微乳液法同步萃取茶油和皂素的工藝條件優(yōu)化

劉汝寬 田莞爾， 易有金 肖志紅 李昌珠

(湖南省林業(yè)科學(xué)院省部共建木本油料資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，長(zhǎng)沙 410004) (湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院2，長(zhǎng)沙 410128)

油茶在我國(guó)有著極其廣闊的種植面積，是重要的高品質(zhì)油脂原料[1-3]，因其富含油脂及多種活性物質(zhì)，目前主要是利用冷榨法[4，5]來提取茶籽油，所剩余的茶籽餅中仍殘留茶油及多種天然活性成分，若將其廢棄，則會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。目前茶籽餅殘留成分的提取多采用單獨(dú)一步或分布聯(lián)用，工藝存在目標(biāo)成分單一，操作復(fù)雜及加工工序較長(zhǎng)的問題。因此，有必要尋找流程簡(jiǎn)短、操作方便且耗能低的提取方法[6]。

基于茶籽餅中的物質(zhì)組成特點(diǎn)，利用正丁醇的水溶液作為復(fù)合溶劑作用于茶籽餅，達(dá)到了同步高效萃取茶油及茶皂素的目的[7]，因此可確定，含水正丁醇混合溶劑是一種能實(shí)現(xiàn)親水親油功能的雙親復(fù)合溶劑，正丁醇的水溶液之所以能達(dá)到同步萃取的目的，主要是因?yàn)椴栌团c茶皂素在正丁醇-水溶液體系內(nèi)的兩相中具有不同的溶液特性，利用油料原料中的非油成分對(duì)油和水“親和力”的差異與油水比重的不同，而將茶油及茶皂素等天然活性物質(zhì)分離出來。而茶皂素作為天然表面活性劑，在一定條件下，以正丁醇作為助表面活性劑，與油相及水相構(gòu)成能“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳體系，因此可以利用微乳化法增加體系對(duì)油相的溶解度，提高茶油的提取率[8]，并在提取過程中充分保護(hù)水溶性天然活性成分的活性。

本研究通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳體系的制備工藝條件。在此基礎(chǔ)上，將優(yōu)化工藝條件作用于冷榨茶籽餅萃取，利用正丁醇的水溶液同步提取茶油及茶皂素，通過計(jì)算產(chǎn)物提取率，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粗皂素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.8%)、茶皂素標(biāo)準(zhǔn)樣品、冷榨茶油、冷榨茶籽餅(油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%，皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.4%)；正丁醇、香蘭素、濃硫酸、無水乙醇、石油醚：分析純。

TDL5M型臺(tái)式低速離心機(jī)，SZF-06A型粗脂肪測(cè)定儀，索氏提取裝置，回流冷凝裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微乳體系的制備及乳化效率的測(cè)定

采用加水法來制備“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳體系，即按一定的比例準(zhǔn)確稱取茶油、茶皂素及正丁醇，充分混合均勻后在恒溫條件下進(jìn)行磁力攪拌，邊攪拌邊緩慢滴加去離子水，當(dāng)體系呈澄清透明狀態(tài)時(shí)形成微乳液。然后繼續(xù)往體系中滴加去離子水，直到體系出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，并記錄此時(shí)各組分的質(zhì)量，計(jì)算得出乳化效率，其計(jì)算公式如下[9]：

式中：Em為乳化效率/%；m1為油相質(zhì)量/g；m2為純水質(zhì)量/g；m3為表面活性劑質(zhì)量/g；m4為助表面活性劑質(zhì)量/g。

1.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，綜合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以溫度、1/Km值、S/O值等3個(gè)因素為自變量，以乳化效率(%)為響應(yīng)值，做三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)[10]，其因素及水平設(shè)計(jì)見表1。

表 1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)表

1.2.3 冷榨茶籽餅的預(yù)處理及成分分析

1.2.3.1 茶籽餅的預(yù)處理

用粉碎機(jī)將冷榨茶籽餅粉碎成粉末，過60目篩后將其置于烘箱中烘干，所得干燥粉末即為后續(xù)實(shí)驗(yàn)所需樣品，將其密封保存，備用。

1.2.3.2 茶籽餅含油量的測(cè)定

按照國(guó)標(biāo)GB/T 14488.1—2008，采用索氏提取法，對(duì)樣品的含油量進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3.3 茶籽餅中皂素含量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取5 g經(jīng)預(yù)處理的茶籽餅粉末，利用熱回流法，加入20 mL 70%的乙醇溶液，在80 ℃溫度條件下，提取樣品中的茶皂素，將提取液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮直至其呈粘稠狀態(tài)后，加20 mL蒸餾水充分震蕩搖勻，對(duì)濃縮液進(jìn)行溶解，然后再利用正丁醇對(duì)其進(jìn)行萃取，在將正丁醇萃取液濃縮至干后，用70%乙醇將其至于100 mL容量瓶中定容，然后采用濃硫酸—香草醛法測(cè)定茶籽餅中皂素含量。

