超声波辅助正丁醇提取茶皂素的工艺研究食品科学与工程毕业论文Word文件下载.docx
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本文主要为结合现阶段国内外在生物活性的研究进展、结构鉴定及特性进行研究入手，进一步的分离和鉴定茶树油粕中茶皂素以及主要在农药、医药、食品和工业等方面上的综合利用等提供参考。
因此若能大幅度的利用好茶皂素性能优异和多种功能的这一特点,有利于提高茶皂素附加值,而且可以将提取后茶籽饼重复利用、变废为宝，用于生物肥料与饲料完美实现资源可持续发展。
因此如何大幅度利用好茶皂素这一性能优异的表面活性剂，提高茶皂素提取率对于现阶段尤为重要。
1.2茶皂素的简介
1.2.1茶皂素的简介
茶皂素是由糖体、有机酸和皂苷元[1]组成的五环三萜类糖苷混合物[2]。
分布茶籽中的茶皂素是具有抑制细菌、细菌、杀灭害虫、消炎等效果的天然表面活性剂[3-5]，因此现阶段在国内外于化工、建材、农药等方面被广泛应用[6-7]。
表1-1为茶皂素的基本理化性质。
表1-1茶皂素主要理化性质
茶皂素理化性质
参数
平均分子式
C57H90O20
相对分子质量
1203
元素分析值
C（59.93）、H（7.09）
表面张力（N/m）[7]
47-59
水溶液PH值
5.0~6.5
熔点
258℃~260℃
可溶于
温水、二硫化碳、乙酸乙酯
难溶于
冷水、无水甲醇、无水乙醇
不溶于
乙醚、石油醚、丙酮、正已烷
易溶于
正丁醇、含水甲醇、含水乙醇
1.3茶皂素提取工艺研究进展
1.3.1水浸法
水浸法：
利用热水作为浸提溶剂提取油茶籽中的茶皂素。
通过该方法提取时虽然工艺过程较为简单，但提取出时耗能大，且茶皂素的纯度低。
1.3.2有机溶剂提取法
有机溶剂法提取油茶籽中的茶皂素时，因为甲醇具有毒性和易燃易爆的特点，所以一般放弃含水甲醇，选用含水乙醇作为浸提溶剂。
实验是选用危险系数小的乙醇作为浸提剂。
史高峰等在使用有机溶剂法提取油茶籽中的茶皂素时，选用C2H5OH-NH3-H2O为浸提剂，实验时利用正交实验，以固体与液体比、实验下温度、C2H5OH浓度、实验提取时间、NH3•H2O浓度为变量，实验的最佳提取率为22.41%，其浸提工艺：
固体跟液体比l:
10（g/mL），温度为78℃，70%的C2H5OH水溶液，提取55min，10%的NH3•H2O[8]。
胡婕伦等在使用有机溶剂法提取油茶籽中的茶皂素时，选用乙醇作为浸提剂使得丙酮沉淀。
实验时为了优化茶皂素提取工艺，利用响应曲面实验和单因素实验，建立以实验时间、固体与液体、实验温度、浸提溶剂溶度为变量数学模型，得到提取率最优为9.48%±
0.05%。
：
时间为3.3h、固体液体比7.25:
1（v/m）、温度取85.7℃、浸提溶剂溶度80%的乙醇[9]。
通过有机溶剂提取具有茶皂素纯度高、提取时间短、消耗大量溶剂、提取工艺复杂、设备要求和生产成本高等特点。
1.3.3微波辅助提取法
微波技术提取：
萃取物质细胞壁，因细胞内的温度跟压力在萃取的过程中吸收了微波的能量，当能量增加达某一临界点时破碎[10]，从而提高细胞内的有效成分在萃取剂中快速溶解的新型技术，具有有高萃取效率高、提取时间短等特点。
吴雪辉等[11]采用微波辅助萃取茶皂素的实验最优收率为11.98%，在固体与液体比为1∶18（g/mL）、茶粕选用小于180μm、800W微波功率下实验280s，彭应兵等[12]选用分数为50%含水乙醇为茶籽壳的萃取剂，得到的最优解收率为12.16%。
实验在400W微波的功率、固体与液体比为1∶3、实验时间为8min下进行。
虽然使用微波辅助提取茶皂素中时，微波具有很强的穿透能力，简便、高效，迅速均匀的加热茶粕内外部的优点。
但是微波设备的高要求和高投资是现现阶段棘手的问题。
1.3.4超声波提取法
细胞壁因在超声波技术下产生空化作用而受到强大的压力破裂，使得其有效成分可以在很短的时间内被提取。
在振动的情况下不仅保持被浸茶皂素细胞内的生物活性不变，同时还提高了物质有效的提取速率，使得其更快溶解、释放和扩散。
