超聲-水浸提茶皂素及茶皂素水溶液應(yīng)用研究

戚曉陽， 張頌培

（北京工商大學食品學院，北京 100048）

超聲-水浸提茶皂素及茶皂素水溶液應(yīng)用研究

戚曉陽， 張頌培*

（北京工商大學食品學院，北京 100048）

以油茶籽粕為原料，采用超聲-水浸提法提取茶皂素，利用單因素實驗和正交試驗法，探討了茶籽粕顆粒粒度、料液比、超聲浸提時間和超聲浸提溫度四個因素對茶皂素得率的影響.結(jié)果表明：茶籽粕顆粒粒度、超聲提取時間和超聲提取溫度對茶皂素得率均有極顯著影響，料液比對茶皂素得率有顯著影響.其較佳提取條件為：茶籽粕顆粒粒度為60～100目，料液比為1∶9，超聲提取時間為40min，超聲提取溫度為50℃，此條件下茶皂素得率為21.32%.測定水提得到的茶皂素溶液的表面張力，并對應(yīng)用茶皂素水溶液生產(chǎn)綠色天然的日化產(chǎn)品進行了分析展望.

茶籽粕；茶皂素水溶液；超聲-水浸提

茶皂素具有乳化、分散、潤濕、去污、發(fā)泡、穩(wěn)泡等多種表面活性，是一種性能優(yōu)良的天然非離子表面活性劑，被廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥、建筑、化妝品等領(lǐng)域［1-3］.國家林業(yè)局2010年數(shù)據(jù)顯示，我國茶粕（含10%～15%茶皂素［4］）產(chǎn)量為75.6萬t，而年產(chǎn)茶皂素僅2萬t.目前大量的茶皂素卻隨茶粕一起被用作清塘劑、肥料、燃料等，造成了資源的嚴重浪費.因此，尋找一條易于工業(yè)化生產(chǎn)茶皂素的工藝途徑是當務(wù)之急.

茶皂素的提取主要有水提［5］和有機溶劑浸提兩種方法［6］，另外還有一些在此基礎(chǔ)上結(jié)合新興技術(shù)手段發(fā)展起來的新方法［7-8］.水提法得到的提取液分離茶皂素困難，生產(chǎn)周期長，能耗較大，且長時間的熱水浸提對茶皂素有一定的破壞作用［9］.有機溶劑提取茶皂素工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高，溶劑消耗量大，生產(chǎn)成本高［10］.

超聲波作用于料液時產(chǎn)生空化效應(yīng)，強大的壓力瞬間破壞了茶籽細胞壁，同時超聲波產(chǎn)生的振動加強了其細胞內(nèi)物質(zhì)（比如茶皂素、單寧等）的釋放、擴散及溶解，且生物活性保持不變［11］.將超聲應(yīng)用于水浸提茶皂素中，無化學溶劑使用，綠色環(huán)保，同時縮短茶皂素提取時間，減少能耗，提高了茶皂素的得率.

當前，對于茶皂素的應(yīng)用主要集中于對茶皂素干燥后粉末的利用，各種干燥方法，如熱干燥［12］、真空干燥［13］、噴霧干燥［14］等耗能高，且對加工設(shè)備要求高，不適宜于工業(yè)化生產(chǎn).本實驗致力于研發(fā)一條直接應(yīng)用茶皂素水溶液生產(chǎn)日化用品的新途徑.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茶籽粕，購于浙江金華市木春貿(mào)易有限公司.烘干、粉碎，分別過30，60，100，140，300目篩，密封備用；實驗用水為去離子水.

分析天平，北京賽多利斯儀器有限公司；標準檢驗篩，浙江上虞市公路儀器廠；SK2510HP型科導(dǎo)超聲清洗儀，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司；HH·SY21-Ni4型一列二孔水浴鍋，北京市精科華瑞儀器有限公司；XYJ80-1型電動離心機，江蘇金壇市恒豐儀器廠；鼓風干燥箱，德國Binder公司；數(shù)字式微壓差測量儀，南京大學應(yīng)用物理研究所.

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

茶籽粕粉碎→過篩→超聲提取→離心→過濾→烘箱干燥→茶皂素含量測定→茶皂素溶液表面張力測定.

1.2.2 操作要點

1）超聲提取.固定超聲功率為100W，超聲頻率為59 kHz.按料液比加入一定體積的去離子水，在提取過程中選擇有蓋的容器防止水分蒸發(fā).嚴格控制好超聲溫度.

2）離心.4 000 r/min離心5min，取上清液.將沉淀以2mL去離子水清洗震蕩，再4 000 r/min離心3min.

