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绿茶茶多酚提取工艺的研究及优化

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 59次


崔水辛*,韩秋霞**

(山东科技大学,山东青岛 266590)

摘要:优化茶多酚提取工艺,为企业生产工艺改造提供依据。本设计主要研究了茶多酚的提取工艺,以齐鲁蒙山绿茶和崂山绿茶为材料,采用最传统的水溶液浸提法处理茶叶粉末提取其中的多酚物质,通过酒石酸亚铁比色法测定茶多酚含量。通过单因素实验分别分析了浸提温度、浸提时间、料液比对其提取率的影响,确定最优单因素提取条件。在此基础上,进行多因素实验,采用响应面法对齐鲁蒙山绿茶进行优化分析,确定了最优提取条件为:温度90℃,时间为20min,料液比为1:20,在此条件下茶多酚的提取率为18.83%。

关键词:绿茶;茶多酚;水溶液浸提;提取因素;响应面

Study and optimization on the extraction process of green tea polyphenols

Cui Shuixin

(Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590,China)

Abstract  This design mainly studied the extraction process of polyphenols in Qilu Mengshan green tea and Laoshan green tea as materials, used the most traditional method of aqueous extraction process to extract powder tea polyphenols  and measured the polyphenol content by the ferrous tartrate colorimetry .Through the single factor experiments, extraction temperature, extraction time, liquid ratio effect on the extraction rate were analyzed ,and the optimal univariate extraction conditions were determined. On this basis, a multivariate experiment, the response surface methodology was used to optimize the analysis of Qilu Mengshan green tea . The optimum process conditions were temperature of 90℃, time of 20min, solid-liquid ratio of 1:20, in this condition, the extraction rate was 18.83% .

Keywords  Green tea; Polyphenols; Aqueous extraction; Extraction Factors; Response surface

现代社会经济发展迅速,人们生活水平得到了极大地提高,对日常生活的需求尤其是在人体保健方面有了更高的要求。由于茶叶具有特殊的保健功效,不仅成为人们喜爱的健康食品,还被开发成新型的功能饮料、保健食品、化妆品等。甚至还被应用到日化、轻纺、建材工业等领域,在衣、食、住、行等方面为人们所用。茶多酚作为茶叶中含量最丰富、特征最明显的化学成分,在人体保健方面表现出来的功效很多,包括抗氧化、抗动脉粥样硬化、防辐射、防龋护齿、抗溃疡、抗过敏、抑菌、抗病毒、抗肿瘤等。国内外已有许多保健食品或膳食补充剂中添加有茶多酚类提取物。因此从茶叶中安全有效地提取茶多酚具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料、仪器与试剂

1.1.1 实验材料

从市场采购的齐鲁蒙山绿茶和崂山绿茶。

1.1.2 实验仪器

1.1 实验仪器

Table1.1 experimental apparatus

仪器名称

型号

生产厂家

电热恒温水浴锅

CJ500A

金坛市大地自动化仪器厂

电子天平

AR1140

梅特勒-托利多仪器有限公司

可见分光光度计

UNICO7200

尤尼柯(上海)仪器有限公司

玻璃仪器气流烘干箱

101AB-1

龙口市电炉制造厂

真空抽滤机

WD800TL23-K3

上海豫康科教仪器设备有限公司

高速多功能粉碎机

XY-100

浙江省永康市松青五金厂

电热恒温鼓风干燥箱

DHG-9030A

台华烘箱设备

1.1.3 实验试剂与药品

表1.2 试剂与药品

Table1.2 Reagents and medicine

试剂名称

级别

生产厂家

磷酸氢二钠

分析纯

天津市广成化学试剂有限公司

磷酸二氢钾

分析纯

天津市巴斯夫化工有限公司

硫酸亚铁

分析纯

天津市巴斯夫化工有限公司

磷酸氢二钾

分析纯

天津市广成化学试剂有限公司

95%乙醇

分析纯

天津博迪化工有限公司

酒石酸钾钠

分析纯

天津市广成化学试剂有限公司

1.2 实验过程

1.2.1 溶液配制方法

(1)酒石酸亚铁溶液:称取1g(准确至0.0001)硫酸亚铁,5g酒石酸钾钠(准确至0.0001),用水溶解并定容至1L(低温保存,有效期10天)。

(2)pH7.5磷酸缓冲溶液: 

