CCD法探析三种辅助提取茶多酚工艺研究

李大刚，徐耀宗，王志文，袁淑芳

1. 黎明职业大学 材料与化学工程学院，福建 泉州 362000；2. 实用化工材料福建省高校应用工程技术中心，福建 泉州 362000

茶多酚（tea polyphenols, TPs）是茶叶中一种含有多酚羟基类的天然还原性活性物质[1]，主要组成有表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素（EGC）、儿茶素没食子酸酯（ECG）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）等[2-3]。茶多酚已被广泛应用在医药、食品储存、化妆品以及复合功能材料领域[4-5]。为了提高茶多酚的提取率，在浸取过程中常采用辅助工艺来提高茶多酚的溶出率，如超声波辅助工艺[6]和微波辅助工艺[7]等。近年来，机械化学法辅助工艺逐步引入到植物有效成分提取中，其原理是将植物原料与某种固相试剂在机械力作用下，促使植物细胞壁的破碎及有效成分与固相试剂发生化学反应生成溶解性能较好的盐类，再通过酸转溶将盐类转化成目标产物[8]，室温状态下就具有高提取率，是一种新型辅助提取工艺[9]。本研究选取同等茶叶原料，以茶多酚的提取率作为指标，仅采用水作为浸取剂，通过中心组合设计法（CCD）设计试验[10-12]，响应面优化分析超声波法、微波法、机械化学法三种辅助提取工艺的最优工艺条件，并对辅助工艺进行比较分析，以期为茶多酚的提取辅助工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

材料：原料茶（产自杭州市）；NaHCO3（AR，阿拉丁试剂有限公司）；CaCl2（AR，阿拉丁试剂有限公司）、盐酸溶液（AR，国药集团化学试剂有限公司）、乙酸乙酯（AR，国药集团化学试剂有限公司）、硼氢化钠（AR，国药集团化学试剂有限公司），聚丙烯酰胺（PAM，平均黏均分子量为107，实验室自制）。

仪器：激光粒度分析仪（LS200，美国Beckman Counter公司）；粉碎机（A11，德国IKA公司）；实验室球磨机（QM-WX04，南京大冉科技有限公司）；真空干燥箱（DZF-6050，苏州江东精密仪器有限公司），台式高速离心机（TG16-WS，湘仪离心机仪器有限公司），紫外可见分光光度计（TU-2700，日本岛津公司）；pH计（FE20K，美国Mettler Toledo公司）。微波萃取器（HWC-3L，天水华圆制药设备科技有限公司）；超声仪器（KQ-500DE，昆山超声仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 机械化学法辅助提取工艺

取一定质量平均粒径为40目原料茶粉，并与不同质量配比的NaHCO3于球磨机中进行研磨发生固相化学反应，获得固相络合物。为了防止研磨过程中茶多酚被氧化，向体系中添加少量硼氢化钠作为保护剂。准确计量研磨后的混合粉室温下（25℃±2℃）用水作为浸取剂连续搅拌一定时间，添加PAM絮凝剂后取上层清液添加Ca2+络合得沉淀，稀盐酸进行转溶，控制转溶终点溶液pH值为5 ～ 6，乙酸乙酯进行萃取，真空干燥获得茶多酚成品，并进行茶多酚纯度测定，根据式（1）计算茶多酚提取率。

式（1）中φ为茶多酚的提取率（%）；p为茶多酚的纯度（%）；mTPs为茶多酚的质量（g）；mtea为原料茶粉的质量（g）。

1.2.2 微波辅助提取工艺

取一定质量平均粒径为40目原料茶粉，以水作为浸取液，置于微波萃取器中，浸取过程中连续搅拌。在不同浸取温度、不同微波功率条件下进行浸取，浸取一段时间后，将浸取混合物取出，离心取上层清液；以Ca2+络合离心液得沉淀，稀盐酸转溶，乙酸乙酯进行萃取，真空干燥获得茶多酚成品，进行茶多酚纯度测定，并根据式（1）计算茶多酚提取率。

