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响应面法优化祁门红茶多酚浸提工艺的研究

范文

黄良芳张振阳潘乐

摘要祁门红茶是中国历史名茶，其含有的多酚具有促进健康的作用。采用响应面法优化乙醇浸提祁门红茶多酚的工艺参数。主要考察了乙醇体积分数、浸取温度和浸取时间对祁门红茶多酚提取率的影响，结果表明以57.83%乙醇为提取液，在85.07 ℃下浸提65.33 min，在此条件下多酚类的提取率最高（130.554 mg/g）。该研究为今后祁门红茶中多酚的提取提供了参考。

关键词祁门红茶;多酚;响应面法;优化;提取工艺

Abstract Keemun black tea is a famous tea in Chinese history.It contains polyphenols，which can promote human health.In this paper，response surface methodology was used to optimize the process parameters of ethanol extraction of polyphenols from keemun black tea.The effects of ethanol volume fraction，extraction temperature and extraction time on the extraction rate of polyphenols from keemun black tea were mainly investigated.The results showed that the optimized conditions were as follows：using 57.83% ethanol as extract for 65.33 minutes at 85.07 ℃.Under these conditions，the highest extraction rate of polyphenols was 130.554 mg/g.The research results provided references for the subsequent extraction of polyphenols from keemun black tea.

Key words Keemun black tea;Polyphenols;Response surface methodology;Optimization;Extraction process

茶葉中富含茶多酚、生物碱、氨基酸、维生素、多糖类、酶类、微量元素等多种有利于人体健康的成分[1]。其中，多酚由于能形成各类自由基，保护人体组织免受氧化作用的损害，从而具有提高机体的免疫功能、抗癌、抗衰老等作用，引起人们的广泛研究[2]。

祁门红茶因其产地优越的自然条件和优良的茶叶品种而成为极品红茶，一直以来享有盛誉[3-4]。祁门红茶是完全发酵茶，发酵程度高，其中的多酚类成分通过氧化和聚合作用形成一系列新的具有生物活性的化合物，如茶黄素、茶红素、茶褐素等[5-6]。因此，祁门红茶中多酚的含量低于绿茶，但其相对生物活性没有降低，仍具有良好的抗氧化活性，甚至还具有一些绿茶所不具有的药理作用，其特有的生物学功能越来越受到人们的关注[7-9]。

浸提法是目前从茶叶中获取多酚最常用的方法，浸提工艺的研究对于工业化制备多酚具有重要意义[10]。目前红茶多酚浸提工艺的研究方法主要是单因素筛选和正交试验法，方法简单易行但数据不够全面[11-12]。响应面法（response surface methodology，RSM）是一种结合数学建模和综合试验来科学设计优化测试的方法，由Box等[13]提出，具有精度高、预测性能好以及能够研究各种因素之间相互作用等优点[14]。笔者利用响应面法来优化祁红中多酚的浸取工艺[15-19]，旨在为后续开发利用祁门红茶多酚资源提供更多参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料。祁门红茶购于安徽省黄山市祁门县历口茶厂，粉碎后过200目筛。

1.1.2 试剂与仪器。没食子酸（gallic acid，GA）和FolinCiocalteu试剂均购自上海金穗生物科技有限公司;其余试剂（AR）均购于aladdin试剂网;试验用水为超纯水。紫外可见分光光度计（UV-2600），苏州岛津;数显恒温水浴锅（HH-6），金坛荣华;中药粉碎机（XFB-1000），吉首中诚;电子分析天平（FA2104B），上海越平。

1.2 试验方法[20-23]

1.2.1 没食子酸标准曲线的绘制，。

量取Folin-Ciocalteu试剂20 mL，加水定容于200 mL容量瓶中，制得100 mL/L FolinCiocalteu试剂。用水溶解37.50 g Na2CO3，定容于500 mL容量瓶中，制得75 g/L Na2CO3溶液。准确称取0.028 3 g 没食子酸，用无水乙醇溶解并定容于25 mL容量瓶中。移取1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 mL上述溶液，各加水定容于100 mL容量瓶中，即得没食子酸的标准溶液。

