CCD法探析三種輔助提取茶多酚工藝研究

李大剛，徐耀宗，王志文，袁淑芳

1. 黎明職業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，福建 泉州 362000；2. 實(shí)用化工材料福建省高校應(yīng)用工程技術(shù)中心，福建 泉州 362000

茶多酚（tea polyphenols, TPs）是茶葉中一種含有多酚羥基類的天然還原性活性物質(zhì)[1]，主要組成有表兒茶素（EC）、表沒食子兒茶素（EGC）、兒茶素沒食子酸酯（ECG）和表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）等[2-3]。茶多酚已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品儲(chǔ)存、化妝品以及復(fù)合功能材料領(lǐng)域[4-5]。為了提高茶多酚的提取率，在浸取過程中常采用輔助工藝來提高茶多酚的溶出率，如超聲波輔助工藝[6]和微波輔助工藝[7]等。近年來，機(jī)械化學(xué)法輔助工藝逐步引入到植物有效成分提取中，其原理是將植物原料與某種固相試劑在機(jī)械力作用下，促使植物細(xì)胞壁的破碎及有效成分與固相試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成溶解性能較好的鹽類，再通過酸轉(zhuǎn)溶將鹽類轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物[8]，室溫狀態(tài)下就具有高提取率，是一種新型輔助提取工藝[9]。本研究選取同等茶葉原料，以茶多酚的提取率作為指標(biāo)，僅采用水作為浸取劑，通過中心組合設(shè)計(jì)法（CCD）設(shè)計(jì)試驗(yàn)[10-12]，響應(yīng)面優(yōu)化分析超聲波法、微波法、機(jī)械化學(xué)法三種輔助提取工藝的最優(yōu)工藝條件，并對(duì)輔助工藝進(jìn)行比較分析，以期為茶多酚的提取輔助工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

材料：原料茶（產(chǎn)自杭州市）；NaHCO3（AR，阿拉丁試劑有限公司）；CaCl2（AR，阿拉丁試劑有限公司）、鹽酸溶液（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、乙酸乙酯（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、硼氫化鈉（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），聚丙烯酰胺（PAM，平均黏均分子量為107，實(shí)驗(yàn)室自制）。

儀器：激光粒度分析儀（LS200，美國Beckman Counter公司）；粉碎機(jī)（A11，德國IKA公司）；實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)（QM-WX04，南京大冉科技有限公司）；真空干燥箱（DZF-6050，蘇州江東精密儀器有限公司），臺(tái)式高速離心機(jī)（TG16-WS，湘儀離心機(jī)儀器有限公司），紫外可見分光光度計(jì)（TU-2700，日本島津公司）；pH計(jì)（FE20K，美國Mettler Toledo公司）。微波萃取器（HWC-3L，天水華圓制藥設(shè)備科技有限公司）；超聲儀器（KQ-500DE，昆山超聲儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 機(jī)械化學(xué)法輔助提取工藝

取一定質(zhì)量平均粒徑為40目原料茶粉，并與不同質(zhì)量配比的NaHCO3于球磨機(jī)中進(jìn)行研磨發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，獲得固相絡(luò)合物。為了防止研磨過程中茶多酚被氧化，向體系中添加少量硼氫化鈉作為保護(hù)劑。準(zhǔn)確計(jì)量研磨后的混合粉室溫下（25℃±2℃）用水作為浸取劑連續(xù)攪拌一定時(shí)間，添加PAM絮凝劑后取上層清液添加Ca2+絡(luò)合得沉淀，稀鹽酸進(jìn)行轉(zhuǎn)溶，控制轉(zhuǎn)溶終點(diǎn)溶液pH值為5 ～ 6，乙酸乙酯進(jìn)行萃取，真空干燥獲得茶多酚成品，并進(jìn)行茶多酚純度測(cè)定，根據(jù)式（1）計(jì)算茶多酚提取率。

式（1）中φ為茶多酚的提取率（%）；p為茶多酚的純度（%）；mTPs為茶多酚的質(zhì)量（g）；mtea為原料茶粉的質(zhì)量（g）。

1.2.2 微波輔助提取工藝

取一定質(zhì)量平均粒徑為40目原料茶粉，以水作為浸取液，置于微波萃取器中，浸取過程中連續(xù)攪拌。在不同浸取溫度、不同微波功率條件下進(jìn)行浸取，浸取一段時(shí)間后，將浸取混合物取出，離心取上層清液；以Ca2+絡(luò)合離心液得沉淀，稀鹽酸轉(zhuǎn)溶，乙酸乙酯進(jìn)行萃取，真空干燥獲得茶多酚成品，進(jìn)行茶多酚純度測(cè)定，并根據(jù)式（1）計(jì)算茶多酚提取率。