利用此技术可有效地减低萃取所用的时间，大幅度减低提取成本[13-16]。
袁红江[17]利用超声波的空化作用来提取茶饼中茶皂素的实验最优收率超过10.06%，实验时选用600W超声波功率，固体液体比为1∶10（g/mL），温度为60℃，pH值为12。
李祥等通过实验最终得到纯度86%，其提取率21%的最优解。
实验中采用频率为25.87kHz超声波辅助体积分数为80%的含水乙醇，提取脱油脂后的茶饼作中的茶皂素，实验时，选用固体液体比为1∶9（g/mL），将温度设为70℃，提取脱油脂后的茶饼120min时，采用超声波辅助提取10min，得出最优方案。
超临界CO2萃取技术与有机溶剂作为提取溶剂提取有所不同，是萃取茶皂素实验时以液态的CO2作辅助的提取新工艺，以萃取压力、萃取时温度、萃取消耗的CO2为变量。
此萃取技术具有提取物无污染和有害物质,提取率高等优点。
但超临界CO2萃取实验时对设备要求高价格，生产成本较高，使得无法大规模使用此技术。
吕晓玲在使用CO2超临界流体辅助乙醇体积分数为65%提取查查茶皂素实验时，将萃取温度为50℃、压力设置为25MPa、CO2流量为25〜30L/min下，萃取了3h，最终实验得出纯度78.65%茶皂素，其提取率为15.23%[18]。
1.4本课题研究目的和意义
水浸法得到的茶皂素产品纯度较低，同时能耗也较大。
采用机溶剂提取法不但用时比较短，而且提取出为纯度较高茶皂素，且提取率较高；
但提取时对设备要求高较高，提取的工艺复杂繁琐且消耗大量的溶剂，所以成本较高，实用性较低。
为解决了茶皂素易在有机溶剂中溶于，提高了茶皂素提取率，最终结合超声波空化作用辅助正丁醇提取浸提茶皂素，在振动的情况下不仅保持被浸茶皂素细胞内的生物活性不变，还可促使有效的提高了物质的提取速率，使得其更快释放、扩散以及溶解，使得可以短的时间内完成有效成分提取、缩短提取时间、节约成本[19-21]。
研究表明茶皂素具有湿润、发泡、乳化等性能，在各个领域中广泛应用的天然非离子表面活性剂。
且水溶液也有容易清洗、扩散速度快、泡沫浓度低、弱酸性等优点，在降低液体表面张力时效果显著。
为了更好的是资源得到有效的利用，本文主要对茶皂素的提取方法进行研究，已便能使茶皂素的可利用率得到有效的提升。
2材料与方法的选用
2.1实验涉及材料
2.1.1原料与试剂
试剂与原料见表2-1。
表2-1实验试剂
实验材料与试剂
等级
生产公司
油茶茶籽饼粕
正丁醇
无水乙醇
石油醚60℃~90℃
浓硫酸
香草醛
茶皂素标准品
--
分析纯（AR）
纯度96%以上
杭州久晟生物科技有限公司
国药集团化学试剂有限公司
上海源叶生物科技有限公司
2.1.2仪器
本实验所使用仪器见表2-2。
表2-2实验仪器与设备
设备名称
型号
生产厂家
多功能粉碎机
800A
永康市红太阳机电有限公司
磁力搅拌器
ZNCLD180*180
河南爱博特科技发展有限公司
电热恒温水浴锅
DK-S28
上海精宏实验设备有限公司
HWS-24
上海一恒科学仪器有限公司
数控超声波清洗器
KQ-50DEA
昆山市超声仪器有限公司
鼓风干燥箱
DHG-9070A
上海飞越实验仪器有限公司
可见分光光度计
722N
上海佑科仪器仪表有限公司
普通冰箱
BCD-325WPQC
珠海格力电器股份有限公司
ELGA超纯水机
PURELABChorus1
英国VeoliaWaterSyestem公司
玻璃仪器气流烘干机
KQC-30型
上海精密科学仪器有限公司
冷冻干燥机
FDU-2110
上海卓的仪器设备有限公司
旋转蒸发仪
LC-N-1100D型
上海力辰仪器科技有限公司
2.2实验方法
2.2.1茶籽饼粕预处理
（1）粉碎：
干燥后原材料粉碎后过40目筛。
（2）脱脂：
将粉碎过后的茶籽饼粕置于磁力搅拌器，在石油醚（沸程为60℃~90℃）进行脱脂处理4h。
（3）干燥：
脱脂后的茶籽饼粕置于65℃的烘箱中再烘干处理2h。
2.2.2测定方法（香草醛-浓硫酸显色法）[22]
茶皂素可与香草醛-浓硫酸产生共轭反应，反应产物可在722N型紫外-可见分光光度计550nm处显色。
因此可用于测定提取液的吸光度。
（1）配制溶液.