3）烘箱干燥.干燥溫度選擇40℃，干燥時間為20 h.

4）茶皂素含量測定.采用質(zhì)量法測定茶皂素含量，該方法重復(fù)性好，準確度高.

1.3 單因素實驗

1.3.1 茶籽粕粒度對茶皂素得率的影響實驗

將茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎過篩，稱取25 g，分為茶籽粕顆粒粒度小于30目，30～60目，60～100目，100～140目和140～300目五組，固定其他3個因素為料液比（g∶mL）1∶9，超聲浸提時間30 min，浸提溫度40℃.考察茶籽粕顆粒粒度對茶皂素得率的影響.

1.3.2 料液比對茶皂素得率的影響實驗

將茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎過篩，稱取25 g，分為料液比1∶7，1∶8，1∶9，1∶10和1∶11五組，固定其他3個因素為：茶籽粕顆粒粒度為60～100目，超聲浸提時間30min，浸提溫度40℃.考察料液比對茶皂素得率的影響.

1.3.3 超聲浸提時間對茶皂素得率的影響實驗

將茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎過篩，稱取25 g，分為超聲浸提時間為10，20，30，40，50 min五組，固定其他3個因素為：茶籽粕顆粒粒度為60～100目，料液比為1∶9，浸提溫度40℃.考察超聲浸提時間對茶皂素得率的影響.

1.3.4 超聲浸提溫度對茶皂素得率的影響實驗

將茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎過篩，稱取25 g，分為超聲浸提溫度為30，40，50，60，70℃五組，固定其他3個因素為：茶籽粕顆粒粒度為60～100目，料液比為1∶9，浸提時間為30min.考察超聲浸提溫度對茶皂素得率的影響.

1.4 正交試驗設(shè)計

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以茶籽粕顆粒粒度、料液比、超聲浸提時間、超聲浸提溫度為實驗因素，茶皂素得率為實驗指標，做正交試驗.試驗因素水平見表1.

表1 影響茶皂素得率的L9（34）正交試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal array design L9（34）

1.5 茶皂素溶液表面張力的測定

采用最大氣泡壓力［15-17］法分別測定了水提得到的茶皂素溶液和標準茶皂素溶液的表面張力.并測定了不同pH值時，水提得到的茶皂素溶液表面張力與濃度的關(guān)系.

1.6 茶皂素得率的計算

茶皂素得率見式（1）.式（1）中：m1，盛提取液的容器質(zhì)量，g；m0，干燥后容器和提取液的總質(zhì)量，g；m，測定茶皂素含量中冷凝回流后的渣滓質(zhì)量，g，其中表示茶皂素的純度.

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件，利用SPSS 17.0對實驗數(shù)據(jù)進行方差分析.實驗數(shù)據(jù)為平行試驗的平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 茶籽粕粒度對茶皂素得率的影響

茶籽粕顆粒粒度與茶皂素得率的關(guān)系如圖1.

圖1 茶籽粕粒度與茶皂素得率的關(guān)系Fig.1 Effects of camellia cakes’size on yield of tea saponin

由圖1可以看出，當茶籽粕顆粒粒度小于60～100目時，茶皂素得率隨粒度增大而增大；茶籽粕顆粒粒度在60～100目時，茶皂素得率最大；繼續(xù)增大茶籽粕顆粒粒度，茶皂素得率減小.

在一定的范圍內(nèi)，茶籽粕顆粒越小，越有利于茶皂素的釋放，從而使茶皂素的得率增大.但是當茶籽粕顆粒減小到一定程度時，不利于后續(xù)的茶皂素提取，導(dǎo)致其得率下降.因此，初步選擇茶籽粕顆粒的粒度為60～100目.

2.2 料液比對茶皂素得率的影響

料液比與茶皂素得率的關(guān)系如圖2.

圖2 料液比與茶皂素得率的關(guān)系Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on yield of tea saponin

開始時，隨料液比的增大，茶皂素得率增大；料液比為1∶9時，茶皂素得率最大；繼續(xù)增大料液比，茶皂素得率慢慢下降.

料液比大可以提高傳質(zhì)推動力，加快提取茶皂素的速度.料液比達到1∶9后，茶皂素得率并沒有繼續(xù)增大，此時，溶液達到傳質(zhì)平衡狀態(tài).茶皂素的溶出速度較慢，但是隨著料液比的增大，一些相對于茶皂素溶出速度更慢的雜質(zhì)分子溶出，導(dǎo)致其得率反而降低，并且大料液比后期濃縮能耗高，因此，初步選擇料液比為1∶9.