1.2.3 超聲波輔助提取工藝

取一定質(zhì)量平均粒徑為40目原料茶粉，以水作為浸取液，置于超聲儀器中，浸取過程中連續(xù)攪拌。在不同浸取溫度、不同超聲功率條件下進(jìn)行浸取，浸取一段時(shí)間后，將浸取混合物取出，離心取上層清液；以Ca2+絡(luò)合并離心得沉淀，稀鹽酸轉(zhuǎn)溶，乙酸乙酯進(jìn)行萃取，真空干燥獲得茶多酚成品，進(jìn)行茶多酚純度測(cè)定，并根據(jù)式（1）計(jì)算茶多酚提取率。

1.2.4 茶多酚測(cè)定

采用GB / T 8313—2008茶—茶多酚測(cè)定方法[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械化學(xué)法輔助工藝優(yōu)化結(jié)果

影響機(jī)械化學(xué)法輔助工藝的主要因素為固相試劑NaHCO3用量〔w(NaHCO3) (%)〕、固相物料粒度〔D95(μm)〕、液固質(zhì)量比〔m(l)∶m(s)〕及浸取時(shí)間〔t1(min)〕。采用CCD法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[14]，每一個(gè)影響因素設(shè)計(jì)5水平，中心點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)為6。機(jī)械化學(xué)法輔助提取工藝試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

表1 機(jī)械化學(xué)法輔助提取工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 1 Experimental design and results of mechanochemical assisted extraction process

以茶多酚提取率作為指標(biāo)，影響機(jī)械化學(xué)法輔助提取工藝的4因素作為自變量，建立4元2次回歸數(shù)學(xué)模型。通過分析可知該數(shù)學(xué)模型的P值（Pr>F）小于0.0001，F(xiàn)值為11.73，表明數(shù)學(xué)模型極為顯著，可以描述實(shí)際過程。以茶多酚提取率的最大值作為目標(biāo)函數(shù)求解該數(shù)學(xué)模型中各因素對(duì)應(yīng)值可近似看作為最佳工藝條件，結(jié)果為：w(NaHCO3) =32%，D95=36.71 μm，m(l)∶m(s)=71.2，t1=25 min。固相試劑用量遞增有利于提高茶多酚與固相試劑的接觸機(jī)會(huì)，固相物料粒度越小反應(yīng)了機(jī)械力作用的效果越好，一方面固體茶粉受機(jī)械力的作用發(fā)生細(xì)胞壁破碎，另一方面有利于多酚與固相試劑反應(yīng)，但粒徑過小需要較強(qiáng)機(jī)械研磨，研磨體系升溫，不利于茶多酚穩(wěn)定，綜合分析確定機(jī)械化學(xué)法輔助提取茶多酚最佳工藝為固相試劑NaHCO3用量30 % ～ 35 %、固相物料粒度35 μm ～ 40 μm、液固質(zhì)量比70 ～ 75、浸取時(shí)間20 min～25 min，茶多酚綜合提取率為16.2 % ～ 16.8 %。

2.2 微波法輔助工藝優(yōu)化結(jié)果

影響微波法輔助工藝的主要因素為微波功率〔N1(W)〕、微波輻射時(shí)間〔t2(min〕、液固質(zhì)量比〔m(l)∶m(s)〕及浸取溫度〔θ1(℃)〕。采用CCD法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，微波法輔助提取工藝試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 微波法輔助提取工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experimental design and results of microwave assisted extraction process.

以茶多酚提取率作為指標(biāo)，影響微波輔助工藝的4因素作為自變量建立4元4次回歸數(shù)學(xué)模型。通過分析可知該數(shù)學(xué)模型的P值(Pr>F)為0.0005，F(xiàn)值為34.1，決定系數(shù)R2= 0.994，表明數(shù)學(xué)模型極為顯著，可以描述實(shí)際過程。以茶多酚提取率的最大值作為目標(biāo)函數(shù)求解該數(shù)學(xué)模型中各因素對(duì)應(yīng)值可近似看作為最佳工藝條件，結(jié)果為：N1=541.49 W，t2=2.6 min，m(l)∶m(s)=78.83，θ1=81.29 ℃。微波輔助提取工藝中微波頻率提高有利于顆粒分子之間的相互碰撞，分子在微波作用下發(fā)生瞬時(shí)極化，分子振動(dòng)加強(qiáng)，提高茶多酚在溶劑中的溶解擴(kuò)散速率，但功率過大會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱，不利于茶多酚的穩(wěn)定；浸取溫度高有利于茶多酚的溶解擴(kuò)散，溫度過熱則易誘發(fā)茶多酚氧化。綜合分析確定微波法輔助提取茶多酚最佳工藝為微波功率500 W ～ 550 W、微波輻射時(shí)間2.5 min ～3 min、液固質(zhì)量比75 ～ 80、浸取溫度80℃ ～85℃，茶多酚綜合提取率為12.2% ～ 12.9 %。

2.3 超聲波法輔助工藝優(yōu)化結(jié)果

影響超聲波法輔助工藝的主要因素為超聲設(shè)備功率〔N2(W)〕、浸取時(shí)間〔t3(min〕、液固質(zhì)量比〔m(l)∶m(s)〕及浸取溫度〔θ2(℃)〕。采用CCD法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，超聲法輔助提取工藝試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

表3 超聲波法輔助提取工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Experimental design and results of ultrasonic assisted extraction process.

