全 文 :书广 西 植 物 Guihaia Feb.2015,35(1):120-125 http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.11931/guihaia.gxzw201312021
龚秋实,肖瑜,梁美娜,等.油茶茶枯中茶皂素的提取工艺研究[J].广西植物,2015,35(1):120-125
Gong QS,Xiao Y,Liang MN,et al.Extraction of tea saponin fromCamelliacake[J].Guihaia,2015,35(1):120-125
油茶茶枯中茶皂素的提取工艺研究
龚秋实,肖 瑜*,梁美娜,刘以清,黄 浦
(桂林理工大学 广西矿冶与环境科学实验中心 广西危险废物处置产业化人才小高地,广西 桂林541004)
摘 要:油茶茶枯是南方地区一种常见的加工副产物,含有较高的茶皂素。茶皂素是工业生产中应用广泛的
一种表面活性剂,性能优良,但目前茶皂素的提取工艺并不成熟。为了优化油茶茶枯中茶皂素提取的最佳工
艺,提高油茶茶枯的利用率,该文以脱脂油茶茶枯粉末为原料,乙醇溶液作为浸提剂,以茶皂素的得率和含量
作为提取效果的评价指标,通过单因子实验和正交试验探求油茶茶枯中茶皂素的最佳提取条件。结果表明:
以提取时间、3%NaOH添加量、乙醇浓度、料液比、温度和提取次数6个因素作为单因子,对油茶茶枯中茶皂
素提取得率和含量进行研究,在单因子实验的基础上进行正交试验得到茶皂素提取的最佳工艺条件为料液比
1∶17,乙醇浓度75%,提取温度81℃,提取时间88min,3%NaOH添加量2.5mL(即每10g茶枯粉末中添加
0.075g NaOH),提取次数2次。通过论证该结果表明,在最佳的提取条件下,提取得到茶皂素的最高含量为
0.54mg·mL-1,得率为21.35%。该实验方法添加了NaOH后,在最佳条件下茶皂素的得率明显提高,对今后
优化油茶茶枯中茶皂素的提取工艺具有很好的借鉴意义。
关键词:油茶茶枯;茶皂素;提取
中图分类号:Q946 文献标识码:A 文章编号:1000-3142(2015)01-0120-06
Extraction of tea saponin fromCameliacake
GONG Qiu-Shi,XIAO Yu*,LIANG Mei-Na,Liu Yi-Qing,Huang Pu
(Guangxi Scientific Experiment Center of Mine,Metallurgy and Environment,the Guangxi Talent Highland for Hazardous
Waste Disposal Industrialization,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)
Abstract:Camelliacake is a common by-product of processing,which contains high content of tea saponin.Tea sapo-
nin is widely used in industrial production as a surfactant,which has excelent performance.But the method of extrac-
tion technology is not mature currently.One new method was proposed in the article,which used defatted Camellia
cake powder as raw material,ethanol concentration as extraction agent,the extraction rate and content of tea saponin
as extraction effect evaluation index.In order to acquare the extraction rate and content of tea saponin fromCamellia
cake,six factors such as the influences of the extraction time,adding quantity of 3%NaOH,ethanol concentration,the
ratio of solid-liquid,temperature and times of extraction were studied.After single factor experiment and orthogonal
experiment,the optimized conditions for extracting tea saponin were established by orthogonal experiments,which in-
cluded that the ratio of solid to liquid was 1∶17,ethanol concentration was 75%,extracting temperature was 81℃,
extraction time was 88min,adding quantity of 3%NaOH was 2.5mL and extraction times were 2 etc.Under these
conditions,the content of tea saponin fromCamellia cake was 0.53mg·mL-1 and the yield of extraction reached
21.35%.After adding the NaOH,the yield of extraction improved significantly under the optimum conditions.The
experimental method has good reference value for optimizing the extraction of tea saponin in the future.
