超声波和机械化学法辅助提取低值茶叶中茶多酚的工艺研究

邢子玉，高梦祥

( 长江大学生命科学学院，湖北 荆州434025)

茶叶深加工综合利用是提高茶叶资源利用率、提升经济效益和企业核心竞争力的重要手段。在我国的茶叶产品结构中，产量约30% 的名优茶产值占毛茶总产值的70% 以上[1]。一方面说明名优茶开发适合市场需求，对茶叶产业的贡献度大，另一方面也可以看出，70%的茶叶价值很低，属于低值产品，产品结构非常不合理。而且茶叶加工过程中约形成 2%～4% 的副产物，如茶末、茶茎等，造成茶叶资源浪费。名优茶加工一般是利用嫩度高的春季原料，而70%的低值茶叶却是成熟度较高的夏、秋季原料生产的。从茶叶化学成分含量分析，成熟度较高的夏、秋季原料的主要功能物质如多酚类等含量甚至比嫩度高的春季原料更高。其之所以低值，是因为其中存在影响口感的刺激性物质，而不是因为它的功能成分低下[2]。

茶叶主要功能成分包括茶多酚、氨基酸、茶叶多糖、茶皂素等许多功能物质，需要在一定剂量和浓度的条件下才能表现出其生理活性，在低浓度时其生理活性很低或者不稳定[3]。深加工过程就是对茶叶中生物活性物质进行分离、纯化和富集的过程，以获得高纯度的生物活性物质，使其在功能食品、药品和工业行业得到合理和高效的利用。然而，传统的茶叶功能成分分离和制备技术( 如煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流提取法等)存在诸多如成本高昂、功能成分氧化、化学残留以及加工过程的废弃物排放等需要进一步改进的地方[4,5]。功能成分绿色制备技术的开发是解决上述问题的重要手段，也是今后茶叶深加工利用的重要方向。机械化学法正是这样的功能成分绿色制备技术，该技术通过机械粉碎使植物材料微粉化，增加颗粒比表面积，破碎细胞壁，暴露有效成分，在物料表面形成新鲜切面，固相化学助剂在新鲜切面上与有效物质发生反应，有效成分被修饰，从而改变了有效成分的溶解特性，进而提高了这些成分在特定溶剂的溶出率[6]。机械化学法能使得茶叶在传统的冲泡方法中不能完全利用的许多功能或功效得到充分溶出，具有成本低廉、可能多地保留功能成分、无化学残留、减少废弃物排放等优点，是一项发展前景十分广阔的新技术。

本研究以茶叶加工中的下脚料为研究对象，分别采用热水浸提法、超声波辅助提取法、机械化学辅助提取法、超声波和机械化学辅助法提取茶叶中茶多酚，并对4种提取方法进行比较，以为低值茶叶的利用提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1　材料、仪器与试剂

汲明绿茶末由湖北汲明茶叶有限公司提供。

主要设备：LG-500A高速万能粉碎机( 瑞安百信药机械厂产品)；UV-1800可见分光光度计( 上海圣科仪器设备有限公司产品)；JPCT300-全数字超声波发生器( 武汉嘉鹏电子有限公司产品)；RE-2000B旋转蒸发仪( 上海亚荣生化仪器厂产品)；TL-18M台式高速冷冻离心机( 上海市离心机械研究所产品)；AVY-220电子天平( 上海精密科学仪器有限公司产品)。

主要试剂：茶多酚标准品、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾( 均为分析纯)；95%乙醇、无水乙醇、硫酸亚铁、酒石酸钾钠、无水碳酸钠、氢氧化钠、四硼酸钠、稀盐酸( 均为化学级)。

1.2　试验方法

1.2.1茶多酚标准曲线的建立

分别吸取茶多酚标准溶液1.0、2.0、3.0、4.0mL于容量瓶中，均加水至10mL，再加酒石酸亚铁溶液10mL，加入pH为7.5的磷酸缓冲液至刻度，混匀后，用1cm比色皿，以空白试剂作对照，于波长540nm处测定光密度，得出茶多酚质量浓度(x，mg/mL)与光密度(y)的线性回归方程y= 0.118x-0.002 (R2=0.998)。

1.2.2含碱助剂的茶叶细粉的制备

称取茶叶下脚料150g,平均分为3组，按照碱助剂( NaOH+Na2B4O7、NaHCO3+Na2B4O7和Na2CO3+Na2B4O7，其中NaOH、NaHCO3、Na2CO3与Na2B4O7质量比均为1︰2)与茶叶下脚料质量比为6%、8%和10%，分别称取相应质量的碱助剂与茶叶下脚料混合，投入设备中研磨至物料粒度D≤44μm备用。

