响应曲面法优化微波辅助提取茶多酚工艺研究

朱媛

摘要：试验采用微波法辅助提取茶多酚。在单因素试验基础上，通过响应曲面法优化提取条件，建立多元二次回归方程模型。结果表明，乙醇体积分数、料液比等因素对茶多酚得率的影响不是简单的线性关系。在原料粒度为80目，微波功率为300 W时，当乙醇体积分数为81.27%、料液比（g/mL）1∶35.47、提取温度70 ℃、提取时间3 min时，茶多酚得率为16.169%，测验值与理论值接近，模型预测可靠。

关键词：茶多酚；微波法；响应曲面法

中图分类号：TQ914.1；TS202.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0631-04

茶树（Camellia sinensis）在中国的种植范围大，有着丰富的自然资源。茶树树叶含具保健、药效功能的茶多酚和咖啡因，其中茶多酚是茶树树叶中多酚类化合物的总称。茶多酚化学结构中带有多个活性羟基，研究表明茶多酚具有抗氧化、防癌、抗癌、抗辐射、抗衰老、预防心血管疾病、降低血糖和血脂等多种生理活性[1]，因此在食品、油脂、医药、日化、精细化工等领域有着广泛的应用。

目前，国内外茶多酚产品的提取方法主要有溶剂提取法、离子沉淀法、树脂吸附分离法等方法。传统的方法均存在提取率低，产品具有潜在危害等缺点[2]。微波法辅助提取技术是近年来发展起来的一种新方法，具有快速、高效、安全、节能等优点。近年来，微波萃取技术在天然产物中化学成分的提取方面取得了较大的进展，广泛用于挥发油、苷类、多糖、萜类、生物碱、黄酮、单宁、甾体等天然化合物的提取[3]。

本试验以茶树树叶为原料，加以微波法辅助提取茶多酚，结合单因素试验，利用响应曲面法设计优化微波法辅助提取茶多酚的工艺条件，为茶树树叶利用与深加工提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 材料

茶树树叶，采自南京市江宁区方山茶场。

1.2 微波法辅助提取茶多酚工艺

称取一定粉碎粒度的茶树树叶约1.0 g，按料液比（g/mL，下同）1∶35加入体积分数为80%的乙醇溶液于微波专用的三颈烧瓶中，置于微波反应器内，调节微波时间为3 min、微波温度为65 ℃、微波功率为300 W进行萃取。将萃取液趁热过滤，在3 000 r/min下离心10 min，量取上清液体积。

1.3 茶多酚含量的测定

浸提液中茶多酚含量的测定参照文献[4]采用酒石酸亚铁比色法进行。

1.4 单因素试验

依次改变原料粒度、乙醇体积分数、料液比、微波时间、微波提取温度5个因素，分别考察其对茶多酚得率的影响。

1.5 响应曲面法优化茶多酚提取工艺试验

根据单因素试验结果，筛选出液料比、提取温度、微波时间、乙醇体积分数4个因素，采用Design-expert V8.0进行试验设计和分析。其因素与水平如表1所示。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 原料粒度对茶多酚得率的影响 由图1可知，随着原料粒度的增加，茶多酚得率逐渐增加，当原料粒度超过80目后，茶多酚得率略有下降，故原料粒度以80目为宜。

2.1.2 乙醇体积分数对茶多酚得率的影响 由图2可知，随着已醇体积分数的提高，茶多酚得率先增加后降低，当乙醇体积分数为80%时达到最大。表明乙醇体积分数的改变可导致提取液极性的改变，从而影响提取效果。

2.1.3 料液比对茶多酚得率的影响 由图3可知，随着溶剂比例的增加，茶多酚得率先增加后降低，当料液比为1∶35时达到最大。说明溶剂量的增加有助于扩散过程的进行，但当溶剂量过大时，微波的热效应、空化效应等强度减弱[5]，影响了提取的效果。

2.1.4 微波时间对茶多酚得率的影响 由图4可知，随着提取时间的延长，茶多酚得率先增加后降低，在3 min时达到最大。

2.1.5 提取温度对茶多酚得率的影响 由图5可知，温度的升高有助于茶多酚的提取，当提取温度为70 ℃时茶多酚的得率最高，继续提高温度则茶多酚被氧化而不利于其得率的提高。