Key words:Camelliacake;tea saponin;extraction
收稿日期:2014-02-16 修回日期:2014-07-16
基金项目:国家自然科学基金(21367010)
作者简介:龚秋实(1988-),女,湖南双峰人,硕士研究生,主要从事固体废物处理研究,(E-mail)gqs922@163.com。
*通讯作者:肖瑜,博士,教授,主要从事固体废物处理和环境污染控制化学等研究,(E-mail)xiaoyu0926@sohu.com。
油茶茶枯是油茶榨取茶油后的副产物,其产量
相当于茶油的3倍,全国每年约产70万吨(陈力等,
2010;张新福等,2012;李敏等,2011)。一般油茶茶
枯中茶皂素的含量为10%~15%,因产地不同,含
量可能有差别(魏婷婷等,2011;朱兴一等,2011;廖
书娟等,2005)。茶皂素是一种性能优良的非离子型
天然表面活性剂,具有较强的发泡、乳化、分散等作
用,并有抗渗、消炎、镇痛、抗癌等生理活性,还可用
于制造各种类型的乳化剂、洗涤剂、防腐剂及杀虫
剂、杀菌剂等(熊拯等,2012;李俊等,2012;郝卫宁
等,2010),但由于茶皂素的提取纯化工艺上的不完
善,提取得到的茶皂素颜色深、纯度低。
本研究以乙醇水溶液为浸提溶剂,在碱性环境
下,以脱脂油茶茶枯粉末为原料,以茶皂素得率和含
量为衡量标准,试图寻找简单、高效的提取方法以得
到高纯度的茶皂素。
1 材料与方法
1.1材料与试剂
茶枯饼,桂林市区农贸市场;茶皂素标准品
(98%),长沙哈根生物科技有限公司;香草醛(AR)、
无水乙醇(AR),广东光华化学试剂厂有限公司;浓
硫酸(AR)、氢氧化钠(AR)、石油醚(AR),广东汕头
市西陇化工厂有限公司;超纯水,实验室自制。
1.2主要仪器
SH Z-B型水浴恒温震荡器,上海博讯实业有限
公司医疗设备厂;RE-2000B型旋转蒸发器,上海亚
荣生化仪器厂;DHG9036A 型电热恒温鼓风干燥
箱,上海精宏实验设备有限公司;UV-6100A型紫
外-可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;
AR224CN型电子天平,奥豪斯(上海)有限公司;
SXT-02型索氏提取器,上海洪纪仪器设备有限公
司;SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵,郑州长城科工
贸有限公司。
1.3预处理
用粉碎器粉碎恒温烘干的油茶茶枯,过40目
筛,得到茶枯粉末。石油醚加热回流5h,除去残留
的茶油。残渣继续烘干,待用。
1.4茶皂素的提取
定量的脱脂茶枯粉末,在特定的料液比、特定浓
度的乙醇溶液,特定的碱液条件下,在特定的恒温水
浴锅中,振荡一定的时间,真空抽滤,提取液置于旋
转蒸发浓缩至无醇,提取液变粘稠为止,提取浓缩液
浓缩至浸膏。用分析天平称重。
1.5茶皂素定量分析方法
采用香草醛-浓硫酸显色法检测茶皂素的含量
(陈莹等,2012)。
1.5.1 溶液的配制 茶皂素标准溶液:准确称取
0.050g茶皂素标准品,用80%的乙醇溶液溶解、摇
匀,定容至50mL。8%(g·mL-1)香草醛无水乙醇
溶液:称取4g香草醛用无水乙醇定容至50mL。
77%硫酸溶液:向23mL超纯水中加入77mL的浓
硫酸。
1.5.2标准曲线的配制 分别移取茶皂素标准溶液
0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mL,置于具塞比色管中,加
80%的乙醇定容至1mL,摇匀。再分别加入8%的
香草醛溶液1mL、8mL 77%硫酸溶液,摇匀,置于
60℃水浴中加热20min,然后放置于冰水浴中冷却
10min,取出后置于室温,以试剂为空白,在最大吸
收波长550nm下测定吸光度,并以吸光度对浓度
值绘制标准曲线,建立回归方程。
1.5.3茶皂素浸膏含量测定 准确称取0.050g茶皂
素浸膏,用80%的乙醇溶液溶解、摇匀,定容至25
mL容量瓶。移取0.2mL浸膏溶液,用80%的乙醇
