粵北油茶粕中茶皂素熱水提取工藝優化

華軍利，梁錦霞，溫金梅，敬思群

（韶關學院英東食品學院，廣東 韶關 512005）

韶關，地處粵北山區，氣候溫潤、雨水充沛，油茶栽培歷史悠久。油茶產業作為韶關脫貧攻堅的主導產業之一，政府推動在湞江、小坑、乳源、新豐等縣區大力建設油茶產業園，涵蓋育苗、種植、加工、研發、營銷等關鍵環節，其中乳源瑤族自治縣油茶產業園入選省級現代農業產業園。目前，全市油茶種植面積達1.8 萬hm2，油茶籽產量1.95 萬t，茶油4 651 t。油茶籽壓榨提油后產生大量的剩余物油茶粕，油茶粕中含有許多有價值的物質，如茶皂素、蛋白質等，其中又以茶皂素的活性較為特殊。茶皂素作為純天然的表面活性劑，性能良好，具有抑菌、驅殺害蟲、消炎、抗氧化、溶血、降血壓等藥理活性，其應用涉及農業、醫藥、環境等諸多領域[1-4]。因此，對茶皂素進行充分地研究利用，優化茶皂素的提取工藝，不僅能夠減少資源不必要的浪費，還能夠在一定程度上提升產品的經濟價值，促進產業增收創收，助力鄉村振興。從工藝成本、安全系數、操作簡便程度和對環境影響等多方面綜合考量，采用熱水提取法，優化熱水浸提粵北脫脂油茶粕中的茶皂素提取工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

油茶粕，廣東友豐油茶科技有限公司提供。

1.2 試劑與設備

香草醛、無水乙醇、濃硫酸、石油醚等，均為分析純；茶皂素標準品。

多功能粉碎機，DHG-9146 型電熱恒溫鼓風干燥箱，HH-4 型數顯恒溫水浴鍋，TD-5Z 型臺式低速多管架離心機，722 型可見分光光度計等。

1.3 試驗方法

1.3.1 提取工藝

取適量油茶粕，放置于60 ℃恒溫干燥箱中干燥4 h，再經粉碎過篩，用石油醚脫脂，在室溫自然風干后放置于干燥箱中恒溫干燥4 h，備用。取2 g 油茶粕粉，按一定料液比加入蒸餾水，在設定溫度下浸提一定時間，浸提結束后離心分離取上清液，測定其中茶皂素含量。

1.3.2 茶皂素含量測定方法

采用香草醛- 濃硫酸顯色法測定提取液中茶皂素含量。

2 結果與分析

2.1 浸提溫度對茶皂素提取得率的影響

稱取6 份2 g 的脫脂油茶粕粉末置于燒杯中，以1∶10 的料液比添加蒸餾水，用玻璃棒攪拌均勻后，分別放入溫度為55，60，65，70，75，80 ℃的熱水中浸提1 h。浸提結束后，測定提取液茶皂素含量并計算得率，考查浸提溫度對茶皂素提取率的影響。依據茶皂素在熱水中容易溶解這一物理性質，在一定范圍內提高萃取劑的溫度能夠加快茶皂素的溶解速度。然而，由于茶皂素在溫度過高的情況下又非常容易發生水解[5]。因此，選擇適宜的浸提溫度至關重要。

浸提溫度與茶皂素提取率的關系見圖1。

圖1 浸提溫度與茶皂素提取率的關系

由圖1 可知，當溫度為55~65 ℃時，茶皂素提取率隨橫坐標呈穩步上升的趨勢，在溫度到達65 ℃時，曲線上升到最高處，此時茶皂素提取率為6.78%。隨后，繼續提高浸提溫度，曲線不再上升，提取率開始持續下降。曲線之所以呈現這樣的走勢，可能有以下3 個方面的原因：①過高的溫度超出了茶皂素的承受能力，茶皂素分子發生了水解；②除茶皂素外，溶液中還存在著果膠、蛋白質等其他物質，在水溫升高的前提下，這些物質極易發生凝固，而且往往是不可逆的，這種凝固的加劇，很有可能導致溶液中原本析出的茶皂素被吸附在這些物質上；③溶液中的水溶性淀粉的糊化速度隨著溫度的升高而加快了，溶液的黏性變大，使得茶皂素的析出變得困難[6]。綜合以上3 個原因，選擇65 ℃作為最佳浸提溫度。