2.2 响应曲面法对茶多酚提取工艺的优化

试验运用Design-expert V8.0软件生成了29个试验点，在各自的试验条件下得到的相应茶多酚得率见表2。

2.2.1 模型方差分析 对表2数据运用 Design-expert V8.0软件进行模型选定与方差分析，结果见表3、表4。

P（概率>F值）如果小于0.05，说明对应的因素对响应值影响显著，本试验中由于所选择模型显著，失拟项不显著，表明所选择的模型可靠。从表3可以看出诸因素的影响不是简单的线性关系，从单因素来看B和D对茶多酚得率的影响显著，其次为C，最后为A。在4个因素的交互作用下，对茶多酚得率的影响效果依次为AD>BC>AB>CD>AC>BD。从表4可以看出，R2预测=0.966 3，R2校正=0.932 7， R2预测与R2校正较为接近，信噪比为17.919（>4），可知回归方程拟合度和可信度均很高，试验误差较小，故可用此模型对微波法辅助提取茶多酚工艺结果进行分析和预测。

利用Design-expert V8.0软件对表2所得试验数据进行多元回归拟合分析，获得微波法提取茶多酚的多元二次回归方程模型为：茶多酚得率=16.130+0.049 A-0.130 B+0.069 C+0.170 D-0.085 AB+0.020 AC+0.110 AD-0.092 BC+0.002 5 BD-0.025 CD-0.510 A2-0.220 B2-0.320 C2-0.700 D2。

2.2.2 响应曲面法分析各因素对茶多酚得率的影响 固定其他因素条件，考察两两因素之间的交互作用对茶多酚得率的影响，可得一组动态响应曲面图（图6至图8），从而确定各因素的最佳水平范围，结果选择影响显著的AB、AD、BC加以说明。

1）料液比和提取温度对茶多酚得率的交互影响。由图6可见，当乙醇体积分数和微波时间为最佳值时，随着溶剂比例的增加，茶多酚得率先增加后降低；随着微波提取温度的增加，茶多酚得率也呈先增加后降低的趋势。其最佳水平范围为：料液比1∶（32.6～38.2），提取温度64.0～72.6 ℃。

2）料液比和乙醇体积分数对茶多酚得率的交互影响。由图7可见，当微波时间和提取温度为最佳值时，随着料液比中溶剂的增加或乙醇体积分数的增加，茶多酚得率先逐渐增加后逐渐降低。其最佳水平范围为：料液比1∶32.6～38.0，乙醇体积分数77.0%～85.5%。

3）提取温度和微波时间对茶多酚得率的交互影响。由图8可见，当乙醇体积分数和料液比为最佳值时，随着微波时间或提取温度的增加，茶多酚得率先增加后降低。该图中曲面变化幅度不大。其最佳水平范围为：微波时间1.8～4.7 min，提取温度64.0～72.6 ℃。

2.2.3 预测优化条件 通过Design-expert软件对数据进一步分析可得理论最佳条件为乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在68.2 ℃下提取3.31 min，茶多酚理论得率可达16.175%。受微波反应器条件的限制，试验选择了乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在70 ℃下提取3 min，在此条件下茶多酚得率为16.169%，测验值与理论值接近，表明模型预测可靠。

3 结论

本试验采用微波法辅助提取了茶叶中的茶多酚，根据单因素试验结果，选择乙醇体积分数、提取温度、微波时间、料液比4个因素进行响应曲面设计试验。通过Design-Expert软件分析，建立了4因素相互作用的数学模型，模型预测最佳提取条件为乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、提取温度68.2 ℃、微波时间3.31 min。试验选择乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在70 ℃下提取3 min，在此条件下，茶多酚得率为16.169%，与模型预测值非常接近，表明模型预测可靠。

参考文献：

[1] 陆爱霞，姚 开，吕远平，等. 茶多酚提取和应用研究进展[J].食品科技，2003（2）：53-55.

[2] 王玉春. 茶多酚的提取方法及应用研究进展[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2008，22（3）：52-56.

[3] 张彩文.微波萃取在天然产物化学成分提取中的应用研究[J].周口师范学院学报，2008，25（5）：56-61.

[4] 罗晓明.茶多酚提取新工艺研究[D].长沙：中南大学，2002.

[5] 李 超，王卫东，郑 义，等.响应曲面法优化原花青素的超声波协同微波提取工艺[J].食品与发酵工业，2009，35（10）：167-171.

