微波輔助下紅茶色素提取工藝的優(yōu)化

王雪梅，張東東，劉 霞，趙蝴蝶，洪國英，易 帆

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院， 山西 晉中 030600)

我國是產(chǎn)茶大國，茶葉年產(chǎn)量、銷量更是達(dá)到了幾百萬噸[1]，但由于氣候、儲(chǔ)存方式、加工方式等因素導(dǎo)致大量茶葉品質(zhì)降低，不宜飲用。直接廢棄低質(zhì)量茶葉會(huì)造成有效資源的浪費(fèi)，若能夠再次回收利用這類茶葉，不僅能夠降本增效，而且能夠減少資源的浪費(fèi)。

紅茶作為六大茶類飲品之一，其中富含的色素類物質(zhì)在醫(yī)療保健領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，茶色素對(duì)預(yù)防和治療“三高”、癌癥、血管類疾病具有很好的功效[2-3]；在食品方面，茶色素具有抑菌、延長食品保質(zhì)期、替代化學(xué)著色劑的作用[4]；在處理廢水方面，茶葉或者其殘?jiān)?jīng)過改性或者炭化之后對(duì)工業(yè)廢水、生活污水、實(shí)驗(yàn)廢水中的污染物具有一定的吸附作用[5]。

目前國內(nèi)外對(duì)紅茶色素的提取方法主要有960 W超聲波提取法[6]、沸水浸提法、體外模擬氧化法、有機(jī)溶劑提取法等；但作用時(shí)間都在3min以上，且提取率最高為33.3%，大多數(shù)提取率在22%以下[7-9]，因此，研究能提高紅茶色素提取率、降低提取時(shí)間、減少能源和資源消耗的提取工藝十分必要。

本文運(yùn)用茶葉中的色素與其他物質(zhì)對(duì)微波能量的吸收量不同，使色素吸收足夠能量從茶葉上分離并轉(zhuǎn)移到溶液中，并利用響應(yīng)面Design-Expert 12.0.3 Trial 中的Box-Benhnken[10]試驗(yàn)原理對(duì)色素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，分析各因素對(duì)色素提取率的影響，得到簡便高效的色素提取方法和工藝，以期使紅茶色素在印染、保健、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)器材

試驗(yàn)材料：廢棄正山小種紅茶(市購)、濾紙、保鮮膜、去離子水等。

試驗(yàn)藥品：無水乙醇(分析純，廣州市錦源化學(xué)有限公司)。

試驗(yàn)儀器：WG700CTL型格蘭仕微波爐(廣東格蘭仕集團(tuán))；DHG-9030A鼓風(fēng)干燥箱(南京曉曉儀器設(shè)備有限公司)；中藥粉碎機(jī)(武義海納電器有限公司)；雙杰JJ224BC電子天平(惠州市衡源電子有限公司)；180 μm(80目)標(biāo)準(zhǔn)篩等。

1.2 紅茶色素的提取

1.2.1 單因素試驗(yàn)

以提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)、固液比、微波作用時(shí)間、微波功率為紅茶色素提取率的影響因素，設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 單因素試驗(yàn)表Tab.1 Single factor test table

在常溫常壓條件下，將適量的紅茶粉碎后用標(biāo)準(zhǔn)篩過濾，稱取過濾后的紅茶粉末2.5 g放入燒杯中，加入不同體積分?jǐn)?shù)的提取劑乙醇溶液50 mL，用保鮮膜覆蓋杯口并扎小孔，在不同微波功率和微波作用時(shí)間下進(jìn)行色素提取，將提取好的溶液用濾紙過濾，并將濾渣烘干稱量，根據(jù)式(1)計(jì)算紅茶色素的提取率。

(1)

1.2.1.1提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響

在微波功率420 W、微波作用時(shí)間70 s、固液比1∶20的條件下，提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)紅茶色素提取率的作用曲線如圖1所示。由圖1可知，色素提取率隨提取劑體積分?jǐn)?shù)的增大呈先升后降的趨勢(shì)，并且較高體積分?jǐn)?shù)的乙醇對(duì)紅茶色素具有較大的降解作用，乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)紅茶色素提取率達(dá)到最大值。因此，選取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)的3個(gè)水平為60%、70%、80%。

圖1 提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.1 Influence of extraction agent ethanol volume fraction

1.2.1.2微波作用時(shí)間的影響

在提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、微波功率420 W、固液比1∶20的條件下，微波作用時(shí)間對(duì)紅茶色素提取率的作用曲線如圖2所示。由圖2可知，色素提取率隨著作用時(shí)間的增大呈先升后降的趨勢(shì)，并且較長的作用時(shí)間對(duì)紅茶色素也具有較大的降解作用，作用時(shí)間為60 s時(shí)色素提取率達(dá)到最大值。因此選取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)微波作用時(shí)間的3個(gè)水平為50、60、70 s。

圖2 微波作用時(shí)間的影響Fig.2 Effect of microwave action time

1.2.1.3微波功率的影響

在提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、微波作用時(shí)間70 s、固液比1∶20的條件下，微波功率對(duì)色素提取率的作用曲線如圖3所示。由圖3可知，色素提取率隨微波功率的增大呈先升后降的趨勢(shì)，并且較高的微波功率對(duì)色素也具有較大的降解作用，微波功率為420 W時(shí)色素提取率達(dá)到最大值。因此選取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)微波功率的3個(gè)水平為280、420、560 W。

