以茶葉渣為例探討廚余垃圾中色素的提取工藝*

馮美瑩，謝嘉明，穆曉琨

(肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，中國(guó)城市生活垃圾也大量增多，其中有40%～60%屬于廚余垃圾[1]。這些廚余垃圾主要分為家庭生活中產(chǎn)生的廚余垃圾、餐廚烹飪后留下的垃圾和其他地方產(chǎn)生的廚余垃圾[2]，這都是生活垃圾分類和處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)工作。如何實(shí)現(xiàn)廚余垃圾的無(wú)害化處理和資源化利用一直是國(guó)內(nèi)外討論的熱點(diǎn)。這些廚余垃圾的有機(jī)物含量非常豐富，經(jīng)過(guò)妥善處理后，可以轉(zhuǎn)化為新的可用資源，實(shí)現(xiàn)資源再生[1, 3-5]。

茶渣是每天都需要處理的廚余垃圾之一。中國(guó)是一個(gè)產(chǎn)茶大國(guó)，而中國(guó)人不管年齡大小，總會(huì)茶不離口。老年人喜歡泡茶，年輕人則喜歡喝奶茶[6]。因此，人們對(duì)茶葉的需求逐漸增高，隨之而來(lái)茶渣的產(chǎn)出也會(huì)增大；如果沒(méi)有好好利用泡茶后產(chǎn)生的茶葉渣，就會(huì)造成資源浪費(fèi)[7-9]。廢棄的茶渣大部分是以燃料或者填埋處理，經(jīng)濟(jì)效益低。為了提高茶渣的資源利用率，茶葉渣有被用于制作動(dòng)物飼料、紙產(chǎn)品和活性炭除臭等，變廢為寶，很好地實(shí)現(xiàn)茶葉渣資源二次利用[7, 9]。

茶色素是存在于茶樹(shù)鮮葉和成品茶中的一類有色物質(zhì)[10]，在茶葉渣中也大量存在；其不僅是綠色的保健品和藥品，還可以作為天然染料應(yīng)用于織物染色[11-12]。由Lambert-Beer定律可知吸光值與色素濃度成正比[13]，本文以奶茶店回收的茶葉渣為材料，通過(guò)乙醇浸提的方式分析不同溫度、料液比、時(shí)間和溶劑濃度下茶葉渣色素提取效果，并通過(guò)L9(34)正交試驗(yàn)法找出茶葉渣色素提取的最佳工藝，從而探究廚余垃圾用作色素提取原料的可能性，并為茶葉渣色素開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

茶葉渣取自肇慶學(xué)院奶茶店，包含鐵觀音、紅茶、綠茶等多種茶葉。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)材料的處理

取自奶茶店的茶葉渣，清洗掉表面糖分，并置于室外晾曬。待表面水分蒸發(fā)后，放入60 ℃干燥箱中烘干，干燥完畢后將其粉碎，過(guò)30目篩，裝入密封袋，于4 ℃冰箱中進(jìn)行保存。

1.2.2 分析茶葉渣的吸收光譜

準(zhǔn)確稱量0.1 g粉末于10 mL離心管中，取一定濃度的乙醇溶液作浸取液，與提取粉末充分混勻，在一定的料液比和溫度下提取一段時(shí)間后，放入60 ℃水浴鍋，水浴1 h。水浴完畢后，8000 rpm離心10 min。離心結(jié)束后，將上清液于380～800 nm范圍內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，確定茶葉渣的最大吸收波長(zhǎng)。

1.2.3 茶葉渣色素提取的單因素分析

準(zhǔn)確稱量0.1 g粉于10 mL離心管中，以吸光值為指標(biāo)，在固定其他提取條件下分別考察提取溫度(30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃)、料液比(1:10、1:20、1:30、1:40、1:50、1:60、1:70)、提取時(shí)間(30 min、45 min、60 min、75 min、90 min、105 min、120 min)以及提取劑濃度(20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%)對(duì)色素提取的影響。提取結(jié)束后，離心取上清液，在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度A，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4 茶葉渣色素提取的正交試驗(yàn)分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用L9(34)正交試驗(yàn)選擇茶葉渣色素最佳提取的提取劑濃度、料液比、提取時(shí)間和溫度，確定色素提取的最佳條件工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 色素最大吸收波長(zhǎng)分析

