王 羚，方學(xué)智，杜孟浩，龍奇志

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)院 亞熱帶林業(yè)研究所，杭州 311400； 2.中南林業(yè)科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

截至2018年底，我國(guó)油茶籽油年產(chǎn)量近60萬(wàn)t，榨油后產(chǎn)生的油茶餅中含有10%～15%的茶皂素[1]。茶皂素是一種天然非離子型表面活性劑，有較好的乳化、分散和濕潤(rùn)能力，還具有祛痰、消炎、止咳等作用，可廣泛應(yīng)用于食品、日用化工、醫(yī)藥等行業(yè)[2-3]。

從油茶餅中提取茶皂素的方法有水提法、有機(jī)溶劑提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、超臨界CO2萃取法等[4-8]。水提法成本低，經(jīng)過(guò)濃縮干燥產(chǎn)生的水汽可冷凝回收重新利用，無(wú)污水處理成本,但周期長(zhǎng)、產(chǎn)品純度低、能耗大，易使淀粉糊化、蛋白質(zhì)膠體化，后續(xù)純化困難[5]；有機(jī)溶劑提取法所使用的甲醇、異丙醇、正丁醇等溶劑存在易揮發(fā)、易燃、易爆且有毒有害等不利因素[4]。超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、超臨界CO2萃取法等新型環(huán)保的提取工藝逐漸被應(yīng)用。其中超臨界CO2萃取法具有操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注，但目前該方法多用于油茶籽油的提取工藝及品質(zhì)研究[9-10]，雖然有研究者[8]開(kāi)展了超臨界萃取油茶餅殘油、茶皂素的工藝研究，但鮮有對(duì)超臨界萃取油茶餅中的殘油品質(zhì)及茶皂素性質(zhì)開(kāi)展研究。

本研究應(yīng)用超臨界CO2萃取油茶餅中殘油及茶皂素，并考察其對(duì)油脂及茶皂素品質(zhì)的影響，以期為超臨界CO2萃取工藝對(duì)油茶餅中油脂及茶皂素的萃取提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

油茶餅(油茶籽經(jīng)液壓壓榨提油后得到)，浙江康能食品有限公司；茶皂素標(biāo)準(zhǔn)品，源葉生物科技公司；脂肪酸甲酯混合標(biāo)準(zhǔn)品、β-谷甾醇，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；角鯊烯、α-生育酚，美國(guó)Sigma公司；甲醇、正己烷、甲基叔丁基醚、四氫呋喃均為色譜純；其余試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

Spe-edTMSFE-2型超臨界萃取實(shí)驗(yàn)裝置，環(huán)球分析測(cè)試儀器有限公司；E-816SOX索氏萃取儀，瑞士Buchi有限公司；LGJ-18C冷凍干燥機(jī)，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；GC-2010 plus氣相色譜儀、UV-2550紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本Shimadzu公司；DSA100光學(xué)接觸角形貌聯(lián)用儀，德國(guó)克呂士科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超臨界CO2萃取[8]

準(zhǔn)確稱取油茶餅粉15 g裝填于萃取釜中，在CO2流量2 mL/min、萃取壓力30 MPa、萃取釜溫度50℃、出口溫度110℃條件下動(dòng)態(tài)萃取2 h，直至殘油基本萃取完全。

脫油后的油茶餅粉在不同的萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、夾帶劑(乙醇)體積分?jǐn)?shù)條件下進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，考察各因素對(duì)茶皂素萃取率的影響。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 有機(jī)溶劑提取

取200 g油茶餅粉于三口燒瓶，加入400 mL石油醚，于60℃水浴鍋中浸提1 h，提取兩次后抽濾，旋蒸得油茶籽油。固相揮干后使用80%乙醇浸提1 h，提取兩次后旋蒸得茶皂素[11-12]。

1.2.3 茶皂素含量的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[13]采用香草醛-濃硫酸比色法對(duì)茶皂素含量進(jìn)行測(cè)定。線性回歸方程為y=0.270 7x+0.098 2，R2=0.997。

