超聲輔助提取武夷巖茶茶梗中茶多酚的工藝優化

張婷婷,張賓樂,王俗歡,黃 勇,廖素蘭

(1.武夷學院茶與食品學院,福建南平 354300;2.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122;3.武夷山清風澗巖茶廠,福建南平 354300)

我國是世界第一產茶大國,每年都會產生大量的茶灰、茶末和茶梗等茶葉副產品[1],對茶葉下腳料的開發利用,有利于茶葉資源的綜合開發利用和增值,提高社會效益和經濟價值。因此,有著廣闊的前景和現實意義。近年來,我國對茶梗的再利用研究,主要集中在有效成分的提取,如茶多糖[2]、茶多酚[3]、茶氨酸[4]和纖維素[5]等,及吸附廢水中重金屬離子[5-6]、發酵生產單寧酶[7]等。采用超聲輔助法從茶梗中提取高含量茶多酚茶湯的研究至今未有,針對地方特產-武夷巖茶茶梗的再利用研究,更是少之又少。

武夷巖茶屬半發酵茶,中國傳統名茶,烏龍茶中之極品。在制作過程中,毛茶經過挑選出成品茶后,會剩余大量廢棄物,如粗老葉、茶梗和茶末等,這不僅造成資源浪費,還產生環境污染。武夷巖茶的副產物中依然具有許多營養成分、風味物質及一定的醫藥保健功能物質,其中的茶多酚含量居于綠茶和紅茶之間[8]。茶多酚是茶葉中的重要成分[8],且具有很強的抗氧化功能,能抑制人體的脂質氧化、減輕皮膚色素沉著、清除有害自由基、提高人體內酶的活性,對胃癌、腸癌等多種癌癥的預防和輔助治療均有促進作用[3]。研究表明,超聲波浸提對茶湯中茶多酚、茶多糖、蛋白質、咖啡堿等主要成分及芳香物質的浸出量明顯高于常規浸提[9-12]。超聲波提取在提高浸提效率、減少茶湯沉淀、保持茶葉風味、維持茶湯抗氧化性等方面具有顯著成效[13]。因此,本實驗采用超聲輔助法,從武夷巖茶的下腳料茶梗中浸提制作茶湯,以茶湯中的茶多酚含量及感官評分為考察指標,確定最優工藝參數,以期為下一步研制營養、保健及便利的速溶巖茶粉或其它茶產品開發,提供原料及相關工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

武夷巖茶茶梗 武夷山清風澗巖茶廠;硫酸亞鐵、磷酸二氫鉀(均為AR級) 國藥集團化學試劑有限公司;水合茚三酮、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、堿式乙酸鉛、氯化亞錫(均為AR級) 上海展云化工有限公司;濃硫酸、濃鹽酸(均為AR級) 三圓化學試劑有限公司;茶氨酸、咖啡堿標準品(成分含量均≥98%) 上海源葉生物科技有限公司。

M6202粉碎機 北京弘荃翔和機械技術有限公司;GZY-P20-Y實驗室超純水器 湖南科爾頓水務有限公司;JA2003N電子天平 上海精密科學儀器有限公司;KQ-500DE數控超聲波清洗機 昆侖市超聲儀器有限公司;SHB-Ⅲ抽濾真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;Neofuge23R臺式高速冷凍離心機 上海力申科學儀器有限公司;V-1100D分光光度儀 上海美譜達儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程圖 見圖1。

圖1 工藝流程圖

1.2.2 操作要點 將武夷巖茶梗粉碎,過35目篩后,稱取茶梗碎粉2 g置于250 mL錐形瓶中,按照一定的水茶比、以一定的超聲功率、在一定溫度下提取一定的時間,將提取液抽濾后得到濾液,在10 ℃、3000 r/min條件下離心10 min[14]。對得到的上清液進行感官評定,并將上清液于100 mL容量瓶中定容,測定茶多酚含量。

1.2.3 單因素實驗設計

1.2.3.1 超聲功率的確定 在水茶比20∶1 mL/g、浸提溫度70 ℃和浸提時間30 min條件下,考察不同超聲功率(300、350、400、450和500 W)對茶湯中的茶多酚含量及其感官品質的影響。

1.2.3.2 浸提溫度的確定 在超聲功率400 W、水茶比20∶1 mL/g和浸提時間30 min條件下,考察不同浸提溫度(40、50、60、70和80 ℃)對茶湯中的茶多酚含量及其感官品質的影響。

1.2.3.3 水茶比的確定 在超聲功率400 W、浸提溫度70 ℃和浸提時間30 min條件下,考察不同水茶比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1和30∶1 mL/g)對茶湯中的茶多酚含量及其感官品質的影響。

