响应面优化油茶果壳中皂苷的微波提取工艺

高子涵 陈健 吴友根

摘 要 以油茶果壳为原料，采用微波浸提的方法对油茶果壳中皂苷进行提取分离，并对其提取工艺采取响应面法优化，以期获得较高提取率。以提取时间（min）、乙醇浓度（%）、微波功率（W）为3个参数为自变量，以油茶皂苷的提取率为响应值，采用Box-Behnken试验设计方法，探究提取时间、乙醇浓度及微波功率等因素对油茶皂苷提取率的影响，确定最佳工艺条件为：固定料液比为1：8（g/mL），提取时间为8 min，乙醇浓度为55%，微波功率为600 W，验证实验油茶皂苷的提取率为5.68%。优化油茶皂苷提取的工艺条件，对其工业生产及油茶果壳的综合利用均有重要价值。

关键词 油茶果壳 ；微波 ；油茶皂苷 ；响应面法

中图分类号 TS225.1 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2019.02.014

Abstract Fruit hulls of oil tea （Camellia oleifera） were used as raw material to extract and separate saponins by microwave extraction， and the extraction process was optimized by response surface method in order to obtain higher extraction rate. The extraction time （min）， ethanol concentration （%） and microwave power were set as three independent variables， and the extraction rate of saponins was set as the response value. The Box-Behnken experimental design was applied to explore the effect of extraction time， ethanol concentration and microwave power interaction on the extraction rate of saponins， based on which the optimum conditions for the extraction were determined. The extraction rate of saponins was verified to be 5.68% under the designed optimum conditions that the ratio of solid to liquid was 1：8 （g/mL）， extraction time 8 min， ethanol concentration 55%， microwave power 600 W. Optimizing the extraction conditions of Camellia saponins has an important value for industrial production of saponins and comprehensive utilization of oil tea hulls.

Keywords Camellia oleifera fruit hull ； microwave ； saponins ； response surface method

油茶是中國特有的木本油料植物，主要分布在广西、广东、湖南、江西及福建等省份[1]，油茶籽经榨油后得到高品质食用油——茶籽油，其富含多种维生素及生理活性物质，具有丰富的营养价值及保健功能[2]。然而在茶油需求量急剧增大的同时，也产生了大量油茶果壳。经研究表明，中国年产油茶籽约100万t[3]，而油茶果壳占整个油茶果重量的55%，其中茶皂素含量为 8%～12%，这些果壳基本被废弃或遭到焚烧处理，造成资源浪费和环境污染，因此研究油茶果壳中皂苷的提取工艺具有很高的研究意义。

茶皂素属于五环三萜类的皂苷类化合物[4]，是一种HLB值等于16的性能优良的天然表面活性剂[5]，具有良好的湿润、扩散、起泡等能力[6]，并且在除污以及O/W型乳化方面具有良好的活性[7]，同时能够起到防渗、止疼、消炎、抗癌等功效，还能有效的保护蛋白质、纤维素等不受损伤，可在医药、食品、化工、纺织等行业广泛应用，非常具有开发价值[8-9]。而目前所采取的提取方法大多为有机溶剂或水溶液等提取，这些方法普遍存在不同程度地提取率偏低、需要大量试剂、且加工时间较长等问题[10]。

微波辅助浸提是由传统有机溶剂萃取与微波相结合形成的新型技术[11]，与传统提取技术相比，微波浸提操作简单，提取时间短，且提取率高，杂质含量少[12]，具有便捷、快速、高效、节约溶剂、无污染等优点，成为天然产物提取的有力工具[13]。

本试验以油茶皂苷的提取率为观测值，对微波辅助浸提油茶果壳中的皂苷进行研究，并采用响应面设计法优化其提取工艺，以期提高油茶果壳的综合利用。

1 材料与方法

1.1 材料

果壳原料为海南油茶果壳；双圈定性滤纸（中速）购自通用电气生物科技杭州有限公司；乙醇（95%）购自西陇科学股份有限公司，分析纯；香草醛购自天津市永大化学试剂有限公司，分析纯；硫酸购自广州化学试剂厂，分析纯。

NN-GF539H 微波炉（松下）；SHB-Ⅲ 循环水式多用真空泵；IKA-RV10 基本型旋转蒸发仪；HH-4 数显恒温水浴锅；752N 紫外可见分光光度计；Master-S15 UVE实验室纯水系统。