茶皂素萃取率=超臨界萃取茶皂素含量/油茶餅中茶皂素含量×100%

1.2.4 油茶籽油的品質(zhì)分析

酸價(jià)的測(cè)定參考GB 5009.229—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中酸價(jià)的測(cè)定》；過(guò)氧化值的測(cè)定參考GB 5009.227—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過(guò)氧化值的測(cè)定》；皂化值的測(cè)定參考GB/T 5534—2008《動(dòng)植物油脂 皂化值的測(cè)定》；脂肪酸的測(cè)定參考GB 5009.168—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測(cè)定》；生育酚的測(cè)定參考GB 5009.82—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中維生素A、D、E的測(cè)定》；角鯊烯、甾醇的測(cè)定參考文獻(xiàn)[14]。

1.2.5 茶皂素理化性質(zhì)的測(cè)定

表面張力使用DSA100光學(xué)接觸角形貌聯(lián)用儀采用懸滴法進(jìn)行測(cè)定[15]；接觸角通過(guò)DSA100光學(xué)接觸角形貌聯(lián)用儀采用座滴法進(jìn)行測(cè)定；起泡性及泡沫穩(wěn)定性參考文獻(xiàn)[16]進(jìn)行測(cè)定；乳化性參考文獻(xiàn)[17]采用攪動(dòng)法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，響應(yīng)面優(yōu)化采用Design-Expert 8.0.6分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 超臨界CO2萃取條件對(duì)茶皂素萃取率的影響

2.1.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1.1 萃取溫度對(duì)茶皂素萃取率的影響

按照1.2.1方法在萃取時(shí)間3 h、CO2流量2 mL/min、出口溫度110℃、萃取壓力30 MPa、夾帶劑體積分?jǐn)?shù)65%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察萃取溫度對(duì)茶皂素萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，在35～55℃的范圍內(nèi)，茶皂素萃取率先上升后下降，在50℃時(shí)萃取率最高。萃取溫度會(huì)影響擴(kuò)散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)，當(dāng)溫度升高，溶質(zhì)的萃取率也會(huì)增加，茶皂素的溶解度隨溫度的升高而增大[18-19]。在55℃時(shí)茶皂素萃取率下降是由于溫度持續(xù)升高會(huì)使得茶皂素結(jié)構(gòu)遭破壞被降解。因此，選擇50℃為茶皂素的最佳萃取溫度。

2.1.1.2 萃取壓力對(duì)茶皂素萃取率的影響

按照1.2.1方法在萃取溫度50℃、萃取時(shí)間3 h、CO2流量2 mL/min、出口溫度110℃、夾帶劑體積分?jǐn)?shù)65%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察萃取壓力對(duì)茶皂素萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同萃取壓力對(duì)茶皂素萃取率的影響

由圖2可知，在萃取壓力25～40 MPa范圍內(nèi)，茶皂素萃取率隨萃取壓力的增加而升高，在40 MPa時(shí)茶皂素萃取率最高，在45 MPa時(shí)茶皂素萃取率略有下降。當(dāng)溫度不變，壓力升高會(huì)使流體密度增加，從而使茶皂素溶解能力增大[20]?？紤]到儀器承受能力，壓力不宜過(guò)高。因此，較佳萃取壓力為40 MPa。

2.1.1.3 萃取時(shí)間對(duì)茶皂素萃取率的影響

按照1.2.1方法在萃取溫度50℃、CO2流量2 mL/min、出口溫度110℃、萃取壓力30 MPa、夾帶劑體積分?jǐn)?shù)65%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察萃取時(shí)間對(duì)茶皂素萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同萃取時(shí)間對(duì)茶皂素萃取率的影響

由圖3可知，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，茶皂素萃取率不斷增加，2～3.5 h之間增幅較大，而3.5～4 h之間變化趨于平緩。有文獻(xiàn)[21]報(bào)道，萃取初期超臨界CO2與溶質(zhì)接觸不充分，隨著萃取時(shí)間延長(zhǎng)，傳質(zhì)良好，使得大部分茶皂素被溶出，達(dá)到最大值。綜合考慮，3.5 h為最佳萃取時(shí)間。

