茶树花多糖超声波辅助热水浸提工艺优化

秦德利，贾　坤，窦珺荣，王慧力，曾晓雄，叶　红

（南京农业大学食品科技学院，江苏南京210095）

茶树花多糖超声波辅助热水浸提工艺优化

秦德利，贾坤，窦珺荣，王慧力，曾晓雄，叶红*

（南京农业大学食品科技学院，江苏南京210095）

利用响应曲面法优化超声波辅助热水浸提技术提取茶树花多糖工艺。在单因素实验的基础上，通过Central Composition Design建立多糖提取率与超声时间、超声功率和液料比之间的数学模型，确定最优提取工艺参数。结果表明，最优工艺条件为：超声时间12min，超声功率540W，液料比30∶1mL/g，在此条件下茶树花多糖提取率为7.69%。该方法实用、可靠，可用于茶树花多糖的提取。

茶树花，多糖，超声波辅助提取，响应面法

茶树，属山茶科山茶属，为多年生常绿木本植物，具有“花期长、开花多、结实少”的特点[1]。茶树的种植在我国有着悠久的历史，据2009年国土资源部统计，全国茶园面积已达2800万亩，分布于19个省1000多个县；成龄茶园每亩可采鲜花200kg以上，全国可采集鲜花500万吨左右，可制成干花原料30多万吨。长期以来人们只注重茶叶，茶树花往往作为副产物被忽视而造成大量资源浪费[2]。近年来，随着科技的发展，茶树花的开发与应用逐步引起人们重视。研究表明，茶树花中含有丰富的蛋白质、茶多糖、茶多酚、茶皂素、氨基酸、维生素等多种有益成分，具有抑菌[3]、降糖[4]、抗氧化[5-6]、延缓衰老、防癌抗癌[7]和增强免疫力[8]等功效。

超声波是一种频率高于20000Hz的声波，其以方向性好，穿透能力强，易于获得较集中声能的特点应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。超声波提取技术是近年发展起来的一种新的提取方法，利用机械效应，空化效应和热效应[9]，使溶剂快速地进入固体物质中，将其物质所含的有机成分尽可能完全地溶于溶剂之中，得到多成分混合提取液[10]。至今，多糖的提取方法有热水浸提法、酶提取法、微波辅助提取法、溶剂提取法、超声波提取法等。超声波提取法与其他提取法相比，可有效提高提取分离率，缩短提取时间、节约成本，甚至还可以提高产品的质量和产量[11]，而且因为该提取方法是一个物理变化过程，能在一定时间内保持多糖性质的稳定。

徐人杰[12]采用热水浸提提取茶树花多糖，多糖得率为6.67%～6.89%。杨玉明等[13]通过正交实验确定了水浴浸提法提取茶树花多糖的最佳提取参数，得率为2.126%。张玲等[14]以正交实验确定了超声波辅助提取茶树花多糖的最佳工艺条件，提取率为1.324%。但是目前还没有以响应面优化超声波辅助热水浸提茶树花多糖的报道，因此本实验通过采用超声波辅助热水浸提技术，提取茶树花中的多糖，并用响应面法对其提取条件进行工艺优化，旨在为茶树花的深入研究提供相关理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

茶树花浙江绍兴；无水乙醇国产分析纯。

TDZ5-WS型离心机长沙湘智离心机仪器有限公司；HH-6型数显恒温水浴锅普天仪器制造有限公司；Heidolph Laborota 4000型真空旋转蒸发仪德国Heidolph公司；SHB-III型循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司；DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱上海一恒科技有限公司；AY-120型电子天平日本SHIMADZU公司；美国Coleparmer超声波细胞破碎仪超声功率（0～750W），上海上碧实验仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1茶树花多糖的提取茶树干花经粉碎，过60目筛，取一定量粉末按1∶15（w/v）的比例加入80%的乙醇70℃下处理1h，移去上清液后重复处理1次，烘干，以除去茶树花中的脂肪、醇溶多糖、皂甙、色素等醇溶性物质[15]。先在相应的时间、功率和料液比下进行超声波辅助提取，再热水浸提（水浴温度90℃、浸提时间2h、浸提次数2次）。将每次浸提液离心（5000r/min，10min）取上清液，沉淀用相同方法重提和离心，合并浸提2次的上清液，置旋转蒸发器50℃减压浓缩至原体积的1/4左右，浓缩液加3倍体积无水乙醇沉淀过夜，离心（5000r/min，10min）取沉淀物，烘干，称重，得到茶树花粗多糖[12]。

