白茶超声波浸提的数学模拟过程分析

丁书召，李　清（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山 467001）



白茶超声波浸提的数学模拟过程分析

丁书召，李清
（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山 467001）

本文主要是以福建政和白茶为研究对象，运用二次正交旋转组合实验方法，将白茶在其超声波浸提效果的过程中相关的参数记录下来，即（a）超声波的浸提温度X（1）、（b）超声波的浸提时间X（2）、（c）使用的茶水比例X（3）、（d）同固形物含量Y对于所记录数据的动态关系巧妙的进行数学模拟。同时需要在α=0.05有效容易观察结果的水平下筛选出不明显的数据，最后结论得出回归方程：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X（2）-115.329X（3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3），并且通过数学验证所得到的方程，结果证明该数学模拟是正确的。

白茶；二次正交旋转组合实验；超声波浸提

1　实验背景

1.1白茶介绍

中国有六大茶类，白茶为其中之一，表面披满了白色的毫，它是一种生长在福建且为福建特殊拥有的茶类，而且白茶主要的生长地点在于福建的闽东北高山地区，如政和、松溪和闽东等。白茶拥有其独特的优点：味道鲜美且味温性凉，有健胃提神的效果，祛湿退热的功效，因此白茶在欧美东南亚地区拥有一席之地，而且在国外的知名度呈现上升的趋势。

白茶中含有大量的化学物质，大概有600多种，其中绝大多数是有机物，主要有茶多酚、氨基酸、生物碱、糖类、芳香物质、维生素类、微量元素等，白茶的功效比较多，有些效果比其它的茶叶更好。白茶由于工艺不同可以得到品质不同的茶，将白茶用于研究是有必要性的，也具有一定的参考价值。

1.2浸取技术

浸取工艺技术是茶叶在其深加工的过程中不可缺少、不可替代的工艺流程步骤，主要是因为浸取的水质、浸取的温度、浸取的时间、浸取的茶水比例、pH值等都影响浸取效率，其中的每一个因素对于浸取效率的影响都是比较大的，而浸取效率会直接影响大茶叶品质成分的产率高低，最终必然会影响到茶叶的品质。

目前，在生产茶叶的加工中，应用比较广泛的就是茶叶浸取法，这是经过不断地经验总结而成的，因该浸取法较于传统的提取茶叶法比较，有不少的优点：如耗时短，温度低，最为重要的就是产率很高，而且可以很好地消除一些负面的问题，比如茶的香气损失方面以及茶汤的颜色等等。

1.3超声波浸提

超声波是声波的一种，频率范围为2×104—1×109，由此可以看出超声波频率很广泛，在传播过程中较强。超声波拥有能量时发生振动同时引起了热力学、机械、空化等特征性作用，而超声波浸提技术就是利用了超声波的特征性作用以及产生的次级效应增大传质速率、使物质的微孔扩散，提高了传质过程的效率和效果。超声波浸提技术不仅仅提高了茶叶的提取速率、缩短了提取时间，而且可以有效防止部分重要物质的变性消除、大大提高了茶叶的品质。

2　实验内容

2.1原料

白毫银针

2.2仪器

KL-UP—Uv一5实验室超纯水机台湾艾柯；

分析天平

HH一4水浴锅

KQ-300VDE型三频数控超声波清洗机

2.3实验方法

进行单因素实验

本次实验主要的操作就是将超声波浸提效果的过程中相关的参数进行模拟，主要通过浸提温度、浸提时间、茶水比例等因素进行模拟实验来确定固形物含量Y，以下是关于实验方法的具体设计和操作方法。

2.3.1浸提温度X（1）：选定范围为30、40、50、60、70、80℃，将温度置于超声波浸提初始的温度，误差范围为2℃。此条件下浸提时间一般计划在15min，茶水比例分配1:40，超声波浸取频率置于45kHz。

注意：制备的茶汤一般有两份，通过粗滤和抽滤茶汤这两种方式来提取最后需要的固形物，称量测定固形物，得到其含量Y。

2.3.2浸提时间X（2）：选定范围为10、15、25、35、45、55、65、75min。此情况下，浸提温度一般设置在50℃，茶水比例分配为1:40，超声波浸取频率设置在45kHz。

注意：制备的茶汤一般都是双份，尤其需要注意的是要趁热过滤，然后对固形物进行测定。

2.3.3茶水比例X（3）：选定茶水比设1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶80、1∶100，此条件下，浸提温度一般设置在50℃，浸提时间一般计划在15min，超声波浸取频率置于45kHz。

注意：最后制备茶汤一般为双份，尤其需要注意的是要趁热进行过滤操作，然后测定固形物含量Y。

实验中我们对于影响实验结果的单因素进行水平编码，让各个实验的结果对比起来更加的明显，同时采用二次正交旋转组合实验设计，对于各个因子进行编码。通过实验来确定固形物含量Y，更加清楚的展示出固形物含量Y与各个因子之间的内在联系。