2.1.1.4 夾帶劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素萃取率的影響

本實(shí)驗(yàn)選用不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇作夾帶劑，按照1.2.1方法在萃取溫度50℃、萃取時(shí)間3 h、CO2流量2 mL/min、出口溫度110℃、萃取壓力30 MPa的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察夾帶劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同夾帶劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)茶皂素萃取率的影響

由圖4可知，夾帶劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)萃取率影響較大，隨著夾帶劑體積分?jǐn)?shù)的升高，茶皂素萃取率先升高后降低。茶皂素可溶于含水乙醇，而不溶于無(wú)水乙醇，有文獻(xiàn)[22]指出溶劑中含水量高會(huì)導(dǎo)致大量水溶性雜質(zhì)，如蛋白質(zhì)、糖等溶出。而乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高則會(huì)引起茶皂素中的雜質(zhì)凝固，導(dǎo)致茶皂素溶出被抑制[2]。在本實(shí)驗(yàn)中乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%和75%時(shí)的茶皂素萃取率較高。

2.1.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

2.1.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取萃取溫度(X1)、萃取壓力(X2)、萃取時(shí)間(X3)、夾帶劑體積分?jǐn)?shù)(X4)為自變量，茶皂素萃取率(Y)為響應(yīng)值，采用Box-Behnken進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 方差分析

2.1.2.2 響應(yīng)面的分析與優(yōu)化

由表3可以看出，萃取壓力(X2)對(duì)茶皂素萃取率的影響最顯著，夾帶劑體積分?jǐn)?shù)(X4)、萃取取溫度(X1)次之，萃取時(shí)間影響較小。通過(guò)響應(yīng)面分析得到優(yōu)化的茶皂素提取工藝條件為：萃取溫度45℃，萃取壓力30 MPa，萃取時(shí)間3.5 h，夾帶劑體積分?jǐn)?shù)75%。在優(yōu)化工藝條件下茶皂素萃取率的預(yù)測(cè)值為89.40%。

2.1.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在優(yōu)化工藝條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到茶皂素萃取率平均值為89.21%，與模型預(yù)測(cè)值89.40%結(jié)果相近。

2.2 超臨界萃取油茶籽油品質(zhì)

2.2.1 油茶籽油的理化及營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)(見(jiàn)表4)

表4 超臨界CO2萃取法與有機(jī)溶劑提取法的油茶籽油品質(zhì)對(duì)比

由表4可知，超臨界CO2萃取油的酸價(jià)和過(guò)氧化值均達(dá)到GB/T 11765—2018規(guī)定的成品油茶籽油二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而石油醚提取油的酸價(jià)超過(guò)規(guī)定范圍。與有機(jī)溶劑提取法相比，超臨界CO2萃取油酸價(jià)、過(guò)氧化值和皂化值都較低，α-生育酚、角鯊烯和β-谷甾醇的含量較高，色澤也更清亮。

2.2.2 油茶籽油的脂肪酸組成及含量(見(jiàn)表5)

表5 超臨界CO2萃取法與有機(jī)溶劑提取法的油茶籽油脂肪酸組成及含量 %

由表5可知，油茶籽油中主要脂肪酸為棕櫚酸、硬脂酸、油酸和亞油酸，含量由大到小分別為油酸>亞油酸>棕櫚酸>硬脂酸。不飽和脂肪酸中亞麻酸和亞油酸是人體自身無(wú)法合成的，必須從外界攝入[23]。兩種方法提取的油茶籽油中不飽和脂肪酸含量都非常高，分別為89.88%、89.70%，其中超臨界CO2萃取油的多不飽和脂肪酸含量(11.15%)高于有機(jī)溶劑提取油(9.46%)的。油茶籽油中油酸含量最高，其含量多少直接影響油茶籽油的品質(zhì)[24]。兩種方法提取的油茶籽油的油酸含量都在80%左右，有機(jī)溶劑提取油的油酸含量(80.15%)較高，總體來(lái)看，兩種方法提取油茶籽油的脂肪酸含量差別較小。

2.3 茶皂素性質(zhì)

2.3.1 表面張力(見(jiàn)圖5)

