響應(yīng)曲面法優(yōu)化青磚茶茶多酚的提取工藝

黃明軍，楊新河，覃彩芹，呂幫玉，楊清華

(1.湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.湖北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

響應(yīng)曲面法優(yōu)化青磚茶茶多酚的提取工藝

黃明軍1,2，楊新河1*，覃彩芹1，呂幫玉1，楊清華1,2

(1.湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.湖北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

摘要：用水提法提取青磚茶中的茶多酚。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Box-Benhnken Design模塊和響應(yīng)曲面法考察液料比、提取時(shí)間和提取溫度3個(gè)因素對(duì)青磚茶茶多酚提取率的影響，并優(yōu)化提取工藝。結(jié)果表明，青磚茶茶多酚提取最佳工藝條件為：液料比40:1(V/m)，提取時(shí)間85 min，提取溫度80 ℃。在此條件下，茶多酚的提取率預(yù)測(cè)值為3.38%，驗(yàn)證值為3.42%，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為1.18%，說明利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化青磚茶茶多酚提取工藝可行。

關(guān)鍵詞：青磚茶；茶多酚；響應(yīng)曲面法；提取工藝

中圖分類號(hào)：S571.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4824(2015)06-0005-06

收稿日期：2015-08-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370692)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB573)

作者簡(jiǎn)介：黃明軍(1991-)，男，湖北黃岡人，湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生。

通信作者楊新河(1974-)，男，湖北赤壁人，湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，博士，本文。

Abstract：The tea polyphenols from Qingzhuan tea were extracted by water solvent. Based on the single-factor extraction tests, Box-Benhnken Design module and response surface methodology were employed to optimize the extraction conditions for the tea polyphenols from Qingzhuan tea. Results demonstrate that the optimum extraction conditions for the tea polyphenols were as the following: liquid-solid ration 40:1(V/m), extraction time 85 minutes and extraction temperature 80 ℃. Under such optimum conditions, the theoretical extraction rate was 3.38%, while the actual extraction rate of the tea polyphenols was 3.42% with the relative error of 1.18%, indicating that the response surface methodology was feasible to optimize the extraction of the tea polyphenols from Qingzhuan tea by means of water solvent．

茶多酚是茶葉主要品質(zhì)成分，具有解毒和抗輻射作用，能有效地阻止放射性物質(zhì)侵入骨髓，被醫(yī)學(xué)界譽(yù)為“輻射克星”，茶多酚的抗氧化能力甚至是維生素C的100 倍，是維生素E的20倍[1]，已被廣泛應(yīng)用于食品保鮮、醫(yī)藥、飲料、油脂、糕點(diǎn)等領(lǐng)域，被譽(yù)為天然的保鮮劑。

目前，關(guān)于茶多酚提取工藝的研究多采用單因素和正交實(shí)驗(yàn)方法探討不同提取劑、提取溫度、提取時(shí)間以及料液比等因素對(duì)提取率的影響[2-5]。響應(yīng)曲面分析法是一種最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以彌補(bǔ)正交試驗(yàn)的不足，具有試驗(yàn)組合少、回歸方程精度高、能同時(shí)研究多種因素交互作用等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)化反應(yīng)條件和加工工藝參數(shù)的有效方法[6]，廣泛用于植物功能成分提取工藝研究[7-12]，但用于茶多酚的提取局限于綠茶[13-14]。

青磚茶作為一種主要的黑茶，主產(chǎn)于湖北咸寧地區(qū)，以海拔600～1 200 m高山茶樹鮮葉為原料，經(jīng)渥堆發(fā)酵壓制而成。其外形為長(zhǎng)方形，色澤青褐，香氣純正，湯色紅黃，滋味香濃。飲用青磚茶，具有生津解渴、化膩健胃、降脂瘦身、御寒提神、殺菌止瀉和防輻射等功效，深受消費(fèi)者的喜愛。而青磚茶防輻射作用不亞于綠茶，其含有的茶多酚能夠保護(hù)人體的造血功能，并抵御輻射對(duì)人體造成的侵害。本試驗(yàn)首次開展青磚茶茶多酚的提取工藝研究，以水作為提取劑，采用Box-Benhnken Design模塊和響應(yīng)曲面法，研究提取時(shí)間、提取溫度以及液料比等因素對(duì)青磚茶茶多酚提取率的影響，旨在獲得青磚茶茶多酚提取的最佳工藝條件，為青磚茶茶多酚的開發(fā)利用提供重要參考。

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料、試劑

青磚茶為湖北赤壁趙李橋茶廠生產(chǎn)，經(jīng)粉碎后過60目篩備用；沒食子酸、福林酚和碳酸鈉均為分析純?cè)噭?，購于上海?guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2試驗(yàn)儀器

