響應面曲線法優化超聲輔助茶多酚提取工藝研究

陶阿麗，余大群

(安徽新華學院藥學院，安徽 合肥 230088)

響應面方法 ( Response Surface Methodology，RSM )是利用合理的試驗設計并通過實驗得到的一定數據，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優工藝參數，解決多變量問題的一種統計方法。 隨著計算機技術的發展，它已成為精度高、應用廣并具有實用價值的優化技術[1]。采用響應面法優化工藝過程主要涉及3步:試驗設計——建立數學模型評估相關性——預測響應值考察模型的準確性[2]。

茶多酚( Tea Polyphenol，TP) 是茶葉中的有效成分，又名茶單寧、茶鞣質，茶多酚由約30 多種含酚基的物質組成，是茶葉中所含的多羥基酚類化合物的總稱?，F代醫學研究發現，茶多酚抗氧化性能比維生素的抗氧化效價高1倍，而且無毒，因此是一種理想的食品天然抗氧化劑。茶多酚還具有抗癌治病、防衰老、抗輻射、消除人體自由基、降血糖、防治心血管疾病、抑菌抑酶、沉淀重金屬等一系列特殊的藥理功能[3-6]。

由于超聲波輔助提取法操作簡便、溶劑用量少，能夠較大限度地保留提取組分的天然活性，利用其產生的空化、機械擾動等物理作用的原理，粉碎植物細胞壁使目標物大量的浸出，故本研究采用超聲波技術輔助來提取茶多酚。同時，采用Design-Expert 7.1.6軟件對這幾個因素進行響應面優化，以進一步確定優化工藝。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與試劑

試驗所用茶葉采用綠茶黃山毛峰；試劑茶多酚純品、硫酸亞鐵、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、乙酸乙酯、硫酸、氨水均為分析純。

主要儀器有721E型紫外分光光度計、KQ118超聲波清洗器、FA2004型電子天平、HH數顯恒溫水浴鍋、SHZ-D循環水式真空泵、DHG-9023型電熱恒溫鼓風干燥箱、低速自動平衡離心機。

1.2 試驗方法

1.2.1 茶葉的前處理

用研缽將茶葉碾碎，過60目篩備用。

1.2.2 超聲法提取茶多酚的單因素試驗

(1)提取時間對茶多酚提取率的影響 精密稱取1.000g茶葉末于燒杯中，加入20ml沸水，分別采用超聲提取10、20、30、40、50、60min，測定抽濾的濾液的光密度，計算茶多酚的提取率[7]。

(2)料液比對茶多酚提取率的影響 精密稱取1.000g茶葉末于燒杯中，按照料液比(g/ml)1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35分別加入沸水，采用超聲提取40min，測定抽濾的濾液的光密度，計算茶多酚的提取率。

(3)提取次數對茶多酚提取率的影響 精密稱取1.000g茶葉末于燒杯中，加入30ml沸水，采用超聲提取40min，按上述方法反復提取5次，測定抽濾的濾液的光密度，計算茶多酚的提取率。

1.2.3 響應面曲線優化試驗

以茶多酚提取率為評價指標，通過單因素試驗確定范圍，應用Design-Expert 7.1.6軟件，選取提取時間(A)、料液比(B)、提取次數(C)為考察因素，各因素設置3水平。根據響應面試驗結果，確定茶多酚最佳提取工藝條件。

1.3 茶多酚的純化

沉淀茶多酚：準確移取一定量茶多酚粗提液，在一定酸度條件下加入適量鈣鹽，離心分離，即得茶多酚-鈣鹽沉淀[8]。

沉淀轉溶：向茶多酚鈣鹽沉淀物中加入一定量的硫酸溶液，攪拌，并在一定溫度下放置，使之溶解。

乙酸乙酯萃?。簩⑥D溶后得到的清液，用適量的乙酸乙酯進行萃取可進一步純化茶多酚。最后在60℃真空干燥即得茶多酚成品。

1.4 茶多酚含量測定

采用酒石酸亞鐵比色法[9]測定茶多酚的含量,具體操作如下。

(1)按照文獻[10]的方法配制茶多酚標準溶液、酒石酸亞鐵溶液以及pH7.5磷酸鹽緩沖液。

(2)分別精密移取茶多酚標準溶液1.0、2.0、3.0、4.0、5.0ml于25ml容量瓶中，加水4ml與5ml酒石酸亞鐵溶液充分混合，再加入pH7.5的緩沖溶液至刻度，用1cm比色皿，在波長540nm處，以試液空白溶液做參比溶液，測定光密度。以茶多酚濃度為橫坐標x，光密度為縱坐標y，繪制出標準曲線。