1.2.3 超声波辅助提取工艺

取一定质量平均粒径为40目原料茶粉，以水作为浸取液，置于超声仪器中，浸取过程中连续搅拌。在不同浸取温度、不同超声功率条件下进行浸取，浸取一段时间后，将浸取混合物取出，离心取上层清液；以Ca2+络合并离心得沉淀，稀盐酸转溶，乙酸乙酯进行萃取，真空干燥获得茶多酚成品，进行茶多酚纯度测定，并根据式（1）计算茶多酚提取率。

1.2.4 茶多酚测定

采用GB / T 8313—2008茶—茶多酚测定方法[13]。

2 结果与讨论

2.1 机械化学法辅助工艺优化结果

影响机械化学法辅助工艺的主要因素为固相试剂NaHCO3用量〔w(NaHCO3) (%)〕、固相物料粒度〔D95(μm)〕、液固质量比〔m(l)∶m(s)〕及浸取时间〔t1(min)〕。采用CCD法设计试验方案[14]，每一个影响因素设计5水平，中心点试验数为6。机械化学法辅助提取工艺试验方案设计及结果见表1。

表1 机械化学法辅助提取工艺试验设计与结果Table 1 Experimental design and results of mechanochemical assisted extraction process

以茶多酚提取率作为指标，影响机械化学法辅助提取工艺的4因素作为自变量，建立4元2次回归数学模型。通过分析可知该数学模型的P值（Pr>F）小于0.0001，F值为11.73，表明数学模型极为显著，可以描述实际过程。以茶多酚提取率的最大值作为目标函数求解该数学模型中各因素对应值可近似看作为最佳工艺条件，结果为：w(NaHCO3) =32%，D95=36.71 μm，m(l)∶m(s)=71.2，t1=25 min。固相试剂用量递增有利于提高茶多酚与固相试剂的接触机会，固相物料粒度越小反应了机械力作用的效果越好，一方面固体茶粉受机械力的作用发生细胞壁破碎，另一方面有利于多酚与固相试剂反应，但粒径过小需要较强机械研磨，研磨体系升温，不利于茶多酚稳定，综合分析确定机械化学法辅助提取茶多酚最佳工艺为固相试剂NaHCO3用量30 % ～ 35 %、固相物料粒度35 μm ～ 40 μm、液固质量比70 ～ 75、浸取时间20 min～25 min，茶多酚综合提取率为16.2 % ～ 16.8 %。

2.2 微波法辅助工艺优化结果

影响微波法辅助工艺的主要因素为微波功率〔N1(W)〕、微波辐射时间〔t2(min〕、液固质量比〔m(l)∶m(s)〕及浸取温度〔θ1(℃)〕。采用CCD法设计试验方案，微波法辅助提取工艺试验方案设计及结果见表2。

表2 微波法辅助提取工艺试验设计与结果Table 2 Experimental design and results of microwave assisted extraction process.

以茶多酚提取率作为指标，影响微波辅助工艺的4因素作为自变量建立4元4次回归数学模型。通过分析可知该数学模型的P值(Pr>F)为0.0005，F值为34.1，决定系数R2= 0.994，表明数学模型极为显著，可以描述实际过程。以茶多酚提取率的最大值作为目标函数求解该数学模型中各因素对应值可近似看作为最佳工艺条件，结果为：N1=541.49 W，t2=2.6 min，m(l)∶m(s)=78.83，θ1=81.29 ℃。微波辅助提取工艺中微波频率提高有利于颗粒分子之间的相互碰撞，分子在微波作用下发生瞬时极化，分子振动加强，提高茶多酚在溶剂中的溶解扩散速率，但功率过大会在短时间内产生大量热，不利于茶多酚的稳定；浸取温度高有利于茶多酚的溶解扩散，温度过热则易诱发茶多酚氧化。综合分析确定微波法辅助提取茶多酚最佳工艺为微波功率500 W ～ 550 W、微波辐射时间2.5 min ～3 min、液固质量比75 ～ 80、浸取温度80℃ ～85℃，茶多酚综合提取率为12.2% ～ 12.9 %。