2.2 浸提時間對茶皂素提取率的影響

準確地稱取6 份2 g 的脫脂油茶粕粉末置于燒杯中，以1∶10 的料液比添加蒸餾水，攪拌均勻后，放入70 ℃的水浴鍋中分別浸提1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h。浸提結束后，測定提取液茶皂素含量并計算得率，考查浸提時間對茶皂素提取率的影響。茶皂素存在于油茶粕的內部，再用熱水將其從油茶粕中提取出來的這一過程中，茶皂素需要一定的時間才能夠從顆粒的內部擴散到溶液中去，從這個角度出發，按理說來，浸提時間越長，溶液中茶皂素的含量就越高，茶皂素的提取率也會隨之持續上升。但溶劑中的茶皂素濃度達到一定的量時，溶液的傳質推動力會有所減小，茶皂素的溶出速度也會相應減緩[7]。因此，必然會存在一個較為合適的熱水浸提時間。

浸提時間與茶皂素提取率的關系見圖2。

圖2 浸提時間與茶皂素提取率的關系

由圖2 可知，曲線整體呈上升的趨勢，當浸提時間達到2.5 h 時，茶皂素的提取率幾乎不再出現大幅度地增加，此時茶皂素提取率為6.46%，曲線在2.5~3.5 h 內變得平緩，由此可見繼續成比例地增加浸提時間，茶皂素的提取得率也不會再出現明顯的上升。從提取周期、能耗等方面綜合考慮，選取最佳浸提時間為2.5 h。

2.3 料液比對茶皂素提取得率的影響

準確地稱取6 份2 g 的脫脂油茶粕粉末置于燒杯中，分別以1∶8，1∶9，1∶10，1∶11，1∶12，1∶13的料液比添加蒸餾水，用玻璃棒攪拌均勻后，燒杯口封上保鮮薄膜，放入70 ℃的水浴鍋中浸提1 h。浸提結束后，測定提取液茶皂素含量并計算得率，考查料液比對茶皂素提取得率的影響。

料液比的大小實質上是溶質跟溶劑的比值大小，理論上來說，加大料液比意味著在溶質的量固定的前提下，溶劑的量增加，兩者差距變大，溶質就更容易被提取出來。由于溶質的量是固定的，料液比必然會存在一個較優值。在料液比達到一定的數值時，隨著溶質的濃度逐漸降低，提取的速度就會趨于平緩，繼續加大料液比，也提取不出再多的溶質，而溶劑的量卻會大大增加[8]。因此，對于最適料液比的探究非常有必要。

料液比與茶皂素提取率的關系見圖3。

圖3 料液比與茶皂素提取率的關系

由圖3 可知，在料液比為1∶8 ~ 1∶11 時，曲線整體呈上升趨勢。當料液比為1∶11 時，茶皂素得率獲得最大值，此時的茶皂素提取率為6.70%；當料液比為1∶12 時，茶皂素的提取率出現小幅度的降低；當料液比繼續增加到1∶13 時，下降明顯，表明在1∶11 ~ 1∶12 的料液比條件下，茶皂素基本上浸提完畢。在溶質的量沒有多大變化的前提下，繼續增加料液比，使得溶劑的量遠大于溶質的量，那么溶劑開始起到稀釋溶質濃度的作用，茶皂素含量就會降低，相應地提取得率也會下降[9]。因此，從節約成本的角度出發，選擇最佳提取料液比為1∶11。

