茶樹花多糖超聲波輔助熱水浸提工藝優化

秦德利，賈　坤，竇珺榮，王慧力，曾曉雄，葉　紅

（南京農業大學食品科技學院，江蘇南京210095）

茶樹花多糖超聲波輔助熱水浸提工藝優化

秦德利，賈坤，竇珺榮，王慧力，曾曉雄，葉紅*

（南京農業大學食品科技學院，江蘇南京210095）

利用響應曲面法優化超聲波輔助熱水浸提技術提取茶樹花多糖工藝。在單因素實驗的基礎上，通過Central Composition Design建立多糖提取率與超聲時間、超聲功率和液料比之間的數學模型，確定最優提取工藝參數。結果表明，最優工藝條件為：超聲時間12min，超聲功率540W，液料比30∶1mL/g，在此條件下茶樹花多糖提取率為7.69%。該方法實用、可靠，可用于茶樹花多糖的提取。

茶樹花，多糖，超聲波輔助提取，響應面法

茶樹，屬山茶科山茶屬，為多年生常綠木本植物，具有“花期長、開花多、結實少”的特點[1]。茶樹的種植在我國有著悠久的歷史，據2009年國土資源部統計，全國茶園面積已達2800萬畝，分布于19個省1000多個縣；成齡茶園每畝可采鮮花200kg以上，全國可采集鮮花500萬噸左右，可制成干花原料30多萬噸。長期以來人們只注重茶葉，茶樹花往往作為副產物被忽視而造成大量資源浪費[2]。近年來，隨著科技的發展，茶樹花的開發與應用逐步引起人們重視。研究表明，茶樹花中含有豐富的蛋白質、茶多糖、茶多酚、茶皂素、氨基酸、維生素等多種有益成分，具有抑菌[3]、降糖[4]、抗氧化[5-6]、延緩衰老、防癌抗癌[7]和增強免疫力[8]等功效。

超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，其以方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中聲能的特點應用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波提取技術是近年發展起來的一種新的提取方法，利用機械效應，空化效應和熱效應[9]，使溶劑快速地進入固體物質中，將其物質所含的有機成分盡可能完全地溶于溶劑之中，得到多成分混合提取液[10]。至今，多糖的提取方法有熱水浸提法、酶提取法、微波輔助提取法、溶劑提取法、超聲波提取法等。超聲波提取法與其他提取法相比，可有效提高提取分離率，縮短提取時間、節約成本，甚至還可以提高產品的質量和產量[11]，而且因為該提取方法是一個物理變化過程，能在一定時間內保持多糖性質的穩定。

徐人杰[12]采用熱水浸提提取茶樹花多糖，多糖得率為6.67%～6.89%。楊玉明等[13]通過正交實驗確定了水浴浸提法提取茶樹花多糖的最佳提取參數，得率為2.126%。張玲等[14]以正交實驗確定了超聲波輔助提取茶樹花多糖的最佳工藝條件，提取率為1.324%。但是目前還沒有以響應面優化超聲波輔助熱水浸提茶樹花多糖的報道，因此本實驗通過采用超聲波輔助熱水浸提技術，提取茶樹花中的多糖，并用響應面法對其提取條件進行工藝優化，旨在為茶樹花的深入研究提供相關理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

茶樹花浙江紹興；無水乙醇國產分析純。

TDZ5-WS型離心機長沙湘智離心機儀器有限公司；HH-6型數顯恒溫水浴鍋普天儀器制造有限公司；Heidolph Laborota 4000型真空旋轉蒸發儀德國Heidolph公司；SHB-III型循環水式多用真空泵鄭州長城科工貿有限公司；DHG-9030A型電熱恒溫鼓風干燥箱上海一恒科技有限公司；AY-120型電子天平日本SHIMADZU公司；美國Coleparmer超聲波細胞破碎儀超聲功率（0～750W），上海上碧實驗儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1茶樹花多糖的提取茶樹干花經粉碎，過60目篩，取一定量粉末按1∶15（w/v）的比例加入80%的乙醇70℃下處理1h，移去上清液后重復處理1次，烘干，以除去茶樹花中的脂肪、醇溶多糖、皂甙、色素等醇溶性物質[15]。先在相應的時間、功率和料液比下進行超聲波輔助提取，再熱水浸提（水浴溫度90℃、浸提時間2h、浸提次數2次）。將每次浸提液離心（5000r/min，10min）取上清液，沉淀用相同方法重提和離心，合并浸提2次的上清液，置旋轉蒸發器50℃減壓濃縮至原體積的1/4左右，濃縮液加3倍體積無水乙醇沉淀過夜，離心（5000r/min，10min）取沉淀物，烘干，稱重，得到茶樹花粗多糖[12]。