2.3 超声波法辅助工艺优化结果

影响超声波法辅助工艺的主要因素为超声设备功率〔N2(W)〕、浸取时间〔t3(min〕、液固质量比〔m(l)∶m(s)〕及浸取温度〔θ2(℃)〕。采用CCD法设计试验方案，超声法辅助提取工艺试验方案设计及结果见表3。

表3 超声波法辅助提取工艺试验设计与结果Table 3 Experimental design and results of ultrasonic assisted extraction process.

以茶多酚提取率作为指标，影响超声波辅助工艺的4因素作为自变量建立4元2次回归数学模型。通过分析可知该数学模型的P值(Pr>F)小于0.0001，F值为13.71，决定系数R2=0.9275，表明数学模型极为显著，可以近似描述实际过程。以茶多酚提取率的最大值作为目标函数求解该数学模型中各因素对应值可近似看作为最佳工艺条件，结果为：N2=375.31 W，t3=41.81 min，m(l)∶m(s)=75.69，θ2=77.88℃。超声波辅助提取主要利用了超声波在浸取体系中产生了机械振动，超声空化效应促使细胞内部可溶性茶多酚溶出、扩散，因此超声设备功率提高有利于提高茶多酚提取率；加热浸取溶液与超声波共同存在下可以同时提高茶多酚的提取率，但在高温下长时间浸取容易导致茶多酚氧化，产率降低。综合分析确定超声波法辅助提取茶多酚最佳工艺为微波功率375 W ～ 380 W、浸取时间40 min ～ 45 min、液固质量比75 ～ 80、浸取温度75℃ ～ 80℃，茶多酚综合提取率为11.6% ～ 12.3%。

2.4 辅助工艺条件比较

机械化学辅助提取、微波辅助提取和超声波辅助提取三种工艺均以水作为浸取剂，在各自最优化条件下进行比较，结果见表4。

表4 三种辅助提取工艺比较Table 4 Comparison of three assisted extraction processes.

从表4可以看出，三种茶多酚辅助提取工艺中，机械化学法辅助提取工艺获得平均提取率分别高于微波法和超声波法辅助提取工艺；机械化学法辅助提取工艺浸取温度可以实现常温浸取，无需提供传热设备，避免加热影响到茶多酚的稳定性，而微波法和超声波法辅助提取茶多酚均需在较高的温度下实现辅助提取；微波法辅助提取茶多酚可以在短时间内完成浸取，生产周期较短。

3 结论

采用中心组合设计法（CCD）设计试验，考察机械化学法、微波法和超声波法三种茶多酚辅助提取工艺各因素与茶多酚提取率之间的关系，各回归模型极为显著，能较好的模拟影响因素与茶多酚提取率之间的关系，并获得每种辅助提取工艺的最佳辅助工艺条件。

机械化学法辅助提取茶多酚最佳工艺为固相试剂NaHCO3的质量分数为30% ～ 35%、固相物料粒度35 μm ～ 40 μm、液固质量比70 ～ 75及浸取时间20 min ～ 25 min；微波法辅助提取茶多酚最佳工艺为微波功率500 W ～ 550 W、微波辐射时间2.5 min ～ 3 min、液固质量比75 ～ 80及浸取温度80℃ ～ 85℃；超声波法辅助提取茶多酚最佳工艺为微波功率375 W ～ 380 W、微波辐射时间40 min ～ 45 min、液固质量比75 ～ 80及浸取温度75℃ ～ 80℃。

机械化学法辅助工艺茶多酚提取率为16.2 %～ 16.8 %，分别高于微波法辅助工艺（提取率为12.2 % ～ 12.9 %）和超声波法辅助工艺（提取率11.6 % ～ 12.3 %），可以实现常温浸取，有效防止因高温而引起茶多酚的氧化，可以作为新型茶多酚辅助提取工艺。