香草醛溶液（体积分数8%）：
取无水乙醇10mL加至香草醛固体（固定质量0.8g）中定容。
浓硫酸（质量分数77%）：
在蒸馏水（46mL）加入浓硫酸（154mL）。
茶皂素标准液（1mg/mL）：
80%的乙醇溶液（25mL）加入茶皂素标准品（25mg）定容。
（2）标准曲线的建立
取标准溶液置于具塞试管中，分别向6支试管内加入80%的乙醇直至体积为0.5mL，加入8%香草醛溶液0.5mL；
将具塞试管放入冰水浴中，再加入硫酸溶液4ml；
再放入60℃的水浴中反应15min，冰水浴中冷却10min后放在室温下，测定其吸光度。
图2-1茶皂素的标准曲线
建立茶皂素标准曲线时，纵坐标与横坐标分别为吸光度（ABS）茶皂素的含量（mg）。
计算回归方程式Y=1.22x+0.038，R2=0.9908。
（3）样品的测定方法
取25mg茶皂素样品，加入80%的乙醇溶液定容到25mL，制成1mg/mL的茶皂素样品液。
取样品液0.3ml于具塞试管中，加入0.2ml80%乙醇，然后同标准曲进行测定。
2.2.3茶皂素提取的单因素实验
（1）固液比的选取：
称取5份经过预处理的茶籽饼粕，分别放入5个干燥锥形瓶中，以超声波时间为60min，超声波功率为80%（占总功率的百分比），正丁醇浓度为80%，提取温度为70℃的情况下，测定固体与液体比为1:
4（8mL）1：
5（10mL）、1：
6（12mL）、1：
7（14mL）、1：
8（16mL）时的茶皂素提取率。
（2）提取温度的选取：
称取5份经过预处理的茶籽粕，分别放入5个干燥锥形瓶中，固液比为1：
7（14ml）,超声波时间为60min,超声波功率为80%（占总功率的百分比），正丁醇浓度为90%，测定提取温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃情况下茶皂素的提取率。
（3）提取时间的选取：
7（14ml），超声波功率为80%（提取功率是占总功率的百分数），正丁醇浓度为90%，提取温度为70℃。
测定提取时间为30min、45min、60min、75min、90min时的茶皂素的提取率。
（4）超声波功率（占总功率的百分比）的选取：
本实验中所使用的超声波总功率为350W。
称取5份经过预处理的茶籽粕，分别放入5个干燥锥形瓶中，提取温度为70℃，固液比1：
7（14mL），提取时间为75min，正丁醇浓度为90%，测定功率为60%、70%、80%、90%、100%时的茶皂素的提取率。
（5）正丁醇浓度的选取：
称取5份经过预处理的茶籽粕，分别放入5个干燥锥形瓶中，固液比1：
7（14mL），超声波功率为80%（占总功率的百分比），提取温度为70℃，提取时间为75min，测定正丁醇浓度变化40%、50%、60%、70%、80%时茶皂素的提取率。
2.2.4正交实验因素水平
单因素实验可知影响茶皂素提取率主要因素为温度（A）、提取时间（B）、提取功率（C），选择L9（34）正交实验表，确定最优提取条件。
因素水平表见表2-3。
表2-3正交试验因素水平
水平
影响因素
A温度（℃）
B提取时间（min）
C超声波功率（%）
1
65
70
2
75
80
3
90
2.2.5茶皂素提取率的计算
茶皂素提取率=冷冻干燥后茶皂素的质量/脱脂后茶籽饼粕的质量×
100%
2.2.6数据处理
选用MicrosoftExcel2016软件对本实验进行统计分析。
3结果与讨论
3.1固液比的变化分析
由图3-1可知：
提取率在从1：
4的情况下较小，在1：
4到1：
8之间，随着固液比变化而增大，茶皂素提取率逐渐增加，在1：
7前提取率增长较多。
但是在固液比1：
7到1：
8之间增长较缓慢，可能是由于提取剂正丁醇的用量过多会稀释了茶皂素的含量。
为了节约资源，因此确定适宜提取固液比为1：
7。
图3-1固液比的变化分析
3.2超声波功率的变化分析
由图3-2可知：
茶皂素含量随着超声波功率从60%升至100%逐渐增加，至超声波功率为100%的时候达到最大，其后在80%-100%增长缓慢，为了减少对超声波的损耗，因此选取最佳超声波功率在80%。
图3-2超声波功率的变化分析
