响应曲面法优化青砖茶茶多酚的提取工艺

黄明军，杨新河，覃彩芹，吕帮玉，杨清华

(1.湖北工程学院 生命科学技术学院，湖北 孝感 432000；2.湖北大学 生命科学学院，湖北 武汉 430062)

响应曲面法优化青砖茶茶多酚的提取工艺

黄明军1,2，杨新河1*，覃彩芹1，吕帮玉1，杨清华1,2

(1.湖北工程学院 生命科学技术学院，湖北 孝感 432000；2.湖北大学 生命科学学院，湖北 武汉 430062)

摘要：用水提法提取青砖茶中的茶多酚。在单因素试验的基础上，运用Box-Benhnken Design模块和响应曲面法考察液料比、提取时间和提取温度3个因素对青砖茶茶多酚提取率的影响，并优化提取工艺。结果表明，青砖茶茶多酚提取最佳工艺条件为：液料比40:1(V/m)，提取时间85 min，提取温度80 ℃。在此条件下，茶多酚的提取率预测值为3.38%，验证值为3.42%，与预测值的相对误差为1.18%，说明利用响应曲面法优化青砖茶茶多酚提取工艺可行。

关键词：青砖茶；茶多酚；响应曲面法；提取工艺

中图分类号：S571.1

文献标志码：码：A

文章编号：号：2095-4824(2015)06-0005-06

收稿日期：2015-08-26

基金项目：国家自然科学基金项目(31370692)；湖北省自然科学基金项目(2014CFB573)

作者简介：黄明军(1991-)，男，湖北黄冈人，湖北工程学院生命科学技术学院硕士研究生。

通信作者杨新河(1974-)，男，湖北赤壁人，湖北工程学院生命科学技术学院副教授，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．

茶多酚是茶叶主要品质成分，具有解毒和抗辐射作用，能有效地阻止放射性物质侵入骨髓，被医学界誉为“辐射克星”，茶多酚的抗氧化能力甚至是维生素C的100 倍，是维生素E的20倍[1]，已被广泛应用于食品保鲜、医药、饮料、油脂、糕点等领域，被誉为天然的保鲜剂。

目前，关于茶多酚提取工艺的研究多采用单因素和正交实验方法探讨不同提取剂、提取温度、提取时间以及料液比等因素对提取率的影响[2-5]。响应曲面分析法是一种最优实验设计方法，可以弥补正交试验的不足，具有试验组合少、回归方程精度高、能同时研究多种因素交互作用等优点，是一种优化反应条件和加工工艺参数的有效方法[6]，广泛用于植物功能成分提取工艺研究[7-12]，但用于茶多酚的提取局限于绿茶[13-14]。

青砖茶作为一种主要的黑茶，主产于湖北咸宁地区，以海拔600～1 200 m高山茶树鲜叶为原料，经渥堆发酵压制而成。其外形为长方形，色泽青褐，香气纯正，汤色红黄，滋味香浓。饮用青砖茶，具有生津解渴、化腻健胃、降脂瘦身、御寒提神、杀菌止泻和防辐射等功效，深受消费者的喜爱。而青砖茶防辐射作用不亚于绿茶，其含有的茶多酚能够保护人体的造血功能，并抵御辐射对人体造成的侵害。本试验首次开展青砖茶茶多酚的提取工艺研究，以水作为提取剂，采用Box-Benhnken Design模块和响应曲面法，研究提取时间、提取温度以及液料比等因素对青砖茶茶多酚提取率的影响，旨在获得青砖茶茶多酚提取的最佳工艺条件，为青砖茶茶多酚的开发利用提供重要参考。

1材料与方法

1.1 试验材料、试剂

青砖茶为湖北赤壁赵李桥茶厂生产，经粉碎后过60目筛备用；没食子酸、福林酚和碳酸钠均为分析纯试剂，购于上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2试验仪器

752N 型紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)、粉碎机和烘箱(上海亚荣生化仪器厂)、PL203 型电子天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)、HH-4 数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)、超纯水机(美国millipore公司)。

1.3试验方法

1.3.1茶多酚的测定

采用福林酚比色法测定茶多酚，具体见GB 8313-2008《茶多酚的测定》。

1.3.210%福林酚试剂的配制

将10 mL福林酚试剂转移到100 mL容量瓶中用水定容并摇匀；7.5% Na2CO3(质量浓度)：称取37.50 g Na2CO3转移至500 mL容量瓶中，定容至刻度，摇匀备用；没食子酸储备液(1 000 μg/mL)：称取0.110 g没食子酸，于100 mL容量瓶中溶解并定容至刻度，摇匀备用。

1.3.3测定方法

准确称取茶叶0.100 g，置入10 mL离心管中，在不同的条件下制备好样品，定容至100 mL。用移液管移取1.0 mL待测液于刻度管内，在每个刻度管内分别加入5.0 mL福林酚试剂，摇匀。反应3～8 min内，加入4.0 mL 7.5% Na2CO3摇匀。室温下放置60 min。用10 mm比色皿，在765 nm的波长下用分光光度计测定吸光值。茶叶中茶多酚的含量以干态质量百分率表示，按下式计算：

(1)

式中：A为样品测试吸光值；V为样品提取液体积100 mL；d为稀释因子；SLOPEStd为没食子酸标准曲线的斜率；m为样品干物质含量；m1为样品质量，单位为g。

1.4标准曲线的绘制

用移液管分别移取1.0,2.0,3.0,4.0和5.0 mL没食子酸标准储备溶液于100 mL容量瓶中，分别用超纯水定容至刻度、摇匀，浓度分别为10、20、30、40、50 μg/mL。按照1.3.3的操作方法，同时做试剂空白，以吸光值y为纵坐标，没食子酸浓度(μg/mL)为横坐标，求出标准曲线方程为y= 0.015 6x+ 0.002 4，相关系数r= 1。

