響應(yīng)面優(yōu)化油茶果殼中皂苷的微波提取工藝

高子涵 陳健 吳友根

摘 要 以油茶果殼為原料，采用微波浸提的方法對油茶果殼中皂苷進行提取分離，并對其提取工藝采取響應(yīng)面法優(yōu)化，以期獲得較高提取率。以提取時間（min）、乙醇濃度（%）、微波功率（W）為3個參數(shù)為自變量，以油茶皂苷的提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法，探究提取時間、乙醇濃度及微波功率等因素對油茶皂苷提取率的影響，確定最佳工藝條件為：固定料液比為1：8（g/mL），提取時間為8 min，乙醇濃度為55%，微波功率為600 W，驗證實驗油茶皂苷的提取率為5.68%。優(yōu)化油茶皂苷提取的工藝條件，對其工業(yè)生產(chǎn)及油茶果殼的綜合利用均有重要價值。

關(guān)鍵詞 油茶果殼 ；微波 ；油茶皂苷 ；響應(yīng)面法

中圖分類號 TS225.1 文獻標(biāo)識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2019.02.014

Abstract Fruit hulls of oil tea （Camellia oleifera） were used as raw material to extract and separate saponins by microwave extraction， and the extraction process was optimized by response surface method in order to obtain higher extraction rate. The extraction time （min）， ethanol concentration （%） and microwave power were set as three independent variables， and the extraction rate of saponins was set as the response value. The Box-Behnken experimental design was applied to explore the effect of extraction time， ethanol concentration and microwave power interaction on the extraction rate of saponins， based on which the optimum conditions for the extraction were determined. The extraction rate of saponins was verified to be 5.68% under the designed optimum conditions that the ratio of solid to liquid was 1：8 （g/mL）， extraction time 8 min， ethanol concentration 55%， microwave power 600 W. Optimizing the extraction conditions of Camellia saponins has an important value for industrial production of saponins and comprehensive utilization of oil tea hulls.

Keywords Camellia oleifera fruit hull ； microwave ； saponins ； response surface method

油茶是中國特有的木本油料植物，主要分布在廣西、廣東、湖南、江西及福建等省份[1]，油茶籽經(jīng)榨油后得到高品質(zhì)食用油——茶籽油，其富含多種維生素及生理活性物質(zhì)，具有豐富的營養(yǎng)價值及保健功能[2]。然而在茶油需求量急劇增大的同時，也產(chǎn)生了大量油茶果殼。經(jīng)研究表明，中國年產(chǎn)油茶籽約100萬t[3]，而油茶果殼占整個油茶果重量的55%，其中茶皂素含量為 8%～12%，這些果殼基本被廢棄或遭到焚燒處理，造成資源浪費和環(huán)境污染，因此研究油茶果殼中皂苷的提取工藝具有很高的研究意義。

茶皂素屬于五環(huán)三萜類的皂苷類化合物[4]，是一種HLB值等于16的性能優(yōu)良的天然表面活性劑[5]，具有良好的濕潤、擴散、起泡等能力[6]，并且在除污以及O/W型乳化方面具有良好的活性[7]，同時能夠起到防滲、止疼、消炎、抗癌等功效，還能有效的保護蛋白質(zhì)、纖維素等不受損傷，可在醫(yī)藥、食品、化工、紡織等行業(yè)廣泛應(yīng)用，非常具有開發(fā)價值[8-9]。而目前所采取的提取方法大多為有機溶劑或水溶液等提取，這些方法普遍存在不同程度地提取率偏低、需要大量試劑、且加工時間較長等問題[10]。

微波輔助浸提是由傳統(tǒng)有機溶劑萃取與微波相結(jié)合形成的新型技術(shù)[11]，與傳統(tǒng)提取技術(shù)相比，微波浸提操作簡單，提取時間短，且提取率高，雜質(zhì)含量少[12]，具有便捷、快速、高效、節(jié)約溶劑、無污染等優(yōu)點，成為天然產(chǎn)物提取的有力工具[13]。

本試驗以油茶皂苷的提取率為觀測值，對微波輔助浸提油茶果殼中的皂苷進行研究，并采用響應(yīng)面設(shè)計法優(yōu)化其提取工藝，以期提高油茶果殼的綜合利用。

1 材料與方法

1.1 材料

果殼原料為海南油茶果殼；雙圈定性濾紙（中速）購自通用電氣生物科技杭州有限公司；乙醇（95%）購自西隴科學(xué)股份有限公司，分析純；香草醛購自天津市永大化學(xué)試劑有限公司，分析純；硫酸購自廣州化學(xué)試劑廠，分析純。

NN-GF539H 微波爐（松下）；SHB-Ⅲ 循環(huán)水式多用真空泵；IKA-RV10 基本型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；HH-4 數(shù)顯恒溫水浴鍋；752N 紫外可見分光光度計；Master-S15 UVE實驗室純水系統(tǒng)。