1.2.3pH的确定

称取含有碱助剂Na2CO3+Na2B4O7( 质量比1∶2)且碱助剂与茶叶下脚料质量比为8%的茶叶细粉1.4g，平均分为7份装入150mL锥形瓶中，各加入30mL水，放置于超声波发生器中，设置功率为50W，超声波处理时间为30min，4000r/min离心10min，取上清液，将沉淀再加30mL水充分混匀后再离心1次，合并上清液，用稀盐酸调节pH至3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0等7个水平，然后用旋转蒸发仪分别将溶剂蒸干，加入95%乙醇40mL溶解过滤，然后将滤液用95%乙醇定容至50mL，按照测定标准曲线的方法测定光密度，计算出茶多酚含量，选出最佳pH。

1.2.4超声波功率对茶叶茶多酚提取率的影响

称取含有碱助剂Na2CO3+Na2B4O7( 质量比1∶2)且助剂与茶叶下脚料质量比为8%的茶叶细粉1.0g，平均分为5份装入150mL锥形瓶中，加水60mL，放置于超声波发生仪中，分别在超声波功率为10、30、50、70W和90W 5个水平下处理25min，测定光密度，计算茶多酚提取率。

他转过身看了对方一眼，迟疑了一会。旋即放弃了与之论理的打算。我老婆在饭店摔了一跤，和我心不心疼有什么关系？难道你丈夫时刻像对待婴孩一样对待你？时刻守在你这个八婆的身边？

1.2.5提取时间对茶叶茶多酚提取率的影响

称取含有碱助剂Na2CO3+Na2B4O7( 质量比1∶2)且助剂与茶叶下脚料质量比为8%的茶叶细粉1.2g，平均分为6份装入150mL锥形瓶中，加水60mL，放置于超声波发生仪中，设置超声波功率为50W，在超声波作用时间为10、20、25、30、35min和40min 6个水平进行处理，分别测定光密度，计算茶多酚提取率。

1.2.6料液比对茶叶茶多酚提取率的影响

称取含有碱助剂Na2CO3+Na2B4O7( 质量比1∶2)且助剂与茶叶下脚料质量比为8%的茶叶细粉1.0g，平均分为5份装入150mL锥形瓶中，加入不同体积的水，使其料液比( g/mL)分别为1∶20、1∶30、1∶60、1∶100和1∶150 5个水平，放置于超声波发生仪中处理，分别测定光密度，计算茶多酚提取率。

1.2.7碱助剂含量对茶叶茶多酚提取率影响

分别称取含有碱助剂Na2CO3+Na2B4O7( 质量比1︰2)且碱助剂与茶叶下脚料质量比4%、6%、8%、10% 和12% 5个水平下的茶叶细粉各0.2g，分别装入150mL锥形瓶中，放置于超声波发生仪中处理，测定光密度，计算茶多酚提取率。

1.2.8不同提取方法对茶叶茶多酚提取率的影响

1)超声波辅助提取法茶叶下脚料不加碱助剂超微粉碎后，精确称取细粉0.2g装入150mL锥形瓶中加水30mL，放置于超声波发生仪中处理，设置功率50W，超声波处理时间25min，4000r/min离心10min，取上清液，将沉淀再加30mL水充分混匀后再离心1次，合并上清液，调节pH为4，用旋转蒸发仪将溶剂蒸干，然后用95%乙醇溶解过滤，且用95%乙醇定容到50mL，测定光密度，计算茶多酚提取率。

3)超声波和机械化学辅助提取法茶叶下脚料加碱助剂Na2CO3+Na2B4O7( 质量比1∶2)且碱助剂与茶叶下脚料质量比分别为8%超微粉碎，精确称取细粉0.2g装入150mL锥形瓶中，加水30mL，放置于超声波发生器中，设置功率50W，超声波处理时间25min，4000r/min离心10min，取上清液，将沉淀再加30mL水充分混匀后再离心1次，合并上清液，调节到pH为4，用旋转蒸发仪将溶剂蒸干，然后用95%乙醇溶解过滤，且用95%乙醇定容到50mL，测定光密度，计算茶多酚提取率。

