韓 敏，張常虎

（西安文理學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710065）

超聲波輔助提取茶皂苷的工藝參數(shù)研究*

韓 敏，張?；?/p>

（西安文理學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710065）

本文對(duì)超聲波輔助水提取茶皂苷的工藝進(jìn)行了研究，分別對(duì)超聲波頻率、超聲處理時(shí)間、提取液溫度和料液比做了單因素實(shí)驗(yàn)。單因素和正交試驗(yàn)法結(jié)合優(yōu)化工藝試驗(yàn)條件為：超聲波頻率28kHz、超聲處理20min、料液比1∶18、提取液溫度30℃，在此條件下，其茶皂苷得率可達(dá)16.96%。利用紅外光譜分析了茶皂苷的結(jié)構(gòu)信息，并用掃描電鏡觀察其形貌特征。

超聲波；茶皂苷；工藝參數(shù)；水提法

圖1 茶皂苷分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Tea saponin Molecular Structure

超聲波的主要作用之一是提取植物的有效成分[4]，它可以充分運(yùn)用自身機(jī)械破碎、固有的空化等機(jī)理，使植物細(xì)胞細(xì)胞壁破損，推動(dòng)提取劑和細(xì)胞內(nèi)部有效成分的接觸、融合直至溶解。這種利用超聲波機(jī)理提取植物有效成分的方法，既能提高提取效率，又不會(huì)破壞提取物自身結(jié)構(gòu)，節(jié)能環(huán)保。

近年來(lái)，盡管多數(shù)學(xué)者對(duì)超聲波在提取有效成分茶皂苷過(guò)程中，其發(fā)揮的輔助作用做了大量科研工作，卻都采用乙醇作為提取劑。本實(shí)驗(yàn)旨在運(yùn)用超聲波輔助水提法提取有效成分茶皂苷，利用正交試驗(yàn)對(duì)其過(guò)程改善，探究影響茶皂苷得率的各種因素。我國(guó)作為世界生產(chǎn)茶葉的強(qiáng)國(guó)，擁有豐厚的茶籽資源，這種方法使得綜合高效利用茶籽資源有了強(qiáng)力的原料與科技支撐[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

茶籽粕、香草醛、無(wú)水乙醇、95%乙醇、濃H2SO4，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

電子分析天平（丹佛儀器（北京）有限公司）；電熱恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）；可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海元析儀器有限公司）；超聲波多頻清洗儀（寧波新芝生物科技股份有限公司）；精密增力電動(dòng)攪拌器（常州國(guó)華電器有限公司）；高速臺(tái)式離心機(jī)（北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司）；傅立葉變換紅外光譜儀（賽默飛世爾科技）；掃描電子顯微鏡（日本日立）。

1.2 超聲提取方法

冰再多，也不能繁衍生命，我們更希望能夠發(fā)現(xiàn)液態(tài)水。于是，科學(xué)家在鳳凰號(hào)著陸器的著陸腿上，觀察到了冷凝的水滴——露珠?；鹦窍募镜某嗟赖貐^(qū)，在一些斜坡上，發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的暗色條紋，可能是融化的液態(tài)水，但只是季節(jié)性出現(xiàn)，這還不夠。要有生命，就要有穩(wěn)定的液態(tài)水體，但火星上一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。

稱(chēng)取脫脂茶籽粕5g放入燒杯中，按照一定比例加入蒸餾水，然后將該燒杯放置于超聲波清洗儀中，利用電動(dòng)攪拌器以平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度攪動(dòng)脫脂茶籽粕水溶液，直至溶液均勻[6,7]。按照預(yù)設(shè)時(shí)間、固定超聲波頻率和一定提取溫度，對(duì)其進(jìn)行超聲處理，然后按照香草醛-濃H2SO4顯色法將處理后的液體進(jìn)行離心操作[7]，從而得到上層水提液，最后量取該部分水提液的體積并計(jì)算其中茶皂苷（茶皂甙、茶皂素）的具體含量和取得效率。

1.3 單因素試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)分別考察以下5個(gè)因素對(duì)茶皂苷得率的影響：（1）超聲處理時(shí)間取值從5~45min，間隔為5min；（2）料液比中蒸餾水取值從20~110mL，間隔為10mL；（3）超聲波頻率分別為25、28、40及59kHz；（4）提取液溫度取值從10~70℃,間隔為10℃。

1.4 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)提取液溫度、超聲波頻率、料液比和超聲處理時(shí)間等單因素對(duì)茶皂苷得率影響的研究[6]，將茶皂苷的提取效率做為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用L9（33）計(jì)算模型分別對(duì)各個(gè)樣本進(jìn)行正交試驗(yàn)。