定容至1mL,摇匀。按1.5.2的方法加入香草醛溶
液和浓硫酸溶液显色,在最大波长下测定吸光度。
1.5.4计算茶皂素的得率 油茶茶枯中茶皂素的得
率=茶皂素浸膏的质量×茶皂素的含量/脱脂油茶
茶枯的质量×100%
1.6试验设计
选择提取时间、碱液添加量、乙醇浓度、料液比、
提取次数、温度6个条件分别做单因素实验,根据单
因素的实验结果,以茶皂素得率为考察指标设计
L16(45)正交试验,确定茶皂素提取的最佳条件。
2 结果与分析
2.1标准曲线的建立
以吸光度为横坐标,茶皂素的浓度为纵坐标,绘
制标准曲线,如图1。线性回归方程为y=0.7556x
-0.0003,R2=0.9997。
2.2提取时间对茶皂素提取效果的影响
茶枯粉末10g,料液比1∶10,乙醇溶液浓度
70%,3%NaOH 3mL,温度70℃,分别振荡30、45、
60、90、120min,提取2次,提取液分别合并、浓缩,
1211期 龚秋实等:油茶茶枯中茶皂素的提取工艺研究
图1 茶皂素标准曲线
Fig.1 Standard curve of tea saponin
图2 提取时间对提取效果的影响
Fig.2 Effects of extraction time on the extraction
烘干得浸膏。按方法1.5.3测定含量,计算茶皂素
得率。结果如图2。
从图2看出,在30~90min的过程中,随着提
取时间的增加,茶皂素得率逐渐升高,茶皂素含量也
逐渐增大,90min后,茶皂素得率和含量均趋于平
缓,不再增加。分析原因:30~60min时茶枯中的
茶皂素还未充分被浸提,90min时茶皂素在溶剂中
的溶解已趋于饱和,基本被溶剂浸提完全,120min
时系统中已无茶皂素被浸提出来,所以得率和含量
不再增加。长时间浸提会导致茶皂素水解变质,大
量杂质溶出,淀粉糊化,蛋白质胶体化,影响茶皂素
的提取。所以选择提取时间为90min。
2.3 3%NaOH添加量对茶皂素提取效果的影响
茶枯粉末10g,料液比1∶10,乙醇溶液浓度
70%,温度70℃,震荡2h,分别1mL、2mL、3mL、
4mL、5mL 3% NaOH,提取2次,提取液分别合
并、浓缩,烘干得浸膏。按方法1.5.3测定含量,计
算茶皂素得率。
图3 3%NaOH添加量对提取效果的影响
Fig.3 Effects of adding quantity of
3% NaOH on the extraction
从图3看出,随着3%NaOH添加量的增加,茶
皂素的得率和含量都逐渐增加,当超过3mL后,茶
皂素的得率和含量都明显下降。因为茶皂素溶液偏
酸性,在碱性环境中有利于茶皂素的溶出,同时也溶
出一些碱性杂质,这些杂质在强碱条件下,会使茶皂
素分离,因而提取率降低,含量也降低。因此,溶液
的pH不宜过高,最后选择3mL 3%的NaOH添加
量为最佳条件。
2.4乙醇浓度对茶皂素提取效果的影响
茶枯粉末10g,料液比1∶10,温度70℃,震荡
2h,3% NaOH 3mL,分别加入50%、60%、70%、
80%、90%的乙醇溶液,提取2次,提取液分别合并、
浓缩,烘干得浸膏。按方法1.5.3测定含量,计算茶
皂素得率。
图4乙醇浓度对提取效果的影响
Fig.4 Effects of ethanol concentration on the extraction
从图4看出,随着乙醇浓度的增加,茶皂素的得
率和含量都逐渐增加,70%~80%的浓度时虽然茶
皂素的得率无较大变化,但茶皂素的纯度有较大提
221 广 西 植 物 35卷
高,90%的浓度时,茶皂素的得率和含量均有明显下
降趋势。分析可知,茶皂素易溶于含水乙醇,难溶于
无水乙醇。选用低浓度的乙醇溶液,大量含水性杂
质溶出,导致提取液颜色深,浓缩困难,产生大量的
泡沫,而乙醇浓度过高,一些蛋白质、可溶性糖类等
物质会发生凝聚,影响茶皂素的得率。因此,选择
80%的乙醇溶液最合适。
2.5料液比对茶皂素提取效果的影响
茶枯粉末10g,乙醇溶液浓度70%,3%NaOH