(3)準確稱取茶多酚提取液1ml，注入25ml容量瓶中，加水4ml，與5ml酒石酸亞鐵溶液充分混合，再加入pH7.5的緩沖溶液至刻度，用1cm比色皿，在波長540nm處，以試液空白溶液做參比溶液，測定光密度，根據標準曲線計算茶多酚的提取率。

1.5 加樣回收率測定

精密移取茶多酚標準溶液1.0、2.0、3.0ml分別于9只25ml容量瓶中，各加入精密吸取的樣品溶液1.0ml，按照標準曲線制備過程操作，在540nm波長處測光密度值，計算加樣回收率。

2 結果與分析

2.1 茶多酚的標準曲線

圖1 茶多酚標準曲線

茶多酚標準曲線見圖1，其回歸方程為y=8.1575x+0.0383(R2=0.9990)，可知茶多酚濃度與光密度呈良好線性關系。

2.2 提取時間對茶多酚提取率的影響

由圖2可知，隨著提取時間的增長，茶多酚的提取率發生先增后減的變化。在提取40min時茶多酚的提取率達到最高值，時間過長茶多酚提取率反而下降，可能是由于長時間超聲提取導致茶多酚發生氧化所致[11]。

2.3 料液比對茶多酚提取率的影響

由圖3可知，當料液比(g/ml)為1∶30時，茶多酚的提取率達到最高。

圖2 不同提取時間下的茶多酚提取率圖3 不同料液比下的茶多酚提取率

圖4 不同提取次數下的茶多酚提取率

水平因素料液比/(g/ml)提取時間/min提取次數11∶2535121∶3040231∶35453

表2 響應面試驗結果

2.4 提取次數對茶多酚提取率的影響

由圖4可知，隨著提取次數的增加，茶多酚的提取率先增后減。當提取次數為3次時，茶多酚的提取率達到峰值，因此最佳提取次數為3次。

2.5 茶多酚提取的最佳條件

根據單因素試驗結果，選擇提取條件為料液比(g/ml)1∶25、1∶30、1∶35，提取時間35、40、45min，提取次數1、2、3次，作為自變量設計響應面分析試驗，以茶多酚提取率為響應值[12]，因素和水平取值如表1。

根據 Box-Behnken的中心組合設計原理[13]，設計了3因素 3水平共 17個實驗點( 5個中心點，每個實驗點重復 2 次) 的響應分析試驗，試驗結果見表2。

響應面分析方法的圖形是特定的響應面對應的因素A、B、C構成的一個三維空間，可以直觀反映各因素對響應值的影響，從試驗所得的響應分析圖上可以分析出它們之間的相互作用。從響應面分析圖5、圖6、圖7中可以看出響應值與3個影響因素料液比、提取時間和提取次數的關系。

綜合上述試驗，采用Design-Expert 7.1.6軟件對表2結果進行響應面回歸分析，得擬合方程：

Y=18.98+0.82A+0.083B+3.70C-0.09AB-0.13AC+0.2BC-0.92A2-0.62B2-0.93C2，其中Y為提取率，A為料液比，B為提取時間，C為提取次數。回歸方程顯著性檢驗及方差分析結果見表3。

圖5 料液比與提取時間響應圖圖6 料液比和提取次數響應圖

圖7 提取時間和提取次數響應圖

由表3可知，模型P<0.05，回歸方程具有顯著性，由響應面分析法對茶多酚提取率的ANOVA分析結果可以得出，液料比(A)、提取次數(C)對茶多酚的提取率有顯著影響，而提取時間(B)則無顯著影響。對試驗結果進一步分析得，最佳提取工藝條件為提取時間40.99min、料液比(g/ml)1∶31.84、提取次數為3次。在此條件下綠茶中茶多酚的提取率為21.91%。

2.6 加樣回收率測定

將綠茶中提取液稀釋后測定其光密度，并計算稀釋后茶多酚的含量，結果見表4。

表3 響應面分析法對茶多酚提取率的ANOVA分析結果

表4 綠茶提取物中茶多酚的含量

以茶多酚純品為標準,測定綠茶提取液中茶多酚的回收率，結果見表5。

加樣回收率的RSD為0.59%，說明該工藝穩定，方法可靠[14]。

3 結論

本研究以水溶液做溶劑，超聲輔助提取茶葉中的多酚類物質，在確定了最佳工藝條件后，根據單因素試驗得出影響茶多酚提取率的各因素的范圍，據此進行響應面分析試驗，由響應面分析法對茶多酚提取率的ANOVA分析結果得出，料液比和提取次數的影響尤為顯著，根據單因素試驗以及響應面試驗的結果，進一步確定了茶多酚提取的最佳工藝條件為:料液比(g/ml)為1∶31.84，提取時間 40.99min ，提取次數 3 次。

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