響應面法優化超聲波提取安吉白茶抗氧化物質工藝

呂娜，龍壽芬，夏海洋，趙麗丹，沈明浩

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118）

響應面法優化超聲波提取安吉白茶抗氧化物質工藝

呂娜，龍壽芬，夏海洋，趙麗丹，沈明浩

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118）

采用超聲波法對安吉白茶抗氧化物質的提取工藝進行了研究。考察乙醇體積分數、超聲功率、提取時間對提取液抗氧化性的影響。在單因素試驗的基礎上，采用3因素3水平的響應面分析法對安吉白茶抗氧化物質的提取工藝進行了優化，依據回歸分析確定最優提取條件。試驗結果表明，最佳提取工藝條件為：乙醇體積分數為51%，提取時間為51min，超聲功率為480W。此時提取液抗氧化性最強，OD700nm為0.881。

響應面法；安吉白茶；抗氧化；提取工藝

在食品及油脂的抗氧化和保鮮中，人們長期以來一直使用人工合成抗氧化劑，但試驗證明人工合成抗氧化劑有較多的副作用，過量添加會損害人體健康[1-2]。因此，近幾年國際食品工業更傾向于研究和開發安全無毒和天然的食品抗氧化劑[3]。在天然抗氧化劑中，以茶葉抗氧化性的研究最多，因其食用廣泛也受到國內外科學家的廣泛關注。安吉白茶是一種自然突變綠茶，因清明前嫩葉呈白色而得名，是我國的珍稀茶種[4-6]。近年來，國內外對我國安吉白茶的保健功能較為關注，其營養學成分分析結果表明，安吉白茶中氨基酸、茶多酚、茶氨酸、咖啡因、硒等物質含量都優于其他一般性茶類[7-8]，因此，專家推斷安吉白茶對人體生理健康等方面所起的有益作用會更加明顯，在食品及保健品市場具有廣闊前景[9-10]。安吉白茶中富含大量具有抗氧化功能的物質。超聲波提取技術是近年來快速發展的一種方法，具有快速、安全、高效等優點，被廣泛應用于多種植物成分的提取[11]。本試驗研究了超聲波提取安吉白茶中抗氧化物質的工藝，通過單因素試驗、響應面試驗對主要工藝條件進行了優化，從而為更好的利用我國安吉白茶資源提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：安吉白茶購于杭州佐佑茶葉有限公司

試劑：無水乙醇、鐵氰化鉀、FeC13、三氯乙酸（trichloroacetic acid，TCA）等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

JY92-2型超聲波細胞粉碎機：寧波新芝生物科技股份有限公司；DHG-9140A型干燥箱：南京恒裕電子儀器廠；DELTA320型pH計：梅特勒-托利多儀器有限公司；sp-722E可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 安吉白茶提取物的制備

安吉白茶烘干后粉碎。稱取1g粉末，根據單因素和響應面試驗設計確定每組的提取條件，加入10mL一定體積分數的乙醇，放入超聲波細胞粉碎機進行提取，設置提取時間和超聲功率。將得到的提取液離心后取上清，靜置，真空濃縮除乙醇，定容至10 mL。

1.3.2 提取液抗氧化性的測定

物質的還原能力可以看作其潛在抗氧化性能的重要體現，因此本研究采用鐵氰化鉀法來評價其抗氧化能力。分別取0.6mL安吉白茶提取液，加入0.2mol/L（pH=6.6）磷酸緩沖溶液0.6mL及1%鐵氰化鉀0.6mL，50℃水浴20min后急速冷卻，加入10%三氯乙酸（TCA）溶液0.6mL終止反應，3 000r/min離心10min，取2mL上清液，依次加入4mL蒸餾水及1mL0.1%FeCl3，混勻后于波長700nm處測定吸光度值。OD700nm值越大，還原力越大。

1.3.3 單因素試驗

以OD700nm為衡量指標，分別研究乙醇體積分數、提取時間和超聲功率3個因素的對安吉白茶抗氧化活性物質提取的影響。

1.3.4 響應面試驗方案

根據單因素試驗結果設計因素水平，以乙醇體積分數、超聲功率、提取時間3個因素為自變量，以OD700nm為響應值，采用Design Expert.8.05b軟件設計響應面試驗方案[12]，確定最佳提取條件的因素和水平，建立數學回歸模型，對工藝參數進行最優化分析，因素水平見表1。

表1Box-Behnken試驗設計因素水平及編碼Table 1 Factors and coded levels in the Box-Behnken experimental design