1.5 茶籽粕超聲后的掃描電鏡分析

按照上文中正交試驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行茶皂苷的提取，離心操作后，取下層固體，進(jìn)行干燥處理。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)處理后的3份樣本進(jìn)行取樣，最后用電子掃描電子顯微鏡分別觀察各自表面特征。

1.6 茶皂苷的紅外光譜分析

取同1.5的樣品3份，進(jìn)行紅外光譜掃描，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算與數(shù)據(jù)處理方法

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 超聲處理時(shí)間對(duì)茶皂苷得率的影響超聲處理時(shí)間對(duì)茶皂苷得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 超聲處理時(shí)間對(duì)茶皂苷得率的影響Fig.2 Effect of sonication time on the tea saponin yield

由圖2可知，隨著超聲處理時(shí)間的不斷增大，茶皂苷得率也隨之增大，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到20min，茶皂苷得率達(dá)到最大值。若超聲處理時(shí)間繼續(xù)增大，茶皂苷得率變化較小，原因是在20min時(shí)茶皂苷的濃度較大，提取所需傳質(zhì)推動(dòng)力小。故本實(shí)驗(yàn)超聲處理最佳時(shí)間為20min。

2.2.2 料液比對(duì)茶皂苷得率的影響料液比對(duì)茶皂苷得率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 料液比對(duì)茶皂苷得率的影響Fig.3 Effect of ratio of liquid tea saponin yield

由圖3可知，隨著料液比的變化，茶皂苷得率出現(xiàn)不同程度的變化。當(dāng)固態(tài)料與浸提液的比例不斷增大時(shí)，提取液中茶皂苷的濃度隨之不斷下降，與此同時(shí)，茶籽細(xì)胞內(nèi)外的茶皂苷濃度差表現(xiàn)出了不斷增大的趨勢(shì)，因?yàn)椴柙碥杖艹龅乃俣炔粩嘣黾覽8]，茶皂苷得率也不斷的增加，當(dāng)料液比為1∶16時(shí)茶皂苷得率達(dá)到最大值。在此基礎(chǔ)上，如果繼續(xù)增加料液比，此時(shí)由于大部分茶皂苷已被洗出，所以茶皂苷得率趨于穩(wěn)定，得率變化幅度不大，故本實(shí)驗(yàn)最佳料液比為1∶16。

2.2.3 超聲波頻率對(duì)茶皂苷得率的影響超聲波頻率對(duì)茶皂苷得率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 超聲波頻率對(duì)茶皂苷得率的影響Fig.4 Effect of tea saponin yield ultrasonic frequenc

由圖4可知，超聲波頻率的不同會(huì)導(dǎo)致茶皂苷得率的不同。在24~28kHz之間，隨著超聲波頻率的增加茶皂苷得率迅速增加[9]，在28kHz時(shí)達(dá)到最大值7.8%。茶皂苷得率隨著超聲波頻率的增加而不斷下降，尤其在40kHz以后下降速度最快，故實(shí)驗(yàn)最佳超聲波頻率為28kHz。

2.2.4 提取液溫度對(duì)茶皂苷得率的影響提取液溫度對(duì)茶皂苷得率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 提取液溫度對(duì)茶皂苷得率的影響Fig.5 Effect of temperature on tea saponin extract yield

由圖5可以看出，在一定的范圍內(nèi)，隨著提取液溫度的增加，茶皂苷得率迅速增大，這是由于水分子的熱運(yùn)動(dòng)，其對(duì)超聲波中能量的傳播有促進(jìn)作用。隨著提取液溫度的增加茶皂苷得率發(fā)生了先升后降的變化趨勢(shì)，當(dāng)該溫度到達(dá)30℃時(shí)，茶皂苷得率上升到最大值10.2%，后隨著提取液溫度的增加而迅速下降。究其原因，當(dāng)提取液溫度較高時(shí)，其液體中微小的氣泡不斷增加，達(dá)到30℃后，微小氣泡的數(shù)量密集且對(duì)液體壓力產(chǎn)生影響，通常認(rèn)為眾多的微小氣泡里面有較高的蒸汽壓力，這些壓力能減弱超聲波對(duì)氣泡的拉伸和擠壓作用，最終阻礙和削弱了超聲處理的效果[9]。故本次實(shí)驗(yàn)提取液選擇的最佳溫度為30℃。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)上文的實(shí)驗(yàn)步驟和方法，最終得到正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.1 Otrhogonal experiment and results