1/15M磷酸氢二钠:称取23.9g十二水磷酸氢二钠,加水溶解后定容至1L。

1/15M磷酸氢钾:称取经110℃烘干2小时的磷酸二氢钾9.08g,加水溶解后定容至1L。

取上述1/15M的磷酸氢二钠溶液85ml和1/15M的磷酸二氢钾15ml混合均匀。

1.2.2 茶多酚标准曲线的测定

精确称取没食子酸500mg,溶于蒸馏水中,定容至100mL作为母液,分别吸取2.557.51012.5mL于25mL容量瓶中,用蒸馏水定容,则得含茶多酚0.5mg/mL1.0mg/mL1.5mg/mL2.0mg/mL2.5mg/mL五种不同浓度的对照品溶液。

准确吸取不同浓度的对照品溶液1mL和酒石酸铁试剂5mL,置于一系列25mL的容量瓶中,用pH7.5的缓冲液定容。用试剂空白液代替茶作为对照,用1cm的比色皿,在540nm处测定吸光度(A),用吸光度与对应的浓度进行线性回归,得标准工作曲线,如下图所示。

 

1.2.3 茶叶的预处理     

    用粉粹机将所采购的崂山绿茶、齐鲁蒙山绿茶充分粉粹,过100目筛得茶叶粉末,将茶叶粉末在110℃下烘干,密封保存备用。

1.2.4 绿茶单因素实验

(1)浸提温度的选择

分别对齐鲁蒙山茶和崂山绿茶采用水溶液浸提法进行提取实验,取料液比1:50,浸提时间设为10min,分别在50℃60℃70℃80℃90℃95℃条件下水浴处理。经真空抽滤后所得的浸提液,用酒石酸亚铁试剂处理后测其吸光度。

(2)浸提时间的选择

其他工艺条件不变,取料液比1:50,水浴温度为60℃,水浴处理时间分别为10 min15 min20min25 min30 min

(3)料液比的选择

其他工艺条件不变,浸提时间设为10min水浴温度为60℃,料液比分别为1:201:301:401:501:60

1.2.5 绿茶多因素实验

    通过单因素实验,确定多因素实验设计的因素和水平,即选取浸提温度,浸提时间和料液比为因素,根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理,以各实验单因素最优取值点为中心,上下区域各取1个水平值作为响应面实验设计水平,以茶多酚提取率为评价指标,设计三因素三水平17个试验点的响应面分析,实验原料为齐鲁蒙山绿茶,实验方案如1.3所示:

表1.3 中心组合实验设计方案的因素和水平

Table1.3 Factors and their levels used in the Box-Behnken design

因素                              水平

浸提温度                85         90         95

浸提时间                15         20         25

料液比                 1:25        1:30       1:35

2 结果分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 浸提温度的选择

    考察浸提温度对茶多酚提取率的影响,结果见表2.1.1a)2.1.1(b)和图2.1.1a)2.1.1(b)。

表2.1.1a)浸提温度对齐鲁蒙山绿茶茶多酚提取率的影响

Table 2.1 .1 (a)the effect of temperature on the extraction rate of tea polyphenols 

浸提温度(℃)

50

60

70

80

90

95

茶多酚提取率(%)

5.82

8.46

8.36

9.85

11.52

9.73

 

2.1.1(a)浸提温度对齐鲁蒙山绿茶茶多酚提取率的影响

 Fig 2.1.1(a)the impact of temperature on the extraction rate of tea polyphenols 

        

2.1.1(b)浸提温度对崂山绿茶茶多酚提取率的影响

Table 2.1.1(b) the effect of temperature on the extraction rate of tea polyphenols 

浸提温度

50

60

70

80

90

95

茶多酚提取率(%)

5.745

7.431

7.954

8.491

9.207

8.610

 

2.1.1b)浸提温度对崂山绿茶茶多酚提取率的影响

Fig 2.1.1(b)the impact of temperature on the extraction rate of tea polyphenols

    由该曲线图可知,随着温度升高,绿茶中茶多酚的提取率总体呈上升趋势,在90℃时达到最大值,然后随着温度升高,茶多酚提取率反而下降。温度对两种绿茶茶多酚提取率的影响基本一致。

2.1.2 浸提时间的选择

    考察浸提时间对茶多酚提取率的影响,结果见表2.1.2a)、2.1.2b)和图2.1.2a)、2.1.2b)

2.1.2(a)浸提时间对齐鲁蒙山茶茶多酚提取率的影响

Table 3.1.2(a)the impact of time on the extraction rate of tea polyphenols

浸提时间(min)

10

15

20

25

30

茶多酚提取率(%)

8.053

8.685

8.968

7.849

7.780

 

2.1.2(a) 浸提时间对齐鲁蒙山茶茶多酚提取率的影响

Fig 2.1.2(a) the impact of time on the extraction rate of tea polyphenols

 

