白茶超聲波浸提的數(shù)學(xué)模擬過(guò)程分析

丁書召，李　清（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山 467001）

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白茶超聲波浸提的數(shù)學(xué)模擬過(guò)程分析

丁書召，李清
（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山 467001）

本文主要是以福建政和白茶為研究對(duì)象，運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)方法，將白茶在其超聲波浸提效果的過(guò)程中相關(guān)的參數(shù)記錄下來(lái)，即（a）超聲波的浸提溫度X（1）、（b）超聲波的浸提時(shí)間X（2）、（c）使用的茶水比例X（3）、（d）同固形物含量Y對(duì)于所記錄數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)關(guān)系巧妙的進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。同時(shí)需要在α=0.05有效容易觀察結(jié)果的水平下篩選出不明顯的數(shù)據(jù)，最后結(jié)論得出回歸方程：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X（2）-115.329X（3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3），并且通過(guò)數(shù)學(xué)驗(yàn)證所得到的方程，結(jié)果證明該數(shù)學(xué)模擬是正確的。

白茶；二次正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)；超聲波浸提

1　實(shí)驗(yàn)背景

1.1白茶介紹

中國(guó)有六大茶類，白茶為其中之一，表面披滿了白色的毫，它是一種生長(zhǎng)在福建且為福建特殊擁有的茶類，而且白茶主要的生長(zhǎng)地點(diǎn)在于福建的閩東北高山地區(qū)，如政和、松溪和閩東等。白茶擁有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：味道鮮美且味溫性涼，有健胃提神的效果，祛濕退熱的功效，因此白茶在歐美東南亞地區(qū)擁有一席之地，而且在國(guó)外的知名度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

白茶中含有大量的化學(xué)物質(zhì)，大概有600多種，其中絕大多數(shù)是有機(jī)物，主要有茶多酚、氨基酸、生物堿、糖類、芳香物質(zhì)、維生素類、微量元素等，白茶的功效比較多，有些效果比其它的茶葉更好。白茶由于工藝不同可以得到品質(zhì)不同的茶，將白茶用于研究是有必要性的，也具有一定的參考價(jià)值。

1.2浸取技術(shù)

浸取工藝技術(shù)是茶葉在其深加工的過(guò)程中不可缺少、不可替代的工藝流程步驟，主要是因?yàn)榻〉乃|(zhì)、浸取的溫度、浸取的時(shí)間、浸取的茶水比例、pH值等都影響浸取效率，其中的每一個(gè)因素對(duì)于浸取效率的影響都是比較大的，而浸取效率會(huì)直接影響大茶葉品質(zhì)成分的產(chǎn)率高低，最終必然會(huì)影響到茶葉的品質(zhì)。

目前，在生產(chǎn)茶葉的加工中，應(yīng)用比較廣泛的就是茶葉浸取法，這是經(jīng)過(guò)不斷地經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成的，因該浸取法較于傳統(tǒng)的提取茶葉法比較，有不少的優(yōu)點(diǎn)：如耗時(shí)短，溫度低，最為重要的就是產(chǎn)率很高，而且可以很好地消除一些負(fù)面的問(wèn)題，比如茶的香氣損失方面以及茶湯的顏色等等。

1.3超聲波浸提

超聲波是聲波的一種，頻率范圍為2×104—1×109，由此可以看出超聲波頻率很廣泛，在傳播過(guò)程中較強(qiáng)。超聲波擁有能量時(shí)發(fā)生振動(dòng)同時(shí)引起了熱力學(xué)、機(jī)械、空化等特征性作用，而超聲波浸提技術(shù)就是利用了超聲波的特征性作用以及產(chǎn)生的次級(jí)效應(yīng)增大傳質(zhì)速率、使物質(zhì)的微孔擴(kuò)散，提高了傳質(zhì)過(guò)程的效率和效果。超聲波浸提技術(shù)不僅僅提高了茶葉的提取速率、縮短了提取時(shí)間，而且可以有效防止部分重要物質(zhì)的變性消除、大大提高了茶葉的品質(zhì)。

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1原料

白毫銀針

2.2儀器

KL-UP—Uv一5實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)臺(tái)灣艾柯；

分析天平

HH一4水浴鍋

KQ-300VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗機(jī)