2.3 超聲浸提時間對茶皂素得率的影響

超聲浸提時間與茶皂素得率的關(guān)系如圖3.

圖3 浸提時間與茶皂素得率的關(guān)系Fig.3 Effect of extraction time on yield of tea saponin

由圖3可以看出，茶皂素得率隨超聲浸提時間的延長而增大.并且前30min茶皂素得率的增大速率大于后20min.

隨著超聲時間的增加，茶皂素伴隨著茶籽細胞中更多的多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)溶出，將茶皂素分子包裹起來，影響了茶皂素向溶液中的釋放，導(dǎo)致茶皂素得率的增大趨勢放緩，逐步達到傳質(zhì)平衡［18］.初步選定超聲浸提時間為30min.

2.4 超聲浸提溫度對茶皂素得率的影響

浸提溫度與茶皂素得率的關(guān)系如圖4.

圖4 浸提溫度與茶皂素得率的關(guān)系Fig.4 Effectof extraction temperature on yield of tea saponin

由圖4可以看出，浸提溫度在30～50℃時，茶皂素得率隨溫度升高而增大.浸提溫度為50℃時，茶皂素得率達到最大值.浸提溫度繼續(xù)升高，茶皂素得率反而減小.

隨著浸提溫度的提高，茶皂素的溶解度增大，溶液的薪度降低、擴散系數(shù)增大，使茶皂素的提取速度增大.但同時，茶籽細胞中的多糖在溶液中的溶解度增大，不利于茶皂素的釋放.而且多糖在水溶液中的薪度較大，對后續(xù)的茶皂素處理、應(yīng)用工藝造成一定的困難.另外高溫可能會對茶皂素分子結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，影響茶皂素溶液的使用性能，并且高溫耗費的能量大，因此初步選擇浸提溫度為50℃.

2.5 正交試驗分析

根據(jù)單因素實驗得出的條件，設(shè)計L9（34）正交試驗以優(yōu)化茶皂素的提取條件.正交試驗設(shè)計中無空白列，做重復(fù)試驗以獲得實驗誤差［19-20］.實驗結(jié)果見表2和表3.

表2 正交試驗方案及結(jié)果Tab.2 Design and results of orthogonal test

表3 茶皂素得率方差分析結(jié)果Tab.3 Variance analysis of orthogonal test results

由表2可知，各因素的優(yōu)劣水平分別為A2＞A3＞A1，B2＞B3＞B1，C3＞C1＞C2，D2＞D3＞D1.4個影響因素的主次順序為A＞C＞D＞B，確定的較佳實驗組合為A2B2C3D2，即茶籽粕顆粒粒度為60～100目，料液比為1∶9，超聲提取時間為40 min，超聲提取溫度為50℃.由表3的方差分析結(jié)果可知，茶籽粕顆粒粒度、超聲提取時間、超聲提取溫度三個因素對茶皂素得率均有極顯著（P＜0.01）影響，料液比對茶皂素得率有顯著（P＜0.05）影響.驗證實驗得到茶皂素的得率為21.32%，優(yōu)于正交試驗得到的茶皂素得率最大值（20.09%）.

3 茶皂素溶液表面張力測定結(jié)果分析與討論

采用最大氣泡壓力法對超聲-水浸提得到的茶皂素的表面張力與濃度的關(guān)系進行了測定，結(jié)果見圖5.

圖5 茶皂素溶液質(zhì)量濃度對表面張力的影響Fig.5 Effect of tea saponin solution’s concentration on its surface tension

茶皂素是一種非離子型表面活性劑，圖5對比了標準茶皂素溶液和超聲-水提得到的茶皂素溶液對表面張力降低的能力，結(jié)果表明，兩者降低表面張力的趨勢是一致的.但是，由于超聲-水提茶皂素溶液的純度低于標準茶皂素溶液，總體上相當于降低了茶皂素的濃度，加上其中一些雜質(zhì)的干擾，導(dǎo)致超聲-水提茶皂素溶液降低表面張力的能力小于標準茶皂素溶液.由此說明，茶皂素溶液有直接應(yīng)用于日化產(chǎn)品生產(chǎn)的潛力與價值.

pH值是洗滌用品測試的一個重要指標，其改變會影響到產(chǎn)品的各項性能.因此，本實驗對不同pH值時，茶皂素溶液濃度與表面張力的關(guān)系進行了相關(guān)研究，如圖6.