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 乙醇濃度對安吉白茶提取液抗氧化性的影響

設定超聲功率為400W，提取時間30min，研究不同體積分數乙醇對安吉白茶提取液抗氧化性的影響，結果如圖1所示。由圖1可知，當乙醇體積分數為30%～50%時，提取液OD700nm值隨乙醇體積分數的增加而增加。但當乙醇體積分數＞50%時，OD700nm值隨乙醇體積分數的增加而減小。這可能是由于當乙醇體積分數增加至一定值時，提取溶劑與抗氧化活性物質極性差別增大，同時安吉白茶中一些醇溶性、親脂性強的成分溶解量增大，與抗氧化活性物質競爭同乙醇-水分子結合，減小了活性物質的溶解。因此，選取提取劑乙醇體積分數在50%左右為宜。

2.1.2 超聲功率對安吉白茶提取液抗氧化性的影響

設定超聲時間30min，提取溶劑為體積分數50%乙醇，研究在不同提取功率時所獲提取液的抗氧化性，結果見圖2。由圖2可知，在超聲功率為500W條件下，提取液OD700nm值達到最大，即提取液的抗氧化活性達到最高值，而繼續增加超聲波功率，OD700nm值變化不明顯且略有降低。這可能是由于過強的超聲波功率導致安吉白茶中抗氧化活性物質的破壞；同時，較高功率條件下的超聲波可能導致一部分極性較強的抗氧化活性物質發生高頻運動而熱降解[13]。

圖1 乙醇體積分數對安吉白茶提取液抗氧化性的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on antioxidant activity of Anji white tea extract

圖2 提取功率對安吉白茶提取液抗氧化性的影響Fig.2 Effect of extraction power on antioxidant activity of Anji white tea extract

2.1.3 超聲時間對安吉白茶抗氧化物質提取效果的影響

設定提取功率為400W，提取溶劑為體積分數50%的乙醇，研究不同提取時間對安吉白茶提取液抗氧化性的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，當提取時間為30～50min時，OD700nm值隨提取時間的增加而增加，表明超聲波能快速促進植物細胞破壁，加速提取溶劑對細胞內抗氧化活性物質的滲透。50min時OD700nm值達到最大，之后隨提取時間增加OD700nm值減小，這可能與安吉白茶較長時間暴露于超聲波條件下，提取物中部分具有抗氧化活性的成分發生了分解有關。

2.2 響應面分析法優化安吉白茶抗氧化物質的提取工藝

2.2.1 響應面分析方案及結果

根據2.1單因素試驗結果設計因素水平，運用Design Expert.8.05b軟件的試驗設計原理[14-15]，以表1的因素水平設計17組試驗，試驗分析方案及結果見表2。

圖3 提取時間對安吉白茶提取液抗氧化性的影響Fig.3 Effect of extraction time on antioxidant activity of Anji white tea extract

表2 響應面法設計與試驗結果Table 2 Experimental design and results of the Box-Benhnken test

2.2.2 回歸模型的建立及顯著性分析

利用Design-Expert.8.05b軟件，對表2的數據進行多元回歸擬合，獲得OD700nm（Y）對乙醇體積分數、超聲功率和提取時間的二次多項回歸方程：Y=0.87+0.027A+ 0.026B-0.035C-0.037AB+0.022AC+8.750E-003BC-0.074A2-0.081B2-0.045C2

由表3可知，回歸方程模型的P值＜0.01，說明用該回歸方程描述各因子與響應值之間的關系時，因變量與全體自變量之間的關系是極其顯著的，說明了該方法是可靠的。失擬項P=0.141 3＞0.05，差異不顯著，表明無失擬因素存在，因此可以用該數學模型推測試驗結果。相關系數R2= 0.902 6，說明該模型能解釋90.26%的響應面變化，即該模型擬合優度較好。變異系數（coefficient of variation，CV）為4.9%，說明其置信度較高，模型方程能夠較好地反映真實的試驗值，可用此模型分析響應值的變化。綜合以上分析可以說明該模型可以用來分析和預測安吉白茶抗氧化物質的最佳提取條件。由回歸方程及表3可見，各試驗因素對響應值的影響不是成簡單的線性關系，因素A2、B2的影響差異極顯著，C、C2的影響差異顯著，表明以上因素對安吉白茶抗氧化物質的提取影響較大。由3因素的P值可見，各因素對安吉白茶抗氧化物質提取的影響大小順序為超聲功率＞乙醇體積分數＞提取時間。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of response surface model

2.2.3 響應面分析與優化

2因素交互作用的響應曲面及其等高線見圖4。表示了乙醇體積分數、超聲功率及提取時間3個因素中任意一個變量為零水平時，其余2個變量對安吉白茶抗氧化物質提取的影響。在響應面分析中，響應曲面的陡峭程度反映了響應值對于處理條件改變的敏感程度。由乙醇體積分數和提取功率的交互作用圖可見，提取功率的曲面較陡，乙醇體積分數的曲面較平緩，說明提取功率對抗氧化物質提取的影響顯著，乙醇體積分數的影響不顯著。同樣，超聲功率相對于提取時間的影響更顯著，乙醇體積分數相對于提取時間的影響更顯著。