3mL,温度70℃,振荡2h,料液比分别为1∶5、1∶
10、1∶15、1∶20、1∶25,提取2次,提取液分别合
并、浓缩,烘干得浸膏。按方法1.5.3测定含量,计
算茶皂素得率。
图5 料液比对提取效果的影响
Fig.5 Effects of solid-liquid ratio on the extraction
从图5看出,随着料液比的增加,茶皂素的得率
和含量明显增加,当增加到1∶15时,得率略有下
降,含量趋于平缓。分析原因可知,当增加溶剂体积
时,溶质在溶剂中的浓度下降,传质阻力增大,提取
速度加快。但同时消耗的溶剂也越多,增加成本,会
有一些杂质溶出,长时间的浓缩会使茶皂素受热分
解,综合考虑,应选择的最佳料液比为1∶15。
2.6提取次数对茶皂素提取效果的影响
茶枯粉末10g,料液比1∶10,乙醇溶液浓度
70%,3% NaOH 3mL,温度70℃,振荡2h,分别
提取1、2、3、4、5次,提取液分别合并、浓缩,烘干得
浸膏。按方法1.5.3测定含量,计算茶皂素得率。
从图6看出,提取2次比提取1次茶皂素的得
率和含量明显增加,随后增加提取次数,茶皂素的得
率无明显变化,但茶皂素的含量有下降趋势。分析
认为,提取2次茶皂素基本已充分浸提完全,增加提
取次数,得率增加不明显,茶皂素的含量略有降低,
图6 提取次数对提取效果的影响
Fig.6 Effects of extraction times on the extraction
因为多次提取后一些杂质溶出量增加,使茶皂素的
含量降低,并且增加提取次数,溶剂使用量和能耗都
增加,增加成本。因此选择提取次数为2次最为
合理。
2.7温度对茶皂素提取效果的影响
茶枯粉末10g,料液比1∶10,乙醇溶液浓度
70%,3% NaOH 3mL,振荡2h,温度为50、60、70、
80、90℃,提取2次,提取液分别合并、浓缩,烘干得
浸膏。按方法1.5.3测定含量,计算茶皂素得率。
图7 温度对提取效果的影响
Fig.7 Effects of temperature on the extraction
从图7看出,随着温度的升高,茶皂素的得率和
含量逐渐增大,当温度升高至70~80℃时茶皂素的
得率和含量最大,温度继续升高,得率略有下降,含
量有明显的下降趋势。分析可知,当温度升高后,茶
皂素会发生水解,而且蛋白质、单宁等物质也会溶
出,导致得率和含量的下降,综合考虑选择70℃为
最适合的提取温度。
2.8茶皂素提取的正交试验
通过对各单因素实验结果的分析,得到正交试
3211期 龚秋实等:油茶茶枯中茶皂素的提取工艺研究
验的各因素的取值范围。综合考虑,选择提取时间、
料液比、温度、乙醇浓度、3%NaOH 添加量5个因
素,设计4个水平,以茶皂素得率为考察指标设计
L16(45)正交试验,确定茶皂素提取的最佳条件。正
交设计表及结果如下表1,表2。
表1 正交因素水平表
Table 1 Experimental levels of orthogonal design
水平
Level
因素Factors
时间
Time
A
(min)
料液比
Ratio of
solid to
liquid
B
(g·mL-1)
温度
Temper-
ature
C
(℃)
乙醇浓度
Concen-
tration
of ethanol
D
(%)
3% NaOH
添加量
3% NaOH
addition
E
(mL)
1 85 1∶13 69 75 2.5
2 88 1∶15 73 78 2.8
3 91 1∶17 77 81 3.1
4 94 1∶19 81 84 3.4
表2 正交实验结果表L16(45)
Table 2 Result of orthogonal experiment L16(45)
实验号
Number
时间
Time
A
(min)
料液比
Ratio of
solid to
liquid
B
(g·mL-1)
温度
Temper-
ature
C
(℃)
乙醇
浓度
Concen-
tration
of ethanol
D(%)
3%NaOH
