樊 陽

(四川大學化學工程學院，四川成都，610065)

1 引言

我國是世界上第一大荔枝生產(chǎn)國，種植面積占全世界80%以上，荔枝(Lychee)盛產(chǎn)于我國南方地區(qū)。荔枝含有豐富的維生素丙，每百毫升果飲中可達13.20～71.72毫克。古書中記載荔枝具有止渴養(yǎng)顏、增益提神、補腦建身等功效，對治療腫瘤等疾病有一定的功效。而在剝除果肉之后，荔枝核在食品工業(yè)中的利用價值則相對較低，雖然其中所含淀粉也可釀酒，但市面上所售該類型的酒釀并不常見，同時荔枝核提取物的活性成分主要有總皂苷、多糖、黃酮和酚酸等[3]，具有調(diào)理血糖血脂、抗氧化、對抗免疫性和急性肝損傷等非常高的藥用價值[4,5]。所以怎樣更好地利用好荔枝核，使其有效成分能夠得到更好地回收利用也逐漸成為許多科研工作者關(guān)注的焦點。

目前總皂苷的提取技術(shù)主要分為傳統(tǒng)的溶劑萃取和新型提取法兩類，第一類包括浸泡和索氏提取等方法，這些方法對于總皂苷這種熱敏感的物質(zhì)而言有時可能會造成負面影響，看似提取率不低但容易導致總皂苷分解變性；第二類包括微波、超臨界流體和超聲波輔助提取法等，這些方法借助外力作用，加快對細胞的破壞使內(nèi)容物快速得到釋放，可進一步提高提取效率。

本文研究的是超聲輔助提取法，超聲輔助提取法(Ultrasonic-assisted Extraction，UAE)主要借助超聲波能量使得液體中的微氣核產(chǎn)生振動，當能量增大，振動加強，達到一定的能量時，空化氣泡破裂崩潰，產(chǎn)生瞬間高壓從而使待提取物料細胞表面受到巨大的爆破能量，這一過程通常被稱為超聲波空化作用。這一現(xiàn)象可導致細胞膜變形破壞，使內(nèi)容物加速釋放從而推動整個提取過程的進行[6,7,8]?？傮w而言超聲輔助提取的主要優(yōu)點有：①提取效率高、時間短，通常只需要24-40分鐘；②提取溫度低，在待提取植物中含有對高溫敏感的有效成分時，傳統(tǒng)高溫提取法如索氏提取缺乏適用性，使用超聲提取可以設(shè)定溫度甚至在室溫下提取；③適應(yīng)性廣，適用各類植物材料的提取研究；④提取液雜質(zhì)少，有利于分離研究；⑤提取成本低，提取效益顯著；⑥設(shè)備以及操作簡單，養(yǎng)護方便。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料與試劑

荔枝核購自廣州菠海蔚記食品有限公司；人參皂苷Rg1(純度≥99.99%)，購自國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇(分析純)、無水甲醇(分析純)、98%濃硫酸(分析純)、香草醛(分析純)均購自成都科龍化工試劑廠；其余試劑也均為分析純。配制溶液使用去離子水。

2.2 實驗設(shè)備

數(shù)控超聲波清洗器(KQ-700DE)，購自昆山市超聲儀器有限公司；紫外分光光度計(751-GW)，購自上海菁華科技儀器有限公司。

2.3 超聲波輔助提取法

取用5.00g荔枝核和足量的乙醇水溶液，按照實驗方案擬定的不同的料液比加入并將兩者充分攪拌混合，在超聲提取器上設(shè)定好試驗溫度和提取時間，待溫度達到目標溫度后將物料置入提取器中提取設(shè)定的時間，提取后取出進行抽濾和離心操作，離心過程運行參數(shù)設(shè)定為4000轉(zhuǎn)、5分鐘，隨后取用離心后的20mL上清液進行旋蒸蒸發(fā)，待提取液充分蒸干后使用甲醇溶劑進行重溶，重溶后過濾取上清液備用。