1.2 方法

1.2.1 試驗流程

油茶果殼原料→粉碎、脫脂、過篩→油茶果殼粉末→乙醇溶液輔助微波提取→抽濾→干燥→油茶皂苷

1.2.2 油茶皂苷的提取

將油茶果殼經(jīng)粉碎機粉碎至細(xì)粉，過40目篩，置于干燥避光環(huán)境下保存。稱取5.0 g果殼細(xì)粉，與一定量乙醇溶液均勻混合，在一定時間內(nèi)置于微波條件下浸提，微波后溶液進行抽濾得濾液，重復(fù)3次，將3次抽濾所得濾液完全脫水干燥，即為油茶皂苷。

1.2.3 油茶皂苷含量的測定[14]

將微波浸提后3次抽濾所得溶液定容至250 mL，精確吸取此溶液0.5 mL于干凈試管中，加入8% （m/V）香草醛溶液0.5 mL，冰水浴冷卻后加入77% （V/V）H2SO4 4.0 mL，混合均勻，在60℃下加熱15 min 后，于冰水浴中冷卻10 min，放置室溫，把液體移入玻璃比色皿中，以蒸餾水為對照，在550 nm處測量其吸光度，以油茶皂苷的濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制曲線（圖1），得到線性回歸方程為y=0.484x+0.068 8，R2=0.995 4，計算油茶皂苷的提取率。

1.2.4 單因素試驗

1.2.4.1 提取時間的選取

在恒定微波功率為1，料液比（g：mL）為1：6，提取劑乙醇濃度為50%的條件下，分別選取提取時間為2、4、6、8、10 min，以1.2.3中的方法測定油茶皂苷的提取率。

1.2.4.2 料液比的選取

在恒定微波功率為1，提取時間為8 min，提取劑乙醇濃度為50%的條件下，分別選取料液比為1：6、1：8、1：10、1：12、1：14，以1.2.3中的方法測定油茶皂苷的提取率。

1.2.4.3 乙醇濃度的選取

在恒定微波功率為1，提取時間為8 min，料液比（g：mL）為1：8的條件下，分別選取提取劑乙醇濃度為50%、60%、70%、80%、90%，以1.2.3中的方法測定油茶皂苷的提取率。

1.2.4.4 微波功率的選取

在恒定提取劑乙醇濃度為50%，提取時間為8 min，料液比（g：mL）為1：8的條件下，分別選取微波功率為200、400、600、800、1 000 W，以1.2.3中的方法測定油茶皂苷的提取率。

1.2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝

運用Design Expert 8.06軟件，以油茶皂苷的提取率為響應(yīng)值，以提取時間（A）、乙醇濃度（B）、微波功率（C）為3個因素，根據(jù)Box-Behnken 實驗原理，進行三因素三水平試驗設(shè)計（表1），考察因素之間的相互作用對響應(yīng)值的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波輔助浸提油茶皂苷單因素試驗

2.1.1 不同提取時間對油茶皂苷提取率的影響

由圖2可知，初始階段隨著微波提取時間的增加，油茶皂苷的提取率呈明顯增長趨勢，當(dāng)提取時間為8 min時，油茶皂苷的提取率達到峰值，為5.43%，繼續(xù)增加提取時間，油茶皂苷的提取率開始下降[15]。延長微波提取時間有利于果殼內(nèi)部油茶皂苷的溶解及擴散完全，而當(dāng)油茶皂苷達到一定的濃度后，傳質(zhì)動力減小，浸提速度下降[16]，不僅無法提高皂苷提取率，還會增加能耗，延長加工時間，因此選擇8 min為最優(yōu)微波提取時間[17]。

2.1.2 不同料液比對油茶皂苷提取率的影響

由圖3可知，隨料液比增大，油茶皂苷的提取率逐步增高，當(dāng)料液比為1：8時，提取率達到最高，為6.52%，之后隨著料液比的增大，皂苷提取率呈現(xiàn)逐步下降趨勢。高料液比有利于產(chǎn)生較大傳質(zhì)推動力[18]，加快溶液浸提速度，縮短浸提時間，但同時也會降低溶質(zhì)在浸提液中的濃度[19]，因此1：8為最優(yōu)料液比。

2.1.3 提取劑的不同濃度對油茶皂苷提取率的影響

由圖4可知，隨著提取劑乙醇溶液濃度的升高，油茶皂苷呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在乙醇濃度為50%時油茶皂苷提取率最高，為6.52%。提取劑的極性決定了提取物溶解性的大小，而不同濃度的乙醇溶液具有不同大小的極性[20]，又因為乙醇溶液和油茶皂苷互不相溶，較高濃度的乙醇溶液可加快蛋白質(zhì)、單寧等雜質(zhì)的凝固，抑制皂苷的溶解，降低油茶皂苷的提取率[20]，故50%為最優(yōu)乙醇濃度。