圖6 不同pH值時，水提茶皂素溶液質(zhì)量分數(shù)與表面張力的關(guān)系Fig.6 Effect of tea saponin solution’s concentration on its surface tension under different pH valuves

從圖6中可以看出，pH值對茶皂素溶液的表面張力是有一定的影響的，但二者并沒有具體、穩(wěn)定的相關(guān)性.可以確定的是，在接近中性的范圍內(nèi)，茶皂素溶液的表面張力隨濃度的增大而減小，茶皂素降低表面張力的能力有廣泛的pH適應(yīng)性，具有實際應(yīng)用的價值.

4 結(jié) 論

根據(jù)單因素實驗和正交試驗結(jié)果可知，超聲-水浸提的優(yōu)化條件為：茶籽粕顆粒粒度為60～100目，料液比為1∶9，超聲提取時間為40min，超聲提取溫度為50℃.茶籽粕顆粒粒度、超聲提取時間和超聲提取溫度對茶皂素得率均有極顯著影響，料液比對茶皂素得率有顯著影響.茶皂素得率在20%以上，較傳統(tǒng)的水浸法（11%左右）［21］有很大的提高.

我國油茶資源豐富，每年有接近百萬噸的茶籽粕的產(chǎn)出［22-23］.棄之不用一方面造成資源浪費、經(jīng)濟損失，另一方面大量的堆積對環(huán)境有嚴重的破壞作用.通過超聲-水浸提茶皂素，加工生產(chǎn)附加值高的茶皂素產(chǎn)品則很好地解決了以上兩個問題.

超聲-水浸提茶皂素，無有機溶劑損耗，對設(shè)備要求低，相對于其他方法［24-27］更易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).利用超聲提取，在保證茶皂素得率的前提下縮短了提取時間.實驗的后續(xù)研究是直接利用茶皂素水提溶液研制開發(fā)洗發(fā)香波，洗滌劑等各種日化產(chǎn)品.因此，不需經(jīng)過任何干燥措施，節(jié)約能耗，大大降低了生產(chǎn)成本.

超聲-水浸提茶皂素，得到的茶皂素水溶液通過初步的表面張力測定顯示，可以直接利用，設(shè)計洗滌配方，用于個人洗護，尤其是嬰幼兒衣物以及內(nèi)衣.因其無任何添加，沒有化學試劑殘留，皮膚直接接觸而沒有刺激性，相對于有機溶劑提取得到的茶皂素更加安全環(huán)保.其中對于茶皂素水溶液的直接利用涉及到的色澤及穩(wěn)定性問題，不采用傳統(tǒng)的H2O2氧化脫色［28］及添加防腐劑［29］等手段，而是利用天然綠色的物理手段加以解決.相關(guān)的配方設(shè)計以及性能測試還在進一步的研究中，希望對后續(xù)的研究思路有一定的借鑒意義.

［1］ 張龍，劉彤.茶皂素提取和純化工藝研究［J］.廣州化工，2012，40（4）：14.

［2］ 趙世光，薛正蓮，楊超英，等.茶皂素浸提條件優(yōu)化及其抑菌效果［J］.中國油脂，2010，35（5）：64-67.

［3］ 劉聽，劉松柏，宋俊梅.茶皂素分子改性研究進展［J］.中國食品學報，2012，12（12）：119-122.

［4］ 楊強，胡海波，張石蕊.茶粕飼料資源開發(fā)及利用技術(shù)研究進展［J］.飼料工業(yè)，2006，27（19）：53-55.

［5］ Pu B Y.Studies on the stability of liquid/liquid dispersions：theory and practice［D］.Zürich：Swiss Federal Institute of Technology Zürich，1995.

［6］ 余江林，陳玉瓊，陳永波，等.茶籽中茶皂素的提取工藝研究［J］.食品工業(yè)科技，2007，28（1）：171.

［7］ 劉紅梅，周建平，李海林，等.沉淀法制取茶皂素的工藝研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2008，24（6）：571-574.

［8］ 高凱翔，李秋庭，陸順忠，等.茶皂素的提取工藝研究［J］.糧油食品科技，2010，18（5）：22-25.

［9］ Khanna I，Seshadri R，Seshadri T R.Sterol and lipid components of green Thea sinensis［J］.Phytochemistry，1974，13（1）：199-202.

［10］史高峰，汪虎.茶皂素提取純化工藝和含量測定研究進展［J］.油脂加工，2010（9）：37-41.

［11］Romdhane M，Gourdon C.Investigation in solid-liquid extraction：influence of ultrasound［J］.Chemical Engineering Journal，2002，87（1）：11-19.

