超声波辅助提取油茶籽油的工艺优化研究

柳奕扬，赵圣圣，2，袁传勋，2，金日生，2

（1.合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽 合肥 230009；2.农产品生物化工教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009）

油茶，又名茶油树、茶子树，其实用价值主要为种子，可以榨油。茶油色清味香、营养丰富，具备食用、药用、工业用等多重价值[1]。长期食用高品质的茶油，具有预防心血管疾病、降低血清胆固醇等功效[2]。茶油如果运用于工业中可以被制成除锈剂、润滑剂等。茶饼可以作为肥料运用于农业生产中，同时对于害虫也具有防范作用，油茶皂素具有灭菌、抗氧化等功效，可以说，油茶一身都是宝[3]。油茶饼是油茶籽压榨后的副产物，在工业生产中大部分作为燃料烧弃，造成环境污染，油茶饼价格便宜，其中还残存6%～10%残油未被提取利用[4]，造成极大资源浪费，由于目前提油方法有限，传统的溶剂萃取提油率不高，且传统的6号溶剂、正己烷存在的安全问题遭到众多质疑[5]。通过设计一种高效环保提油新方法，筛选出对油脂溶解度高且无毒或少毒溶剂，利用常见的辅助技术增加浸出效率[6]。目前，应用较多的辅助方法包括酶法[7]、超临界萃取、微波技术、超声波技术等[8]。将采用超声波辅助溶剂浸提技术，在保证萃取过程的安全性的前提下考查了溶剂种类、超声时间、超声温度、料液比和溶剂配比等工艺条件对残油率的影响，为降低油茶饼中的残油提供科学依据[9]。

1 材料与方法

1.1 材料

油茶饼：主要为冷榨油茶饼，含油8.45%；乙醇、异丁醇、正丁醇、环己烷等，均为分析纯。

1.2 仪器

Bs-110S型电子天平、恒温水浴锅、恒温干燥箱、粉碎机、RE-52AA型旋转蒸发器、AK-030A型超声波清洗机，深圳钰洁清洗设备有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1油茶饼的超声波辅助浸提工艺流程

使用粉碎机将油茶饼打碎成60～100目的粉末，置于60℃干燥箱中干燥2 h以上，以去除多余的水分；取一定质量（m1）的油茶饼粉末，放置到浸提瓶中，再放入溶剂并设置相应的反应条件，结束后用滤纸过滤收集滤液。滤液置于旋转蒸发器中进行减压恒温（80℃）蒸发溶剂，蒸发至烧瓶壁上有黄色吸附物产生时，停止蒸发，将浓缩液倒入烧瓶中，将沉渣用相应的溶剂清洗3次，倒入浓缩液烧瓶中，再进行一次蒸发浓缩，得到物质即为茶油，称量（m2）。

1.3.2 单因素试验

以溶剂种类（乙醇、异丙醇、正丁醇、环己烷、混合溶剂）、超声时间（30，40，50，60，70 min）、超声温度（40，50，60，70，80℃）、料液比（1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10）、溶剂配比（1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1）为单因素进行试验，分析以上4个因素对油茶饼残油率的影响。

1.3.3 优化正交试验

以单因素试验结果为基础，以超声温度、超声时间、料液比为影响因素，以残油率作为指标，设计L9（34）正交式验来优化油茶籽饼残油的提取工艺条件。

残油提取试验因素与水平设计见表1。

表1 残油提取试验因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 溶剂对油茶籽饼残油提取率的影响

不同溶剂对残油提取率的影响见图1。

图1 不同溶剂对残油提取率的影响

由图1可知，运用超声波辅助法，当采用如乙醇、异丙醇和正丁醇此类短链醇极性溶剂作为浸出溶剂时，由于其具有较强的极性，与植物油脂的溶解度有限，最终乙醇与正丁醇残油提取率不理想，但其中异丙醇的提取效果与烷烃类溶剂相当，这是由于异丙醇能够在近60℃下与茶油完全互溶，具有良好的提取率。而采用混合溶剂正丁醇和环己烷，以及乙醇和环己烷作为浸出溶剂时，提取效果更优。由于环己烷相比正己烷更加环保安全，且来源丰富，因此选择乙醇与环己烷的混合溶剂作为油茶饼残油的浸出溶剂，进一步优化工艺条件。

2.2 乙醇与环己烷溶剂体积比对残油率的影响

在超声时间为30 min，料液比为1∶1，超声温度为60℃时，超声功率在200 W的条件下，考查不同体积比（V∶V）的乙醇和环己烷混合溶剂（1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1）对残油率的影响。

溶剂配比对残油率的影响见图2。

图2 溶剂配比对残油率的影响

由图2可知，残油率随着乙醇和环己烷体积比的变大，而呈现先降低后升高的趋势，其中在3∶1时，残油率最低。

2.3 超声时间对残油率的影响

以乙醇和环己烷为溶剂，在温度为60℃，料液比为1∶1时，超声功率在200 W的条件下，考查不同超声时间（30，40，50，60，70 min）对残油率的影响。

超声时间对残油率的影响见图3。

图3 超声时间对残油率的影响

由图3可知，残油率随着超声时间的增加呈现先降低后升高的趋势。在超声时间55 min以内时，残油率逐渐降低，降低趋势也逐渐变缓，在大于55 min时，残油率又逐渐升高。在前55 min内，残油率之所以逐渐降低，是因为随着超声时间的延长，细胞膜破损程度增大，溶出物增多，提取率增高，所以残油率降低。在超声55 min以后，可能是由于破损细胞中杂质溶出逐渐增多，杂质中本来就具有吸附茶油的物质，导致残油率降低。因此，超声时间不宜过长，55 min为宜。

