響應面法優化祁門紅茶多酚浸提工藝的研究

黃良芳 張振陽 潘樂

摘要 祁門紅茶是中國歷史名茶，其含有的多酚具有促進健康的作用。采用響應面法優化乙醇浸提祁門紅茶多酚的工藝參數。主要考察了乙醇體積分數、浸取溫度和浸取時間對祁門紅茶多酚提取率的影響，結果表明以57.83%乙醇為提取液，在85.07 ℃下浸提65.33 min，在此條件下多酚類的提取率最高（130.554 mg/g）。該研究為今后祁門紅茶中多酚的提取提供了參考。

關鍵詞 祁門紅茶;多酚;響應面法;優化;提取工藝

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、生物堿、氨基酸、維生素、多糖類、酶類、微量元素等多種有利于人體健康的成分[1]。其中，多酚由于能形成各類自由基，保護人體組織免受氧化作用的損害，從而具有提高機體的免疫功能、抗癌、抗衰老等作用，引起人們的廣泛研究[2]。

祁門紅茶因其產地優越的自然條件和優良的茶葉品種而成為極品紅茶，一直以來享有盛譽[3-4]。祁門紅茶是完全發酵茶，發酵程度高，其中的多酚類成分通過氧化和聚合作用形成一系列新的具有生物活性的化合物，如茶黃素、茶紅素、茶褐素等[5-6]。因此，祁門紅茶中多酚的含量低于綠茶，但其相對生物活性沒有降低，仍具有良好的抗氧化活性，甚至還具有一些綠茶所不具有的藥理作用，其特有的生物學功能越來越受到人們的關注[7-9]。

浸提法是目前從茶葉中獲取多酚最常用的方法，浸提工藝的研究對于工業化制備多酚具有重要意義[10]。目前紅茶多酚浸提工藝的研究方法主要是單因素篩選和正交試驗法，方法簡單易行但數據不夠全面[11-12]。響應面法（response surface methodology，RSM）是一種結合數學建模和綜合試驗來科學設計優化測試的方法，由Box等[13]提出，具有精度高、預測性能好以及能夠研究各種因素之間相互作用等優點[14]。筆者利用響應面法來優化祁紅中多酚的浸取工藝[15-19]，旨在為后續開發利用祁門紅茶多酚資源提供更多參考數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料。祁門紅茶購于安徽省黃山市祁門縣歷口茶廠，粉碎后過200目篩。

1.1.2 試劑與儀器。沒食子酸（gallic acid，GA）和FolinCiocalteu試劑均購自上海金穗生物科技有限公司;其余試劑（AR）均購于aladdin試劑網;試驗用水為超純水。紫外可見分光光度計（UV-2600），蘇州島津;數顯恒溫水浴鍋（HH-6），金壇榮華;中藥粉碎機（XFB-1000），吉首中誠;電子分析天平（FA2104B），上海越平。

1.2 試驗方法[20-23]

1.2.1 沒食子酸標準曲線的繪制，。

量取Folin-Ciocalteu試劑20 mL，加水定容于200 mL容量瓶中，制得100 mL/L FolinCiocalteu試劑。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。準確稱取0.028 3 g 沒食子酸，用無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，即得沒食子酸的標準溶液。

分別移取1.0 mL 5種濃度的沒食子酸標準溶液，各加入5.0 mL 配制的Folin-Ciocalteu試劑，5 min后再各加入4.0 mL Na2CO3溶液，室溫下顯色反應1 h后，測定波長765 nm時的吸光度（A），繪制標準曲線。

1.2.2 多酚含量及提取率的計算。

分別移取祁門紅茶浸提液，按照“1.2.1”所述方法進行顯色，根據測得的吸光度，在標準曲線上查找對應的濃度，并利用公式計算多酚提取率（單位為mg/g）。

式中，C為茶多酚濃度（單位mg/mL）;V為浸提液體積（單位mL）;N為稀釋倍數;W為紅茶質量（單位g）。

1.2.3 單因素試驗。

1.2.3.1 乙醇體積分數對祁門紅茶多酚提取率的影響。取5支比色管，分別放入1.0 g祁門紅茶茶粉，依次加入50 mL體積分數分別為50%、60%、70%、80%、90%的乙醇溶液，60 ℃ 浸提1 h，靜置后分別移取1 mL上清液，按照“1.2.1”的方法顯色，測定波長765 nm 時的吸光度 （A），并計算多酚提取率（Y）。

1.2.3.2 浸提溫度對祁門紅茶多酚提取率的影響。取5支比色管，分別放入1.0 g祁門紅茶茶粉，依次加入50 mL體積分數60%的乙醇溶液，分別在50、60、70、80 ℃下浸提1 h，靜置后各移取1 mL上清液，按照“1.2.1”的方法顯色，測定波長765 nm時的吸光度 （A），并計算多酚提取率（Y）。

1.2.3.3 浸提時間對祁門紅茶多酚提取率的影響。取5支比色管，分別放入1.0 g祁門紅茶茶粉，依次加入50 mL體積分數60%的乙醇溶液，80 ℃下分別浸提15、30、45、60、75 min，靜置后各移取1 mL上清液，按照“1.2.1”的方法顯色，測定波長765 nm時的吸光度 （A），計算多酚提取率（Y）。

1.2.4 響應面試驗。在單因素試驗的基礎上，將乙醇體積分數（A）、浸提溫度（B）、浸提時間（C）依照中心組合設計規律，確定每個影響因素的最佳反應區間（水平），將篩選出的3個水平編碼規定為+1、0、-1，分別對應高值、中間值和低值，設計因子編碼及水平表（表1）。然后，利用Design-Expert8 軟件的Box-Behnken模型設計試驗方案，所得方案如表2所示。