1.2.3.4 浸提時間的確定 在超聲功率400 W、水茶比20∶1 mL/g和浸提溫度70 ℃條件下,考察不同浸提時間(10、20、30、40和50 min)對茶湯中的茶多酚含量及其感官品質的影響。

1.2.4 響應面優化實驗設計 根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理,綜合單因素影響實驗結果,以浸提溫度(A)、水茶比(B)、浸提時間(C)為響應因子,茶多酚含量(Y)為響應值,對茶湯中的茶多酚含量進行響應面優化分析,以獲取武夷巖茶茶梗超聲輔助提取茶湯的最佳工藝條件。實驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面設計實驗因素與水平

1.2.5 茶多酚含量的測定 茶湯中茶多酚含量的測定,參照QB/T 4068-2010《食品工業用茶濃縮液》[15]中的檢測方法:吸取1～5 mL茶湯于25 mL容量瓶中,加水4 mL和酒石酸亞鐵溶液5 mL,充分搖勻,用磷酸鹽緩沖溶液定容至刻度,在波長540 mm處,以試劑空白溶液作參比,測定吸光度A1。同時稱取等量茶湯于25 mL容量瓶中,不加酒石酸亞鐵,其余操作相同,測定吸光度A2,以試劑空白溶液作參比。根據公式1計算茶多酚的含量。

茶多酚的含量(%)

式(1)

式中:m:試液制備時的樣品質量,g;A1:試樣顯色后的吸光度;A2:試液底色吸光度;L:稀釋倍數;1.957:用10 mm比色皿,當吸光度等于0.50時,1 mL茶湯中茶多酚的含量相當于1.957 mg。

1.2.6 茶湯感官評審 依據GB/T 23776-2018《茶葉感官審評方法》[16]設置感官評定標準,如表2所示,對浸提出的茶湯,進行湯色、香氣和滋味的審評。

表2 茶湯的感官評定標準

1.3 數據處理

通過Design-Expert軟件對實驗數據進行分析處理,確定最優提取工藝參數。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 超聲功率的確定 如表3所示,隨著超聲功率的增加,茶湯中的茶多酚含量整體呈增大趨勢。功率低于450 W時,隨著超聲功率的增加,茶多酚含量明顯增大;功率大于450 W后,茶多酚含量的增大速度減緩,功率500 W時的茶多酚含量僅略高于450 W時。從感官評定結果可以看出,功率450 W提取茶湯的感官品質為最佳,500 W次之。因此,從成本考慮,確定超聲功率450 W為最佳。

表3 超聲功率對茶湯的茶多酚含量及感官性質的影響

2.1.2 浸提溫度的確定 由表4可知,當浸提溫度低于70 ℃時,茶多酚含量隨著浸提溫度的增加而增大。在70 ℃時茶多酚含量達到最大值,為15.10%。但70 ℃后茶多酚含量開始減少,80 ℃時的茶多酚含量僅為14.86%,這是可能是由于高溫會促使茶多酚有一部分被氧化成醌類化合物而被破壞[17]。從感官評定結果可以看出,茶湯的感官品質隨著溫度的增加逐漸增大,其中70 ℃時以茶湯的湯色,香氣均為最佳,僅滋味略次于80 ℃時。因此,綜合考慮,響應面實驗浸提溫度確定為60、70、80 ℃。

表4 浸提溫度對茶湯的茶多酚含量及感官性質的影響

2.1.3 水茶比的確定 由表5可知,水茶比過高或過低,對茶湯的茶多酚含量及感官品質都有較大的影響。當水茶比為25∶1 mL/g時,茶多酚含量最大,為15.11%,且茶湯的湯色、香氣、滋味均為最佳。當水茶比為30∶1 mL/g時,茶多酚含量反而減少,這可能是由于隨著溶劑的增加,超聲波更難作用于物料,茶多酚類化合物溶出速度減慢,從而使得茶多酚含量有所減少[17]。因此,確定水茶比范圍為20∶1、25∶1、30∶1 mL/g。

表5 水茶比對茶湯的茶多酚含量及感官性質的影響

2.1.4 浸提時間的確定 由表6可知,當浸提時間為40 min時,茶湯的色、香、味均為最佳。在40 min前,茶多酚含量隨著浸提時間的延長而增加,40 min時茶多酚含量達到最大,為15.23%,但40 min后,茶多酚含量反而開始減少,這可能是由于提取時間過長,會發生更多的化學反應,從而引起茶多酚的氧化,使其含量降低[17]。Ramalho等[18]也曾得出類似的結論:當物質濃度達到動態平衡后,浸提時間延長可能引起茶多酚部分氧化,茶湯中物質之間發生絡合反應,對茶湯品質造成不利影響。因此,浸提時間范圍確定為30、40、50 min。