2.4 超声温度对残油率的影响

以环己烷为溶剂，在超声时间为30 min，料液比为1∶1时，超声功率在200 W的条件下，考查不同超声温度（40，50，60，70，80℃）对残油率的影响。

超声温度对残油率的影响见图4。

图4 超声温度对残油率的影响

在一定范围内浸出温度越高，油茶籽粕中残油量越少。提高浸出温度有利于降低油脂黏度，提高分子扩散。由图4可知，残油率随着超声温度的增加呈现先降低后升高的趋势，在大约65℃时达到极小值点，此时残油率最低。在小于65℃以前时，随着超声温度的升高能够增加油脂分子的动能，加速了分子的热运动，促进了扩散作用的加速，因此提取速率增长较快，也就是残余率降低较快；但当达到65℃后，绝大部分油脂分子热运动加剧到一定程度而冲破细胞壁的束缚扩散到溶剂中，但是溶液中的油脂已经接近过饱和度，将很难再从细胞中析出，另外高温使得油脂发生热分解和热氧化分解，提取率降低，残油率升高。

2.5 料液比对残油率的影响

以环己烷为溶剂，在超声时间为30 min，料液比为1∶1，超声温度为60℃时，超声功率在200 W的条件下，考查料液比（1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10）对残油率的影响。

料液比对残油率的影响见图5。

图5 料液比对残油率的影响

料液比是单位时间内油茶籽饼与所选溶剂的质量体积比，是影响残油率的另外一个重要因素。由图5可知，残油率随着料液比的增大呈现先降低后升高的趋势。其中在料液比为1∶4时，残油率最低。由图3可知，提取率随溶剂用量的增加而增大。随着溶剂用量的增加，提取率开始增加较快，这是由于溶剂体积的增加，会降低溶剂中油茶籽油的浓度，增加油茶籽与溶剂接触界面的浓度差，从而提高传质速率。因此，在一定溶剂体积范围内提取率增长较快；但当溶剂体积增大到一定程度时，由于油茶籽中的油脂大部分已被提取出来，再增加溶剂体积，提取率基本保持不变。且从经济角度考虑，溶剂用量也不宜过多。因此，料液比1∶6（g∶mL）时为宜。

2.6 正交试验结果分析

根据单因素试验的结果，采用乙醇和环己烷混合溶剂（体积比为3∶1）作为浸提溶液，确定提取时间、提取温度、料液比3种因素采用L9（34）正交试验表来进行试验，确定最佳提油工艺条件。

正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

对正交试验的结果进行方差分析，判断试验因子对残油率的影响。

正交试验的方差分析见表3。

表3 正交试验的方差分析

由表3可知，因素的主次作用为A＞C＞B，即料液比＞提取温度＞提取时间；通过方差分析可知，料液比和提取时间对油茶籽饼的残油率有显著影响，提取时间对残油率没有显著影响。最佳生产工艺条件组合为A2C3B1，即提取温度50℃，提取时间60 min，料液比1∶6为最优工艺生产条件，可以将油茶籽饼的残油率降至0.53%左右。

3 结论

（1）在溶剂筛选方面，为实现萃取剂的重复利用，根据低链醇在高温下油脂溶解度高并在低温下溶解度小的性质采用冷却分层方法回收溶剂，既提高了溶剂的使用率，又节省通过蒸发回收溶剂所需的能耗，且短链醇相比短侧链烃类物质，更加安全，毒性小，具有作为植物油脂浸出溶剂的可行性。

（2）超声波辅助提取在近年的应用得到普及，特别是在工业应用方面，以其安全无毒、不破坏成分的优势得到了广泛应用。超声波提取的原理是通过超声波的强烈搅拌、振动、空化作用来破坏细胞壁，从而提高有效成分的溶出速率[10]。一方面提高油脂的提取率，另一方面使提取时间大大缩短，从而节省能源，达到了较高的时效性。

（3）确定了影响油茶籽饼浸出得率的关键因素，包括浸提溶剂种类、料液比、提取时间与提取温度。此外，通过正交试验获得油茶籽饼低残油率浸出工艺条件：采用乙醇与环己烷（体积比为3∶1）作为提取溶剂，料液比1∶6，浸出温度50℃和浸出时间60 min。在此条件下，能够将油茶饼中的残油率降至0.53%，研究结果可为油茶籽油工业化生产提供理论基础[11]。

采用有机溶剂浸提与超声波技术相结合，探究如何安全高效提取油茶饼中剩余茶油，促进油茶饼的利用率，为工业上提取油茶饼残油提供新的技术思路，创造更大的资源利用率及经济效益。