分别移取1.0 mL 5种浓度的没食子酸标准溶液，各加入5.0 mL 配制的Folin-Ciocalteu试剂，5 min后再各加入4.0 mL Na2CO3溶液，室温下显色反应1 h后，测定波长765 nm时的吸光度（A），绘制标准曲线。

1.2.2 多酚含量及提取率的计算。

分别移取祁门红茶浸提液，按照“1.2.1”所述方法进行显色，根据测得的吸光度，在标准曲线上查找对应的浓度，并利用公式计算多酚提取率（单位为mg/g）。

式中，C为茶多酚浓度（单位mg/mL）;V为浸提液体积（单位mL）;N为稀释倍数;W为红茶质量（单位g）。

1.2.3 单因素试验。

1.2.3.1 乙醇体积分数对祁门红茶多酚提取率的影响。取5支比色管，分别放入1.0 g祁门红茶茶粉，依次加入50 mL体积分数分别为50%、60%、70%、80%、90%的乙醇溶液，60 ℃ 浸提1 h，静置后分别移取1 mL上清液，按照“1.2.1”的方法显色，测定波长765 nm 时的吸光度（A），并计算多酚提取率（Y）。

1.2.3.2 浸提温度对祁门红茶多酚提取率的影响。取5支比色管，分别放入1.0 g祁门红茶茶粉，依次加入50 mL体积分数60%的乙醇溶液，分别在50、60、70、80 ℃下浸提1 h，静置后各移取1 mL上清液，按照“1.2.1”的方法显色，测定波长765 nm时的吸光度（A），并计算多酚提取率（Y）。

1.2.3.3 浸提时间对祁门红茶多酚提取率的影响。取5支比色管，分别放入1.0 g祁门红茶茶粉，依次加入50 mL体积分数60%的乙醇溶液，80 ℃下分别浸提15、30、45、60、75 min，静置后各移取1 mL上清液，按照“1.2.1”的方法显色，测定波长765 nm时的吸光度（A），计算多酚提取率（Y）。

1.2.4 响应面试验。在单因素试验的基础上，将乙醇体积分数（A）、浸提温度（B）、浸提时间（C）依照中心组合设计规律，确定每个影响因素的最佳反应区间（水平），将筛选出的3个水平编码规定为+1、0、-1，分别对应高值、中间值和低值，设计因子编码及水平表（表1）。然后，利用Design-Expert8 软件的Box-Behnken模型设计试验方案，所得方案如表2所示。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制由图1可知，没食子酸标准曲线方程为y=0.009 7x+0.028 8（R2=0.999 2），其中x为没食子酸浓度（mg/mL），y为765 nm波长处的吸光度。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 乙醇体积分数对祁门红茶多酚提取率的影响。

多酚分子结构中有大量酚羟基，它们可以与细胞中的蛋白质、纤维素等通过氢键相互结合，不同体积分数的乙醇极性不同。若乙醇体积分数过低，说明与氢键的结合能力弱;若乙醇体积分数过高，溶剂极性又太小，均不利于多酚的溶出。从图2可以看出，乙醇体积分数由50%升至60%，多酚提取率也随之变大，当乙醇体积分数为60% 时出现最大值，此后多酚提取率明显下降。因此，对于浸提祁门红茶多酚，最佳的乙醇体积分数为60%。

2.2.2 浸提温度对祁门红茶酚提取率的影响。

温度能影响分子的热运动，升高温度能提高祁红多酚分子的渗透、溶解和扩散速度，但若温度过高，多酚的氧化和分解作用也会加剧，从而导致提取率的降低。从图3可以看出，当浸提温度为50～80 ℃时，随着浸提温度的升高，多酚提取率也逐渐变大;当浸提温度超过80 ℃后多酚提取率逐渐下降。因此，对于浸提祁门红茶多酚，最佳浸提温度为80 ℃。