2.4 傳統(tǒng)溶劑提取法

對比實驗采用乙醇浸泡提取實驗法，進行優(yōu)化后幾個主要的試驗參數(shù)乙醇濃度、固液比、提取溫度和時間分別設(shè)定為70%(v/v)，1:60g/mL，60℃和120分鐘。提取過程為將原料和溶劑充分混合后采用水浴加熱的方法進行浸泡提取。

2.5 總皂苷含量測定

本實驗采用分光光度法，基于顯色反應(yīng)對總皂苷的含量進行測定，這種檢測方法可被稱為香草醛-濃硫酸方法[9,10]，香草醛溶液為0.5%的香草醛乙醇，濃硫酸經(jīng)過稀釋后將濃度降為74%。檢測方法的操作具體如下：使用移液槍精確吸取100μL提取液，然后轉(zhuǎn)移置于具塞試管中，空白對照組加入100μL無水甲醇。加入0.5mL新配制的0.5%香草醛-乙醇溶液后，再沿試管壁緩慢加入74%硫酸溶液5mL充分搖勻(注意該步驟硫酸的加入速度必須確定，因為其加入速度會影響最終反應(yīng)得到的吸光值)，緊著密封好試管后在60℃水浴下恒溫加熱20分鐘，過后取出在室溫下放涼以避免溫度太高影響比色皿的使用和壽命，使用1cm比色皿在波長478nm測得吸光度后代入經(jīng)過實驗測定得到的人參皂苷Rg1的標準曲線回歸方程y=1.4892x-0.0495，x為測得的吸光度，y為皂苷的質(zhì)量濃度(mg/g)，即可得到樣品液中皂苷類化合物的濃度，再根據(jù)原料用量和料液比計算可以得到總皂苷的提取率。

3 結(jié)果與討論

3.1 提取工藝優(yōu)化

3.1.1 固液比對荔枝核皂苷產(chǎn)率的影響

在大多數(shù)提取實驗中，固液比都是十分重要的研究因素，因為適當?shù)墓桃罕扔兄谟行С煞值臄U散，增大溶液中待提取有效成分的最大提取平衡。所以很多情況下提取率會隨著所用溶劑量的增大而增加，在本提取研究中，我們設(shè)定了5個固液比提取梯度(1:30,1:40,1:50,1:60,1:70)g/mL對提取率進行研究。其他參數(shù)固定為提取時間30min，提取超聲功率420W，提取溶劑70%乙醇，提取溫度35℃，提取實驗重復三次，可以得到荔枝核內(nèi)皂苷類化合物與固液比的關(guān)系如圖1所示。根據(jù)實驗結(jié)果可知荔枝核總皂苷提取率隨著固液比從1:30增加到1:60而上升，當固液比達到1:60時，總皂苷的提取率達到了最高值，為33.91±0.58 mg/g。當繼續(xù)增加固液比時，總皂苷的提取率開始出現(xiàn)輕微下降，下降一定程度上可能是因為1:70的固液比對后面的提取純化帶來難度，造成一定的誤差，固液比增大使提取液體積增大還可能使超聲能量的衰減更為明顯，故導致提取率有一定程度的下降。因此選定1:60固液比作為超聲輔助提取的最優(yōu)固液比參數(shù)。

圖1 固液比對總皂苷提取率的影響

3.1.2 超聲提取時間對荔枝核皂苷產(chǎn)率的影響

超聲提取時間會影響物料內(nèi)有效成分在溶液中的擴散，隨著時間的推移，還會影響物料由于空化效應(yīng)受到破壞的程度，細胞結(jié)構(gòu)的破壞會進一步影響細胞內(nèi)成分的擴散程度，而又有一些研究表明超聲時間過長可能會導致有效成分的降解從而影響提取效果[45]。所以選擇適當?shù)奶崛r間對于超聲提取非常關(guān)鍵，根據(jù)一些前人的實驗研究結(jié)果和前期實驗得到大致可能的提取時間范圍，研究的時間梯度為(10,20,30,40,50 min)來研究超聲提取時間對提取率的影響，其他的工藝參數(shù)固定為：固液比1:60，超聲溫度設(shè)置為35℃，提取溶劑70%乙醇溶液，超聲提取功率420W，實驗重復三次得到提取率誤差范圍，得到超聲提取時間與總皂苷提取率的關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 超聲提取時間對總皂苷提取率的影響