1）料液比和提取温度对茶多酚得率的交互影响。由图6可见，当乙醇体积分数和微波时间为最佳值时，随着溶剂比例的增加，茶多酚得率先增加后降低；随着微波提取温度的增加，茶多酚得率也呈先增加后降低的趋势。其最佳水平范围为：料液比1∶（32.6～38.2），提取温度64.0～72.6 ℃。

2）料液比和乙醇体积分数对茶多酚得率的交互影响。由图7可见，当微波时间和提取温度为最佳值时，随着料液比中溶剂的增加或乙醇体积分数的增加，茶多酚得率先逐渐增加后逐渐降低。其最佳水平范围为：料液比1∶32.6～38.0，乙醇体积分数77.0%～85.5%。

3）提取温度和微波时间对茶多酚得率的交互影响。由图8可见，当乙醇体积分数和料液比为最佳值时，随着微波时间或提取温度的增加，茶多酚得率先增加后降低。该图中曲面变化幅度不大。其最佳水平范围为：微波时间1.8～4.7 min，提取温度64.0～72.6 ℃。

2.2.3 预测优化条件 通过Design-expert软件对数据进一步分析可得理论最佳条件为乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在68.2 ℃下提取3.31 min，茶多酚理论得率可达16.175%。受微波反应器条件的限制，试验选择了乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在70 ℃下提取3 min，在此条件下茶多酚得率为16.169%，测验值与理论值接近，表明模型预测可靠。

3 结论

本试验采用微波法辅助提取了茶叶中的茶多酚，根据单因素试验结果，选择乙醇体积分数、提取温度、微波时间、料液比4个因素进行响应曲面设计试验。通过Design-Expert软件分析，建立了4因素相互作用的数学模型，模型预测最佳提取条件为乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、提取温度68.2 ℃、微波时间3.31 min。试验选择乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在70 ℃下提取3 min，在此条件下，茶多酚得率为16.169%，与模型预测值非常接近，表明模型预测可靠。

参考文献：

[1] 陆爱霞，姚 开，吕远平，等. 茶多酚提取和应用研究进展[J].食品科技，2003（2）：53-55.

[2] 王玉春. 茶多酚的提取方法及应用研究进展[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2008，22（3）：52-56.

[3] 张彩文.微波萃取在天然产物化学成分提取中的应用研究[J].周口师范学院学报，2008，25（5）：56-61.

[4] 罗晓明.茶多酚提取新工艺研究[D].长沙：中南大学，2002.

[5] 李 超，王卫东，郑 义，等.响应曲面法优化原花青素的超声波协同微波提取工艺[J].食品与发酵工业，2009，35（10）：167-171.

1）料液比和提取温度对茶多酚得率的交互影响。由图6可见，当乙醇体积分数和微波时间为最佳值时，随着溶剂比例的增加，茶多酚得率先增加后降低；随着微波提取温度的增加，茶多酚得率也呈先增加后降低的趋势。其最佳水平范围为：料液比1∶（32.6～38.2），提取温度64.0～72.6 ℃。

2）料液比和乙醇体积分数对茶多酚得率的交互影响。由图7可见，当微波时间和提取温度为最佳值时，随着料液比中溶剂的增加或乙醇体积分数的增加，茶多酚得率先逐渐增加后逐渐降低。其最佳水平范围为：料液比1∶32.6～38.0，乙醇体积分数77.0%～85.5%。

3）提取温度和微波时间对茶多酚得率的交互影响。由图8可见，当乙醇体积分数和料液比为最佳值时，随着微波时间或提取温度的增加，茶多酚得率先增加后降低。该图中曲面变化幅度不大。其最佳水平范围为：微波时间1.8～4.7 min，提取温度64.0～72.6 ℃。

2.2.3 预测优化条件 通过Design-expert软件对数据进一步分析可得理论最佳条件为乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在68.2 ℃下提取3.31 min，茶多酚理论得率可达16.175%。受微波反应器条件的限制，试验选择了乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在70 ℃下提取3 min，在此条件下茶多酚得率为16.169%，测验值与理论值接近，表明模型预测可靠。

3 结论

本试验采用微波法辅助提取了茶叶中的茶多酚，根据单因素试验结果，选择乙醇体积分数、提取温度、微波时间、料液比4个因素进行响应曲面设计试验。通过Design-Expert软件分析，建立了4因素相互作用的数学模型，模型预测最佳提取条件为乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、提取温度68.2 ℃、微波时间3.31 min。试验选择乙醇体积分数为81.27%、料液比1∶35.47、在70 ℃下提取3 min，在此条件下，茶多酚得率为16.169%，与模型预测值非常接近，表明模型预测可靠。

参考文献：

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[2] 王玉春. 茶多酚的提取方法及应用研究进展[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2008，22（3）：52-56.

[3] 张彩文.微波萃取在天然产物化学成分提取中的应用研究[J].周口师范学院学报，2008，25（5）：56-61.

[4] 罗晓明.茶多酚提取新工艺研究[D].长沙：中南大学，2002.

[5] 李 超，王卫东，郑 义，等.响应曲面法优化原花青素的超声波协同微波提取工艺[J].食品与发酵工业，2009，35（10）：167-171.