2.1.2b)浸提时间对崂山绿茶茶多酚提取率的影响

Table 2.1.2(b)the impact of time on the extraction rate of tea polyphenols

浸提时间(min)

10

15

20

25

30

茶多酚提取率(%)

7.954

8.552

8.993

8.125

7.753

 

2.1.2(b)浸提时间对崂山绿茶茶多酚提取率的影响

Fig 2.1.2b) the impact of time on the extraction rate of tea polyphenols

由图可知,绿茶中茶多酚的提取率随着浸提时间的延长先增大后减少,在20min时提取率最大。随着时间延长,其提取率快速减小。但总体来看,茶多酚的提取率均稳定在8%左右。总体来看,两种绿茶中茶多酚的提取率在小范围内随着浸提时间的变化浮动。

2.1.3 料液比的选择

考察料液比对茶多酚提取率的影响,结果见表2.1.3a)2.1.3b)和图2.1.3a)2.1.3b)

2.1.3(a)料液比对齐鲁蒙山茶茶多酚提取率的影响

Table 2.1.3(a)the effect of the ratio of material to liquid on the extraction rate of tea polyphenols

料液比

120

1:30

1:40

1:50

160

茶多酚提取率(%

1.81

2.27

2.26

1.76

0.37

 

2.1.3(a)料液比对齐鲁蒙山茶茶多酚提取率的影响

Fig 2.1.3(a) the effect of the ratio of material to liquid on the extraction rate of tea polyphenols

 

2.1.3(b)料液比对崂山绿茶茶多酚提取率的影响

Table 2.1.3(b)the effect of the ratio of material to liquid on the extraction rate of tea polyphenols

料液比

120

1:30

1:40

1:50

160

茶多酚提取率(%

1.33

1.93

2.28

2.14

1.88

 

2.1.3(b)料液比对崂山绿茶茶多酚提取率的影响

Fig 2.1.3(b)the effect of the ratio of material to liquid on the extraction rate of tea polyphenols

    由图可知,两种绿茶中茶多酚的提取率均随着料液比的增大先增加后减小。齐鲁蒙山绿茶在料液比1:30左右提取率最大,且随着料液比的进一步增大,其提取率快速减小;崂山绿茶在料液比140左右提取率最大,随着料液比增加,其提取率的变化较小。

2.2 响应面法优化试验结果分析

    按照表1.3所安排的响应面优化实验设计,优化茶多酚的提取工艺条件,为进一步判断所选的三个因素对茶多酚提取率的影响,对实验结果进行分析,找到主要影响因素,所得结果见表2.2.1和表2.2.2

2.2.1中心组合实验设计方案及茶多酚提取率的响应值

Table 2.2.1Box-Behnken design and response of tea polyphenol extraction yield

所在列

1

2

3

 

因素

提取温度

提取时间(min)

料液比

茶多酚提取率(%

实验1

85

20

1:25

12.56

实验2

90

20

1:30

18.83

实验3

     90

20

1:30

18.83

实验4

95

25

1:30

17.43

实验5

85

25

1:30

14.48

实验6

90

20

1:30

18.83

实验7

95

15

1:30

     15.53

实验8

95

20

1:35

16.92

实验9

85

20

1:35

17.58

实验10

90

     20

1:30

18.83

实验11

90

25

1:35

18.18

实验12

90

15

1:25

14.53

实验13

85

15

1:30

13.32

实验14

95

20

1:25

16.79

实验15

90

25

1:25

15.00

实验16

90

20

1:30

18.83

实验17

90

15

1:35

15.52

提取率=751.8975+14.08325×A+1.86775×B+6.89600×C+7.4E-0.03×AB0.0489×AC+0.0219×BC0.0697×A20.0759×B20.045×C2

表2.2.2响应面二次模型及其回归系数的方差分析结果

Tab 2.2.2Analysis of variance for the response surface quadratic model and

regression coefficients

方差来源

source of square

平均和

sum of squares

自由度

degree of freedom

均方

(mean square

F

PrF

模型(model

69.44

9

7.72

123.68

0.0001

A-温度

9.53

1

9.53

152.71

0.0001

B-时间

4.79

1

4.79

76.78

0.0001

C-料液比

10.86

1

10.86

174.05

0.0001

AB

0.14

1

0.14

2.19

0.1821

AC

5.98

1

5.98

95.83

0.0001

BC

1.20

1

1.20

19.22

0.0032

A2

  12.78

1

12.78

204.94

0.0001

B2

  15.16

1

15.16

243.02

0.0001

C2

5.33

1

5.33

85.42

0.0001

残差(residual

0.44

7

0.062

 

 

