夏秋茶多糖的超声波辅助提取工艺优化

曹 淼，化志秀， 曹 正，宣文芳，王 林

(1.江苏农林职业技术学院茶与食品科技学院，江苏句容 212400;2.江苏省句容中等专业学校，江苏句容 212400)

我国是主要茶叶生产国，茶园总面积和产量均居世界第一。据统计，从2014年开始，我国茶叶消费增长始终低于产量增长，茶叶库存不断增加，使我国茶叶产业面临严重的产能过剩问题[1-2]。夏秋茶是按季节划分的一大类茶，产量占茶叶总产量60%以上，夏秋茶苦涩味重，口感差，仅少量被采摘甚至弃之不采，资源浪费严重[3]。研究表明，夏秋茶及粗老叶片中的茶多糖含量比嫩芽中高，并且茶多糖具有较强的抗氧化、降血糖、降血脂作用，在防治糖尿病、抗凝血、防血栓形成，保护血象和增强人体非特异性免疫能力等方面也具有明显功效，尤其是降血糖的功效极显著，是一种极具应用和开发前景的天然产物[4-7]。

目前，多糖提取常用的方法是水提法[8]和碱提法[9]。近年来，学者在提取多糖等工艺上进行了很多改进，如酶法[10]、超声浸提法[11]、微波提取法[12-13]，在药品及食品制作过程中用于提高茶多糖的提取率。其中，超声波辅助浸提法具有提取时间较短，耗能较低，效率较高及其技术简单等特点被广泛应用。超声波是利用其具有的3种效应，通过细胞中介质传播过程中引起的溶质分子运动速度加快，导致植物细胞壁破裂，从而释放细胞内容物以提取生物有效成分。笔者拟探讨超声波提取工艺参数对茶多糖得率的影响，通过响应面法优化夏秋茶中茶多糖的提取工艺参数，以期为拓展夏秋茶中茶多糖的利用途径提供理论参考和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与设备夏秋茶，福云6号，江苏茶博园提供；无水乙醇，上海久亿化学试剂有限公司，分析纯；95%乙醇，上海久亿化学试剂有限公司，分析纯；苯酚，南京扬子石英力士苯酚有限公司，分析纯；浓硫酸，上海久亿化学试剂有限公司，分析纯。

电子天平，常数市双杰测试仪器厂，JJ200B；高低温摇床培养箱，上海精宏实验设备有限公司，TSSQ-280；电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司，DHG-9123A；超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司，KQ3200E；隔膜真空泵，天津市津腾实验设备有限公司，GM-0.33A；旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂，RE-5203；循环水式多用真空泵，郑州市长城科工贸有限公司，SHB-Ⅲ；架盘药物天平，常数市双杰测试仪器厂，JP100；高速台式大容量离心机，无锡市瑞江分析仪器有限公司，RJ-TDL-5A；电热恒温水浴锅，上海-恒科学仪器有限公司，HWS-24；紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司，T6新世纪。

1.2 方法

1.2.1提取流程。茶叶→80%乙醇浸泡24 h→除上清液→烘干→超声波浸提→抽滤→浓缩→95%乙醇沉淀24 h→离心→收集沉淀→烘干→定容→测定多糖含量。具体步骤：称取1 g茶样，加入80%乙醇摇床浸泡沉淀24 h(液料比20∶1)，除去绝大多数上清液。茶样残渣烘干2 h(50 ℃)，以蒸馏水为提取液浸提预处理好的茶渣，在常温下采用隔膜真空泵抽滤干净，将滤液在80 ℃水浴的条件下旋转蒸发浓缩至10 mL，加入3倍95%乙醇在4 ℃条件下静置24 h。采用高速离心机(4 000 r/min 15 min)去除上清液收集离心物，沉淀物50 ℃烘干，定容至100 mL待测。

1.2.2单因素试验。

1.2.2.1超声时间。分别精准称取1 g茶多糖样品(精准到0.001 g)，固定液料比20∶1、超声温度60 ℃，设定可变因素超声波时间 10、30、50、70、90 min，选出对茶多糖得率影响较大的值。

1.2.2.2液料比。分别精准称取1 g茶多糖样品(精准到0.001 g)，固定超声时间70 min、超声温度60 ℃，设定可变因素液料比10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1，选出对茶多糖得率影响较大的值。

1.2.2.3超声温度。分别精准称取1 g茶多糖样品(精准到0.001 g)，固定超声时间70 min、液料比20∶1，设定可变因素超声波温度40、50、60、70、80 ℃，选出对茶多糖得率影响较大的值。

1.2.3响应面试验设计。以上述试验结果为基础，采用Box-Behnken设计的响应曲面法；以超声时间、液料比、超声温度3个因素为响应值，以1、0、-1为编码设计因素水平(表1)。

表1 响应面设计因素水平及编码

1.2.4茶多糖测定。采用苯酚硫酸法测定多糖含量[14-15]。具体流程：将定容好的溶液精准吸取2 mL于试管中，加入6%苯酚1 mL、浓硫酸5 mL，混合均匀，置于75 ℃水浴锅中加热10 min，放在室温下冷却，在波长为490 nm处测定吸光光度。