圖5 不同質(zhì)量濃度茶皂素溶液的表面張力

茶皂素是一種天然表面活性劑，表面張力是表面活性劑的重要參數(shù)。由圖5可知，隨著茶皂素溶液質(zhì)量濃度的增加，其表面張力不斷降低。整體來(lái)看，用超臨界CO2萃取的茶皂素降低水溶液表面張力的能力比有機(jī)溶劑提取法的要好一些。有機(jī)溶劑提取法得到的茶皂素質(zhì)量濃度為0.5 g/100 mL時(shí)，其表面張力降到最低，此時(shí)的茶皂素溶液質(zhì)量濃度即為臨界膠束濃度。而超臨界CO2萃取得到的茶皂素溶液的表面張力還在下降，其臨界膠束濃度比有機(jī)溶劑提取法的低。

2.3.2 接觸角(見(jiàn)圖6)

圖6 不同質(zhì)量濃度茶皂素溶液在石蠟板上的接觸角

接觸角用于表示液固界面濕潤(rùn)程度的指標(biāo)，若接觸角大于180°，則表示完全不濕潤(rùn)，大于90°則表示不濕潤(rùn)，小于90°說(shuō)明固體被液體濕潤(rùn)或部分濕潤(rùn)。由圖6可知，水的接觸角為104°，不濕潤(rùn)，而茶皂素能顯著降低液體的接觸角，且接觸角隨茶皂素溶液質(zhì)量濃度的增加而不斷降低。不同方法所得茶皂素的濕潤(rùn)性不同，隨著茶皂素溶液質(zhì)量濃度增大，超臨界CO2萃取的茶皂素溶液-石蠟界面的接觸角下降較快，當(dāng)茶皂素溶液質(zhì)量濃度為1 g/100 mL時(shí)，超臨界CO2萃取的茶皂素溶液-石蠟界面的接觸角為60.61°，而有機(jī)溶劑提取法的為73.63°，表明超臨界CO2萃取的茶皂素濕潤(rùn)性優(yōu)于有機(jī)溶劑提取法的。

2.3.3 起泡性及乳化性(見(jiàn)表6)

表6 不同提取方法的茶皂素的起泡性及乳化性

起泡性是檢驗(yàn)表面活性劑的一個(gè)重要指標(biāo)，而泡沫穩(wěn)定性是泡沫最重要的一個(gè)性質(zhì)，泡沫穩(wěn)定性越好，其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍越廣。

茶皂素的起泡力強(qiáng)，經(jīng)振蕩后能產(chǎn)生大量泡沫。實(shí)驗(yàn)以0.1%的茶皂素水溶液進(jìn)行對(duì)比觀察。由表6可知，超臨界CO2萃取的茶皂素的泡沫體積為51 mL，比有機(jī)溶劑提取法的多6 mL，其起泡性明顯較好。從靜置5 min后的泡沫體積來(lái)看，兩者泡沫都下降約13%，差別不大，泡沫穩(wěn)定性相當(dāng)。

乳化性即對(duì)固體微粒的分散作用，常用石蠟檢測(cè)其乳化能力。由表6可知，兩種方法得到的茶皂素的乳化能力相近，與傳統(tǒng)方法相比，超臨界CO2萃取的茶皂素乳化能力稍好一點(diǎn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對(duì)超臨界CO2萃取茶皂素的工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝條件為：萃取溫度45℃，萃取壓力30 MPa，萃取時(shí)間3.5 h，夾帶劑(乙醇)體積分?jǐn)?shù)75%。在最佳條件下茶皂素萃取率為89.21%。

與有機(jī)溶劑提取法相比，超臨界CO2萃取得到的殘油理化性質(zhì)較好、營(yíng)養(yǎng)成分更為充分，其酸價(jià)、過(guò)氧化值和皂化值相比有機(jī)溶劑提取油相對(duì)較低，α-生育酚、角鯊烯和β-谷甾醇含量較高。

超臨界CO2萃取的茶皂素與有機(jī)溶劑提取法的相比，其表面張力和濕潤(rùn)性更好，起泡性和乳化性也較好，可產(chǎn)生大量泡沫，泡沫穩(wěn)定性兩者相當(dāng)。