超声辅助提取武夷岩茶茶梗中茶多酚的工艺优化

张婷婷,张宾乐,王俗欢,黄 勇,廖素兰

(1.武夷学院茶与食品学院,福建南平 354300;2.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;3.武夷山清风涧岩茶厂,福建南平 354300)

我国是世界第一产茶大国,每年都会产生大量的茶灰、茶末和茶梗等茶叶副产品[1],对茶叶下脚料的开发利用,有利于茶叶资源的综合开发利用和增值,提高社会效益和经济价值。因此,有着广阔的前景和现实意义。近年来,我国对茶梗的再利用研究,主要集中在有效成分的提取,如茶多糖[2]、茶多酚[3]、茶氨酸[4]和纤维素[5]等,及吸附废水中重金属离子[5-6]、发酵生产单宁酶[7]等。采用超声辅助法从茶梗中提取高含量茶多酚茶汤的研究至今未有,针对地方特产-武夷岩茶茶梗的再利用研究,更是少之又少。

武夷岩茶属半发酵茶,中国传统名茶,乌龙茶中之极品。在制作过程中,毛茶经过挑选出成品茶后,会剩余大量废弃物,如粗老叶、茶梗和茶末等,这不仅造成资源浪费,还产生环境污染。武夷岩茶的副产物中依然具有许多营养成分、风味物质及一定的医药保健功能物质,其中的茶多酚含量居于绿茶和红茶之间[8]。茶多酚是茶叶中的重要成分[8],且具有很强的抗氧化功能,能抑制人体的脂质氧化、减轻皮肤色素沉着、清除有害自由基、提高人体内酶的活性,对胃癌、肠癌等多种癌症的预防和辅助治疗均有促进作用[3]。研究表明,超声波浸提对茶汤中茶多酚、茶多糖、蛋白质、咖啡碱等主要成分及芳香物质的浸出量明显高于常规浸提[9-12]。超声波提取在提高浸提效率、减少茶汤沉淀、保持茶叶风味、维持茶汤抗氧化性等方面具有显著成效[13]。因此,本实验采用超声辅助法,从武夷岩茶的下脚料茶梗中浸提制作茶汤,以茶汤中的茶多酚含量及感官评分为考察指标,确定最优工艺参数,以期为下一步研制营养、保健及便利的速溶岩茶粉或其它茶产品开发,提供原料及相关工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

武夷岩茶茶梗 武夷山清风涧岩茶厂;硫酸亚铁、磷酸二氢钾(均为AR级) 国药集团化学试剂有限公司;水合茚三酮、酒石酸钾钠、磷酸氢二钠、碱式乙酸铅、氯化亚锡(均为AR级) 上海展云化工有限公司;浓硫酸、浓盐酸(均为AR级) 三圆化学试剂有限公司;茶氨酸、咖啡碱标准品(成分含量均≥98%) 上海源叶生物科技有限公司。

M6202粉碎机 北京弘荃翔和机械技术有限公司;GZY-P20-Y实验室超纯水器 湖南科尔顿水务有限公司;JA2003N电子天平 上海精密科学仪器有限公司;KQ-500DE数控超声波清洗机 昆仑市超声仪器有限公司;SHB-Ⅲ抽滤真空泵 郑州长城科工贸有限公司;Neofuge23R台式高速冷冻离心机 上海力申科学仪器有限公司;V-1100D分光光度仪 上海美谱达仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程图 见图1。

图1 工艺流程图

1.2.2 操作要点 将武夷岩茶梗粉碎,过35目筛后,称取茶梗碎粉2 g置于250 mL锥形瓶中,按照一定的水茶比、以一定的超声功率、在一定温度下提取一定的时间,将提取液抽滤后得到滤液,在10 ℃、3000 r/min条件下离心10 min[14]。对得到的上清液进行感官评定,并将上清液于100 mL容量瓶中定容,测定茶多酚含量。

1.2.3 单因素实验设计

1.2.3.1 超声功率的确定 在水茶比20∶1 mL/g、浸提温度70 ℃和浸提时间30 min条件下,考察不同超声功率(300、350、400、450和500 W)对茶汤中的茶多酚含量及其感官品质的影响。

1.2.3.2 浸提温度的确定 在超声功率400 W、水茶比20∶1 mL/g和浸提时间30 min条件下,考察不同浸提温度(40、50、60、70和80 ℃)对茶汤中的茶多酚含量及其感官品质的影响。

1.2.3.3 水茶比的确定 在超声功率400 W、浸提温度70 ℃和浸提时间30 min条件下,考察不同水茶比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1和30∶1 mL/g)对茶汤中的茶多酚含量及其感官品质的影响。

