超聲波輔助提取油茶籽油的工藝優(yōu)化研究

柳奕揚，趙圣圣，2，袁傳勛，2，金日生，2

（1.合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院，安徽 合肥 230009；2.農(nóng)產(chǎn)品生物化工教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009）

油茶，又名茶油樹、茶子樹，其實用價值主要為種子，可以榨油。茶油色清味香、營養(yǎng)豐富，具備食用、藥用、工業(yè)用等多重價值[1]。長期食用高品質(zhì)的茶油，具有預防心血管疾病、降低血清膽固醇等功效[2]。茶油如果運用于工業(yè)中可以被制成除銹劑、潤滑劑等。茶餅可以作為肥料運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，同時對于害蟲也具有防范作用，油茶皂素具有滅菌、抗氧化等功效，可以說，油茶一身都是寶[3]。油茶餅是油茶籽壓榨后的副產(chǎn)物，在工業(yè)生產(chǎn)中大部分作為燃料燒棄，造成環(huán)境污染，油茶餅價格便宜，其中還殘存6%～10%殘油未被提取利用[4]，造成極大資源浪費，由于目前提油方法有限，傳統(tǒng)的溶劑萃取提油率不高，且傳統(tǒng)的6號溶劑、正己烷存在的安全問題遭到眾多質(zhì)疑[5]。通過設(shè)計一種高效環(huán)保提油新方法，篩選出對油脂溶解度高且無毒或少毒溶劑，利用常見的輔助技術(shù)增加浸出效率[6]。目前，應(yīng)用較多的輔助方法包括酶法[7]、超臨界萃取、微波技術(shù)、超聲波技術(shù)等[8]。將采用超聲波輔助溶劑浸提技術(shù)，在保證萃取過程的安全性的前提下考查了溶劑種類、超聲時間、超聲溫度、料液比和溶劑配比等工藝條件對殘油率的影響，為降低油茶餅中的殘油提供科學依據(jù)[9]。

1 材料與方法

1.1 材料

油茶餅：主要為冷榨油茶餅，含油8.45%；乙醇、異丁醇、正丁醇、環(huán)己烷等，均為分析純。

1.2 儀器

Bs-110S型電子天平、恒溫水浴鍋、恒溫干燥箱、粉碎機、RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、AK-030A型超聲波清洗機，深圳鈺潔清洗設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1油茶餅的超聲波輔助浸提工藝流程

使用粉碎機將油茶餅打碎成60～100目的粉末，置于60℃干燥箱中干燥2 h以上，以去除多余的水分；取一定質(zhì)量（m1）的油茶餅粉末，放置到浸提瓶中，再放入溶劑并設(shè)置相應(yīng)的反應(yīng)條件，結(jié)束后用濾紙過濾收集濾液。濾液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中進行減壓恒溫（80℃）蒸發(fā)溶劑，蒸發(fā)至燒瓶壁上有黃色吸附物產(chǎn)生時，停止蒸發(fā)，將濃縮液倒入燒瓶中，將沉渣用相應(yīng)的溶劑清洗3次，倒入濃縮液燒瓶中，再進行一次蒸發(fā)濃縮，得到物質(zhì)即為茶油，稱量（m2）。

1.3.2 單因素試驗

以溶劑種類（乙醇、異丙醇、正丁醇、環(huán)己烷、混合溶劑）、超聲時間（30，40，50，60，70 min）、超聲溫度（40，50，60，70，80℃）、料液比（1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10）、溶劑配比（1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1）為單因素進行試驗，分析以上4個因素對油茶餅殘油率的影響。

1.3.3 優(yōu)化正交試驗

以單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，以超聲溫度、超聲時間、料液比為影響因素，以殘油率作為指標，設(shè)計L9（34）正交式驗來優(yōu)化油茶籽餅殘油的提取工藝條件。

