陈香普洱茶净油分子蒸馏工艺的响应面法优化

刘煜宇，包秀萍，罗海涛，邹恩凯，邵灯寅，何力

1. 云南瑞升烟草技术（集团）有限公司（昆明 650106）；2. 江西中烟工业有限责任公司技术中心（南昌 330096）

普洱茶具有滋味醇厚回甘、香气带陈香的独特品质特点。香气是茶叶最重要的品质之一，茶叶香气物质具有独特的风格特征，在香精香料行业上有广阔的应用前景，其中普洱茶香气深受消费者喜爱，可以用于开发茶叶精油面膜、茶叶精油香水和食品添加剂等[1-5]。国内外关于普洱茶香气成分的研究文献较多，主要是集中于普洱茶香气成分和矿质元素等检测分析方法研究[6-14]，普洱茶提取物的抗氧化活性研究[15]，以及优化发酵工艺提高茶叶品质[16-20]，但对开发陈香普洱茶香料净油的报道鲜见。茶叶香气成分的精细化提取分离技术，能够最大限度地保留茶叶致香成分的质量。目前采用的超临界CO2萃取技术[21-22]得到的茶叶香树脂气味浓郁，然而含有较多的脂溶性色素成分，影响产品的外观和品质。超临界CO2萃取-分子蒸馏技术[23-24]在高级香料制备方面具有独特的优势，所制备的分子蒸馏净油香气品质显著优于普通产品。通过响应面法[25-27]优化，确定普洱茶净油的最佳分子蒸馏条件，并用气相色谱-质谱法对挥发性致香成分进行分析和鉴定，分析结果为茶叶类高档次香料开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

陈香普洱茶原料（云南茶叶市场）；CO2（纯度99.5%，昆明梅塞尔公司）；φ（乙醇）=95%（食品级）；无水硫酸钠（AR，广东汕头市西陇化工厂）；二氯甲烷（AR，天津市博迪化工有限公司）。

HA220-50-06型超临界流体萃取装置（江苏省南通市华安超临界萃取有限公司）；KDL-5型分子蒸馏设备（德国UIC公司）；7890A/5975C型气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；BUCHIR-3000型旋转蒸发仪（瑞士BUCHI公司）。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2萃取普洱茶油树脂的制备

普洱茶原料超临界条件：萃取压力30 MPa，萃取温度45 ℃，CO2流量25 kg/h，萃取时间3.0 h。所得普洱茶油树脂为棕黑色黏稠液体。萃取率为2.88%，用于下一步的分子蒸馏纯化。

1.2.2 分子蒸馏纯化制备普洱茶净油

将超临界萃取所得的普洱茶油树脂装入进料瓶中，在冷阱中注入液氮并运行真空泵，在刮膜速度300 r/min、进料速度1 mL/min、冷却水温度5 ℃，进料温度50 ℃条件下，根据试验设计设定所需的蒸馏温度和蒸馏压力，进行分子蒸馏。收集红黄色馏出物即为净油，称其质量，并按式（1）计算得率。

1.2.3 响应面法试验设计

在单因素试验基础上，以分子蒸馏的蒸馏温度和蒸馏压力为主要参数，以普洱茶净油得率为考察指标，利用响应面法的中心复合设计（CCD），进行两因素五水平试验，具体见表1。

表1 试验因素水平编码

1.2.4 GC-MS分析条件

色谱条件：TR-5MS（60 m×0.25 mm×0.25 μm），载气为氦气（99.999%），进样量1 mL，分流比15∶1，柱流速0.8 mL/min。程序升温：初始温度80 ℃，保持2 min，以3 ℃/min的速率升至240 ℃，保持30 min。传输线温度250 ℃；进样口温度250 ℃。

质谱条件：EI能量70 eV，溶剂延迟6 min，扫描离子范围50~650 amu，定性分析采用NIST08质谱谱库检索，定量方法采用内标法。

2 结果与讨论

2.1 响应面试验结果及分析

2.1.1 响应面试验结果

按照响应面法中心复合设计（CCD）试验方案进行两因素五水平试验，13个试验点结果见表2。

2.1.2 响应面试验结果分析

根据表2数据，得到普洱茶净油得率（Y）对分子蒸馏温度（X1）和压力（X2）的二次多项回归方程模型：

表2 试验设计及结果

该二次回归方程方差分析结果和回归方程系数显著性检验结果见表3。两因素交互作用对普洱茶净油得率的响应面分析结果见图1~图2。

由表3，图1和图2可以看出，该模型统计学意义上差异极显著（p＜0.01），失拟项不显著，说明没有未知因素对试验结果干扰。模型的决定系数R2为0.970 2，修正决定系数R2为0.948 9，大于0.9，说明模型能解释普洱茶净油得率响应值的变化。该模型与实际情况拟合较好，可用于分析和预测分子蒸馏普洱茶净油的实际情况。由表3可知，X1和X2交互项差异显著（p＜0.05），说明2个因素交互作用对普洱茶净油得率有显著影响。

图2 蒸馏温度和蒸馏压力对净油得率的等高线

表3 回归方程模型的方差分析结果

图1 蒸馏温度和蒸馏压力对净油得率的响应面分析

2.1.3 验证试验

对方程最优条件（蒸馏温度89.13 ℃，蒸馏压力181.55 Pa）进行验证（实际采用蒸馏温度90 ℃，蒸馏压力180 Pa），普洱茶净油得率的平均值为62.82%，与优化后的回归方程求解得到的预测值64.39%接近，这说明响应面优化模型适用于对普洱茶净油的分子蒸馏工艺的回归分析和参数优化。

2.2 普洱茶净油样品的挥发性成分分析

GC-MS分离鉴定出的普洱茶净油挥发性成分见表4。普洱茶净油的挥发性成分共鉴定出64种化合物，主要的致香成分（相对于茶叶）为棕榈酸（24.733 μg·g-1）、1, 2, 3-三甲氧基苯（8.008 μg·g-1）、植醇（7.010 μg·g-1）、1, 2, 4-三甲氧基苯（3.457 μg·g-1）、苯乙醛（2.443 μg·g-1）、顺式芳樟醇氧化物（1.450 μg·g-1）、苯乙醇（1.314 μg·g-1）、二氢猕猴桃内酯（1.566 μg·g-1）等。其中，棕榈酸具有泥土气息和类似于人参的香气。植醇表现出茶叶清鲜淡然和谐优雅的清香。1, 2, 3-三甲氧基苯和1, 2, 4-三甲氧基苯是普洱茶陈香的核心功能组分。芳樟醇具有鲜爽型花香，苯乙醇具有玫瑰花香气，它们都增加了普洱茶花香。二氢猕猴桃内酯则对普洱茶木香贡献较大。

表4 普洱茶净油挥发性化学成分

3 结论

预测模型分析及失拟检验表明试验所得的得率预测模型与试验数据拟合度良好，试验误差小，同时还说明响应面设计适用于陈香普洱茶净油分子蒸馏工艺优化。试验采用绿色工艺，将超临界CO2萃取得到的棕黑色油树脂进行分子蒸馏，从而得到红黄色、状态好、无溶剂残留的精制产品，较好保持了普洱茶的茶香风格和陈香特征。挥发性成分分析结果表明分子蒸馏普洱茶净油中含有大量的致香成分，如棕榈酸、1,2, 3-三甲氧基苯、植醇、1, 2, 4-三甲氧基苯等，具有显著的陈香普洱茶香气和滋味，是一种高档次的茶香净油。