1.2 方法

1.2.1 试验流程

油茶果壳原料→粉碎、脱脂、过筛→油茶果壳粉末→乙醇溶液辅助微波提取→抽滤→干燥→油茶皂苷

1.2.2 油茶皂苷的提取

将油茶果壳经粉碎机粉碎至细粉，过40目筛，置于干燥避光环境下保存。称取5.0 g果壳细粉，与一定量乙醇溶液均匀混合，在一定时间内置于微波条件下浸提，微波后溶液进行抽滤得滤液，重复3次，将3次抽滤所得滤液完全脱水干燥，即为油茶皂苷。

1.2.3 油茶皂苷含量的测定[14]

将微波浸提后3次抽滤所得溶液定容至250 mL，精确吸取此溶液0.5 mL于干净试管中，加入8% （m/V）香草醛溶液0.5 mL，冰水浴冷却后加入77% （V/V）H2SO4 4.0 mL，混合均匀，在60℃下加热15 min 后，于冰水浴中冷却10 min，放置室温，把液体移入玻璃比色皿中，以蒸馏水为对照，在550 nm处测量其吸光度，以油茶皂苷的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制曲线（图1），得到线性回归方程为y=0.484x+0.068 8，R2=0.995 4，计算油茶皂苷的提取率。

1.2.4 单因素试验

1.2.4.1 提取时间的选取

在恒定微波功率为1，料液比（g：mL）为1：6，提取剂乙醇浓度为50%的条件下，分别选取提取时间为2、4、6、8、10 min，以1.2.3中的方法测定油茶皂苷的提取率。

1.2.4.2 料液比的选取

在恒定微波功率為1，提取时间为8 min，提取剂乙醇浓度为50%的条件下，分别选取料液比为1：6、1：8、1：10、1：12、1：14，以1.2.3中的方法测定油茶皂苷的提取率。

1.2.4.3 乙醇浓度的选取

在恒定微波功率为1，提取时间为8 min，料液比（g：mL）为1：8的条件下，分别选取提取剂乙醇浓度为50%、60%、70%、80%、90%，以1.2.3中的方法测定油茶皂苷的提取率。

1.2.4.4 微波功率的选取

在恒定提取剂乙醇浓度为50%，提取时间为8 min，料液比（g：mL）为1：8的条件下，分别选取微波功率为200、400、600、800、1 000 W，以1.2.3中的方法测定油茶皂苷的提取率。

1.2.5 响应面法优化提取工艺

运用Design Expert 8.06软件，以油茶皂苷的提取率为响应值，以提取时间（A）、乙醇浓度（B）、微波功率（C）为3个因素，根据Box-Behnken 实验原理，进行三因素三水平试验设计（表1），考察因素之间的相互作用对响应值的影响。

2 结果与分析

2.1 微波辅助浸提油茶皂苷单因素试验

2.1.1 不同提取时间对油茶皂苷提取率的影响

由图2可知，初始阶段随着微波提取时间的增加，油茶皂苷的提取率呈明显增长趋势，当提取时间为8 min时，油茶皂苷的提取率达到峰值，为5.43%，继续增加提取时间，油茶皂苷的提取率开始下降[15]。延长微波提取时间有利于果壳内部油茶皂苷的溶解及扩散完全，而当油茶皂苷达到一定的浓度后，传质动力减小，浸提速度下降[16]，不仅无法提高皂苷提取率，还会增加能耗，延长加工时间，因此选择8 min为最优微波提取时间[17]。

2.1.2 不同料液比对油茶皂苷提取率的影响

由图3可知，随料液比增大，油茶皂苷的提取率逐步增高，当料液比为1：8时，提取率达到最高，为6.52%，之后随着料液比的增大，皂苷提取率呈现逐步下降趋势。高料液比有利于产生较大传质推动力[18]，加快溶液浸提速度，缩短浸提时间，但同时也会降低溶质在浸提液中的浓度[19]，因此1：8为最优料液比。

2.1.3 提取剂的不同浓度对油茶皂苷提取率的影响

由图4可知，随着提取剂乙醇溶液浓度的升高，油茶皂苷呈现明显下降趋势，在乙醇浓度为50%时油茶皂苷提取率最高，为6.52%。提取剂的极性决定了提取物溶解性的大小，而不同浓度的乙醇溶液具有不同大小的极性[20]，又因为乙醇溶液和油茶皂苷互不相溶，较高浓度的乙醇溶液可加快蛋白质、单宁等杂质的凝固，抑制皂苷的溶解，降低油茶皂苷的提取率[20]，故50%为最优乙醇浓度。