失拟项(lack of fit

0.44

2

0.15

 

 

净误差(pure error

0.000

4

0.000

 

 

总离差(total deviation

69.88

16

 

 

 

    对该模型进行方差分析及模型系数进行显著性检验,结果见表2.2.2。P0. 05即表示该项指标显著,由表 2.2.2可知,回归模型极其显著( P 0.0001) ,说明建立的模型有意义;失拟项 P0.05,无显著性差异,说明模型拟合度良好,模型的残差可能是随机误差产生,可用此模型和方程来分析和预测茶多酚的提取率。由方差分析结果可知,对回归方程进行检验,模型的校正决定系数R2Adj为0.9853,说明此模型能解释98.53%响应值的变化,即此模型与数据拟合度很高,实验误差小。回归模型系数显著性检验结果中可以看出,模型的一次项中C(料液比)显著,二次项B2影响为极显著,交互影响AC显著。由此可知,各影响因素对茶多酚提取率的影响不是简单的线性关系。在所选取的各因素水平范围内,按照对结果的影响排序,料液比>温度>时间。

2.3 响应曲面分析与优化

    响应面图是根据回归方程绘制的,是响应值在各实验因素交互作用下得到的结果构成的一个三维空间曲面,可以预测和检验变量的响应值以及确定变量的相互关系。分析当溶剂浸提温度、浸提时间和料液比其中有1个因素固定时,另外2个因素及其交互作用对茶多酚提取率的影响。根据回归方程做出模型的响应曲面及其等高线。

 

 

 

2.3.1 温度与时间对茶多酚提取率影响的响应面图( a) 和等高线图b

Fig 2.3.1 Effect of temperature and time on the extraction rate of tea polyphenols (a) and contour map (b)

 

 

 

 

 

2.3.2温度与料液比对茶多酚提取率影响的响应面图(a)和等高线图( b)

Fig2.3. 2 Effect of temperature and solid-liquid ratio on the extraction rate of tea polyphenols (a) and contour map (b)

 

 

 

 

 

2.3.3时间与料液比对茶多酚提取率影响的响应面图( a) 和等高线图( b)

Fig2.3. 3 Effect of time and solid-liquid ratio on the extraction rate of tea polyphenols (a) and contour map (b)

 

    通过响应曲面图我们可以得知,随着温度的升高,绿茶茶多酚的提取率随之增大,但当温度增大到一定值时,其提取率反而下降,原因可能是高温影响了茶多酚的性质;随着浸提时间的增大,茶多酚的提取率先增大后减小,但其提取率在小范围内浮动,变化值并不大;随之料液比的增大,茶多酚的的提取率先增大后减小,原因可能是料液比的增大使茶叶粉末与溶液的接触面积增大,使得茶多酚浸出速率增大,但同时也增加了其与氧的接触面积,加快了其氧化速度。通过响应曲面的陡峭程度可知,料液比对茶多酚提取率影响最为显著,其次是温度,与方差分析结果一致。

等高线图的形状可以反映出两因素交互作用的强弱和显著程度。由图 2.3.2b)和图2.3.2(b)可知,当温度较低、浸提时间较短时,料液比对绿茶茶多酚提取率影响显著,在对应的响应曲面图中表现为曲线陡峭,说明在温度较低、浸提时间短的情况下,适当增大料液比可以显著提高茶多酚的提取率;而在温度较高、浸提时间充分的情况下,料液比对茶多酚提取率的影响不显著。

3 结论

本设计针对绿茶茶多酚提取工艺进行了研究,通过对各提取工艺的比较,采用传统的水溶液浸提法,用饮用水为浸提溶液,测定茶多酚的提取率。

    通过一系列单因素实验,分别测定分析了温度、时间和料液比对茶多酚提取率的影响,其中温度和料液比对茶多酚提取率的影响较大,浸提时间对其影响较小,并寻找到最优单因素提取条件,由单因素实验可得浸提温度在85℃95℃,浸提时间在1525min料液比在1:251:35范围内提取率较高。在此基础上,针对齐鲁蒙山绿茶进行多因素实验,采用响应面法分析优化实验,在各实验因素交互作用条件下,确定最优提取条件为温度为90℃,浸提时间为20min,料液比为1:20,在该条件下茶多酚的提取率为18.83%。

参考文献

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[3] 尔朝娟,王洪新,和雪姣,.茶多酚水溶液浸提法生产低咖啡碱茶叶的研究[J].食品工业科技,2012,4:265-268.

[4] 王贤波,黄海涛,赵芸,等.利用响应面法优化茶叶中EGCG的浸提条件[J].安徽农学通报,2011,17(7):27-29.

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