1.2.4 提取工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

取經(jīng)預(yù)處理粉碎烘干后的茶籽餅粉末，基于響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及茶籽餅中內(nèi)含物含量設(shè)置微乳化萃取條件，稱取正丁醇溶液與樣品充分混合進(jìn)行萃??；萃取完成后將萃取液過濾、旋蒸、減壓蒸餾，分階段收集茶皂素與茶油，計(jì)算其提取率，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與LSD方差分析，利用Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在已經(jīng)開展的單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以溫度、1/Km值、S/O值等3個(gè)因素為自變量，以乳化效率為指標(biāo)，考察三因素對(duì)“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳體系形成能力的影響，其結(jié)果見表2。本實(shí)驗(yàn)共有17組，其中有析因點(diǎn)13個(gè)，零點(diǎn)5個(gè)；5個(gè)零點(diǎn)為中心重復(fù)實(shí)驗(yàn)，用來估計(jì)誤差。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用 Design-Expert 8.0.6.1軟件，對(duì)表2所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到以乳化效率(%)為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程為：

Y=31.09+0.80A+0.23B+0.054C+0.080AB+0.45AC+0.070BC-3.04A2-1.43B2-0.55C2

在此基礎(chǔ)上去除不顯著項(xiàng)，綜合P值分析，校正后的二元多次回歸方程為：

Y=31.09+0.80A+0.23B+0.45AC-3.04A2-1.43B2-0.55C2

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

分析結(jié)果表明，這3個(gè)因素對(duì)“正丁醇-水-茶油-皂素”體系乳化效率的影響大小順序?yàn)椋簻囟?Km值>S/O值，其中二次項(xiàng)因素A2、B2與C2為極顯著(P<0.01)表明具有顯著的曲線關(guān)系，且AC(溫度-S/O值)對(duì)乳化效率有顯著的交互作用(P<0.05)，而一次項(xiàng)C和交互項(xiàng)AB、BC(P>0.05)，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 響應(yīng)面曲面分析

對(duì)于溫度、Km值和S/O值3個(gè)影響因素，若固定某一因素值，其他兩個(gè)因素值彼此會(huì)隨著另外一個(gè)因素值的增大而呈現(xiàn)“先增大后減小”的現(xiàn)象，只是這種變化的幅度不同。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.4.1 模型驗(yàn)證

對(duì)以乳化效率為指標(biāo)的二次多項(xiàng)方程求解，得到“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳液體系的最佳制備條件，即溫度為76.40 ℃，1/Km值為161.79，S/O值為8.61∶1，在此條件下的乳化效率為30.42%。結(jié)合實(shí)際操作便利性，確定溫度為77 ℃，Km值為1/160，S/O值為8.6∶1，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其乳化效率為29.79%，與預(yù)測(cè)值誤差2.07%，其結(jié)果與模型預(yù)測(cè)吻合度高，從而驗(yàn)證了模型的有效性。

2.4.2 應(yīng)用驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)原料茶籽餅中的油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%、皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.4%，即皂素與茶油的質(zhì)量比為1∶0.62，實(shí)驗(yàn)中所采用的茶皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.8%，經(jīng)換算，以含水量為23.43%的正丁醇溶液作用于茶籽餅，設(shè)定料液比為1∶1.20、溫度為77 ℃，進(jìn)行微乳化萃取操作，得到茶油提取率為(93.61±1.67)%，茶皂素提取率為(56.28±1.21)%，具有較優(yōu)的提取效率[6,11]。

3 結(jié)論

以乳化效率為指標(biāo)，開展三因素三水平的微乳化萃取響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得到各因素對(duì)“正丁醇-水-茶油-皂素”微乳體系形成能力的影響大小依次為：溫度>Km值>S/O值，并且溫度和S/O值對(duì)乳化效率有極顯著的交互作用。優(yōu)化得到最佳制備條件為：溫度為76.40 ℃，1/Km值為161.79，S/O值為8.61∶1。響應(yīng)面優(yōu)化提高了微乳形成能力，其結(jié)果與模型預(yù)測(cè)吻合度高，這為同步提取茶籽榨餅中的油、皂素提供了理論依據(jù)。

以壓榨茶籽餅(油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%，皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.4%)為原料，在最優(yōu)條件下，用含水量為23.43%的正丁醇溶液進(jìn)行微乳化萃取，得到茶油提取率為(93.61±1.67)%，茶皂素提取率為(56.28±1.21)%，該萃取方法顯示出較優(yōu)的提取效率。