2.2.3 浸提时间对祁门红茶多酚提取率的影响。从图4可以看出，在15～60 min内，祁红多酚提取率随浸提时间的延长而升高;当浸提时间继续延长，多酚提取率逐渐降低，当浸提时间为60 min时多酚提取率达到最高值。由此可见，在浸提过程中，由于溶解作用，多酚逐渐溶出，但随着浸提时间的延长，多酚也会逐步氧化和分解，从而使多酚提取率逐渐降低。因此，对于浸提祁门红茶多酚，最佳浸提时间为60 min。

2.3 响应面试验结果运用Design-Expert8软件，對试验数据进行拟合分析，得到此次试验的二次多项回归线性方程：Y=128.55+2.21A+5.91B-1.03C- 0.092AB-2.60AC-0.30BC-3.97A2-5.93B2-4.82C2。响应面试验结果见表3。

方差分析表明，相关系数R2=0.961 4，校正R2=0.911 8，表明方程的拟合度较好。变异系数小于10%，表明该试验的可信度和精确度高。响应面回归模型的失拟项显著，只有3.78%可能来源于仪器的噪声，说明模型能对浸提工艺进行较好模拟。F值为19.38，P<0.001，表明模型具有很好的显著性。B、B2、C2的P值均小于0.001，说明其对祁门红茶多酚提取率的影响极显著;A、A2的P值均小于0.05，说明其对祁门红茶多酚提取率有显著影响，C、AB、AC、BC的P值均大于0.05，表明其对祁门红茶多酚提取率的影响不显著。

2.4 等高线图与响应面图分析

图5a中的等高线图呈现椭圆形，表明浸提时间与浸提温度的交互作用比较显著，且温度的影响比时间更大。从三维响应面曲线（图5b）可以看出，在浸提时间（60～70 min）、浸提温度（75～85 ℃）范围内，祁红多酚提取率在适当的温度与时间下最大。

从图6a可以看出，乙醇体积分数与浸提时间的交互作用较为显著。从图6b可以看出，适当延长浸提时间有助于增大祁红多酚的提取率，祁红多酚提取率有一个极点，该极点出现的范围为乙醇体积分数55%～65%、提取时间57～69 min。

从图7a可以看出，浸提温度和乙醇体积分数的交互作用不显著。从图7b可以看出，乙醇体积分数由50%提高到60%，祁门红茶多酚提取率升高。当乙醇体积分数继续提高时，祁门红茶多酚提取率逐渐下降。这表明祁门红茶多酚提取率存在极大值，且当乙醇体积分数为60%时二者交互作用不显著，因此浸提温度应保持在75～85 ℃。

2.5 最佳提取工艺参数的确定

利用Design-Expert软件中的Optimization的Numerical功能进行优化，得到乙醇浸提祁红多酚最佳工艺参数：乙醇体积分数为57.83%、浸提温度为85.07 ℃、浸提时间为65.33 min，此条件下得到的祁门红茶多酚提取率为130.554 mg/g。为验证响应面法的可行性，采用修正的最佳提取工艺：用58%乙醇提取液、在85 ℃下浸提65 min，在此优化条件下进行3次平行试验，结果表明多酚提取率为130.007 mg/g，相对标准偏差为0.005 329，与理论值的标准偏差为0.004 19，说明该响应面设计的试验值与理论值的拟合性较好。

3 结论

笔者探讨了乙醇浸提黄山祁门红茶中多酚的工艺参数，在单因素试验验结果的基础上，确定了3个变量因素（乙醇体积分数、浸提温度和浸提时间）的最佳反应区间，然后采用响应面法来设计优化试验。结果表明，用57.83%的乙醇、在85.07 ℃下提取65.33 min，祁门红茶多酚提取率最高，为130.554 mg/g。该试验通过响应面试验，有效控制了浸提的工艺条件，为今后祁红多酚的提取工业化及精深加工提供了理论数据支持。

参考文献

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