752N 型紫外可見分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)、粉碎機(jī)和烘箱(上海亞榮生化儀器廠)、PL203 型電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)、HH-4 數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)、超純水機(jī)(美國(guó)millipore公司)。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1茶多酚的測(cè)定

采用福林酚比色法測(cè)定茶多酚，具體見GB 8313-2008《茶多酚的測(cè)定》。

1.3.210%福林酚試劑的配制

將10 mL福林酚試劑轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中用水定容并搖勻；7.5% Na2CO3(質(zhì)量濃度)：稱取37.50 g Na2CO3轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，定容至刻度，搖勻備用；沒食子酸儲(chǔ)備液(1 000 μg/mL)：稱取0.110 g沒食子酸，于100 mL容量瓶中溶解并定容至刻度，搖勻備用。

1.3.3測(cè)定方法

準(zhǔn)確稱取茶葉0.100 g，置入10 mL離心管中，在不同的條件下制備好樣品，定容至100 mL。用移液管移取1.0 mL待測(cè)液于刻度管內(nèi)，在每個(gè)刻度管內(nèi)分別加入5.0 mL福林酚試劑，搖勻。反應(yīng)3～8 min內(nèi)，加入4.0 mL 7.5% Na2CO3搖勻。室溫下放置60 min。用10 mm比色皿，在765 nm的波長(zhǎng)下用分光光度計(jì)測(cè)定吸光值。茶葉中茶多酚的含量以干態(tài)質(zhì)量百分率表示，按下式計(jì)算：

(1)

式中：A為樣品測(cè)試吸光值；V為樣品提取液體積100 mL；d為稀釋因子；SLOPEStd為沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；m為樣品干物質(zhì)含量；m1為樣品質(zhì)量，單位為g。

1.4標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用移液管分別移取1.0,2.0,3.0,4.0和5.0 mL沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液于100 mL容量瓶中，分別用超純水定容至刻度、搖勻，濃度分別為10、20、30、40、50 μg/mL。按照1.3.3的操作方法，同時(shí)做試劑空白，以吸光值y為縱坐標(biāo)，沒食子酸濃度(μg/mL)為橫坐標(biāo)，求出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y= 0.015 6x+ 0.002 4，相關(guān)系數(shù)r= 1。

1.5茶多酚提取的單因素試驗(yàn)

以料液比、提取溫度、提取時(shí)間為單因素，考察各因素對(duì)提取液中茶多酚提取率的影響，試驗(yàn)的因素水平見表1。

表1　單因素試驗(yàn)水平表

1.6茶多酚提取工藝的Box-Behnken設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定提取時(shí)間、液料比和提取溫度的范圍，以茶多酚提取率為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面曲面分析優(yōu)化提取條件，試驗(yàn)因素水平見表2。

表2　Box-Behnken設(shè)計(jì)因素與水平表

1.7數(shù)據(jù)處理

使用Eexcel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用Design-Expert8.0 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸和方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1提取時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響

固定提取溫度70 ℃，液料比30:1(V/m)的情況下，提取時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響見圖1。

圖1　提取時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響

當(dāng)提取時(shí)間在50～120min范圍內(nèi)時(shí)，茶多酚提取率隨著提取時(shí)間增加而提高，但當(dāng)提取時(shí)間超過120min時(shí)，提取率反而有所下降。從提取時(shí)間效率和提取率方面考慮，以50min和120min作為響應(yīng)面的下限值和上限值為宜。

2.1.2液料比對(duì)茶多酚提取率的影響

固定提取溫度70 ℃，水浴時(shí)間60min的情況下，液料比對(duì)茶多酚提取率的影響見圖2。當(dāng)液料比在20:1～70:1(V/m)范圍內(nèi)時(shí)，茶多酚的提取率隨著液料比的增加而增加，但當(dāng)液料比從60:1(V/m)提高到70:1(V/m)時(shí)，液料比提高幅度達(dá)到17%，而提取率僅增加0.06%。從提取率和濃縮干燥工序成本方面考慮，液料比響應(yīng)面的下限值和上限值分別設(shè)為20:1(V/m)和60:1(V/m)。

圖2　液料比對(duì)茶多酚提取率的影響

2.1.3提取溫度對(duì)茶多酚提取率的影響

固定液料比30:1(V/m)，水浴時(shí)間60min的情況下，提取溫度對(duì)茶多酚提取率的影響見圖3。當(dāng)提取溫度在50～100 ℃范圍內(nèi)，茶多酚的提取率隨著溫度的升高而提高。為了使提取工藝更為優(yōu)化和簡(jiǎn)便，提取溫度響應(yīng)面的下限值和上限值分別為60 ℃和100 ℃。