殘油提取試驗因素與水平設(shè)計見表1。

表1 殘油提取試驗因素與水平設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑對油茶籽餅殘油提取率的影響

不同溶劑對殘油提取率的影響見圖1。

圖1 不同溶劑對殘油提取率的影響

由圖1可知，運用超聲波輔助法，當采用如乙醇、異丙醇和正丁醇此類短鏈醇極性溶劑作為浸出溶劑時，由于其具有較強的極性，與植物油脂的溶解度有限，最終乙醇與正丁醇殘油提取率不理想，但其中異丙醇的提取效果與烷烴類溶劑相當，這是由于異丙醇能夠在近60℃下與茶油完全互溶，具有良好的提取率。而采用混合溶劑正丁醇和環(huán)己烷，以及乙醇和環(huán)己烷作為浸出溶劑時，提取效果更優(yōu)。由于環(huán)己烷相比正己烷更加環(huán)保安全，且來源豐富，因此選擇乙醇與環(huán)己烷的混合溶劑作為油茶餅殘油的浸出溶劑，進一步優(yōu)化工藝條件。

2.2 乙醇與環(huán)己烷溶劑體積比對殘油率的影響

在超聲時間為30 min，料液比為1∶1，超聲溫度為60℃時，超聲功率在200 W的條件下，考查不同體積比（V∶V）的乙醇和環(huán)己烷混合溶劑（1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1）對殘油率的影響。

溶劑配比對殘油率的影響見圖2。

圖2 溶劑配比對殘油率的影響

由圖2可知，殘油率隨著乙醇和環(huán)己烷體積比的變大，而呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中在3∶1時，殘油率最低。

2.3 超聲時間對殘油率的影響

以乙醇和環(huán)己烷為溶劑，在溫度為60℃，料液比為1∶1時，超聲功率在200 W的條件下，考查不同超聲時間（30，40，50，60，70 min）對殘油率的影響。

超聲時間對殘油率的影響見圖3。

圖3 超聲時間對殘油率的影響

由圖3可知，殘油率隨著超聲時間的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。在超聲時間55 min以內(nèi)時，殘油率逐漸降低，降低趨勢也逐漸變緩，在大于55 min時，殘油率又逐漸升高。在前55 min內(nèi)，殘油率之所以逐漸降低，是因為隨著超聲時間的延長，細胞膜破損程度增大，溶出物增多，提取率增高，所以殘油率降低。在超聲55 min以后，可能是由于破損細胞中雜質(zhì)溶出逐漸增多，雜質(zhì)中本來就具有吸附茶油的物質(zhì)，導致殘油率降低。因此，超聲時間不宜過長，55 min為宜。

2.4 超聲溫度對殘油率的影響

以環(huán)己烷為溶劑，在超聲時間為30 min，料液比為1∶1時，超聲功率在200 W的條件下，考查不同超聲溫度（40，50，60，70，80℃）對殘油率的影響。

超聲溫度對殘油率的影響見圖4。

圖4 超聲溫度對殘油率的影響

在一定范圍內(nèi)浸出溫度越高，油茶籽粕中殘油量越少。提高浸出溫度有利于降低油脂黏度，提高分子擴散。由圖4可知，殘油率隨著超聲溫度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在大約65℃時達到極小值點，此時殘油率最低。在小于65℃以前時，隨著超聲溫度的升高能夠增加油脂分子的動能，加速了分子的熱運動，促進了擴散作用的加速，因此提取速率增長較快，也就是殘余率降低較快；但當達到65℃后，絕大部分油脂分子熱運動加劇到一定程度而沖破細胞壁的束縛擴散到溶劑中，但是溶液中的油脂已經(jīng)接近過飽和度，將很難再從細胞中析出，另外高溫使得油脂發(fā)生熱分解和熱氧化分解，提取率降低，殘油率升高。

2.5 料液比對殘油率的影響

以環(huán)己烷為溶劑，在超聲時間為30 min，料液比為1∶1，超聲溫度為60℃時，超聲功率在200 W的條件下，考查料液比（1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10）對殘油率的影響。