2　结果与分析

2.1　碱助剂的筛选

当碱助剂与茶叶下脚料质量比为6%、8% 和10% 时，3 种备选碱助剂与茶叶茶多酚提取率的关系如表1所示。由表1可以看出，当碱助剂与茶叶下脚料质量比相同时，碱助剂Na2CO3+Na2B4O7作用下的光密度较大，即提取的茶多酚质量最大，造成这种结果的原因可能是NaOH碱性太大，茶叶中溶出的杂质增多，影响了茶多酚的溶出；而NaHCO3作用下的茶多酚提取率较低，可能是其碱性太弱，茶多酚类化合物没有充分溶出。同时也可以看出，茶叶茶多酚提取率在碱助剂含量达到 8% 时最大。因此后续研究选用碱助剂Na2CO3+Na2B4O7。

表1　不同碱助剂与茶叶质量比下的光密度

2.2　pH的确定

由表2可知，pH在3.5～4.5 范围内光密度相对趋于平缓，当pH值为4时样品溶液有最大光密度，造成这个结果的原因可能是当pH>4.5时，茶多酚盐类化合物没有充分反应，还有部分茶多酚类化合物没有游离出来，当pH<3.5时，光密度下降明显，很可能是因为茶多酚类化合物在强酸条件下不稳定。

表2　不同pH下的光密度

2.3　超声波功率对茶叶茶多酚提取率的影响

图1　不同超声波功率下的茶多酚提取率

超声波功率对茶叶茶多酚提取率的影响规律如图1所示。由图1可知，当其他条件相同时，超声波功率为50W时，茶叶茶多酚提取率最高。

2.4　超声波处理时间对茶叶茶多酚提取率的影响

超声波处理时间对茶叶茶多酚提取率的影响规律如图2所示。由图2可知，茶叶茶多酚提取率先随着超声波处理时间的增大而提高，当处理时间大于25min后，提取率趋于平缓。

2.5　料液比对茶叶茶多酚提取率的影响

料液比对茶叶茶多酚提取率的影响规律如图3所示。由图3可知，随着溶剂用量增大，茶叶中茶多酚提取率增大，当料液比小于1︰60g/mL后，提取率增加幅度不明显，考虑生产成本和后续处理，料液比取1︰60g/mL。

图2 不同超声波处理时间下的茶多酚提取率图3 不同料液比的茶多酚提取率

2.6　不同提取方法对茶叶茶多酚提取率影响

模拟人们平时喝茶，以80℃水浸泡25min(料液比为1∶60g/mL)，测定其茶汤的光密度，再与超声波辅助提取法、机械化学辅助提取法、超声波和机械化学辅助提取法提取法的光密度对比，结果如表3所示。由表3可以看出，采用超声波和机械化学辅助提取法提取茶叶茶多酚，不仅提高了茶多酚提取率，而且实现了用水高效提取，同时说明了此种方法在茶多酚提取过程中具有很好的发展前景。

表3　不同提取方法下的光密度

3　结论

1)3 种备选助剂，Na2CO3+Na2B4O7作用情况下，茶叶下脚料茶多酚提取率最高；按碱助剂与茶叶下脚料质量比为8%进行超微粉碎时，茶多酚提取率有最大值。

2)超声波和机械化学辅助提取法提取茶叶中茶多酚比热水浸提法、超声波辅助提取法和机械化学法辅助提取法的提取率更高。

3)机械化学辅助提取法的优势是将茶多酚转换成能溶于水的盐类，然后在弱酸性环境中使茶多酚重新游离出，从而实现了用水提取茶叶中茶多酚。超声波辅助提取法是利用超声波的空化效应使茶叶细胞中茶多酚更易于流出。本研究将2种提取方法综合起来提取茶叶茶多酚，提取率增加，达到了预期的效果。

[参考文献]

[1]刘瑞新.关于我国茶叶深加工与综合利用的研究综述[J].中国集体经济,2014，( 36)：64～65.

[2]徐思珍.茶树粗老叶及茶末为原料提取茶多酚可行性研究[J].云南农业,2014，( 7)：42～43.

[3]高海荣，赵爱娟，陈秀，等.从茶叶中提取茶多酚工艺的对比研究[J].中国食品添加剂,2017，( 3)：133～137.

[4]张圣喆，董树国，赵硕，等.超声波辅助提取茶多酚工艺优化的研究[J].吉林医药学院学报，2017，38( 3)：175～178.

[5]高海荣,黄振旭,李华敏.16种中国茶叶中茶多酚含量对比研究[J].食品研究与开发，2016，37( 7)：33～36.

[6]冯欢欢．机械化学法辅助提取茶末有效成分的工艺研究[D].荆州：长江大学，2015.