圖3 微波功率的影響Fig.3 Influence of microwave power

1.2.1.4固液比的影響

在提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、微波作用時(shí)間70 s、微波功率420 W的條件下，固液比對(duì)色素提取率的作用曲線如圖4所示。由圖4可知，色素提取率隨固液比的增大呈上升的趨勢(shì)，并且在固液比為1∶25之后由于茶葉中色素含量的限制，使色素在溶液中的溶解度基本無變化。因此，選取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)固液比的3個(gè)水平為1∶20、1∶25、1∶30。

圖4 固液比的影響Fig.4 Influence of solid-liquid ratio

1.2.2 色素提取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果，以提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)A、微波作用時(shí)間B、微波功率C、固液比D為響應(yīng)面試驗(yàn)的4個(gè)因素，并結(jié)合軟件中的Box-Benhnken原理，設(shè)計(jì)如表2所示的響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表。

表2 紅茶色素提取響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Factor levels of response surface optimization test for black tea pigment extraction

2 結(jié)果與討論

2.1 紅茶色素提取

2.1.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)以上試驗(yàn)所得結(jié)論，以紅茶色素提取率為響應(yīng)值，以提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波作用時(shí)間、微波功率、固液比為響應(yīng)因子，其響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Response surface test results

2.1.2 響應(yīng)面優(yōu)化擬合分析

根據(jù)響應(yīng)面軟件[11-12]，對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到紅茶色素提取率Y與各影響因素的二次方程為：

(2)

表4示出模型的方差分析結(jié)果。由表4可知，響應(yīng)面法預(yù)測(cè)的模型F值為4.830(P<0.05)，經(jīng)檢驗(yàn)顯著性表明，模擬預(yù)測(cè)的回歸方差達(dá)到顯著水平，又因失擬項(xiàng)不顯著(P= 0.058 5 > 0.05)，因此該模型可以用于此紅茶色素提取率的預(yù)測(cè)和分析。在一次項(xiàng)中，作用功率(P< 0.000 1)極顯著，其他不顯著。在交互項(xiàng)中，均不顯著。在二次項(xiàng)中，提取劑體積分?jǐn)?shù)(P= 0.003 4 < 0.01)、作用功率(P= 0.000 5 <0.01)、固液比(P= 0.009 1 < 0.01)極顯著，其他項(xiàng)不顯著，因此，各項(xiàng)因素對(duì)色素提取率的影響作用并不是方程(2)所示的簡單線性關(guān)系。

2.1.3 多因素交互分析

為探究各因素之間的交互作用對(duì)色素提取率的影響，由響應(yīng)面軟件得到如圖5～10所示的交互作用圖。由圖5～10可知：微波功率與微波作用時(shí)間、微波功率與提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)、固液比與微波功率之間的交互作用均不顯著。再結(jié)合表4可知，各因素主次順序?yàn)椋何⒉üβ?提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)>微波作用時(shí)間>固液比。其中微波功率較大的F值和較小的P值說明微波功率對(duì)紅茶色素的提取率影響最為顯著，較小的波動(dòng)就會(huì)使紅茶色素的提取率發(fā)生較大的變化。

表4 紅茶色素提取方差分析結(jié)果Tab.4 Results of variance analysis of black tea pigment extraction

圖5 乙醇體積分?jǐn)?shù)與微波作用時(shí)間交互作用圖Fig.5 Interaction between ethanol volume fraction and microwave acting time.(a) Response surface; (b) Response plane

圖6 微波功率與微波作用時(shí)間交互作用圖Fig.6 Interaction between microwave power and microwave acting time. (a) Response surface;(b) Response plane

圖7 微波功率與乙醇體積分?jǐn)?shù)交互作用圖Fig.7 Interaction diagram of microwave power and ethanol volume fraction.(a) Response surface;(b) Response plane

圖9 固液比與微波作用時(shí)間交互作用圖Fig.9 Interaction between solid-liquid ratio and microwave action time.(a) Response surface;(b) Response plane

圖10 固液比與微波功率交互作用圖Fig.10 Interaction diagram of solid-liquid ratio and microwave power.(a) Response surface;(b) Response plane

2.1.4 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

紅茶色素提取工藝響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果如表5所示，得到響應(yīng)面優(yōu)化紅茶色素提取工藝為：微波功率485.6 W、提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)67.42%、微波作用時(shí)間61.58 s、固液比1∶23，此條件下色素提取率為36.29%。為便于操作，將理論數(shù)據(jù)修整為：提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)67%、微波作用時(shí)間62 s、微波功率490 W、固液比1∶23，此條件下測(cè)得色素提取率為36.50%，與理論值基本吻合。

表5 色素提取工藝Design-Expert 軟件優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Optimization results of pigment extraction process Design-Expert software

3 結(jié) 論

①優(yōu)化的微波輔助乙醇溶液中紅茶色素的提取工藝為：提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)67%、微波作用時(shí)間62 s、微波功率490 W、固液比1∶23，各因素的影響順序?yàn)椋何⒉üβ?提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)>微波作用時(shí)間>固液比。且較大的微波功率、提取劑乙醇體積分?jǐn)?shù)以及較長的微波作用時(shí)間對(duì)紅茶色素具有降解作用，使得紅茶色素提取率下降。

②與提取時(shí)間在3min以上、提取率在33.3%以下、以及需要加熱的傳統(tǒng)提取方法相比，該方法在很大程度上提高了紅茶色素的提取率和提取效率，可有效利用天然廢棄資源，減少提取過程中能源的消耗和提取時(shí)間及工藝成本。