圖3　提取溫度對(duì)茶多酚提取率的影響

2.2響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1回歸模型的建立及方差分析

以青磚茶茶多酚提取率為響應(yīng)值(Y)，茶多酚提取響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)和結(jié)果見表3所示。采用Design-Expert8.0軟件中的線性擬合模型對(duì)表3中數(shù)據(jù)開展逐步回歸與方差分析，其結(jié)果見表4。該模型F=26.59， P=0.000 1<0.01，說明模型具有意義；決定系數(shù)(R2)=0.971 6，表明模型可信度較高；校正系數(shù)(RAdj)=0.935 0，表明獨(dú)立變量引起的茶多酚提取率變化所占的比例為93.50%；極顯著的模型項(xiàng)為A、B、C、AB、BC、A2、B2和C2。采用數(shù)學(xué)模型對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行三次方多元回歸擬合,得到回歸方程為Y=3.38-0.14A-0.068AB+0.08AC+0.12BC+0.051A2-0.13B2-0.36 C2。

表3　茶多酚提取響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)和結(jié)果

2.2.2響應(yīng)曲面的交互作用分析

基于上述回歸方程，繪制響應(yīng)曲面圖及等高線圖見圖4、圖5、圖6所示，并分析液料比(A)、提取溫度(B)以及提取時(shí)間(C)對(duì)青磚茶茶多酚提取的交互作用。從圖4可知，液料比處于中心水平時(shí)，響應(yīng)曲面的等高線稀疏和坡度緩和，表明茶多酚提取率受提取時(shí)間和提取溫度交互作用的影響較弱；當(dāng)提取時(shí)間為60min，提取溫度為60 ℃，茶多酚提取率隨著液料比在20:1～60:1(V/m)范圍內(nèi)的升高而增加。從圖5可知，提取溫度處于中心水平時(shí)，響應(yīng)曲面的等高線較稀和疏坡度較緩，表明茶多酚提取率受液料比和提取時(shí)間交互作用的影響較強(qiáng)；當(dāng)液料比為30:1，提取溫度為80 ℃時(shí)，茶多酚提取率隨著提取時(shí)間在60～120min范圍內(nèi)的延長(zhǎng)而增加。從圖6可知，提取時(shí)間處于中心水平時(shí)，響應(yīng)曲面的等高線較密集和坡度較陡，表明茶多酚提取率受液料比和提取溫度交互作用最強(qiáng)；當(dāng)液料比為30:1、提取時(shí)間為60min時(shí)，茶多酚提取率隨提取溫度在60～100 ℃的范圍內(nèi)的升高而增加。

表4　回歸模型的方差分析

注：“**”表示極顯著水平(P<0.01)；“*”表示顯著水平(P<0.05)。

a.等高線b.響應(yīng)面

圖4提取時(shí)間和提取溫度對(duì)茶多酚提取率的影響

2.2.3參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

借助Design-Expert 8.0軟件并利用上述回歸方程對(duì)茶多酚提取條件進(jìn)行優(yōu)化，獲得各因素的理論最優(yōu)條件為：液料比40:1(V/m)，提取時(shí)間85 min，提取溫度80 ℃，且茶多酚提取率預(yù)測(cè)值為3.38%。按照上述工藝參數(shù)平行試驗(yàn)3 次，測(cè)定得到茶多酚提取率為3.42%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為1.18%。上述結(jié)果表明利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化的青磚茶茶多酚取工藝參數(shù)準(zhǔn)確。

3結(jié)論

本試驗(yàn)兼顧提取過程中綠色環(huán)保低成本原則，以水作為提取劑，通過單因素試驗(yàn)、Box-Benhnken Design模塊和響應(yīng)曲面分析法，確定青磚茶中茶多酚提取的最佳工藝條件為：液料比40:1(V/m)，提取時(shí)間85 min，提取溫度80 ℃。在此條件下，青磚茶茶多酚提取率預(yù)測(cè)值為3.38%，而驗(yàn)證值為3.42%，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為1.18%，優(yōu)化的青磚茶茶多酚提取工藝可行，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

a.等高線

b.響應(yīng)面

圖5提取時(shí)間和液料比對(duì)茶多酚提取率的影響

a.等高線

b.響應(yīng)面

圖6液料比和提取溫度對(duì)茶多酚提取率的影響

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OptimizationinExtractionofTeaPolyphenolsfromQingzhuan-Brick

TeabyResponseSurfaceMethodology

HuangMingjun1,2，YangXinhe1*,QinCaiqin1, Lv Bangyu1, Yang Qinghua1,2

(1.School of Life Science and Technology, Hubei Engineering University, Xiaogan, Hubei 432000, China;

2. School of Life Science, Hubei University, Wuhan， Hubei 430062, China)

KeyWords：Qingzhuan-bricktea;teapolyphenol;responsesurfacemethodology;extraction

(責(zé)任編輯：張凱兵)