多模式超聲輔助提取茶皂素工藝條件研究

張雪莉， 洪 晨， 馬海樂(lè)， 顧 晨， 歐陽(yáng)寧寧， 羅 軒

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

油茶籽餅粕是利用對(duì)油茶籽生產(chǎn)茶油得到的油茶枯進(jìn)行殘油提取后最終產(chǎn)出的副產(chǎn)品。油茶粕中營(yíng)養(yǎng)成分豐富，主要含有40%多糖、10%～15%茶皂素、15%粗蛋白、5%粗脂肪及多種氨基酸，是一種潛在價(jià)值很高的飼料原料[1]。茶皂素是一類(lèi)齊墩果烷型五環(huán)三萜類(lèi)皂苷混合物的總稱(chēng)，又稱(chēng)茶皂苷、皂苷、皂角苷[2]。茶皂素作為一類(lèi)天然的表面活化劑，具有眾多功效[3，4]，可廣泛應(yīng)用于日用化工(沐浴露、洗發(fā)露等)、紡織(天然洗滌劑)、食品等行業(yè)，其不僅具有優(yōu)異的乳化、分散及發(fā)泡穩(wěn)泡等性能，同時(shí)也具有溶血[5]、殺菌[6]、消炎抗?jié)B[7]以及抗氧化[8]等生物活性。因此，提取油茶籽粕中的茶皂素，對(duì)于提高油茶籽粕的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)茶皂素的提取工藝技術(shù)進(jìn)行了大量研究，主要有水提法[9]、醇提法[10]、微波輔助提取法[11，12]、超臨界CO2萃取法[13]等。水提法雜質(zhì)較多，易將蛋白質(zhì)、糖類(lèi)一并提取出來(lái)，造成茶皂素純度低，且提取液易變質(zhì)，不易保存。醇提法試劑消耗大，成本高。超聲波輔助提取利用超聲波產(chǎn)生的機(jī)械、空化等綜合效應(yīng)，破壞細(xì)胞壁，增加溶劑的穿透力，加速細(xì)胞內(nèi)有效成分向溶劑轉(zhuǎn)移，可提高提取物的提取率，減少提取時(shí)間，保存生物活性，是一種高效、綠色、安全的提取技術(shù)[14，15]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于茶皂素提取的研究技術(shù)超聲模式單一，關(guān)于超聲模式的篩選鮮見(jiàn)報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)以油茶籽餅粕為研究對(duì)象，在超聲輔助提取下，以乙醇為提取劑，考察超聲模式、功率密度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、溫度、超聲時(shí)間和料液比等因素對(duì)提取工藝的影響，并對(duì)茶皂素的基礎(chǔ)特性進(jìn)行研究，為茶皂素的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油茶籽餅粕，茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥98%)，香蘭素、乙醇和濃硫酸等試劑均為分析純。

三頻容器式超聲設(shè)備為自主研制，DL-5C離心機(jī)，T-6新世紀(jì)可見(jiàn)分光光度計(jì)，HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 茶皂素的提取及含量測(cè)定

三頻容器式超聲輔助提取茶皂素，提取液4 000 r/min離心10 min，取上清液測(cè)定得率。用香草醛-濃硫酸顯色法測(cè)定溶液中茶皂素含量[16]。取稀釋后上清液0.5 mL，加入8%的香草醛溶液(0.8 g香草醛溶于10 mL無(wú)水乙醇)0.5 mL，在冰水浴中加入4 mL 77%硫酸溶液，搖晃均勻后，恒溫 60 ℃水浴中加熱 15 min，取出冷卻至室溫，以試劑為空白，用 1 cm 比色皿在 550 nm 波長(zhǎng)下用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定吸光度。以茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。按式(1)計(jì)算茶皂素得率。

(1)

式中：T為茶皂素得率/%；c為茶皂素質(zhì)量濃度/mg/mL；V為樣液體積/mL；N為稀釋倍數(shù)；m為油茶籽餅粕質(zhì)量/mg。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 超聲模式的篩選

以茶皂素得率為指標(biāo)，篩選三頻容器式超聲的最優(yōu)工作模式，見(jiàn)表1。其他實(shí)驗(yàn)為超聲功率密度50 W/L，以1∶12(g/mL)料液比添加75%乙醇，50 ℃提取30 min，間歇時(shí)間比10 s/5 s。4 000 r/min離心10 min，取上清液測(cè)定得率。

表1 超聲工作模式篩選/kHz

1.2.2.2 超聲提取參數(shù)優(yōu)化

在最優(yōu)超聲模式下，分別以超聲功率密度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、溫度、超聲時(shí)間和料液比為單因素進(jìn)行逐步優(yōu)化試驗(yàn)，考查各因素對(duì)其提取效果的影響。因素設(shè)計(jì)水平見(jiàn)表2。

表2 因素設(shè)計(jì)水平

1.2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

參考鄧志宇[17]方法，分別將超聲樣品與浸提樣品進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜掃描。以KBr為背景，掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描32次。

1.2.4 茶皂素起泡性和穩(wěn)泡性測(cè)試

利用手搖法測(cè)定溶液的起泡性。配制一系列質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～1.00%的起泡劑溶液，溶液體積均為100 mL，倒入1 000 mL具塞量筒中，以量筒中部為中心，上下180°顛倒60次(30 s)，垂直放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，靜置。記錄起泡體積V0和30 min后的泡沫體積V30，并計(jì)算泡沫穩(wěn)定指數(shù)FSI[18，19]，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