1.2.2多糖的測定以葡萄糖為標準液，采用苯酚硫酸法[16]。以葡萄糖濃度（μg/mL）為橫坐標，以吸光值（A）為縱坐標繪制標準曲線，所得的回歸方程為y= 0.0116x+0.0091（R2=0.9991）。

多糖含量（%）=（測量濃度×稀釋倍數×反應液體積/粗多糖的質量）×100

1.2.3多糖提取率計算

1.2.4單因素實驗以茶樹花多糖的提取率為指標，以單因素實驗的方法考察超聲時間、超聲功率、液料比對得率的影響[17]。每組實驗重復3次，取平均值。

1.2.4.1超聲時間對多糖得率影響超聲時間設5、7.5、10、12.5、15min五個梯度，其他條件固定為：常溫（（20±1）℃，下同）、液料比30∶1mL/g、超聲功率525W。1.2.4.2超聲功率對多糖得率影響超聲功率設300、375、450、525、600W五個梯度，其他條件固定為：常溫、液料比30∶1mL/g、超聲時間10min。

1.2.4.3液料比對多糖得率影響液料比設20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1mL/g五個梯度，其他條件固定為：常溫、超聲功率525W、超聲時間10min。

1.2.5響應面實驗根據單因素實驗結果，選取超聲時間、超聲功率、液料比因素，以多糖提取率為響應值，根據Central Composition Design實驗設計原理，進行三因素五水平實驗設計，以獲得最優提取條件。響應面因素水平見表1。

表1　響應面分析實驗因素水平表Table.1　Factors and levels in the response surface design

1.2.6實驗數據采用Design-Expert V7.0.0軟件進行分析和作圖。

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1超聲時間對多糖得率的影響根據1.2.4.1的實驗方法，實驗結果如圖1所示。隨著提取時間的延長，超聲波對物料作用更加充分，多糖提取率逐漸升高，并且在12.5min提取率最高，達到6.99%，但超過該時間范圍后提取率反而下降。這可能是因為超聲波具有較強的機械剪切作用，長時間作用會使多糖結構破壞，導致多糖提取率有所下降。另外，超聲時間過長，細胞進一步破碎，雜質溶出，這也可能是多糖提取率有所下降的原因之一[18]，所以超聲時間應控制在12.5min左右。

2.1.2超聲功率對多糖得率的影響根據1.2.4.2的實驗方法，實驗結果如圖2所示，隨著功率的增加，多糖提取率逐漸升高，而70%（525W）后趨于平緩。這與相關文獻報道不盡相符[19-20]，可能與植物多糖品種不同有關。兼顧提取率、能耗、成本以及多糖活性，超聲功率應不大于70%。

2.1.3液料比對多糖得率的影響根據1.2.4.3的實驗方法，實驗結果如圖3所示，當提取液料比由20∶1增加到30∶1時，多糖的得率顯著升高；液料比為30∶1時達到最高，為6.91%。而當液料比大于30∶1時，多糖得率呈下降趨勢，說明多糖溶出量已達到飽和，這可能與溶液量增加導致原料的物質分子間相互作用減弱有關，類似現象在其他植物多糖的提取工藝研究中也多有報道[21-23]。

圖1　超聲時間對茶樹花多糖得率的影響Fig.1　Effect of ultrasonic extraction time on the yield of TFPS

圖2　超聲功率對茶樹花多糖得率的影響Fig.2　Effect of ultrasonic extraction power on the yield of TFPS