［12］張衛(wèi)國，鄧賢成，袁玉芳，等.大果紅花油茶籽粗脂肪測定及茶皂素提取研究［J］.中國釀造，2011（1）：141-143.

［13］林宏政，郝志龍，劉偉，等.一種新型茶葉低溫真空干燥技術(shù)［J］.福建茶葉，2013，35（2）：11-14.

［14］馮志明.從茶殼中提取茶皂素工藝的研究［J］.化學世界，1994（12）：660-662.

［15］尹東霞，馬沛生，夏淑倩.液體表面張力測定方法的研究進展［J］.科技通報，2007，23（3）：424-429.

［16］Stasiuk E N，Schramm L L.An absolute droplet pressure interfacial tensiometer and its application to bituminous systems of vanishing density contrast［J］.Colloid and Polymer Science，2000，278（12）：1172-1179.

［17］Schramm L L，Green W H F.An absolute differential maximum bubble pressure surface tensiometer emp loying displaced capillaries［J］.Colloid and Polymer Science，1992，270（7）：694-706.

［18］王武，方紅美，劉京生，等.茶葉籽餅粕中茶皂素提取工藝研究［J］.食品科學，2008，29（9）：230-233.

［19］何秋月.SPSS在L9（34）正交實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.中醫(yī)藥現(xiàn)代遠程教育，2005，3（12）：27-29.

［20］郭秀君，高雪松.不同工藝條件對桔皮果膠鈣產(chǎn)量的影響［J］.食品工業(yè)科技，2013，34（16）：258-261.

［21］張可，錢和，張?zhí)恚?油茶餅粕中茶皂素提取工藝的研究［J］.食品科技，2003（10）：68-70.

［22］呂翠萍，羅正偉，劉虹，等.我國油茶研究進展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（26）：16177-16179.

［23］李升鋒，尹國，劉學銘，等.淺談茶皂素的開發(fā)應(yīng)用［J］.糧油食品科技，2004，12（2）：47-48.

［24］謝多，趙儉，徐小彤，等.油茶餅粕中茶皂素醇提工藝條件優(yōu)化［J］.食品機械，2013，29（3）：129-133.

［25］宋傳奎，肖斌，王艷麗，等.超聲波輔助提取茶多酚工藝條件的優(yōu)化［J］.西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版，2011，39（5）：133-139.

［26］余芳，胡云，彭常安，等.蘆薈汁的抑菌作用［J］.食品科學，2005，25（10）：77-80.

［27］文莉，蘆葦，蔣倩，等.茶皂素毒性刺激性試驗及抑菌作用研究［J］.中國油脂，2011，36（6）：58-60.

［28］王超，仲山民，鄭旭衛(wèi).油茶餅粕中茶皂素的提取及H2O2法脫色條件研究［J］.糧油加工，2009（6）：71-73. ［29］李程碑，楊俊偉，李輝，等.液體洗滌劑用防腐劑的發(fā)展及防腐體系的設(shè)計［J］.中國洗滌用品工業(yè)，2012（10）：65-72.

Study on Ultrasonic Assisted Water Extraction of Tea Saponin and App lications of its Solution

QIXiao-yang， ZHANG Song-pei*
（School of Food and Chemical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

Tea saponin was extracted in camellia cakes using ultrasonic assisted water extraction.Effects of camellia cakes partical size，solid-liquid ratio，extraction time，and extraction temperature were investigated through the single factor and orthogonalmethod.Results showed that camellia cakes partical size，extraction time，and extraction temperature had significanteffects on the yield of tea saponin，followed by the solid-liquid ratio.The highest yield of tea saponin（21.32%）was obtained under the optimalextraction conditions of camellia cakes partical size 60-100 meshes，solid-liquid ratio 1∶9，extraction time 40 min，and extraction temperature 50℃.Surface tension of tea saponin solution was determined and the applications of tea saponin solution to produce natural cosmetic productswere analysed and prospected.

camellia cakes；tea saponin solution；ultrasonic assisted water extraction

葉紅波）

TS209

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.01.011

2095-6002（2014）01-0059-06

戚曉陽，張頌培.超聲-水浸提茶皂素及茶皂素水溶液應(yīng)用研究.食品科學技術(shù)學報，2014，32（1）：59-64.

QIXiao-yang，ZHANG Song-pei.Study on ultrasonic assisted water extraction of tea saponin and applications of its solu

tion.Journal of Food Science and Technology，2014，32（1）：59-64.

2013-10-05

戚曉陽，女，碩士研究生，研究方向為天然產(chǎn)物的提取與應(yīng)用；*張頌培，男，教授，主要從事精細化學品方面的研究.通訊作者.