料液比對殘油率的影響見圖5。

圖5 料液比對殘油率的影響

料液比是單位時間內(nèi)油茶籽餅與所選溶劑的質(zhì)量體積比，是影響殘油率的另外一個重要因素。由圖5可知，殘油率隨著料液比的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。其中在料液比為1∶4時，殘油率最低。由圖3可知，提取率隨溶劑用量的增加而增大。隨著溶劑用量的增加，提取率開始增加較快，這是由于溶劑體積的增加，會降低溶劑中油茶籽油的濃度，增加油茶籽與溶劑接觸界面的濃度差，從而提高傳質(zhì)速率。因此，在一定溶劑體積范圍內(nèi)提取率增長較快；但當溶劑體積增大到一定程度時，由于油茶籽中的油脂大部分已被提取出來，再增加溶劑體積，提取率基本保持不變。且從經(jīng)濟角度考慮，溶劑用量也不宜過多。因此，料液比1∶6（g∶mL）時為宜。

2.6 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，采用乙醇和環(huán)己烷混合溶劑（體積比為3∶1）作為浸提溶液，確定提取時間、提取溫度、料液比3種因素采用L9（34）正交試驗表來進行試驗，確定最佳提油工藝條件。

正交試驗結(jié)果見表2。

表2 正交試驗結(jié)果

對正交試驗的結(jié)果進行方差分析，判斷試驗因子對殘油率的影響。

正交試驗的方差分析見表3。

表3 正交試驗的方差分析

由表3可知，因素的主次作用為A＞C＞B，即料液比＞提取溫度＞提取時間；通過方差分析可知，料液比和提取時間對油茶籽餅的殘油率有顯著影響，提取時間對殘油率沒有顯著影響。最佳生產(chǎn)工藝條件組合為A2C3B1，即提取溫度50℃，提取時間60 min，料液比1∶6為最優(yōu)工藝生產(chǎn)條件，可以將油茶籽餅的殘油率降至0.53%左右。

3 結(jié)論

（1）在溶劑篩選方面，為實現(xiàn)萃取劑的重復利用，根據(jù)低鏈醇在高溫下油脂溶解度高并在低溫下溶解度小的性質(zhì)采用冷卻分層方法回收溶劑，既提高了溶劑的使用率，又節(jié)省通過蒸發(fā)回收溶劑所需的能耗，且短鏈醇相比短側(cè)鏈烴類物質(zhì)，更加安全，毒性小，具有作為植物油脂浸出溶劑的可行性。

（2）超聲波輔助提取在近年的應(yīng)用得到普及，特別是在工業(yè)應(yīng)用方面，以其安全無毒、不破壞成分的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。超聲波提取的原理是通過超聲波的強烈攪拌、振動、空化作用來破壞細胞壁，從而提高有效成分的溶出速率[10]。一方面提高油脂的提取率，另一方面使提取時間大大縮短，從而節(jié)省能源，達到了較高的時效性。

（3）確定了影響油茶籽餅浸出得率的關(guān)鍵因素，包括浸提溶劑種類、料液比、提取時間與提取溫度。此外，通過正交試驗獲得油茶籽餅低殘油率浸出工藝條件：采用乙醇與環(huán)己烷（體積比為3∶1）作為提取溶劑，料液比1∶6，浸出溫度50℃和浸出時間60 min。在此條件下，能夠?qū)⒂筒栾炛械臍堄吐式抵?.53%，研究結(jié)果可為油茶籽油工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)[11]。

采用有機溶劑浸提與超聲波技術(shù)相結(jié)合，探究如何安全高效提取油茶餅中剩余茶油，促進油茶餅的利用率，為工業(yè)上提取油茶餅殘油提供新的技術(shù)思路，創(chuàng)造更大的資源利用率及經(jīng)濟效益。