超声-水浸提茶皂素及茶皂素水溶液应用研究

戚晓阳， 张颂培

（北京工商大学食品学院，北京 100048）

超声-水浸提茶皂素及茶皂素水溶液应用研究

戚晓阳， 张颂培*

（北京工商大学食品学院，北京 100048）

以油茶籽粕为原料，采用超声-水浸提法提取茶皂素，利用单因素实验和正交试验法，探讨了茶籽粕颗粒粒度、料液比、超声浸提时间和超声浸提温度四个因素对茶皂素得率的影响.结果表明：茶籽粕颗粒粒度、超声提取时间和超声提取温度对茶皂素得率均有极显著影响，料液比对茶皂素得率有显著影响.其较佳提取条件为：茶籽粕颗粒粒度为60～100目，料液比为1∶9，超声提取时间为40min，超声提取温度为50℃，此条件下茶皂素得率为21.32%.测定水提得到的茶皂素溶液的表面张力，并对应用茶皂素水溶液生产绿色天然的日化产品进行了分析展望.

茶籽粕；茶皂素水溶液；超声-水浸提

茶皂素具有乳化、分散、润湿、去污、发泡、稳泡等多种表面活性，是一种性能优良的天然非离子表面活性剂，被广泛应用于化工、食品、医药、建筑、化妆品等领域［1-3］.国家林业局2010年数据显示，我国茶粕（含10%～15%茶皂素［4］）产量为75.6万t，而年产茶皂素仅2万t.目前大量的茶皂素却随茶粕一起被用作清塘剂、肥料、燃料等，造成了资源的严重浪费.因此，寻找一条易于工业化生产茶皂素的工艺途径是当务之急.

茶皂素的提取主要有水提［5］和有机溶剂浸提两种方法［6］，另外还有一些在此基础上结合新兴技术手段发展起来的新方法［7-8］.水提法得到的提取液分离茶皂素困难，生产周期长，能耗较大，且长时间的热水浸提对茶皂素有一定的破坏作用［9］.有机溶剂提取茶皂素工艺复杂，对设备要求高，溶剂消耗量大，生产成本高［10］.

超声波作用于料液时产生空化效应，强大的压力瞬间破坏了茶籽细胞壁，同时超声波产生的振动加强了其细胞内物质（比如茶皂素、单宁等）的释放、扩散及溶解，且生物活性保持不变［11］.将超声应用于水浸提茶皂素中，无化学溶剂使用，绿色环保，同时缩短茶皂素提取时间，减少能耗，提高了茶皂素的得率.

当前，对于茶皂素的应用主要集中于对茶皂素干燥后粉末的利用，各种干燥方法，如热干燥［12］、真空干燥［13］、喷雾干燥［14］等耗能高，且对加工设备要求高，不适宜于工业化生产.本实验致力于研发一条直接应用茶皂素水溶液生产日化用品的新途径.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶籽粕，购于浙江金华市木春贸易有限公司.烘干、粉碎，分别过30，60，100，140，300目筛，密封备用；实验用水为去离子水.

分析天平，北京赛多利斯仪器有限公司；标准检验筛，浙江上虞市公路仪器厂；SK2510HP型科导超声清洗仪，上海科导超声仪器有限公司；HH·SY21-Ni4型一列二孔水浴锅，北京市精科华瑞仪器有限公司；XYJ80-1型电动离心机，江苏金坛市恒丰仪器厂；鼓风干燥箱，德国Binder公司；数字式微压差测量仪，南京大学应用物理研究所.

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

茶籽粕粉碎→过筛→超声提取→离心→过滤→烘箱干燥→茶皂素含量测定→茶皂素溶液表面张力测定.

1.2.2 操作要点

1）超声提取.固定超声功率为100W，超声频率为59 kHz.按料液比加入一定体积的去离子水，在提取过程中选择有盖的容器防止水分蒸发.严格控制好超声温度.

2）离心.4 000 r/min离心5min，取上清液.将沉淀以2mL去离子水清洗震荡，再4 000 r/min离心3min.