以茶多酚提取率作為指標(biāo)，影響超聲波輔助工藝的4因素作為自變量建立4元2次回歸數(shù)學(xué)模型。通過分析可知該數(shù)學(xué)模型的P值(Pr>F)小于0.0001，F(xiàn)值為13.71，決定系數(shù)R2=0.9275，表明數(shù)學(xué)模型極為顯著，可以近似描述實(shí)際過程。以茶多酚提取率的最大值作為目標(biāo)函數(shù)求解該數(shù)學(xué)模型中各因素對(duì)應(yīng)值可近似看作為最佳工藝條件，結(jié)果為：N2=375.31 W，t3=41.81 min，m(l)∶m(s)=75.69，θ2=77.88℃。超聲波輔助提取主要利用了超聲波在浸取體系中產(chǎn)生了機(jī)械振動(dòng)，超聲空化效應(yīng)促使細(xì)胞內(nèi)部可溶性茶多酚溶出、擴(kuò)散，因此超聲設(shè)備功率提高有利于提高茶多酚提取率；加熱浸取溶液與超聲波共同存在下可以同時(shí)提高茶多酚的提取率，但在高溫下長時(shí)間浸取容易導(dǎo)致茶多酚氧化，產(chǎn)率降低。綜合分析確定超聲波法輔助提取茶多酚最佳工藝為微波功率375 W ～ 380 W、浸取時(shí)間40 min ～ 45 min、液固質(zhì)量比75 ～ 80、浸取溫度75℃ ～ 80℃，茶多酚綜合提取率為11.6% ～ 12.3%。

2.4 輔助工藝條件比較

機(jī)械化學(xué)輔助提取、微波輔助提取和超聲波輔助提取三種工藝均以水作為浸取劑，在各自最優(yōu)化條件下進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 三種輔助提取工藝比較Table 4 Comparison of three assisted extraction processes.

從表4可以看出，三種茶多酚輔助提取工藝中，機(jī)械化學(xué)法輔助提取工藝獲得平均提取率分別高于微波法和超聲波法輔助提取工藝；機(jī)械化學(xué)法輔助提取工藝浸取溫度可以實(shí)現(xiàn)常溫浸取，無需提供傳熱設(shè)備，避免加熱影響到茶多酚的穩(wěn)定性，而微波法和超聲波法輔助提取茶多酚均需在較高的溫度下實(shí)現(xiàn)輔助提取；微波法輔助提取茶多酚可以在短時(shí)間內(nèi)完成浸取，生產(chǎn)周期較短。

3 結(jié)論

采用中心組合設(shè)計(jì)法（CCD）設(shè)計(jì)試驗(yàn)，考察機(jī)械化學(xué)法、微波法和超聲波法三種茶多酚輔助提取工藝各因素與茶多酚提取率之間的關(guān)系，各回歸模型極為顯著，能較好的模擬影響因素與茶多酚提取率之間的關(guān)系，并獲得每種輔助提取工藝的最佳輔助工藝條件。

機(jī)械化學(xué)法輔助提取茶多酚最佳工藝為固相試劑NaHCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% ～ 35%、固相物料粒度35 μm ～ 40 μm、液固質(zhì)量比70 ～ 75及浸取時(shí)間20 min ～ 25 min；微波法輔助提取茶多酚最佳工藝為微波功率500 W ～ 550 W、微波輻射時(shí)間2.5 min ～ 3 min、液固質(zhì)量比75 ～ 80及浸取溫度80℃ ～ 85℃；超聲波法輔助提取茶多酚最佳工藝為微波功率375 W ～ 380 W、微波輻射時(shí)間40 min ～ 45 min、液固質(zhì)量比75 ～ 80及浸取溫度75℃ ～ 80℃。

機(jī)械化學(xué)法輔助工藝茶多酚提取率為16.2 %～ 16.8 %，分別高于微波法輔助工藝（提取率為12.2 % ～ 12.9 %）和超聲波法輔助工藝（提取率11.6 % ～ 12.3 %），可以實(shí)現(xiàn)常溫浸取，有效防止因高溫而引起茶多酚的氧化，可以作為新型茶多酚輔助提取工藝。