3.3正丁醇浓度的变化分析
由图3-3可知：
茶皂素含量在正丁醇浓度从40%升至60%的时候逐渐增加，至正丁醇浓度为60%的时候达到最大，其后在60%-80%直线下降，可能正丁醇浓度较大会溶解出其他物质从而影响茶皂素的提取，因此选取最佳正丁醇浓度在60%。
图3-3正丁醇浓度的变化分析
3.4超声波提取时间变化分析
由图3-4可知:
茶皂素含量在超声波提取时间从30min到45min的时候变化较小。
在45min到75min大幅度增加，油茶饼粕被提取75min后，大多数的茶皂素已经被提取出来了，如果提取时间过长容易导致茶籽饼粕中的其它成分如茶多酚以及咖啡碱等成分的析出，另外增加提取时间也会增加能耗。
所以最佳提取时间为75min。
图3-4超声波提取时间变化分析
3.5超声波温度的变化分析
由图3-5可知：
茶皂素的率在超声波温度从40℃到50℃的时候，增加较快。
从50℃增加到60℃时，增加较慢，在60℃-70℃，提取率增加又较快，在提取温度为70℃-80℃的时候基本不增长，分析得出虽然茶皂素的溶解析出率会随着温度升高而增高，但茶皂素的糖基在温度过高时会产生焦糖作用，导致结构被高温破坏，并且温度增高还易导致实验能耗的增加。
所以，确定适宜温度为70℃。
图3-5超声波温度的变化分析
3.6正交优化实验结果
分析正交试验表3-1中比较极差数的大小，可知影响茶皂素提取率大小依次是超声波的功率、超声波的时间、超声波的温度。
根据各因素各水平所对应指标之和结果的平均值k得出理论较好组合为A2B2C3，功率为90%的超声波、超声波辅助75min、温度为70℃的超声波。
分析表中试验结果，可知此组合超声波辅助正丁醇提取茶皂素的提取率为正交试验各组合提取率的最大值，与试验结果吻合，因此茶皂素提条件为：
A2B2C3。
表3-1正交试验结果的直观分析
试验号
因素
提取率%
A
B
C
空白
11.52
12.18
11.84
4
11.58
5
12.63
6
11.69
7
12.55
8
11.28
9
11.43
k1
11.85
11.88
11.50
—
k2
11.97
12.03
12.14
k3
11.75
11.65
12.34
极差R
0.22
0.38
0.84
因素主次
C>
B>
最优组合
A2
B2
C3
4结论与展望
本次主要探究超声波辅助下正丁醇为提取剂，在提取茶籽饼粕中的正丁醇的最佳提取工艺，因细胞壁在超声波技术下产生空化作用而受到强大的压力破裂，使得其有效成分可以在很短的时间内被提取，且超声波的振动不仅保持被浸提物质细胞内的生物活性不变，同时还提高了物质有效的提取速率，使得其更快溶解、释放和扩散。
有效地减低萃取所用的时间，大幅度减低提取成本。
实验时选取固液比、超声波时间、超声波功率（占总功率的百分比）、正丁醇浓度、提取温度五个因素做单因素试验，用MicrosoftExcel2016软件对实验结果进行统计分析。
结合单因素试验结果见（图3-1，图3-2，图3-3，图3-4，图3-5），可知实验的最佳提取功率：
固液比1：
7（14mL），超声波功率为90%（占总功率的百分比），提取温度为70℃，提取时间为75min，正丁醇溶度为60%。
结合正交试验表见（表3-1）可知，超声波时间、超声波功率、超声波温度对实验中茶皂素含量影响的因素主次来看，超声波功率对实验影响最大；
超声波温度影响最小；
超声波时间对实验影响居中。
本试验通过超声波辅助正丁醇提取茶皂素，由研究可知，由于在实际的生产中，用热水浸提的时间周期较长，易导致淀粉以及蛋白质等物质也溶解在茶浸提液中，使得浸提液浑浊不清，纯化比较困难，同时还需要投入大量的人力物力以及财力，故导致茶皂素在日常化学工业应用中有很大的局限。
除了使用水、有机溶剂或有机溶剂与水的结合，还可通过微波或者超声波等其他方式进行茶皂素提取工艺的研究，以使茶皂素的得率提高。
虽然超声波进行辅助提取能有效地减低萃取所用的时间，大幅度减低提取成本，然而只有不断研究完善，在之后的研究中寻找更有效的辅助条件和工艺，才能确保我国资源的可持续性发展。
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