將茶葉渣的粗提液進(jìn)行光波掃描后，色素在可見(jiàn)光范圍的665 nm處出現(xiàn)波峰(圖1)，故茶葉渣色素最大吸收波長(zhǎng)為665 nm。因?yàn)槲庵抵蹬c濃度成正比，而色素濃度與提取效果成正比，所以本試驗(yàn)選擇波長(zhǎng)665 nm來(lái)測(cè)定樣品吸光度，分析茶葉渣色素的提取效果。

圖1 茶葉渣色素提取液的可見(jiàn)光吸收光譜圖Fig.1 Visible light absorption spectrum of tea residue pigment extract

2.2 溫度對(duì)茶葉渣色素提取效果的影響

由圖2可知，提取溫度在30～90 ℃范圍內(nèi)，茶葉渣提取液的吸光值與溫度成正比，由70～80 ℃升溫中有個(gè)色素提取濃度急速上升的過(guò)程，由80～90 ℃升溫中色素提取濃度上升相對(duì)緩慢，90 ℃時(shí)達(dá)到最大值。由于高溫過(guò)高的時(shí)候，乙醇溶液的揮發(fā)會(huì)加快，所以我們選擇80 ℃作為最佳的提取溫度。

圖2 不同溫度對(duì)茶葉渣色素提取的影響Fig.2 Effects of different temperatures on the extraction of tea residue pigments

2.3 料液比對(duì)茶葉渣色素提取效果的影響

由圖3可知，當(dāng)料液比由1:10 (g/mL)到1:70變化的過(guò)程中，吸光值逐漸下降，并在1:60中出現(xiàn)微弱的上升過(guò)程，當(dāng)達(dá)到1:70 (g/mL)吸光值降到最低。由此可見(jiàn)，當(dāng)料液比為1:10時(shí)，茶葉渣色素提取效果最佳。

圖3 不同料液比對(duì)茶葉渣色素提取的影響Fig.3 Effects of different solid-liquid ratios on the extraction of tea residue pigments

2.4 提取時(shí)間對(duì)茶葉渣色素提取效果的影響

圖4 不同提取時(shí)間對(duì)茶葉渣色素提取的影響Fig.4 Effects of differenttimes on the extraction of tea residue pigments

由圖4可知，茶葉渣色素提取液的吸光值隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升的趨勢(shì)，并在120 min時(shí)達(dá)到最大值。茶葉渣色素提取時(shí)間為120 min時(shí)，提取效果最佳。

2.5 乙醇濃度對(duì)茶葉渣色素提取效果的影響

由圖5可知，茶葉渣色素提取液的吸光值隨乙醇濃度的增加呈上升的趨勢(shì)，且乙醇濃度在70%向80%提升的過(guò)程中色素提取濃度急速上升，并在乙醇濃度為80%時(shí)吸光值達(dá)到最大值。因而選用80%乙醇作為最佳提取濃度。

圖5 不同乙醇濃度對(duì)茶葉渣色素提取的影響Fig.5 Effects of different Ethanol concentration on the extraction of tea residue pigments

2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果及其分析

表1 茶葉渣L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Table 1 Orthogonal test results and range analysis of tea residue L9(34)

以茶葉渣色素的吸光值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用L9(34)表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，尋找茶葉渣色素最佳的提取條件。由表1可以發(fā)現(xiàn)，茶葉渣色素的吸光值受到提取溫度、料液比、提取時(shí)間和提取液濃度的交叉影響；同時(shí)考察這4個(gè)因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響茶葉渣色素提取效果的因素順序?yàn)椋禾崛∫簼舛?D)>提取溫度(A)>料液比(B)>提取時(shí)間(C)，且得到最佳提取條件為A3B1C3D3，即85 ℃的提取溫度、1:5(g/mL)的料液比、135 min的提取時(shí)間和100%的提取液濃度。隨后，根據(jù)最優(yōu)工藝的條件進(jìn)行了3 次試驗(yàn)，檢測(cè)到茶葉渣色素的平均吸光值為0.712，該值均高于正交試驗(yàn)中的樣品吸光值。由此可見(jiàn)，茶葉渣色素提取的最優(yōu)工藝為A3B1C3D3。

