zhǔn)樣品和茶皂素樣品的曲線，可以看出茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品和提取樣品的紅外光譜圖．在特征譜帶區(qū)，3450～3200 cm-1有羥基特征峰；2930～2850 cm-1有亞甲基的特征峰；2500～1900 cm-1左右沒有明顯的吸收峰，說明在2500～1900 cm-1左右沒有三鍵和累積雙鍵；1750～1620 cm-1處有羰基的特征峰；在1400cm-1和1416cm-1處分別為-CH2-的特征峰.在指紋區(qū)，1262 cm-1處左右有C-O-H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰；在1078 cm-1和1046 cm-1處有C-O-C的伸縮振動(dòng)峰.茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品和茶皂素樣品的主要吸收峰基本一致，可以判斷樣品中含有茶皂素.

圖7 茶皂素紅外光譜圖

3 結(jié) 論

通過研究，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上借助進(jìn)行正交試驗(yàn)對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用超聲波-甲醇法從茶粕中提取茶皂素，研究了甲醇濃度，提取溫度，料液比，提取時(shí)間等對(duì)提取率和提取純度的影響，結(jié)果表明，最適宜的工藝條件為甲醇濃度90%、提取溫度30℃、料液比1∶7和提取時(shí)間30 min.提取的茶皂素顏色為棕黃色結(jié)晶，樣品經(jīng)過Molish反應(yīng)、紅外光譜檢測(cè)鑒定，所提取的物質(zhì)主要為茶皂素，且最適宜工藝條件下的提取率為96.21%，茶皂素純度為59.3%.