2.3實(shí)驗(yàn)方法

進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)主要的操作就是將超聲波浸提效果的過(guò)程中相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行模擬，主要通過(guò)浸提溫度、浸提時(shí)間、茶水比例等因素進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)確定固形物含量Y，以下是關(guān)于實(shí)驗(yàn)方法的具體設(shè)計(jì)和操作方法。

2.3.1浸提溫度X（1）：選定范圍為30、40、50、60、70、80℃，將溫度置于超聲波浸提初始的溫度，誤差范圍為2℃。此條件下浸提時(shí)間一般計(jì)劃在15min，茶水比例分配1:40，超聲波浸取頻率置于45kHz。

注意：制備的茶湯一般有兩份，通過(guò)粗濾和抽濾茶湯這兩種方式來(lái)提取最后需要的固形物，稱量測(cè)定固形物，得到其含量Y。

2.3.2浸提時(shí)間X（2）：選定范圍為10、15、25、35、45、55、65、75min。此情況下，浸提溫度一般設(shè)置在50℃，茶水比例分配為1:40，超聲波浸取頻率設(shè)置在45kHz。

注意：制備的茶湯一般都是雙份，尤其需要注意的是要趁熱過(guò)濾，然后對(duì)固形物進(jìn)行測(cè)定。

2.3.3茶水比例X（3）：選定茶水比設(shè)1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶80、1∶100，此條件下，浸提溫度一般設(shè)置在50℃，浸提時(shí)間一般計(jì)劃在15min，超聲波浸取頻率置于45kHz。

注意：最后制備茶湯一般為雙份，尤其需要注意的是要趁熱進(jìn)行過(guò)濾操作，然后測(cè)定固形物含量Y。

實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)于影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單因素進(jìn)行水平編碼，讓各個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比起來(lái)更加的明顯，同時(shí)采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)于各個(gè)因子進(jìn)行編碼。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定固形物含量Y，更加清楚的展示出固形物含量Y與各個(gè)因子之間的內(nèi)在聯(lián)系。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和總結(jié)

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)我們得到實(shí)驗(yàn)的重要數(shù)據(jù)，然后我們對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和統(tǒng)計(jì)，最終得出浸提溫度與固形物含量呈現(xiàn)出二次項(xiàng)式關(guān)系，其中R2值接近于1，這就說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)的誤差在可控范圍之內(nèi)，得出的數(shù)據(jù)比較理想。而且隨著浸提溫度升高，固形物含量Y的數(shù)值隨著溫度的變化越來(lái)越大，而且變化的趨勢(shì)非常的明顯。

我們按照選定的范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終得出了我們需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，浸提時(shí)間與固形物含量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)的關(guān)系，從中可以知道浸提時(shí)間對(duì)固形物含量Y的影響非常大，遠(yuǎn)大于其他的一些影響因素，而且R2與1比較接近，證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較不錯(cuò)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的分析，明顯看到隨著浸提時(shí)間的增大，固形物含量Y不斷增加，最后變化較小，趨于平緩。

根據(jù)選定的茶水比例設(shè)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)，茶水比例與固形物含量呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系，這說(shuō)明了茶水比例對(duì)固形物含量Y影響很大，同時(shí)利用R2與1進(jìn)行比較，可以說(shuō)明實(shí)驗(yàn)是比較成功的，得到的數(shù)據(jù)符合效果。分析數(shù)據(jù)可以推斷出茶水比例值越小，得到的茶葉效果越不好，其固形物含量越來(lái)越小，最后趨勢(shì)漸漸平緩，變化不明顯。

3.2實(shí)驗(yàn)總結(jié)

建立了數(shù)學(xué)模擬回歸方程：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X （2）-115.329X（3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄有效數(shù)據(jù)，對(duì)于大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，回歸方程的失擬性檢驗(yàn)F1=1.2116，p=0.3532，可以表明在α=0.05有效容易觀察結(jié)果的水平下數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果失擬性不明顯，初步論斷選用的二次回歸方程可以使用。而回歸方程的顯著性檢驗(yàn)F2=70.263，p= 0.0003，可以說(shuō)明在α=0.05有效容易觀察結(jié)果的水平下數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果回歸性很不錯(cuò)，與預(yù)期的想法差距較小，則所建立的數(shù)學(xué)模擬回歸方程預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較接近，效果很不錯(cuò)，該模型是成功的。最后推出回歸方程為：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X（2）-115.329X （3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3）