3 結(jié) 論

樣品的吸光值與色素濃度是成正比的，且色素濃度越高提取效果越好[13]。在綠茶鮮汁中，色素主要受葉綠素、類黃酮和兒茶素類物質(zhì)的影響，在波長(zhǎng)450 nm處可以檢測(cè)到溶解的色素[14]。而在經(jīng)過(guò)加工天然茶葉中，雖然加工發(fā)酵的工序不會(huì)影響茶葉色素顏色的穩(wěn)定性[15]，但是檢測(cè)波長(zhǎng)與綠茶鮮汁大不相同。研究指出，加工后的紅茶和綠茶的最大吸收波長(zhǎng)均為672 nm[15]。然而，本文研究的茶葉是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫浸泡后留下的殘?jiān)ㄩL(zhǎng)掃描獲得茶葉渣的最大吸收波長(zhǎng)為665 nm，茶色素存在一定程度的流失。盡管如此，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的浸泡后，茶葉渣中還是有大量的色素殘留，對(duì)其進(jìn)一步提取有利于資源的有效利用。

在色素提取試驗(yàn)中，不同物質(zhì)在不同條件下的提取效果不一樣。在綠茶色素提取過(guò)程中，吸光值會(huì)隨著溫度的升高而升高，并在溫度達(dá)到100 ℃時(shí)吸光值最大[15]。在茶葉渣色素提取過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)提取液的吸光值會(huì)隨著溫度升高而增大，并在90 ℃時(shí)達(dá)到最大值。然而，隨著溫度的升高，乙醇揮發(fā)急劇加快；為了防止蒸干，我們選擇提取液吸光值急速上升的80 ℃作為最佳溫度。在料液比方面，有研究指出，在綠茶色素提取過(guò)程中，最佳的料液比為1:20[15]。在茶葉渣的色素提取試驗(yàn)中，隨著料液比增大，色素提取效果逐漸減少；且色素提取效果最佳的料液比為1:10，會(huì)比天然茶葉中色素提取所需的溶劑少。雖然所需的溶劑少了，但是提取的時(shí)間卻大大的延長(zhǎng)。在天然綠茶中，色素隨著時(shí)間的變化會(huì)有先提高后減少的趨勢(shì)，并以50 min時(shí)提取效果最佳[15]。在茶葉渣中，色素會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增高，并在120 min時(shí)達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)椴枞~渣本來(lái)就經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的浸泡，不會(huì)像天然茶葉那樣隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，部分色素出現(xiàn)降解而影響提取效果。

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，一般會(huì)采用 L9(34)正交試驗(yàn)法進(jìn)行工藝優(yōu)化。唐孝明提取茶色素試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在提取溫度30 ℃下，采用10 g/L碳酸氫鈉溶液浸取30 min時(shí)，色素率最高[16]。在天然茶葉色素提取過(guò)程中，最佳工藝是1:20 g/mL的料液比、100 ℃的提取溫度和60 min的提取時(shí)間這幾個(gè)因素的組合[15]。在茶葉渣色素提取過(guò)程中，最優(yōu)的料液比(1:5 g/mL)和提取溫度(85 ℃)與天然茶葉相對(duì)接近，都是以相對(duì)較低的料液比和相對(duì)較高的溫度為佳。此外，在低檔茶葉色素提取中，董基[17]將茶汁用95%乙醇浸提10 min后提取的茶色素最多，與本文中使用的乙醇提取濃度(100%)相近。

綜上，提取茶葉渣最優(yōu)工藝為85 ℃的提取溫度、1:5(g/mL)的料液比、135 min的提取時(shí)間和100%的提取液濃度，且已通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可行。往后，我們可以使用此工藝對(duì)茶葉渣實(shí)現(xiàn)二次利用，提取茶色素可作為天然染料為織物染色[11-12]。由于我們使用的是有機(jī)溶劑進(jìn)行提取，剩余的殘?jiān)捎糜谂囵B(yǎng)食用菌[18]、銀耳[19]和花草[20]，甚至可以用來(lái)制作活性炭[21]，最大限度實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)。