2.4 浸提次數對茶皂素提取率的影響

準確地稱取6 份2 g 的脫脂油茶粕粉末置于燒杯中，根據1∶10 的料液比添加蒸餾水，充分混合后，放入70 ℃的水浴鍋中，在浸提時間1.5 h 固定不變的情況下，分別進行1，2，3，4 次浸提，即1 次浸提1.5 h，2 次浸提每45 min 一次，3 次浸提每30 min一次，4 次浸提每22.5 min 一次。2，3，4 次浸提每次取出時，需進行離心分離。將離心后的液體收集入容量瓶中，固體物料加入首次浸提相同量蒸餾水，攪拌均勻，放入70 ℃的水浴鍋中，繼續浸提。每次離心后的上清液倒入同一容量瓶，浸提完成后測定提取液茶皂素含量并計算得率，考查浸提次數對茶皂素提取率的影響。

理論上來說，隨著浸提次數增加，相應浸出的茶皂素的量也會增加，當浸提達到一個相對穩定的狀態時，每增加一次浸提次數，對溶劑的消耗量也會成倍增加，因此，選擇一個合適的浸提次數也十分重要。

浸提次數與茶皂素提取率的關系見圖4。

圖4 浸提次數與茶皂素提取率的關系

由圖4 可知，成比例的增加浸提次數，茶皂素的提取率會相應的增加，但浸提超過2 次后，茶皂素提取率的增加程度明顯減小，而蒸餾水的用量卻在成倍地增加。因此，從節約能源的方面考慮，試驗選取最佳浸提次數為2 次。

2.5 熱水提取茶皂素工藝條件的優化

通過對單因素試驗得出的試驗結果進行歸納和分析，確定了正交試驗的進行方案，通過正交試驗，進而研究出提取茶皂素的最優因素組合。根據單因素試驗分析可看出，隨著熱水浸提次數的增加，茶皂素的提取率逐漸升高，但熱水浸提次數超過2 次后，茶皂素的提取率上升的幅度比較小，反應趨于穩定狀態。因此，考量到資源的節約以及生產周期的長短，在正交試驗的研究中，將浸提次數固定為2 次，將浸提時間、料液比、浸提溫度這3 個因素作為正交試驗的主要研究因素。同時，在對于單因素研究結果進行了充分的分析之后，將在單因素試驗研究出的各因素的最優條件作為水平數選取的中間值，即將浸提溫度65 ℃，浸提時間2.5 h，料液比1∶11 作為中間值，然后在對應曲線左右兩側就近取點，共選取3 個水平進行L9（34）正交試驗。

熱水浸提正交試驗因素與水平設計見表1，熱水浸提條件正交試驗結果見表2，方差分析結果見表3。

表1 熱水浸提正交試驗因素與水平設計

表2 熱水浸提條件正交試驗結果

表3 方差分析結果

R值反映了在某列因素水平波動時，試驗指標的變動幅度。R值越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。因此，由表2 可知，各因素對于油茶粕熱水浸提液中茶皂素含量的影響程度由大到小依次為A（浸提溫度)、C（料液比）、B（浸提時間）。F值的大小與各個因素的顯著性有著直接的關系，F值越大，說明該因素在試驗指標中越顯著。由表3 的計算結果可看出，浸提溫度對于茶皂素的提取率存在著顯著的影響，而其他2 個因素對于茶皂素的提取率影響不顯著。因此，在茶皂素的提取工藝中，浸提溫度是需要被優先考慮的因素。據各因素各水平的平均值K值來確定優水平，進而選出優組合。因此，該工藝得到的優組合為A2B1C1，由于計算得出的理論最優組合不在表2 中，因此需要進行最優試驗，進一步探究最優組合。最后得出的試驗結果為茶皂素提取率6.86%，優于正交表中的最佳組合A2B1C2，因此試驗研究出的茶皂素最優提取工藝條件為浸提溫度65 ℃，浸提時間2 h，料液比1∶10，浸提次數2 次。在此條件下，茶皂素提取率為6.86%。

3 結論

對熱水提取脫脂油茶粕中的茶皂素的工藝進行了相關研究，通過對脫脂油茶粕進行單因素試驗和正交試驗，得到的最優工藝條件為浸提溫度65 ℃，浸提時間2 h，料液比1∶10（g∶mL），浸提次數2 次的條件下，試驗可獲得茶皂素最高提取率為6.86%。