2.1.4 不同微波功率對油茶皂苷提取率的影響

由圖5可知，隨著微波功率的增大，油茶皂苷的提取率逐步下降，在微波功率1檔時油茶皂苷的提取率達到峰值，為6.52%。微波加熱是對物體由內(nèi)向外的加熱，微波穿透物質(zhì)，使其內(nèi)部發(fā)生摩擦震動，由于油茶果殼粉組分對微波的選擇吸收，使目標(biāo)皂苷可從中脫離[21]。同時微波加熱迅速，縮短了加熱時間，提高油茶皂苷的提取率，而微波功率也會過大時，熱效應(yīng)會破壞茶皂素結(jié)構(gòu)，也導(dǎo)致提取劑乙醇的溫度迅速升高，造成溶液暴沸現(xiàn)象[22]。因此，微波功率為1檔為最優(yōu)微波功率。

2.2 響應(yīng)面模型建立及顯著性分析

響應(yīng)面法設(shè)計的三因素三水平方案及結(jié)果見表2，方差分析見表3。

經(jīng)Design Expert V 8.0.6.1軟件對表2實驗結(jié)果進行多元回歸擬合分析，得到油茶皂苷提取率與提取時間（A）、乙醇濃度（B）、微波功率（C）之間的回歸方程模型為：茶油皂苷提取率/%=4.75-0.34×A+0.32×B+0.36×C-0.035×AB-0.28×AC+0.053×BC-0.014×A2-0.064×B2+3.500E-003×C2。

由表3可知，模型的F值為109.85，顯著性水平達p<0.000 1，表明模型極顯著，能較好的反應(yīng)響應(yīng)值與因素間的關(guān)系，具有一定的統(tǒng)計學(xué)意義；方程的R2=0.925 5，說明方程擬合程度較好，92.55%的實驗數(shù)據(jù)可用該模型解釋，可信度較高；RAdj=0.983 9，說明該方程反應(yīng)油茶皂苷與提取時間、乙醇濃度及微波功率三因素之間存在較為顯著的線性關(guān)系，此三因素決定了98.39%的提取率變化；Cv=1.19%，說明該試驗過程較穩(wěn)定可靠；失擬項F值為2.23，其p=0.227 5>0.05，說明失擬項不顯著，模型擬合較好，預(yù)測準(zhǔn)確度較高。

根據(jù)表3的F值及顯著水平p可以看到，模型中A，B，C，AC對響應(yīng)值Y的影響均為極顯著，說明提取時間、乙醇濃度和微波功率3個因素之間對油茶皂苷提取率既有極顯著影響；根據(jù)F值可判斷，對油茶皂苷提取率的影響為：微波功率>提取時間>乙醇濃度。

2.3 響應(yīng)面模型及交互作用分析

油茶皂苷提取率的響應(yīng)面圖見圖6，反映了各因素之間的交互作用對油茶皂苷提取率的影響。通過F值可知，AC偏回歸系數(shù)的顯著水平p<0.000 1，說明提取時間與微波功率的交互項對油茶皂苷的提取率有極顯著影響； 而AB、BC偏回歸系數(shù)p>0.05，即提取時間與乙醇濃度的交互項，乙醇濃度與微波功率的交互項均對油茶皂苷的提取率無顯著影響。

由圖6可知，油茶皂苷的提取率隨提取時間的減少及微波功率的增加而提高，該響應(yīng)面圖形曲線陡峭，等高線呈橢圓形，表明兩因素交互作用明顯；隨提取時間和乙醇濃度的改變，及微波功率和乙醇濃度的改變對油茶皂苷提取率的影響較小，曲線平緩，等高線近似直線，表明兩因素交互作用不明顯，影響不顯著。

2.4 最佳油茶皂苷提取率條件的確定

通過響應(yīng)面實驗設(shè)計法優(yōu)化油茶皂苷提取率，得到理論最佳提取條件：提取時間6.01 min；乙醇濃度56.43%；微波功率556 W，此條件下油茶皂苷的提取率為5.68%。

通過實驗驗證理論最佳條件的可靠性，為便于操作，將上述工藝條件修改為：提取時間6 min；乙醇濃度55.00%；微波功率600 W。根據(jù)此條件進行微博浸提油茶皂苷實驗，重復(fù)3次，實際測得油茶皂苷提取率為（（5.66±1.77）%，與理論值的相對誤差為0.35%，故建立的模型基本符合實際情況。

3 結(jié)論

本研究通過微波輔助乙醇溶液浸提油茶皂苷，利用響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù)，得到最佳工藝提取條件為：料液比為1：8的條件下，提取時間6 min，乙醇濃度55%，微波功率600 W。在驗證優(yōu)化工藝提取條件的實驗中，油茶皂苷的提取率為（5.66±1.77）%。通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，模型與試驗擬合較好，表明通過響應(yīng)面法得到的回歸方程可較好預(yù)測試驗結(jié)果，且在優(yōu)化工藝條件下采用微波浸提的方法可有效提高了油茶皂苷的提取率。本研究結(jié)果對油茶果殼中油茶皂苷的工業(yè)化生產(chǎn)具有較大意義。

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