通過(guò)對(duì)表1的分析，可知，所選3個(gè)因素對(duì)茶皂苷得率的影響由大到小依次為：提取液溫度、超聲處理時(shí)間和料液比。通過(guò)對(duì)3個(gè)因素的正交優(yōu)化分析，最終得到利用超聲輔助提取工藝提取茶皂苷的最佳組合模式為，即將提取液的溫度設(shè)定為30℃，料液比設(shè)定為1∶18，超聲處理的時(shí)間設(shè)定為20min，在此條件下時(shí)茶皂苷得率最高。

2.4 超聲后茶籽粕的掃描電鏡分析

圖6 未經(jīng)超聲波處理的茶籽粕（0min）Fig.6 Without sonication tea seeds（0min）

圖7 超聲處理后的茶籽粕（10min）Fig.7 Sonication tea seeds（10min）

圖8 超聲處理最優(yōu)時(shí)間的茶籽粕（20min）Fig.8 Optimal sonication time tea seeds（20min）

由圖可知，若只對(duì)茶籽粕進(jìn)行水提法提?。ㄎ催M(jìn)行超聲處理）如圖6，茶皂苷的表面裂紋不明顯，幾乎看不到裂紋，這說(shuō)明茶籽粕的結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞完全，這也是導(dǎo)致差皂苷得率低的原因。若對(duì)茶籽粕進(jìn)行短時(shí)間（10min）的超聲處理，如圖7，茶籽粕的表面有部分破壞，差皂苷的得率稍有提高。若對(duì)茶籽粕進(jìn)行最優(yōu)時(shí)間（20min）的超聲處理，如圖8，可看出茶籽粕表面裂紋很多，這也充分說(shuō)明了超聲波的破碎作用，進(jìn)而提高了茶皂苷的提取率。

2.5 超聲后茶籽粕的紅外光譜分析

由圖9可以看出，超聲后的茶籽粕的紅外光譜圖（B）與茶皂苷標(biāo)樣圖（A）的趨勢(shì)，形狀等都相似，峰值也基本吻合。在譜圖B中，3411cm-1處的寬峰為締合羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰；2953cm-1處為烴基中C-H的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰；1710cm-1處為羰基的伸縮振動(dòng)峰；1619cm-1處為碳碳雙鍵的伸縮振動(dòng)峰；1383cm-1處為甲基的對(duì)稱(chēng)面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰；1272cm-1處為羥基的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰；1082cm-1處為C-O的伸縮振動(dòng)峰，表明譜圖B中含有-OH、-CH3、-CH2、-C=O、C=C等基團(tuán)。由此可以說(shuō)明，本實(shí)驗(yàn)提取物是茶皂苷。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)茶皂苷與超聲后的紅外圖Fig.9 Standard tea saponin tea saponin with ultrasonic rear infrared FIG

3 結(jié)論

（1）本文不僅對(duì)影響茶皂苷得率的各個(gè)因素進(jìn)行考察，而且通過(guò)正交試驗(yàn)確定了D（超聲波頻率）、A（超聲處理時(shí)間）、B（料液比）和C（提取液溫度）的最優(yōu)組合即當(dāng)D為28kHz、A為20min、B為1∶18和C為30℃時(shí)茶皂苷得率最大。

（2）通過(guò)超聲處理茶籽粕的掃描電鏡分析表明，茶籽粕經(jīng)過(guò)超聲處理之后，其表面出現(xiàn)多處裂紋，說(shuō)明超聲波對(duì)茶籽粕具有較明顯的破碎作用，能夠促進(jìn)其中茶皂苷的釋放。

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Preparation of sodium copper chlorophyllin by direct saponification*

HAN Min，ZHANG Chang-hu
（School of Chemical Engineering,Xi'an University,Xi'an 710065,China）

Ultrasonic assisted extraction of theasaponins was conducted inthis study.We made Single-factor experiments about ultrasonicfrequency,ultrasonic treatment time,temperature and solid-liquid ratio.Single factor experiment and orthogonal test method in optimization of process test conditions:ultrasonic frequency of 28kHz,ultrasonic treatment for 20min at 30℃,the ratio of solid to liquid 1∶18.Under optimum conditions,the theasaponins yield reached 16.96%.IR was applied to analyse the structure of theasaponins,and its morphology observed by SEM.

Ultrasound；tea saponin；process parameters；water extraction

TS229；TQ423

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161219

2016-10-23

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（CXY1531WL33）

韓敏（1981-），女，漢，陜西西安人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事天然產(chǎn)物的改性研究。