3）烘箱干燥.干燥温度选择40℃，干燥时间为20 h.

4）茶皂素含量测定.采用质量法测定茶皂素含量，该方法重复性好，准确度高.

1.3 单因素实验

1.3.1 茶籽粕粒度对茶皂素得率的影响实验

将茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎过筛，称取25 g，分为茶籽粕颗粒粒度小于30目，30～60目，60～100目，100～140目和140～300目五组，固定其他3个因素为料液比（g∶mL）1∶9，超声浸提时间30 min，浸提温度40℃.考察茶籽粕颗粒粒度对茶皂素得率的影响.

1.3.2 料液比对茶皂素得率的影响实验

将茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎过筛，称取25 g，分为料液比1∶7，1∶8，1∶9，1∶10和1∶11五组，固定其他3个因素为：茶籽粕颗粒粒度为60～100目，超声浸提时间30min，浸提温度40℃.考察料液比对茶皂素得率的影响.

1.3.3 超声浸提时间对茶皂素得率的影响实验

将茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎过筛，称取25 g，分为超声浸提时间为10，20，30，40，50 min五组，固定其他3个因素为：茶籽粕颗粒粒度为60～100目，料液比为1∶9，浸提温度40℃.考察超声浸提时间对茶皂素得率的影响.

1.3.4 超声浸提温度对茶皂素得率的影响实验

将茶籽粕40℃干燥4 h，粉碎过筛，称取25 g，分为超声浸提温度为30，40，50，60，70℃五组，固定其他3个因素为：茶籽粕颗粒粒度为60～100目，料液比为1∶9，浸提时间为30min.考察超声浸提温度对茶皂素得率的影响.

1.4 正交试验设计

根据单因素实验结果，以茶籽粕颗粒粒度、料液比、超声浸提时间、超声浸提温度为实验因素，茶皂素得率为实验指标，做正交试验.试验因素水平见表1.

表1 影响茶皂素得率的L9（34）正交试验因素水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal array design L9（34）

1.5 茶皂素溶液表面张力的测定

采用最大气泡压力［15-17］法分别测定了水提得到的茶皂素溶液和标准茶皂素溶液的表面张力.并测定了不同pH值时，水提得到的茶皂素溶液表面张力与浓度的关系.

1.6 茶皂素得率的计算

茶皂素得率见式（1）.式（1）中：m1，盛提取液的容器质量，g；m0，干燥后容器和提取液的总质量，g；m，测定茶皂素含量中冷凝回流后的渣滓质量，g，其中表示茶皂素的纯度.

1.7 数据处理

采用Excel软件，利用SPSS 17.0对实验数据进行方差分析.实验数据为平行试验的平均值.

2 结果与分析

2.1 茶籽粕粒度对茶皂素得率的影响

茶籽粕颗粒粒度与茶皂素得率的关系如图1.

图1 茶籽粕粒度与茶皂素得率的关系Fig.1 Effects of camellia cakes’size on yield of tea saponin

由图1可以看出，当茶籽粕颗粒粒度小于60～100目时，茶皂素得率随粒度增大而增大；茶籽粕颗粒粒度在60～100目时，茶皂素得率最大；继续增大茶籽粕颗粒粒度，茶皂素得率减小.

在一定的范围内，茶籽粕颗粒越小，越有利于茶皂素的释放，从而使茶皂素的得率增大.但是当茶籽粕颗粒减小到一定程度时，不利于后续的茶皂素提取，导致其得率下降.因此，初步选择茶籽粕颗粒的粒度为60～100目.

2.2 料液比对茶皂素得率的影响

料液比与茶皂素得率的关系如图2.

图2 料液比与茶皂素得率的关系Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on yield of tea saponin

开始时，随料液比的增大，茶皂素得率增大；料液比为1∶9时，茶皂素得率最大；继续增大料液比，茶皂素得率慢慢下降.