茶多糖的得率计算公式：

得率=多糖质量/茶叶质量×100%

1.2.5统计分析。运用Design-Expert 12软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1超声时间对茶多糖得率的影响。从图1可见，茶多糖得率随超声时间的延长呈先平缓后升降趋势，当70 min时茶多糖得率最大，超过70 min 茶多糖得率则大幅降低。原因可能是时间过短，茶多糖未能全部溶解；而时间过长反而使茶多糖被降解，因为超声波具有较高的剪切力，产生的辐射压强能快速破坏茶样的细胞壁，使细胞组织发生变形，加快细胞内多糖溶解于溶剂中，而长时间的超声波浸提则会破坏已溶出多糖的结构，从而导致茶多糖提取得率下降。综上，选定超声波辅助提取茶多糖时间为70 min。

图1 超声时间对茶多糖得率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic time on tea polysaccharide yield

2.1.2液料比对茶多糖得率的影响。由图2可知，茶多糖得率随料液比的增加呈先缓慢上升后下降的趋势，当液料比为20∶1时茶多糖得率最大，之后下降。原因可能是液料比20∶1的情况下，茶多糖的溶出量已达到饱和，再增加溶剂会降低其的传质能力[16]；因超声波浸提过程中会出现空化效应[17]，其产生的气泡在声压的作用下形成微激流，过多的溶质同时也会阻碍茶样细胞壁的破裂，减缓多糖的溶出，从而增加了茶多糖的损失，降低了超声波浸提茶多糖的得率。综上，选定超声波辅助提取茶多糖液料比为20∶1。

图2 液料比对茶多糖得率的影响Fig.2 Effect of liquid-to-material ratio on tea polysaccharide yield

2.1.3超声温度对茶多糖得率的影响。由图3可知，茶多糖得率随超声温度的升高呈不断上升趋势，但当温度超过70 ℃ 时，茶多糖得率反而下降，并且在试验过程中观察到超声温度越高样品颜色越深，过深颜色的样品并不利于后续的纯化[16]。分析其原因，可能是在相同时间、相同液料比条件下，超声温度较低难以充分提取茶多糖，超声波提取通过介质不断传播扩散的过程导致茶样细胞组织温度升高，而较高的水浸提则加速破坏了茶多糖的糖苷键，并且使原本已被溶解出的有效成分出现氧化现象，故温度在70～80 ℃时超声波辅助提取茶多糖的得率会出现降解的作用。综上，选定超声波辅助提取茶多糖超声温度为70 ℃。

图3 超声温度对茶多糖得率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on polysaccharide yield

2.2 响应面试验结果

2.2.1优化设计及数据分析。根据BBD优化共设计17个设计点，进行3因素3水平的响应面优化茶多糖得率试验，结果见表2。根据表2进行回归模型方差分析，得到回归方程为

Y=1.410-0.100A+0.200B+0.091C-0.160AB-0.130AC-0.089BC-0.290A2-0.096B2-0.330C2

由表3可知，该模型失拟项P=0.143 1>0.05，说明该因素在试验中影响较小，R2=0.934 8，表示该模型的选择较为合适；在3个因素优化设计试验中，一次项显著程度表现为B>A>C，其中B差异极显著；交互作用中显著程度表现为AB>AC>BC，其中AB差异显著；二次项中显著程度表现为C2>A2>B2，其中C2和A2差异极显著。超声波提取茶多糖得率的影响表现为液料比>超声时间>超声温度。

表3 回归模型方差分析

2.2.2响应面与等高线结果分析。由回归方程得到超声时间(A)、液料比(B)和超声温度(C)对茶多糖得率的影响设计响应面图和高等线，结果如图4所示。对茶多糖得率影响的显著程度是根据响应面的坡度与高等线图呈现的形状来区分的，响应面坡度较为陡峭，则显著，反之则不显著；当高等线图在出现椭圆形并且中心点越靠近红色部位，则显著，圆形则不显著，此时2因素相交即可忽略。由图4可知，当超声温度70 ℃时，随着超声时间(A)的延长和液料比(B)的升高，等高线呈椭圆形，且响应面坡度以液料比30∶1为最高点走向，坡度较为明显，交互作用较显著，尤其是当超声时间65 min、液料比30∶1时多糖得率较高。

图4 液料比、超声时间及其交互作用对茶多糖得率的响应面和等高线Fig.4 The response surface and contour of the effect of liquid-to-material ratio，ultrasound time and its interaction on polysaccharide yield

2.2.3验证试验。通过响应面结果分析得出最高茶多糖得率为1.578%，其中最优条件为超声时间80 min、液料比20∶1、超声温度60 ℃，为了更高效率地提取茶多糖，在响应面分析的基础上，采用Design-expert软件进行回归模型方差分析及响应面图与等高线图结果分析，在该条件下优选出最优提取条件为超声时间65.27 min、液料比30∶1、超声温度70.93 ℃，得率为1.583%。由此表明，茶多糖得率的实际值与预测值接近，证实了响应面法与回归方程为茶多糖工艺参数优化提供了可靠方案。

3 结论

该试验采用超声波辅助提取茶多糖，通过考察单因素试验对茶多糖得率的影响，在单因素试验的基础上进行响应面分析法、二次多元化回归拟合分析、响应面图与等高线图分析对茶多糖提取工艺条件优化。结果表明，各因素对茶多糖得率的影响表现为液料比>超声时间>超声温度，其中超声时间与液料比交互作用对茶多糖提取得率的影响显著，优选出的最优工艺参数为超声时间65.27 min，液料比30∶1，超声温度70.93 ℃，在该条件下茶多糖得率为1.583%。经验证，该数学模型可靠，可用于茶多糖提取工艺参数的预测。