3　实验结果和总结

3.1实验结果

通过多次的实验我们得到实验的重要数据，然后我们对于实验数据进行系统的分析和统计，最终得出浸提温度与固形物含量呈现出二次项式关系，其中R2值接近于1，这就说明了实验的误差在可控范围之内，得出的数据比较理想。而且随着浸提温度升高，固形物含量Y的数值随着温度的变化越来越大，而且变化的趋势非常的明显。

我们按照选定的范围进行实验，最终得出了我们需要的实验数据，浸提时间与固形物含量呈现出对数的关系，从中可以知道浸提时间对固形物含量Y的影响非常大，远大于其他的一些影响因素，而且R2与1比较接近，证明实验数据比较不错。对于实验数据进行细致的分析，明显看到随着浸提时间的增大，固形物含量Y不断增加，最后变化较小，趋于平缓。

根据选定的茶水比例设定进行实验，得到数据，茶水比例与固形物含量呈现出指数关系，这说明了茶水比例对固形物含量Y影响很大，同时利用R2与1进行比较，可以说明实验是比较成功的，得到的数据符合效果。分析数据可以推断出茶水比例值越小，得到的茶叶效果越不好，其固形物含量越来越小，最后趋势渐渐平缓，变化不明显。

3.2实验总结

建立了数学模拟回归方程：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X （2）-115.329X（3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3）

通过实验记录有效数据，对于大量的数据进行分析得出，回归方程的失拟性检验F1=1.2116，p=0.3532，可以表明在α=0.05有效容易观察结果的水平下数据检验结果失拟性不明显，初步论断选用的二次回归方程可以使用。而回归方程的显著性检验F2=70.263，p= 0.0003，可以说明在α=0.05有效容易观察结果的水平下数据检验结果回归性很不错，与预期的想法差距较小，则所建立的数学模拟回归方程预测值与实际值比较接近，效果很不错，该模型是成功的。最后推出回归方程为：Y=319.592+63.002X（1）+79.491X（2）-115.329X （3）+49.022X（3）2-23.850X（2）X（3）

采用控制变量法，例如：当浸提温度为60，浸提时间为40，茶水比例分别为1∶60和1∶36，固形物含量分别为386.9mg/100ml和570.4mg/100ml；当浸提温度为40，浸提时间为40，茶水比例分别为1∶60时，固形物含量为298.3mg/100ml；当浸提温度为60，浸提时间为22，茶水比例为1∶60时，固形物含量为256.3mg/100ml。分析可得，对固形物含量的检验得出了浸提温度、浸提时间、茶水比例这三个对固形物含量Y的影响大小：X（3）＞X（2）＞X（1）。也就是说，茶水比例对固形物含量的影响是最大的，浸提温度对固形物含量的影响是最小的。

3.3关于实验的讨论

3.3.1建立数学模拟的应用讨论：主要以单因素分子作为主要的分析谈论对象。本实验中主要的单因素有三个。我们首先是达到其中的两个因素的水平为零，然后通过记录另一个单因素与固形物含量之间的关系来判断其影响。最终我们得出对固形物含量Y影响最大的是茶水比例X（3），当茶水比例水平发生变化的时候，固形物含量Y都会发生波动。同样的条件下其他的两个单因素对于固形物含量Y的影响较小。

3.3.2对本次实验结果的讨论：我们需要指出的是选取的茶水比例一般，在1:40的茶水比例中浸提效果一般，可是最终的回归方程的数学模拟明显是较为成功的。制备了两份茶汤，一份用于感官的评定，一份用于浸提参数的研究，具有一定的说服力，效果非常理想。

本次实验中使用的是品质良好的白毫银针，通过利用超声波浸提技术，有效地对于重要的浸提参数进行了研究，得到了令人满意的效果，圆满的完成了实验任务。有效地验证了超声波浸提参数动态关系的数学模拟，运用二次正交旋转组合实验的方法能够在α=0.05有效容易观察结果的水平下筛选出不明显的数据。尤为重要的是该实验让我们体会到研究白茶超声波浸提的数学模拟有着重要的意义，让我们更加了解到对于白茶超声波浸提有着很大的发展前景。

4　结束语

本文的重点在于白茶超声波浸提过程的数学模拟，试验中运用的方法是二次正交旋转组合实验方法，取得了非常明显的效果，再次向人们验证了白茶超声波浸提后固形物含量的动态参数回归方程：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，预测值和实际值是比较接近的，达到预期的效果。同时也得出浸提温度、浸提时间、茶水比例这三个单因素对固形物含量Y的影响，同时也让我们对于白茶超声波浸提技术有了更加深入的理解，期望中国的白茶能够外更加闻名。

［1］袁第顺.中国白茶［M］.厦门：厦门大学出版社，2012.06.

［2］袁弟顺，郑金贵.白茶的研究进展［J］.福建茶叶，2007（2）：2-4.

［3］复涛，时思全，宛晓春.微波、超声波对茶叶主要化学成分浸提效果的研究［J］.农业工程学报，2004（6）：170-173.

丁书召（1975-），男，河南舞钢人，学士，讲师，研究方向：高等数学。