1.2.3.4 浸提时间的确定 在超声功率400 W、水茶比20∶1 mL/g和浸提温度70 ℃条件下,考察不同浸提时间(10、20、30、40和50 min)对茶汤中的茶多酚含量及其感官品质的影响。

1.2.4 响应面优化实验设计 根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理,综合单因素影响实验结果,以浸提温度(A)、水茶比(B)、浸提时间(C)为响应因子,茶多酚含量(Y)为响应值,对茶汤中的茶多酚含量进行响应面优化分析,以获取武夷岩茶茶梗超声辅助提取茶汤的最佳工艺条件。实验因素与水平设计见表1。

表1 响应面设计实验因素与水平

1.2.5 茶多酚含量的测定 茶汤中茶多酚含量的测定,参照QB/T 4068-2010《食品工业用茶浓缩液》[15]中的检测方法:吸取1～5 mL茶汤于25 mL容量瓶中,加水4 mL和酒石酸亚铁溶液5 mL,充分摇匀,用磷酸盐缓冲溶液定容至刻度,在波长540 mm处,以试剂空白溶液作参比,测定吸光度A1。同时称取等量茶汤于25 mL容量瓶中,不加酒石酸亚铁,其余操作相同,测定吸光度A2,以试剂空白溶液作参比。根据公式1计算茶多酚的含量。

茶多酚的含量(%)

式(1)

式中:m:试液制备时的样品质量,g;A1:试样显色后的吸光度;A2:试液底色吸光度;L:稀释倍数;1.957:用10 mm比色皿,当吸光度等于0.50时,1 mL茶汤中茶多酚的含量相当于1.957 mg。

1.2.6 茶汤感官评审 依据GB/T 23776-2018《茶叶感官审评方法》[16]设置感官评定标准,如表2所示,对浸提出的茶汤,进行汤色、香气和滋味的审评。

表2 茶汤的感官评定标准

1.3 数据处理

通过Design-Expert软件对实验数据进行分析处理,确定最优提取工艺参数。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 超声功率的确定 如表3所示,随着超声功率的增加,茶汤中的茶多酚含量整体呈增大趋势。功率低于450 W时,随着超声功率的增加,茶多酚含量明显增大;功率大于450 W后,茶多酚含量的增大速度减缓,功率500 W时的茶多酚含量仅略高于450 W时。从感官评定结果可以看出,功率450 W提取茶汤的感官品质为最佳,500 W次之。因此,从成本考虑,确定超声功率450 W为最佳。

表3 超声功率对茶汤的茶多酚含量及感官性质的影响

2.1.2 浸提温度的确定 由表4可知,当浸提温度低于70 ℃时,茶多酚含量随着浸提温度的增加而增大。在70 ℃时茶多酚含量达到最大值,为15.10%。但70 ℃后茶多酚含量开始减少,80 ℃时的茶多酚含量仅为14.86%,这是可能是由于高温会促使茶多酚有一部分被氧化成醌类化合物而被破坏[17]。从感官评定结果可以看出,茶汤的感官品质随着温度的增加逐渐增大,其中70 ℃时以茶汤的汤色,香气均为最佳,仅滋味略次于80 ℃时。因此,综合考虑,响应面实验浸提温度确定为60、70、80 ℃。

表4 浸提温度对茶汤的茶多酚含量及感官性质的影响

2.1.3 水茶比的确定 由表5可知,水茶比过高或过低,对茶汤的茶多酚含量及感官品质都有较大的影响。当水茶比为25∶1 mL/g时,茶多酚含量最大,为15.11%,且茶汤的汤色、香气、滋味均为最佳。当水茶比为30∶1 mL/g时,茶多酚含量反而减少,这可能是由于随着溶剂的增加,超声波更难作用于物料,茶多酚类化合物溶出速度减慢,从而使得茶多酚含量有所减少[17]。因此,确定水茶比范围为20∶1、25∶1、30∶1 mL/g。

表5 水茶比对茶汤的茶多酚含量及感官性质的影响

2.1.4 浸提时间的确定 由表6可知,当浸提时间为40 min时,茶汤的色、香、味均为最佳。在40 min前,茶多酚含量随着浸提时间的延长而增加,40 min时茶多酚含量达到最大,为15.23%,但40 min后,茶多酚含量反而开始减少,这可能是由于提取时间过长,会发生更多的化学反应,从而引起茶多酚的氧化,使其含量降低[17]。Ramalho等[18]也曾得出类似的结论:当物质浓度达到动态平衡后,浸提时间延长可能引起茶多酚部分氧化,茶汤中物质之间发生络合反应,对茶汤品质造成不利影响。因此,浸提时间范围确定为30、40、50 min。