2.2.4 安吉白茶抗氧化物質提取工藝條件的確定

利用Design-Expert軟件對工藝條件進行優化分析，結合二次回歸模型的數學分析結果，得出超聲波提取安吉白茶抗氧化物質的最佳工藝參數為體積分數為51%乙醇溶液、超聲功率480W、提取時間51min，在此條件下預測的OD700nm為0.877。在此最佳條件下進行的3次重復試驗的OD700nm為0.881，與響應面優化結果差異不顯著，置信區間（confidenceinterval，CI）＜95%，表明該模型具有一定的可靠性。以15mg/LVC為對照，在本試驗條件下OD700nm為0.855。

圖4 各兩因素交互作用對安吉白茶提取液抗氧化性影響的響應面和等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour plot of interaction among each two factors of ethanol concentration,ultrasonic power and extraction time on antioxidant activity of Anji white tea extract

3 結論

本研究在單因素試驗的基礎上將響應面法應用到安吉白茶抗氧化物質的提取，最終獲得安吉白茶抗氧化物質的最佳提取工藝參數為乙醇體積分數51%，超聲功率480W，提取時間51min。在此條件下，OD700nm為0.881，與模型預測值（0.877）接近。本研究將為今后安吉白茶的綜合利用以及天然抗氧化劑的開發提供參考。

[1]趙保路.氧自由基與天然抗氧化劑[M].北京：科學出版社，2001.

[2]SCOTT G.Antioxidants[J].B Chem Soc Jpn,1998,61(3):1652-1701.

[3]QIAO F,CHEN X,YU L Q.Research on the antioxidative factors and natural antioxidants[J].B Sci Technol,2006,22(3):332-336.

[4]成浩，李素芳，陳明.安吉白茶特異性狀的生理生化本質[J].茶葉科學，1999，19（2）：87-92.

[5]LI Q,HUANG JA,LIU SQ,et al.Proteomic analysis of young leaves at three developmental stages in albino tea cultivar[J].Proteome Sci,2011, 9:44.

[6]李素芳，陳明.茶樹階段性返白現象的研究-RuBP羧化酶與蛋白酶的變化[J].中國農業科學，1999，32（3）：33-38.

[7]袁玲.安吉白茶階段性返白過程中差異表達基因的分離及部分基因全長cDNA克隆[D].長沙：湖南農業大學碩士論文，2012.

[8]邵濟波，唐茜，周曉蘭，等.四川引種安吉白茶主要生化成分分析[J].食品科學，2012，33（16）：179-183.

[9]劉瓊，夏道宗，葉曉萍，等.安吉白茶含片的制作及其抗氧化活性評價[J].食品工業科技，2012，33（18）：245-252.

[10]夏道宗，張元君，倪達美，等.安吉白茶多糖抗腫瘤及免疫調節研究[J].茶葉科學，2013，33（1）：40-44.

[11]李建鳳，任磊，王真，等.響應曲面法用于超聲波提取檸檬皮渣果膠研究[J].食品工業科技，2013，34（4）：267-269.

[12]BAS D,BOYACI I H.Modeling and optimization I:Usability of response surface methodology[J].J Food Eng,2007,78(3):836-845.

[13]熊柳，張磊，張吉民，等.花生紅衣乙醇和水提取物的抗氧化性與抑菌活性比較研究[J].食品科學，2010，33（3）：19-22.

[14]魯小靜，馮艷波，陳曉瑞，等.響應面法優化黑果枸杞多糖的提取工藝研究[J].中國釀造，2013，32（6）：79-83.

[15]ZAIDUL I S M,YAMAUCHI H,MATSUURA-ENDO C,et al.Thermal analysis of mixtures of wheat flour and potato starches[J].Food Hydrocolloid,2008,22(4):499-504.

Optimization of ultrasonic extraction of antioxidant substances from Anji white tea by response surface methodology

Lü Na,LONG Shoufen,XIA Haiyang,ZHAO Lidan,SHEN Minghao
（College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China）

Ultrasonic wave was applied for extraction of antioxidant substances from Anji white tea.Effects of ethanol concentration,ultrasonic power and extraction time on the extract antioxidant activity were investigated.On the basis of single factor investigation,response surface methodology with three factors at three levels was adopted to optimize the extraction technology of antioxidant substances from Anji white tea.The optimum extraction parameters were determined by the regression analysis.Results showed that the optimum extraction conditions were as follows:ethanol concentration 51%vol,extraction time 51 min,and ultrasonic power 480 W.Under the optimized condition,the extract showed the highest antioxidant activity with theOD700nmvalue of 0.881.

response surface methodology;Anji white tea;antioxidant activity;extraction technology

TS201.1

A

0254-5071（2014）03-0087-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.021

2014-01-10

浙江省科技廳公益項目（2010C32066）；吉林農業大學博士啟動基金（201308）

呂娜（1980-），女，副教授，博士，研究方向為天然產物化學。