料液比大可以提高传质推动力，加快提取茶皂素的速度.料液比达到1∶9后，茶皂素得率并没有继续增大，此时，溶液达到传质平衡状态.茶皂素的溶出速度较慢，但是随着料液比的增大，一些相对于茶皂素溶出速度更慢的杂质分子溶出，导致其得率反而降低，并且大料液比后期浓缩能耗高，因此，初步选择料液比为1∶9.

2.3 超声浸提时间对茶皂素得率的影响

超声浸提时间与茶皂素得率的关系如图3.

图3 浸提时间与茶皂素得率的关系Fig.3 Effect of extraction time on yield of tea saponin

由图3可以看出，茶皂素得率随超声浸提时间的延长而增大.并且前30min茶皂素得率的增大速率大于后20min.

随着超声时间的增加，茶皂素伴随着茶籽细胞中更多的多糖、蛋白质等物质溶出，将茶皂素分子包裹起来，影响了茶皂素向溶液中的释放，导致茶皂素得率的增大趋势放缓，逐步达到传质平衡［18］.初步选定超声浸提时间为30min.

2.4 超声浸提温度对茶皂素得率的影响

浸提温度与茶皂素得率的关系如图4.

图4 浸提温度与茶皂素得率的关系Fig.4 Effectof extraction temperature on yield of tea saponin

由图4可以看出，浸提温度在30～50℃时，茶皂素得率随温度升高而增大.浸提温度为50℃时，茶皂素得率达到最大值.浸提温度继续升高，茶皂素得率反而减小.

随着浸提温度的提高，茶皂素的溶解度增大，溶液的薪度降低、扩散系数增大，使茶皂素的提取速度增大.但同时，茶籽细胞中的多糖在溶液中的溶解度增大，不利于茶皂素的释放.而且多糖在水溶液中的薪度较大，对后续的茶皂素处理、应用工艺造成一定的困难.另外高温可能会对茶皂素分子结构造成一定的破坏，影响茶皂素溶液的使用性能，并且高温耗费的能量大，因此初步选择浸提温度为50℃.

2.5 正交试验分析

根据单因素实验得出的条件，设计L9（34）正交试验以优化茶皂素的提取条件.正交试验设计中无空白列，做重复试验以获得实验误差［19-20］.实验结果见表2和表3.

表2 正交试验方案及结果Tab.2 Design and results of orthogonal test

表3 茶皂素得率方差分析结果Tab.3 Variance analysis of orthogonal test results

由表2可知，各因素的优劣水平分别为A2＞A3＞A1，B2＞B3＞B1，C3＞C1＞C2，D2＞D3＞D1.4个影响因素的主次顺序为A＞C＞D＞B，确定的较佳实验组合为A2B2C3D2，即茶籽粕颗粒粒度为60～100目，料液比为1∶9，超声提取时间为40 min，超声提取温度为50℃.由表3的方差分析结果可知，茶籽粕颗粒粒度、超声提取时间、超声提取温度三个因素对茶皂素得率均有极显著（P＜0.01）影响，料液比对茶皂素得率有显著（P＜0.05）影响.验证实验得到茶皂素的得率为21.32%，优于正交试验得到的茶皂素得率最大值（20.09%）.

3 茶皂素溶液表面张力测定结果分析与讨论

采用最大气泡压力法对超声-水浸提得到的茶皂素的表面张力与浓度的关系进行了测定，结果见图5.

图5 茶皂素溶液质量浓度对表面张力的影响Fig.5 Effect of tea saponin solution’s concentration on its surface tension

茶皂素是一种非离子型表面活性剂，图5对比了标准茶皂素溶液和超声-水提得到的茶皂素溶液对表面张力降低的能力，结果表明，两者降低表面张力的趋势是一致的.但是，由于超声-水提茶皂素溶液的纯度低于标准茶皂素溶液，总体上相当于降低了茶皂素的浓度，加上其中一些杂质的干扰，导致超声-水提茶皂素溶液降低表面张力的能力小于标准茶皂素溶液.由此说明，茶皂素溶液有直接应用于日化产品生产的潜力与价值.

pH值是洗涤用品测试的一个重要指标，其改变会影响到产品的各项性能.因此，本实验对不同pH值时，茶皂素溶液浓度与表面张力的关系进行了相关研究，如图6.