表6 浸提时间对茶汤的茶多酚含量及感官性质的影响

2.2 响应面法优化提取工艺

2.2.1 响应模型建立与分析 单因素实验结果表明,超声功率在450 W后对茶汤品质影响不大,由于实验所用的超声波仪器最大功率为500 W,因此该因素继续进行响应面优化的意义不大。综合上述实验结果,以浸提温度、水茶比、浸提时间为响应因子,茶多酚含量为响应值,通过Design-Expert软件对茶汤中的茶多酚含量进行响应面分析,以优化最佳的超声提取工艺条件。响应面实验方案与结果如表7。

表7 响应面实验设计与结果

通过Design-Expert软件对实验数据的分析,在自变量上获得了茶多酚的含量与A浸提温度、B水茶比、C浸提时间的二次多元回归方程为:茶多酚含量=15.32+0.81A-0.14B-0.13C-0.065AB-0.090AC-0.023BC-1.16A2-0.13B2-0.29 C2。

响应面分析结果如表8所示,该回归模型的F值为5.30,且p=0.0001(p<0.01),说明茶多酚含量对该模型达到极显著水平,反映出该方程在实验点与实验结果相吻合;各单项因素A、B、C影响茶多酚含量都达到极显著,交叉项AC和AB均显著(p<0.01,p<0.05),BC项不显著。失拟项p值为0.0855大于0.05,表示失拟项在该回归模型中无显著性,表明该模型与实际情况拟合性优良。因此,该模型的回归方程可以取代实验的真实值来预测和分析测试结果。根据表中F值还可知,各因素对茶汤中茶多酚含量影响的大小顺序为:A浸提温度>B水茶比>C浸提时间。

表8 响应面二次回归模型方差分析

根据图2、图3和图4中响应曲面的变化情况和等高线的疏密程度可知,浸提温度和浸提时间、浸提温度和水茶比的交互作用对茶汤中茶多酚含量的影响具有显著性,水茶比和浸提时间的交互作用对茶多酚含量的影响不显著。

图2 浸提温度与水茶比对茶多酚含量影响的响应面和等高图

图3 浸提温度与浸提时间对茶多酚含量影响的响应面和等高图

图4 水茶比与浸提时间对茶多酚含量影响的响应面和等高图

2.2.2 最佳条件的确定和回归模型的验证 根据所建立的响应面拟合方程进行参数最优分析,得到预测最佳工艺条件如下:浸提温度73.73 ℃,水茶比22.12∶1 mL/g,浸提时间37.47 min,此条件下茶多酚的预测含量为15.52%。为了便于操作,浸提温度设73.7 ℃,水茶比设22∶1 mL/g,浸提时间设37.5 min,在此条件下进行三组平行实验,茶多酚含量平均值为15.46%±0.03%,与模型预测值15.52%接近,相对误差为0.4%。

3 结论与讨论

经单因素以及响应面优化实验得出,采用超声辅助从武夷岩茶茶梗中提取茶汤的最佳工艺条件为:超声功率450 W、浸提温度73.7 ℃,水茶比22∶1 mL/g和浸提时间37.5 min,在此最优工艺参数下提取茶汤,茶多酚含量达到最高,为15.46%±0.03%。

近年来提取茶汤的技术,出现了微波、超声波、超高压及酶法辅助等,不仅提高了提取效率,并在一定程度上解决了茶汤混浊、色泽褐变、香气损失等问题。但是,目前大部分高新提取技术手段还集中在科研中,应用于大规模的工业生产中还存在一定的局限性[13]。因此,采用不同工艺针对不同品种的茶提取茶汤的工艺还有待继续优化,并且在工业化生产中可能遇到的问题,还需要继续深入探讨和解决。

有研究表明,茶梗中总糖和游离氨基酸组分的含量也较高,利用价值高于低档茶,香气高于茶叶[8]。因此,在本实验的基础上,还可增设茶氨酸及茶多糖含量作为考察指标,深入优化从武夷岩茶茶梗中提取茶汤的工艺。

在本研究结果的基础上,可继续深入研发新产品,例如制备速溶茶粉,或添加桂花、菊花或谷物等辅料,配制不同风味特色的调味速溶茶,丰富茶产品的市场品种、提高产品创新性、同时减少环境污染、提高地方茶产业经济效益。