1.2.2多糖的测定以葡萄糖为标准液，采用苯酚硫酸法[16]。以葡萄糖浓度（μg/mL）为横坐标，以吸光值（A）为纵坐标绘制标准曲线，所得的回归方程为y= 0.0116x+0.0091（R2=0.9991）。

多糖含量（%）=（测量浓度×稀释倍数×反应液体积/粗多糖的质量）×100

1.2.3多糖提取率计算

1.2.4单因素实验以茶树花多糖的提取率为指标，以单因素实验的方法考察超声时间、超声功率、液料比对得率的影响[17]。每组实验重复3次，取平均值。

1.2.4.1超声时间对多糖得率影响超声时间设5、7.5、10、12.5、15min五个梯度，其他条件固定为：常温（（20±1）℃，下同）、液料比30∶1mL/g、超声功率525W。1.2.4.2超声功率对多糖得率影响超声功率设300、375、450、525、600W五个梯度，其他条件固定为：常温、液料比30∶1mL/g、超声时间10min。

1.2.4.3液料比对多糖得率影响液料比设20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1mL/g五个梯度，其他条件固定为：常温、超声功率525W、超声时间10min。

1.2.5响应面实验根据单因素实验结果，选取超声时间、超声功率、液料比因素，以多糖提取率为响应值，根据Central Composition Design实验设计原理，进行三因素五水平实验设计，以获得最优提取条件。响应面因素水平见表1。

表1　响应面分析实验因素水平表Table.1　Factors and levels in the response surface design

1.2.6实验数据采用Design-Expert V7.0.0软件进行分析和作图。

2　结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1超声时间对多糖得率的影响根据1.2.4.1的实验方法，实验结果如图1所示。随着提取时间的延长，超声波对物料作用更加充分，多糖提取率逐渐升高，并且在12.5min提取率最高，达到6.99%，但超过该时间范围后提取率反而下降。这可能是因为超声波具有较强的机械剪切作用，长时间作用会使多糖结构破坏，导致多糖提取率有所下降。另外，超声时间过长，细胞进一步破碎，杂质溶出，这也可能是多糖提取率有所下降的原因之一[18]，所以超声时间应控制在12.5min左右。

2.1.2超声功率对多糖得率的影响根据1.2.4.2的实验方法，实验结果如图2所示，随着功率的增加，多糖提取率逐渐升高，而70%（525W）后趋于平缓。这与相关文献报道不尽相符[19-20]，可能与植物多糖品种不同有关。兼顾提取率、能耗、成本以及多糖活性，超声功率应不大于70%。

2.1.3液料比对多糖得率的影响根据1.2.4.3的实验方法，实验结果如图3所示，当提取液料比由20∶1增加到30∶1时，多糖的得率显著升高；液料比为30∶1时达到最高，为6.91%。而当液料比大于30∶1时，多糖得率呈下降趋势，说明多糖溶出量已达到饱和，这可能与溶液量增加导致原料的物质分子间相互作用减弱有关，类似现象在其他植物多糖的提取工艺研究中也多有报道[21-23]。

图1　超声时间对茶树花多糖得率的影响Fig.1　Effect of ultrasonic extraction time on the yield of TFPS

图2　超声功率对茶树花多糖得率的影响Fig.2　Effect of ultrasonic extraction power on the yield of TFPS

图3　液料比对茶树花多糖得率的影响Fig.3　Effect of ratio of solvent to material on the yield of TFPS

2.2响应面法优化茶树花多糖提取工艺

2.2.1响应曲面分析方案及结果应用Central Composition Design实验设计，整个方案共20个实验点，其中14个析因点，6个中心点。方案与结果见表2。

2.2.2回归模型的建立与显著性分析用Design-Expert V 7.0.0软件对表2中的数据进行分析，获得多糖得率对编码自变量超声时间、超声功率和液料比的二次多项回归方程：

表2　CCD实验设计及其响应值Table.2　Central composition design and the response values

表3　多元回归模型方差分析表Table.3　Analysis of variance（ANOVA）for the quadratic polynomial model