2 結果與分析

2.1 標準曲線的繪制 由圖1可知，沒食子酸標準曲線方程為y=0.009 7x+0.028 8（R2=0.999 2），其中x為沒食子酸濃度（mg/mL），y為765 nm波長處的吸光度。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 乙醇體積分數對祁門紅茶多酚提取率的影響。

多酚分子結構中有大量酚羥基，它們可以與細胞中的蛋白質、纖維素等通過氫鍵相互結合，不同體積分數的乙醇極性不同。若乙醇體積分數過低，說明與氫鍵的結合能力弱;若乙醇體積分數過高，溶劑極性又太小，均不利于多酚的溶出。從圖2可以看出，乙醇體積分數由50%升至60%，多酚提取率也隨之變大，當乙醇體積分數為60% 時出現最大值，此后多酚提取率明顯下降。因此，對于浸提祁門紅茶多酚，最佳的乙醇體積分數為60%。

2.2.2 浸提溫度對祁門紅茶酚提取率的影響。

溫度能影響分子的熱運動，升高溫度能提高祁紅多酚分子的滲透、溶解和擴散速度，但若溫度過高，多酚的氧化和分解作用也會加劇，從而導致提取率的降低。從圖3可以看出，當浸提溫度為50～80 ℃時，隨著浸提溫度的升高，多酚提取率也逐漸變大;當浸提溫度超過80 ℃后多酚提取率逐漸下降。因此，對于浸提祁門紅茶多酚，最佳浸提溫度為80 ℃。

2.2.3 浸提時間對祁門紅茶多酚提取率的影響。從圖4可以看出，在15～60 min內，祁紅多酚提取率隨浸提時間的延長而升高;當浸提時間繼續延長，多酚提取率逐漸降低，當浸提時間為60 min時多酚提取率達到最高值。由此可見，在浸提過程中，由于溶解作用，多酚逐漸溶出，但隨著浸提時間的延長，多酚也會逐步氧化和分解，從而使多酚提取率逐漸降低。因此，對于浸提祁門紅茶多酚，最佳浸提時間為60 min。

2.3 響應面試驗結果 運用Design-Expert8軟件，對試驗數據進行擬合分析，得到此次試驗的二次多項回歸線性方程：Y=128.55+2.21A+5.91B-1.03C- 0.092AB-2.60AC-0.30BC-3.97A2-5.93B2-4.82C2。響應面試驗結果見表3。

方差分析表明，相關系數R2=0.961 4，校正R2=0.911 8，表明方程的擬合度較好。變異系數小于10%，表明該試驗的可信度和精確度高。響應面回歸模型的失擬項顯著，只有3.78%可能來源于儀器的噪聲，說明模型能對浸提工藝進行較好模擬。F值為19.38，P<0.001，表明模型具有很好的顯著性。B、B2、C2的P值均小于0.001，說明其對祁門紅茶多酚提取率的影響極顯著;A、A2的P值均小于0.05，說明其對祁門紅茶多酚提取率有顯著影響，C、AB、AC、BC的P值均大于0.05，表明其對祁門紅茶多酚提取率的影響不顯著。

2.4 等高線圖與響應面圖分析

圖5a中的等高線圖呈現橢圓形，表明浸提時間與浸提溫度的交互作用比較顯著，且溫度的影響比時間更大。從三維響應面曲線（圖5b）可以看出，在浸提時間（60～70 min）、浸提溫度（75～85 ℃）范圍內，祁紅多酚提取率在適當的溫度與時間下最大。

從圖6a可以看出，乙醇體積分數與浸提時間的交互作用較為顯著。從圖6b可以看出，適當延長浸提時間有助于增大祁紅多酚的提取率，祁紅多酚提取率有一個極點，該極點出現的范圍為乙醇體積分數55%～65%、提取時間57～69 min。

從圖7a可以看出，浸提溫度和乙醇體積分數的交互作用不顯著。從圖7b可以看出，乙醇體積分數由50%提高到60%，祁門紅茶多酚提取率升高。當乙醇體積分數繼續提高時，祁門紅茶多酚提取率逐漸下降。這表明祁門紅茶多酚提取率存在極大值，且當乙醇體積分數為60%時二者交互作用不顯著，因此浸提溫度應保持在75～85 ℃。

2.5 最佳提取工藝參數的確定

利用Design-Expert軟件中的Optimization的Numerical功能進行優化，得到乙醇浸提祁紅多酚最佳工藝參數：乙醇體積分數為57.83%、浸提溫度為85.07 ℃、浸提時間為65.33 min，此條件下得到的祁門紅茶多酚提取率為130.554 mg/g。為驗證響應面法的可行性，采用修正的最佳提取工藝：用58%乙醇提取液、在85 ℃下浸提65 min，在此優化條件下進行3次平行試驗，結果表明多酚提取率為130.007 mg/g，相對標準偏差為0.005 329，與理論值的標準偏差為0.004 19，說明該響應面設計的試驗值與理論值的擬合性較好。

3 結論

筆者探討了乙醇浸提黃山祁門紅茶中多酚的工藝參數，在單因素試驗驗結果的基礎上，確定了3個變量因素（乙醇體積分數、浸提溫度和浸提時間）的最佳反應區間，然后采用響應面法來設計優化試驗。結果表明，用57.83%的乙醇、在85.07 ℃下提取65.33 min，祁門紅茶多酚提取率最高，為130.554 mg/g。該試驗通過響應面試驗，有效控制了浸提的工藝條件，為今后祁紅多酚的提取工業化及精深加工提供了理論數據支持。

參考文獻

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