图6 不同pH值时，水提茶皂素溶液质量分数与表面张力的关系Fig.6 Effect of tea saponin solution’s concentration on its surface tension under different pH valuves

从图6中可以看出，pH值对茶皂素溶液的表面张力是有一定的影响的，但二者并没有具体、稳定的相关性.可以确定的是，在接近中性的范围内，茶皂素溶液的表面张力随浓度的增大而减小，茶皂素降低表面张力的能力有广泛的pH适应性，具有实际应用的价值.

4 结 论

根据单因素实验和正交试验结果可知，超声-水浸提的优化条件为：茶籽粕颗粒粒度为60～100目，料液比为1∶9，超声提取时间为40min，超声提取温度为50℃.茶籽粕颗粒粒度、超声提取时间和超声提取温度对茶皂素得率均有极显著影响，料液比对茶皂素得率有显著影响.茶皂素得率在20%以上，较传统的水浸法（11%左右）［21］有很大的提高.

我国油茶资源丰富，每年有接近百万吨的茶籽粕的产出［22-23］.弃之不用一方面造成资源浪费、经济损失，另一方面大量的堆积对环境有严重的破坏作用.通过超声-水浸提茶皂素，加工生产附加值高的茶皂素产品则很好地解决了以上两个问题.

超声-水浸提茶皂素，无有机溶剂损耗，对设备要求低，相对于其他方法［24-27］更易于实现工业化生产.利用超声提取，在保证茶皂素得率的前提下缩短了提取时间.实验的后续研究是直接利用茶皂素水提溶液研制开发洗发香波，洗涤剂等各种日化产品.因此，不需经过任何干燥措施，节约能耗，大大降低了生产成本.

超声-水浸提茶皂素，得到的茶皂素水溶液通过初步的表面张力测定显示，可以直接利用，设计洗涤配方，用于个人洗护，尤其是婴幼儿衣物以及内衣.因其无任何添加，没有化学试剂残留，皮肤直接接触而没有刺激性，相对于有机溶剂提取得到的茶皂素更加安全环保.其中对于茶皂素水溶液的直接利用涉及到的色泽及稳定性问题，不采用传统的H2O2氧化脱色［28］及添加防腐剂［29］等手段，而是利用天然绿色的物理手段加以解决.相关的配方设计以及性能测试还在进一步的研究中，希望对后续的研究思路有一定的借鉴意义.

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Study on Ultrasonic Assisted Water Extraction of Tea Saponin and App lications of its Solution

QIXiao-yang， ZHANG Song-pei*
（School of Food and Chemical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

Tea saponin was extracted in camellia cakes using ultrasonic assisted water extraction.Effects of camellia cakes partical size，solid-liquid ratio，extraction time，and extraction temperature were investigated through the single factor and orthogonalmethod.Results showed that camellia cakes partical size，extraction time，and extraction temperature had significanteffects on the yield of tea saponin，followed by the solid-liquid ratio.The highest yield of tea saponin（21.32%）was obtained under the optimalextraction conditions of camellia cakes partical size 60-100 meshes，solid-liquid ratio 1∶9，extraction time 40 min，and extraction temperature 50℃.Surface tension of tea saponin solution was determined and the applications of tea saponin solution to produce natural cosmetic productswere analysed and prospected.

camellia cakes；tea saponin solution；ultrasonic assisted water extraction

叶红波）

TS209

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.01.011

2095-6002（2014）01-0059-06

戚晓阳，张颂培.超声-水浸提茶皂素及茶皂素水溶液应用研究.食品科学技术学报，2014，32（1）：59-64.

QIXiao-yang，ZHANG Song-pei.Study on ultrasonic assisted water extraction of tea saponin and applications of its solu

tion.Journal of Food Science and Technology，2014，32（1）：59-64.

2013-10-05

戚晓阳，女，硕士研究生，研究方向为天然产物的提取与应用；*张颂培，男，教授，主要从事精细化学品方面的研究.通讯作者.