1.5茶多酚提取的单因素试验

以料液比、提取温度、提取时间为单因素，考察各因素对提取液中茶多酚提取率的影响，试验的因素水平见表1。

表1　单因素试验水平表

1.6茶多酚提取工艺的Box-Behnken设计

在单因素试验的基础上，确定提取时间、液料比和提取温度的范围，以茶多酚提取率为响应值，通过响应面曲面分析优化提取条件，试验因素水平见表2。

表2　Box-Behnken设计因素与水平表

1.7数据处理

使用Eexcel进行数据统计，利用Design-Expert8.0 对试验数据进行多元回归和方差分析。

2结果与分析

2.1单因素试验结果

2.1.1提取时间对茶多酚提取率的影响

固定提取温度70 ℃，液料比30:1(V/m)的情况下，提取时间对茶多酚提取率的影响见图1。

图1　提取时间对茶多酚提取率的影响

当提取时间在50～120min范围内时，茶多酚提取率随着提取时间增加而提高，但当提取时间超过120min时，提取率反而有所下降。从提取时间效率和提取率方面考虑，以50min和120min作为响应面的下限值和上限值为宜。

2.1.2液料比对茶多酚提取率的影响

固定提取温度70 ℃，水浴时间60min的情况下，液料比对茶多酚提取率的影响见图2。当液料比在20:1～70:1(V/m)范围内时，茶多酚的提取率随着液料比的增加而增加，但当液料比从60:1(V/m)提高到70:1(V/m)时，液料比提高幅度达到17%，而提取率仅增加0.06%。从提取率和浓缩干燥工序成本方面考虑，液料比响应面的下限值和上限值分别设为20:1(V/m)和60:1(V/m)。

图2　液料比对茶多酚提取率的影响

2.1.3提取温度对茶多酚提取率的影响

固定液料比30:1(V/m)，水浴时间60min的情况下，提取温度对茶多酚提取率的影响见图3。当提取温度在50～100 ℃范围内，茶多酚的提取率随着温度的升高而提高。为了使提取工艺更为优化和简便，提取温度响应面的下限值和上限值分别为60 ℃和100 ℃。

图3　提取温度对茶多酚提取率的影响

2.2响应曲面分析试验结果

2.2.1回归模型的建立及方差分析

以青砖茶茶多酚提取率为响应值(Y)，茶多酚提取响应曲面设计和结果见表3所示。采用Design-Expert8.0软件中的线性拟合模型对表3中数据开展逐步回归与方差分析，其结果见表4。该模型F=26.59， P=0.000 1<0.01，说明模型具有意义；决定系数(R2)=0.971 6，表明模型可信度较高；校正系数(RAdj)=0.935 0，表明独立变量引起的茶多酚提取率变化所占的比例为93.50%；极显著的模型项为A、B、C、AB、BC、A2、B2和C2。采用数学模型对表3中数据进行三次方多元回归拟合,得到回归方程为Y=3.38-0.14A-0.068AB+0.08AC+0.12BC+0.051A2-0.13B2-0.36 C2。

表3　茶多酚提取响应曲面设计和结果

2.2.2响应曲面的交互作用分析

基于上述回归方程，绘制响应曲面图及等高线图见图4、图5、图6所示，并分析液料比(A)、提取温度(B)以及提取时间(C)对青砖茶茶多酚提取的交互作用。从图4可知，液料比处于中心水平时，响应曲面的等高线稀疏和坡度缓和，表明茶多酚提取率受提取时间和提取温度交互作用的影响较弱；当提取时间为60min，提取温度为60 ℃，茶多酚提取率随着液料比在20:1～60:1(V/m)范围内的升高而增加。从图5可知，提取温度处于中心水平时，响应曲面的等高线较稀和疏坡度较缓，表明茶多酚提取率受液料比和提取时间交互作用的影响较强；当液料比为30:1，提取温度为80 ℃时，茶多酚提取率随着提取时间在60～120min范围内的延长而增加。从图6可知，提取时间处于中心水平时，响应曲面的等高线较密集和坡度较陡，表明茶多酚提取率受液料比和提取温度交互作用最强；当液料比为30:1、提取时间为60min时，茶多酚提取率随提取温度在60～100 ℃的范围内的升高而增加。

表4　回归模型的方差分析

注：“**”表示极显著水平(P<0.01)；“*”表示显著水平(P<0.05)。

a.等高线b.响应面

图4提取时间和提取温度对茶多酚提取率的影响

2.2.3参数优化与验证

借助Design-Expert 8.0软件并利用上述回归方程对茶多酚提取条件进行优化，获得各因素的理论最优条件为：液料比40:1(V/m)，提取时间85 min，提取温度80 ℃，且茶多酚提取率预测值为3.38%。按照上述工艺参数平行试验3 次，测定得到茶多酚提取率为3.42%，与预测值相对误差为1.18%。上述结果表明利用响应曲面法优化的青砖茶茶多酚取工艺参数准确。

3结论

本试验兼顾提取过程中绿色环保低成本原则，以水作为提取剂，通过单因素试验、Box-Benhnken Design模块和响应曲面分析法，确定青砖茶中茶多酚提取的最佳工艺条件为：液料比40:1(V/m)，提取时间85 min，提取温度80 ℃。在此条件下，青砖茶茶多酚提取率预测值为3.38%，而验证值为3.42%，与预测值的相对误差为1.18%，优化的青砖茶茶多酚提取工艺可行，具有一定的实用价值。

a.等高线

b.响应面

图5提取时间和液料比对茶多酚提取率的影响

a.等高线

b.响应面

图6液料比和提取温度对茶多酚提取率的影响

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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

(责任编辑：张凯兵)