表4　多元回归模型的回归系数评估及其显著性检验Table.4　Regression coefficients estimate and their significancetest for the quadratic polynomial model

多元回归模型的方差分析见表3。从表3中可知，回归方程模型p＜0.0001高度显著，失拟项不显著。决定系数R2为0.9645，说明该模型与实际实验拟合较好，自变量与响应值之间线性关系显著。调整的决定系数R2Adj值等于0.9325，说明实验结果有93.25%受所选因素的影响。因此用该模型方程预测超声波辅助提取茶树花多糖的得率是适合的。回归方程的系数评估以及相应的显著性检验列于表4。从表4中可以看出，X2、X12、X22、X32、X2X3对多糖得率影响极显著；X1X2对多糖得率影响显著；其他因素不显著。从回归系数绝对值的大小可知各个因素的变化对多糖得率的影响[24]，依次为液料比＜超声时间＜超声功率。

2.2.3响应面分析利用Design-Expert V 7.0.0软件对表2的数据进行二次多元回归拟合，结果见图4～图6。图4显示在液料比为最佳值30.17∶1mL/g时，超声时间和超声功率对多糖得率的交互影响；图5显示在超声功率为最佳值538.65W时，超声时间和液料比对多糖得率的交互影响；图6显示在超声时间为最佳值12.28min时，超声功率和液料比对多糖得率的交互影响。观察图形可以看出三个因素之间交互作用的强弱，从图5可知，超声时间和液料比的交互作用不显著，这与表4中的显著性分析结果一致。

图4　提取时间（X1）和超声功率（X2）对多糖得率影响的响应曲面图Fig.4　Response surface plot showing the effect of time（X1）and power（X2）on the yield of TFPS

图5　超声时间（X1）和液料比（X3）对多糖得率影响的响应曲面图Fig.5　Response surface plot showing the effect of time（X1）and ratio of solvent to material（X3）on the yield of TFPS

图6　超声功率（X2）和液料比（X3）对多糖得率影响的响应曲面图Fig.6　Response surface plot showing the effect of power（X2）and ratio of solvent to material（X3）on the yield of TFPS

2.2.4工艺的优化组合及验证运用Design Expert V7.0.0软件，计算出的最佳提取条件为：超声时间12.28min，超声功率538.65W，液料比30.17∶1mL/g，预测得率为7.81%。为了检验模型方程的可靠性，并考虑到实际工艺控制的方便[25]，将最佳提取条件修正为：超声时间12min，超声功率540W，液料比30∶1mL/g，在此条件下进行三次重复的验证实验，测得茶树花多糖提取率的平均值为7.69%，相对标准偏差仅1.54%。因此采用该多元二次回归模型对茶树花多糖的提取条件进行优化是可行的，得到的提取参数准确可靠。

3　结论

采用超声波辅助热水浸提方式提取茶树花多糖，对实验因子（超声时间、超声功率和液料比）及其交互作用进行了相关研究，最后确定最佳提取条件是：超声时间12min，超声功率540W，液料比30∶1mL/g；得率为7.69%。该法能较好的提取茶树花中的多糖，是一种很好的提取方式。

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Optimization of ultrasound-assisted hot water extraction of polysaccharides from tea flower

QIN De-li，JIA Kun，DOU Jun-rong，WANG Hui-li，ZENG Xiao-xiong，YE Hong*
（College of Food Science and Technology，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China）

In the present study，response surface methodology was employed to optimize the ultrasound-assisted hot water extraction conditions of polysaccharides from tea flower.Based on the results of single-factor experiments，the optimal conditions for polysaccharides extraction were determined by Central Composition Design as follows：ultrasonic time 12min，ultrasound power 540W，ratio of solvent to material 30∶1mL/g.Under such conditions，the extraction yield of polysaccharides was 7.69%.The results suggested that the regression models were accurate and adequate for the extraction of tea polysaccharides from tea flower.

tea flower；polysaccharides；ultrasound-assisted extraction；respond surface methodology

TS201.2

B

1002-0306（2015）04-0215-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.04.038

2014－07－03

秦德利（1992-），女，本科，研究方向：食品科学与工程。

叶红（1975-），女，博士，副教授，主要从事生物分离工程方面的研究。

国家自然科学基金（31201454）；江苏省大学生实践创新训练计划（1310307024x）。