圖3　液料比對茶樹花多糖得率的影響Fig.3　Effect of ratio of solvent to material on the yield of TFPS

2.2響應面法優化茶樹花多糖提取工藝

2.2.1響應曲面分析方案及結果應用Central Composition Design實驗設計，整個方案共20個實驗點，其中14個析因點，6個中心點。方案與結果見表2。

2.2.2回歸模型的建立與顯著性分析用Design-Expert V 7.0.0軟件對表2中的數據進行分析，獲得多糖得率對編碼自變量超聲時間、超聲功率和液料比的二次多項回歸方程：

表2　CCD實驗設計及其響應值Table.2　Central composition design and the response values

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

表4　多元回歸模型的回歸系數評估及其顯著性檢驗Table.4　Regression coefficients estimate and their significancetest for the quadratic polynomial model

多元回歸模型的方差分析見表3。從表3中可知，回歸方程模型p＜0.0001高度顯著，失擬項不顯著。決定系數R2為0.9645，說明該模型與實際實驗擬合較好，自變量與響應值之間線性關系顯著。調整的決定系數R2Adj值等于0.9325，說明實驗結果有93.25%受所選因素的影響。因此用該模型方程預測超聲波輔助提取茶樹花多糖的得率是適合的。回歸方程的系數評估以及相應的顯著性檢驗列于表4。從表4中可以看出，X2、X12、X22、X32、X2X3對多糖得率影響極顯著；X1X2對多糖得率影響顯著；其他因素不顯著。從回歸系數絕對值的大小可知各個因素的變化對多糖得率的影響[24]，依次為液料比＜超聲時間＜超聲功率。

2.2.3響應面分析利用Design-Expert V 7.0.0軟件對表2的數據進行二次多元回歸擬合，結果見圖4～圖6。圖4顯示在液料比為最佳值30.17∶1mL/g時，超聲時間和超聲功率對多糖得率的交互影響；圖5顯示在超聲功率為最佳值538.65W時，超聲時間和液料比對多糖得率的交互影響；圖6顯示在超聲時間為最佳值12.28min時，超聲功率和液料比對多糖得率的交互影響。觀察圖形可以看出三個因素之間交互作用的強弱，從圖5可知，超聲時間和液料比的交互作用不顯著，這與表4中的顯著性分析結果一致。

圖4　提取時間（X1）和超聲功率（X2）對多糖得率影響的響應曲面圖Fig.4　Response surface plot showing the effect of time（X1）and power（X2）on the yield of TFPS

圖5　超聲時間（X1）和液料比（X3）對多糖得率影響的響應曲面圖Fig.5　Response surface plot showing the effect of time（X1）and ratio of solvent to material（X3）on the yield of TFPS

圖6　超聲功率（X2）和液料比（X3）對多糖得率影響的響應曲面圖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工藝的優化組合及驗證運用Design Expert V7.0.0軟件，計算出的最佳提取條件為：超聲時間12.28min，超聲功率538.65W，液料比30.17∶1mL/g，預測得率為7.81%。為了檢驗模型方程的可靠性，并考慮到實際工藝控制的方便[25]，將最佳提取條件修正為：超聲時間12min，超聲功率540W，液料比30∶1mL/g，在此條件下進行三次重復的驗證實驗，測得茶樹花多糖提取率的平均值為7.69%，相對標準偏差僅1.54%。因此采用該多元二次回歸模型對茶樹花多糖的提取條件進行優化是可行的，得到的提取參數準確可靠。

3　結論

采用超聲波輔助熱水浸提方式提取茶樹花多糖，對實驗因子（超聲時間、超聲功率和液料比）及其交互作用進行了相關研究，最后確定最佳提取條件是：超聲時間12min，超聲功率540W，液料比30∶1mL/g；得率為7.69%。該法能較好的提取茶樹花中的多糖，是一種很好的提取方式。

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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：食品科學與工程。

葉紅（1975-），女，博士，副教授，主要從事生物分離工程方面的研究。

國家自然科學基金（31201454）；江蘇省大學生實踐創新訓練計劃（1310307024x）。