2.1.4 不同微波功率对油茶皂苷提取率的影响

由图5可知，随着微波功率的增大，油茶皂苷的提取率逐步下降，在微波功率1档时油茶皂苷的提取率达到峰值，为6.52%。微波加热是对物体由内向外的加热，微波穿透物质，使其内部发生摩擦震动，由于油茶果壳粉组分对微波的选择吸收，使目标皂苷可从中脱离[21]。同时微波加热迅速，缩短了加热时间，提高油茶皂苷的提取率，而微波功率也会过大时，热效应会破坏茶皂素结构，也导致提取剂乙醇的温度迅速升高，造成溶液暴沸现象[22]。因此，微波功率为1档为最优微波功率。

2.2 响应面模型建立及显著性分析

响应面法设计的三因素三水平方案及结果见表2，方差分析见表3。

经Design Expert V 8.0.6.1软件对表2实验结果进行多元回归拟合分析，得到油茶皂苷提取率与提取时间（A）、乙醇浓度（B）、微波功率（C）之间的回归方程模型为：茶油皂苷提取率/%=4.75-0.34×A+0.32×B+0.36×C-0.035×AB-0.28×AC+0.053×BC-0.014×A2-0.064×B2+3.500E-003×C2。

由表3可知，模型的F值为109.85，显著性水平达p<0.000 1，表明模型极显著，能较好的反应响应值与因素间的关系，具有一定的统计学意义；方程的R2=0.925 5，说明方程拟合程度较好，92.55%的实验数据可用该模型解释，可信度较高；RAdj=0.983 9，说明该方程反应油茶皂苷与提取时间、乙醇浓度及微波功率三因素之间存在较为显著的线性关系，此三因素决定了98.39%的提取率变化；Cv=1.19%，说明该试验过程较稳定可靠；失拟项F值为2.23，其p=0.227 5>0.05，说明失拟项不显著，模型拟合较好，预测准确度较高。

根据表3的F值及显著水平p可以看到，模型中A，B，C，AC对响应值Y的影响均为极显著，说明提取时间、乙醇浓度和微波功率3个因素之间对油茶皂苷提取率既有极显著影响；根据F值可判断，对油茶皂苷提取率的影响为：微波功率>提取时间>乙醇浓度。

2.3 响应面模型及交互作用分析

油茶皂苷提取率的响应面图见图6，反映了各因素之间的交互作用对油茶皂苷提取率的影响。通过F值可知，AC偏回归系数的显著水平p<0.000 1，说明提取时间与微波功率的交互项对油茶皂苷的提取率有极显著影响； 而AB、BC偏回归系数p>0.05，即提取时间与乙醇浓度的交互项，乙醇浓度与微波功率的交互项均对油茶皂苷的提取率无显著影响。

由图6可知，油茶皂苷的提取率随提取时间的减少及微波功率的增加而提高，该响应面图形曲线陡峭，等高线呈椭圆形，表明两因素交互作用明显；随提取时间和乙醇浓度的改变，及微波功率和乙醇浓度的改变对油茶皂苷提取率的影响较小，曲线平缓，等高线近似直线，表明两因素交互作用不明显，影响不显著。

2.4 最佳油茶皂苷提取率条件的确定

通过响应面实验设计法优化油茶皂苷提取率，得到理论最佳提取条件：提取时间6.01 min；乙醇浓度56.43%；微波功率556 W，此条件下油茶皂苷的提取率为5.68%。

通过实验验证理论最佳条件的可靠性，为便于操作，将上述工艺条件修改为：提取时间6 min；乙醇浓度55.00%；微波功率600 W。根据此条件进行微博浸提油茶皂苷实验，重复3次，实际测得油茶皂苷提取率为（（5.66±1.77）%，与理论值的相对误差为0.35%，故建立的模型基本符合实际情况。

3 结论

本研究通过微波辅助乙醇溶液浸提油茶皂苷，利用响应面法优化工艺参数，得到最佳工艺提取条件为：料液比为1：8的条件下，提取时间6 min，乙醇浓度55%，微波功率600 W。在验证优化工艺提取条件的实验中，油茶皂苷的提取率为（5.66±1.77）%。通过数据可以发现，模型与试验拟合较好，表明通过响应面法得到的回归方程可较好预测试验结果，且在优化工艺条件下采用微波浸提的方法可有效提高了油茶皂苷的提取率。本研究结果对油茶果壳中油茶皂苷的工业化生产具有较大意义。

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