表6 浸提時間對茶湯的茶多酚含量及感官性質的影響

2.2 響應面法優化提取工藝

2.2.1 響應模型建立與分析 單因素實驗結果表明,超聲功率在450 W后對茶湯品質影響不大,由于實驗所用的超聲波儀器最大功率為500 W,因此該因素繼續進行響應面優化的意義不大。綜合上述實驗結果,以浸提溫度、水茶比、浸提時間為響應因子,茶多酚含量為響應值,通過Design-Expert軟件對茶湯中的茶多酚含量進行響應面分析,以優化最佳的超聲提取工藝條件。響應面實驗方案與結果如表7。

表7 響應面實驗設計與結果

通過Design-Expert軟件對實驗數據的分析,在自變量上獲得了茶多酚的含量與A浸提溫度、B水茶比、C浸提時間的二次多元回歸方程為:茶多酚含量=15.32+0.81A-0.14B-0.13C-0.065AB-0.090AC-0.023BC-1.16A2-0.13B2-0.29 C2。

響應面分析結果如表8所示,該回歸模型的F值為5.30,且p=0.0001(p<0.01),說明茶多酚含量對該模型達到極顯著水平,反映出該方程在實驗點與實驗結果相吻合;各單項因素A、B、C影響茶多酚含量都達到極顯著,交叉項AC和AB均顯著(p<0.01,p<0.05),BC項不顯著。失擬項p值為0.0855大于0.05,表示失擬項在該回歸模型中無顯著性,表明該模型與實際情況擬合性優良。因此,該模型的回歸方程可以取代實驗的真實值來預測和分析測試結果。根據表中F值還可知,各因素對茶湯中茶多酚含量影響的大小順序為:A浸提溫度>B水茶比>C浸提時間。

表8 響應面二次回歸模型方差分析

根據圖2、圖3和圖4中響應曲面的變化情況和等高線的疏密程度可知,浸提溫度和浸提時間、浸提溫度和水茶比的交互作用對茶湯中茶多酚含量的影響具有顯著性,水茶比和浸提時間的交互作用對茶多酚含量的影響不顯著。

圖2 浸提溫度與水茶比對茶多酚含量影響的響應面和等高圖

圖3 浸提溫度與浸提時間對茶多酚含量影響的響應面和等高圖

圖4 水茶比與浸提時間對茶多酚含量影響的響應面和等高圖

2.2.2 最佳條件的確定和回歸模型的驗證 根據所建立的響應面擬合方程進行參數最優分析,得到預測最佳工藝條件如下:浸提溫度73.73 ℃,水茶比22.12∶1 mL/g,浸提時間37.47 min,此條件下茶多酚的預測含量為15.52%。為了便于操作,浸提溫度設73.7 ℃,水茶比設22∶1 mL/g,浸提時間設37.5 min,在此條件下進行三組平行實驗,茶多酚含量平均值為15.46%±0.03%,與模型預測值15.52%接近,相對誤差為0.4%。

3 結論與討論

經單因素以及響應面優化實驗得出,采用超聲輔助從武夷巖茶茶梗中提取茶湯的最佳工藝條件為:超聲功率450 W、浸提溫度73.7 ℃,水茶比22∶1 mL/g和浸提時間37.5 min,在此最優工藝參數下提取茶湯,茶多酚含量達到最高,為15.46%±0.03%。

近年來提取茶湯的技術,出現了微波、超聲波、超高壓及酶法輔助等,不僅提高了提取效率,并在一定程度上解決了茶湯混濁、色澤褐變、香氣損失等問題。但是,目前大部分高新提取技術手段還集中在科研中,應用于大規模的工業生產中還存在一定的局限性[13]。因此,采用不同工藝針對不同品種的茶提取茶湯的工藝還有待繼續優化,并且在工業化生產中可能遇到的問題,還需要繼續深入探討和解決。

有研究表明,茶梗中總糖和游離氨基酸組分的含量也較高,利用價值高于低檔茶,香氣高于茶葉[8]。因此,在本實驗的基礎上,還可增設茶氨酸及茶多糖含量作為考察指標,深入優化從武夷巖茶茶梗中提取茶湯的工藝。

在本研究結果的基礎上,可繼續深入研發新產品,例如制備速溶茶粉,或添加桂花、菊花或谷物等輔料,配制不同風味特色的調味速溶茶,豐富茶產品的市場品種、提高產品創新性、同時減少環境污染、提高地方茶產業經濟效益。