采用控制變量法，例如：當(dāng)浸提溫度為60，浸提時(shí)間為40，茶水比例分別為1∶60和1∶36，固形物含量分別為386.9mg/100ml和570.4mg/100ml；當(dāng)浸提溫度為40，浸提時(shí)間為40，茶水比例分別為1∶60時(shí)，固形物含量為298.3mg/100ml；當(dāng)浸提溫度為60，浸提時(shí)間為22，茶水比例為1∶60時(shí)，固形物含量為256.3mg/100ml。分析可得，對(duì)固形物含量的檢驗(yàn)得出了浸提溫度、浸提時(shí)間、茶水比例這三個(gè)對(duì)固形物含量Y的影響大?。篨（3）＞X（2）＞X（1）。也就是說(shuō)，茶水比例對(duì)固形物含量的影響是最大的，浸提溫度對(duì)固形物含量的影響是最小的。

3.3關(guān)于實(shí)驗(yàn)的討論

3.3.1建立數(shù)學(xué)模擬的應(yīng)用討論：主要以單因素分子作為主要的分析談?wù)搶?duì)象。本實(shí)驗(yàn)中主要的單因素有三個(gè)。我們首先是達(dá)到其中的兩個(gè)因素的水平為零，然后通過(guò)記錄另一個(gè)單因素與固形物含量之間的關(guān)系來(lái)判斷其影響。最終我們得出對(duì)固形物含量Y影響最大的是茶水比例X（3），當(dāng)茶水比例水平發(fā)生變化的時(shí)候，固形物含量Y都會(huì)發(fā)生波動(dòng)。同樣的條件下其他的兩個(gè)單因素對(duì)于固形物含量Y的影響較小。

3.3.2對(duì)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論：我們需要指出的是選取的茶水比例一般，在1:40的茶水比例中浸提效果一般，可是最終的回歸方程的數(shù)學(xué)模擬明顯是較為成功的。制備了兩份茶湯，一份用于感官的評(píng)定，一份用于浸提參數(shù)的研究，具有一定的說(shuō)服力，效果非常理想。

本次實(shí)驗(yàn)中使用的是品質(zhì)良好的白毫銀針，通過(guò)利用超聲波浸提技術(shù)，有效地對(duì)于重要的浸提參數(shù)進(jìn)行了研究，得到了令人滿意的效果，圓滿的完成了實(shí)驗(yàn)任務(wù)。有效地驗(yàn)證了超聲波浸提參數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)模擬，運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)的方法能夠在α=0.05有效容易觀察結(jié)果的水平下篩選出不明顯的數(shù)據(jù)。尤為重要的是該實(shí)驗(yàn)讓我們體會(huì)到研究白茶超聲波浸提的數(shù)學(xué)模擬有著重要的意義，讓我們更加了解到對(duì)于白茶超聲波浸提有著很大的發(fā)展前景。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文的重點(diǎn)在于白茶超聲波浸提過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬，試驗(yàn)中運(yùn)用的方法是二次正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)方法，取得了非常明顯的效果，再次向人們驗(yàn)證了白茶超聲波浸提后固形物含量的動(dòng)態(tài)參數(shù)回歸方程：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X（2）-115.329X（3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3）是成功的，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值是比較接近的，達(dá)到預(yù)期的效果。同時(shí)也得出浸提溫度、浸提時(shí)間、茶水比例這三個(gè)單因素對(duì)固形物含量Y的影響，同時(shí)也讓我們對(duì)于白茶超聲波浸提技術(shù)有了更加深入的理解，期望中國(guó)的白茶能夠外更加聞名。

［1］袁第順.中國(guó)白茶［M］.廈門：廈門大學(xué)出版社，2012.06.

［2］袁弟順，鄭金貴.白茶的研究進(jìn)展［J］.福建茶葉，2007（2）：2-4.

［3］復(fù)濤，時(shí)思全，宛曉春.微波、超聲波對(duì)茶葉主要化學(xué)成分浸提效果的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004（6）：170-173.

丁書召（1975-），男，河南舞鋼人，學(xué)士，講師，研究方向：高等數(shù)學(xué)。