添加量
3% NaOH
addition
E(mL)
得率
(%)
Yield
1 1 1 1 1 1 19.99
2 1 2 2 2 2 17.23
3 1 3 3 3 3 17.88
4 1 4 4 4 4 16.75
5 2 1 2 3 4 17.90
6 2 2 3 4 1 18.64
7 2 3 4 1 2 22.85
8 2 4 1 2 3 19.23
9 3 1 3 4 2 17.42
10 3 2 4 1 3 17.83
11 3 3 1 2 4 21.56
12 3 4 2 3 1 19.21
13 4 1 4 2 3 19.31
14 4 2 1 3 4 17.18
15 4 3 2 4 1 18.26
16 4 4 3 1 2 18.54
K1 17.963 18.655 19.149 19.149 19.025
K2 19.655 17.720 18.150 19.333 19.010
K3 19.005 20.138 18.120 18.043 18.563
K4 18.323 18.433 19.185 17.768 18.348
R 1.042 2.418 1.065 2.035 0.677
根据正交试验结果可知,茶皂素提取的各考察
因素的影响程度如下:料液比>乙醇浓度>温度>
时间 >3% NaOH 添 加 量,最 佳 提 取 条 件 为
B3D1C4A2E1,即最佳提取条件为料液比1∶17,乙
醇浓度75%,提取温度81℃,提取时间88min,3%
NaOH添加量2.5mL。
2.9提取工艺的验证实验
按照茶皂素提取工艺的最佳条件,进行三次平
行实验,分别称取10g三份脱脂油茶茶枯,在料液
比1∶17,乙醇浓度75%,提取温度81℃,提取时间
88min,3%NaOH 添加量2.5mL的条件下,测定
茶皂素的含量和得率,验证提取条件的稳定性。结
果如表3。3次平行实验结果相对稳定,得率最高达
21.53%,说明正交试验得到的最佳提取条件是可取
的,值得信任。
表3 提取工艺的验证实验结果表
Table 3 Validation testing result of extraction process
脱脂茶枯 (g)
De-fat Camellia cake
含量 (mg·mL-1)
Content
得率 (%)
Yield rate
10 0.53 20.98
10 0.54 21.23
10 0.54 21.35
2.10对比分析
李静等(2008)在乙醇浓度80%、料液比1∶4、
提取温度40℃、超声波功率320W、超声波作用时
间60min的最佳工艺条件,茶皂素粗品得率为18.
54%,茶皂素含量60.3%。姜伟等(2008)经单因素
和正交试验,在提取温度60℃,时间2h,乙醇浓度
65%,料液比1∶20的条件下,油茶皂苷提取率为
10.79%。刘尧刚等(2008)通过正交试验得出最佳
浸提条件为甲醇浓度70%、浸提液固比7∶1、浸提
时间2h、浸提pH=10.5、浸提温度55℃。在此条
件下茶皂素的浸提得率为14.45%。谢多等(2013)
以70%的乙醇浓度为溶剂,浸提油茶饼粕中茶皂素
的优化条件为料液比1∶7、提取温度60℃、提取时
间110min,该条件下茶皂素得率可达8.34%。综合
比较,本方法在添加了 NaOH 后,相比其他研究成
果,在最佳条件下得率明显提高,而且方法简单,操
作性强。
3 结论
根据对6个因素的单因素考察和正交试验,我
们得到了茶皂素提取的最佳条件为料液比1∶17,
乙醇浓度75%,提取温度81℃,提取时间88min,
3% NaOH添加量2.5mL(即每10g茶枯粉末中添
421 广 西 植 物 35卷
加0.075g NaOH),提取次数2次,最高含量为0.54
mg·mL-1,得率为21.35%。
致谢 感谢导师肖瑜教授、高级实验师梁美娜
老师、师妹刘以清和师弟黄浦在实验及文字写作过
程中给予的指导和帮助。
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