根據(jù)實驗結(jié)果可知，在30分鐘內(nèi)超聲提取時間不足，物料不能得到充分的破壞，物料的組織結(jié)構(gòu)相對完整，物料的內(nèi)部成分擴散程度相對較低，顯然由此可以看到在30分鐘內(nèi)超聲提取的提取平衡還沒有達到，物料組織還有待進一步處理。

當研磨時間提高到30min時，總皂苷產(chǎn)率基本達到最高值33.92±0.64mg/g，此時超聲的空化效應(yīng)進行得比較充分，提取擴散得比較充分，整體基本能夠達到提取平衡。當提取時間進一步增長，提高到40-50min時，提取率還有輕微的提高，從實驗結(jié)果看更長的超聲提取時間并沒有造成荔枝核皂苷明顯的降解，但綜合考慮到經(jīng)濟因素，所提高的提取效果相比由此帶來的更高的能耗顯得有些得不償失，所以根據(jù)實驗結(jié)果，選擇超聲時間30min作為超聲輔助提取荔枝核總皂苷的最佳工藝參數(shù)。

3.1.3 超聲提取功率對荔枝核皂苷產(chǎn)率的影響

超聲提取功率對于荔枝核皂苷提取也有著比較顯著的影響，足夠的超聲功率可以保證足夠強度的空化效應(yīng)，使物料組織細胞結(jié)構(gòu)能夠得到更加充分更加有效的破壞。本超聲提取裝置的最高提取功率為700W，故據(jù)此設(shè)置提取功率梯度進行研究，將功率參數(shù)設(shè)定為140、280、420、560、700W。將其他工藝參數(shù)固液比、超聲提取時間、超聲提取溫度以及乙醇濃度分別固定為1:60，30min，45℃和70%，實驗重復三次，獲得荔枝核內(nèi)皂苷類化合物提取率與料液比的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 超聲提取功率對總皂苷提取率的影響

從圖3中我們可以看到提取功率在420W之前，隨著功率水平的提高皂苷提取率也有著比較顯著的提高，當達到420W時皂苷提取率達到了最大值，說明當功率達到420W時，溶液中的空化效應(yīng)達到足夠強度，同時超聲能量對于溶液輸入的能量足以達到提取平衡，而當超聲能量進一步增大，當超聲功率達到700W時，提取甚至出現(xiàn)了一定程度小幅的下降，說明過高的提取功率不利于皂苷的提取，可能會出現(xiàn)一定程度的皂苷降解現(xiàn)象。

最終在考慮經(jīng)濟能耗、提取效果等因素后，我們綜合考慮確定將420W超聲提取功率設(shè)定為荔枝核總皂苷的最優(yōu)提取功率。

3.1.4 超聲提取溫度對總皂苷提取率的影響

很多皂苷類成分是不耐高溫的，過高的提取溫度可能導致皂苷類成分出現(xiàn)變質(zhì)的情況，所以在各類皂苷提取實驗中，提取溫度都是必須要考慮的因素，選擇適宜的提取溫度非常重要，同時會對總皂苷提取率有著比較顯著的影響。

本節(jié)就考察提取溫度對提取率的影響。提取溫度會對物質(zhì)的擴散有影響，提取溫度越高，分子的熱運動速度越快，即可以提高物質(zhì)的傳質(zhì)速率，從而使細胞組織內(nèi)部以及周圍的待提取物質(zhì)擴散加快能夠更快地達到提取平衡。一些文獻中指出荔枝核皂苷提取的溫度不宜超過60℃，故從室溫開始，我們將提取溫度的研究參數(shù)設(shè)定為(25,35,45,55,65℃)，實驗重復三次，獲得的荔枝核皂苷類化合物的提取率與超聲提取溫度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 超聲提取溫度對總皂苷提取率的影響