FSI=V30/V0

(2)

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示，多組間差異比較采用單因素方差分析(ANOVA)及Duncan顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果和討論

2.1 超聲模式對(duì)茶皂素得率的影響

從圖1中可看出，超聲輔助提取可以顯著提高油茶籽餅粕中茶皂素的提取率，且不同超聲模式下超聲提取效果有顯著性差異。從整體提取效果分析，三頻順序式超聲>雙頻同步超聲>三頻同步超聲>雙頻順序超聲>單頻超聲。其中20、40、28 kHz順序超聲和20、50、35 kHz順序超聲模式下提取率最高，可到達(dá)(23.81±1.81)%和(23.92±2.64)%，較其他模式下的提取率有顯著差異性(P<0.05)。因此，選擇20、50、35KHz順序超聲模式進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2 超聲功率密度對(duì)茶皂素得率的影響

如圖2所示，隨著功率密度增大，茶皂素得率呈現(xiàn)先增加后下降又回升的趨勢(shì)， 30 W/L后，得率開(kāi)始下降，40 W/L后又逐漸增加。原因可能是在一定功率密度范圍，相較而言不利于茶皂素提取。功率密度過(guò)小，不足以破壞細(xì)胞壁，亦不利于提取。由此可知，超聲輔助提取并不是功率密度越大越好，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓β拭芏?。綜上，20 W/L、30 W/L和50 W/L時(shí)得率相差無(wú)顯著性差異，分別為22.72%、23.46%和23.73%，從能耗上考慮，選擇20 W/L的功率密度進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同條件對(duì)茶皂素得率的影響

2.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素得率的影響

從圖2可知，茶皂素得率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增加而增加，可能是乙醇濃度增大，有利于茶皂素的溶出。但是當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)大于60%后，茶皂素得率增長(zhǎng)緩慢，60%到80%乙醇體積分?jǐn)?shù)下的得率沒(méi)有顯著性差異，這可能是因?yàn)樵现械牟柙硭匾驯怀浞痔崛?。從能耗上和提取純度上考慮，仍選擇75%乙醇進(jìn)行后續(xù)提取。

2.4 超聲溫度對(duì)茶皂素得率的影響

由圖2可知，茶皂素得率隨著提取溫度升高而增加，可能是因?yàn)闇囟壬呤刮锪系募?xì)胞壁疏松，更容易被超聲波的空化作用破壞，使茶皂素溶出。但60 ℃后，茶皂素得率有所下降，可能是高溫聯(lián)合超聲效應(yīng)，使茶皂素的糖基被破壞致使茶皂素得率下降。因此選擇60 ℃為最佳提取溫度。

2.5 超聲時(shí)間對(duì)茶皂素得率的影響

如圖2所示，在20 min之前，茶皂素的得率隨著時(shí)間增加而增加。但在20 min以后，茶皂素得率上下波動(dòng)，并無(wú)增加。原因可能是，在20 min時(shí)，茶皂素的提取率已達(dá)到最大值(22.83±1.74)%。因此，超聲輔助提取20 min即可。

2.6 料液比對(duì)茶皂素得率的影響

結(jié)果見(jiàn)圖2，在料液比1∶10 時(shí)，茶皂素得率最大(22.79±1.16)%，但隨著料液比增加，得率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。原因可能是過(guò)多的乙醇水溶液，會(huì)稀釋茶皂素含量。從節(jié)約資源和得率上考慮，選擇1∶10料液比最佳。

圖1 不同超聲模式對(duì)茶皂素得率的影響

2.7 傅里葉變換紅外光譜分析

圖3 茶皂素的傅里葉紅外光譜

2.8 起泡性和穩(wěn)泡性試驗(yàn)

從圖4可看出，超聲與未超聲提取的茶皂素起泡性和穩(wěn)泡性相差不大。隨著茶皂素濃度的增加，起泡力增強(qiáng)，并且開(kāi)始時(shí)的發(fā)泡體積和30 min后的發(fā)泡體積沒(méi)有很大差別，說(shuō)明茶皂素的泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)。因此，超聲提取對(duì)茶皂素的起泡性和穩(wěn)泡性的影響較小。

圖4 茶皂素的起泡性和穩(wěn)泡性

3 結(jié)論

本研究采用超聲波輔助法提取油茶籽餅粕中茶皂素，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得出最佳超聲提取條件為20、50、35 kHz順序交替模式，功率密度20 W/L，溫度60 ℃，提取劑為75%乙醇、料液比1∶10(g/mL)、提取時(shí)間20 min，此時(shí)茶皂素得率為(22.79±1.16)%。

對(duì)所提取的茶皂素進(jìn)行基礎(chǔ)特性研究，結(jié)果表明超聲輔助提取技術(shù)未對(duì)茶皂素結(jié)構(gòu)以及其起泡性和穩(wěn)泡性有顯著性影響。因此，在提取油茶籽粕中的茶皂素時(shí)，超聲輔助提取法具有在不傷害茶皂素自身性質(zhì)的前提下提高提取率、顯著縮減提取時(shí)間、提高樣品純度等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效的提取方法。