由圖4可知，在45℃之前，隨著提取溫度的不斷上升，皂苷類化合物在水溶液中的溶解與擴散速度的加強顯然主導著整體進程，總皂苷的提取率不斷上升，當提取溫度達到45℃時，總皂苷提取率基本達到峰值，此時總皂苷提取率為41.80±1.20 mg/g。此后提取溫度進一步增長時，一方面擴散平衡可能已經(jīng)達到，另一方面由于荔枝核皂苷可能出現(xiàn)的分解已經(jīng)開始影響提取率的升高，所以提取率均出現(xiàn)了一定程度的下降。

綜合上述實驗結(jié)果，為了實現(xiàn)最好的提取效果的同時考慮到能耗因素，將45℃選定為最優(yōu)的超聲提取溫度。

3.1.5 乙醇濃度對總皂苷提取率的影響

最后我們將進一步確認乙醇濃度對于荔枝核總皂苷提取的影響，根據(jù)相似相容原理，荔枝核皂苷的標志性成分為人參皂苷Rg1，這類成分易溶于醇類溶劑，而在水中的溶解程度較低，故乙醇溶液的溶度將會影響整體的提取效果，從理論上說，乙醇濃度越高，總皂苷的提取率越高，從一些熱浸泡等預先前期試驗中我們發(fā)現(xiàn)乙醇濃度達到70%時可以實現(xiàn)最大的提取率，對于超聲輔助提取實驗我們再次進行進一步的驗證。

圍繞70%這一乙醇濃度，我們確定將對于乙醇濃度的研究梯度設(shè)定為(40,50,60,70,80%)對該參數(shù)進行實驗研究，每個變量實驗重復三次以確保實驗結(jié)果的可信度，最終實驗得到荔枝核皂苷與乙醇濃度的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 乙醇濃度對總皂苷提取率的影響

從圖5可見，乙醇濃度在70%之前，荔枝核皂苷的提取率隨著乙醇濃度的提高而提高，可以很好地證明皂苷在乙醇溶液中符合相似相容的原理，乙醇濃度的提高有利于皂苷成分在溶液當中的擴散，加速細胞中成分的滲透，可能能夠改變細胞膜通透性，這一情況一定程度上也能加速有效成分的溶出，而當乙醇濃度達到80%時，可能一方面溶液中達到了提取平衡，另一方面有機溶劑中的空化效應(yīng)可能相對較弱，當溶液濃度過高時可能對提取效果造成不利影響。

綜上所述，根據(jù)這一實驗結(jié)果我們可以得到，選擇70%乙醇濃度的提取液可以很好地在保證提取效果和提取效率的同時，降低過量有機溶劑所造成的可能的環(huán)境污染，故最終經(jīng)過驗證，70%乙醇溶液最適宜作為超聲提取濃度。

3.2 傳統(tǒng)提取對比驗證

為了驗證超聲提取效果，我們采用熱浸泡提取方法對總皂苷進行了提取研究，得到產(chǎn)率為36.80 mg/g，超聲輔助提取的41.80 mg/g相比之下高出了13.90%，同時超聲輔助提取方法所需的提取時間也大大縮短。結(jié)果表明，現(xiàn)代提取方法超聲輔助提取的確有著比較顯著的優(yōu)越性，是值得推廣研究的。

4 結(jié)論與展望

本文使用超聲波輔助提取技術(shù)，對荔枝核皂苷類物質(zhì)的提取工藝進行了研究，研究了固液比、提取時間、超聲溫度、超聲功率以及乙醇濃度對提取效率的影響，在此基礎(chǔ)之上與傳統(tǒng)的溶劑提取對比驗證超聲提取的效果。結(jié)果得到超聲波輔助提取荔枝核中總皂苷的各個工藝參數(shù)固液比、乙醇濃度、超聲提取時間、提取溫度以及提取功率的最佳條件分別為1:60 g/mL，70%(v/v)，30分鐘，45℃和420W，所得產(chǎn)率為41.80mg/g，表明超聲輔助提取提取時間短，溫度低，整體上優(yōu)于傳統(tǒng)浸泡提取方法。但實驗仍可以進一步改進，如可以采用高效液相色譜法(HPLC)對荔枝核中皂苷的具體成分進行更進一步研究。