基于響應(yīng)面法優(yōu)化茶葉中有效成分的提取工藝

陳雨萌，龍凱花

（西安培華學(xué)院，陜西西安710125）

茶葉中含有豐富的有效成分，有些是人體所必需的營(yíng)養(yǎng)成分。但因茶葉中有效成分含量較低，從茶葉中如何高效提取出有效成分成為近年來(lái)的研究重點(diǎn)。

響應(yīng)面方法（response surface methodology，RSM）[1]是一種有效的統(tǒng)計(jì)方法，它是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型解決受多個(gè)因素影響的最優(yōu)組合問(wèn)題，該方法可以全面，有效地檢查范圍更廣的因素組合。可有效降低成本、優(yōu)化加工條件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物、化學(xué)及食品等領(lǐng)域。該方法是采用多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)滿足最優(yōu)工藝參數(shù)。Box-Benhnken設(shè)計(jì)是響應(yīng)面法中常用的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)因具有因素水平少、實(shí)驗(yàn)次數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在食品工業(yè)中已得到了較大關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，響應(yīng)面法具有實(shí)驗(yàn)周期短、精密度高等優(yōu)點(diǎn)，使處方優(yōu)化更具預(yù)測(cè)性、科學(xué)性和合理性[2]。

1 響應(yīng)面優(yōu)化茶葉中茶多酚的提取工藝

茶多酚廣泛分布在茶樹中，各組織含量不同[3]是一種從茶葉中提取的天然抗氧化劑[4]。劉鎮(zhèn)敏[5]采用水溶液浸提法提取茶葉中茶多酚，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得出最佳條件的反應(yīng)溫度81.3℃，液料比為25.6mL/g，反應(yīng)時(shí)間為2.55h，該條件下茶多酚提取率為21.17%。喻俊[6]等人以都勻毛尖為原料，采用超聲波輔助提取都勻毛尖茶多酚，利用分光光度法測(cè)定含量，選擇茶水比、提取時(shí)間、提取溫度為影響因素，以茶多酚提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面析。在單因素試驗(yàn)中確定了最佳提取時(shí)間、茶水比、提取溫度。根據(jù)結(jié)果結(jié)合Box-Behnken design中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以茶水比、提取時(shí)間、提取溫度為響應(yīng)變量，以茶多酚提取率為響應(yīng)面值，設(shè)計(jì)三因素三水平17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，三個(gè)因素對(duì)茶多酚提取率的影響程度最大的為提取時(shí)間，其次是提取溫度，最后是茶水比。通過(guò)得出的模型，超聲波輔助提取茶多酚的最優(yōu)條件是茶水比為1：50（g：mL），提取時(shí)間為4min，提取溫度為100℃，提取率為30.15%。用優(yōu)化的提取工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)三次重復(fù)驗(yàn)證，平均得率為30.10%，與理論偏差小于0.33%。結(jié)果說(shuō)明優(yōu)化后的提取工藝能較好的提高都勻毛尖的提取率。

2 響應(yīng)面法優(yōu)化茶葉中茶多糖提取工藝

茶多糖是茶葉中僅次于茶多酚的重要生物活性物質(zhì)，楊宇平[7]等人在安吉白茶中提取茶多糖的工藝上，運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝。以料液比（A）、超聲時(shí)間（B）和提取次數(shù)（C）為三個(gè)自變量，白茶多糖提取得率（Y）為響應(yīng)值。使用響應(yīng)面法對(duì)其所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了多元回歸擬合，得到白茶多糖提取率與三個(gè)自變量的二元多項(xiàng)回歸方程。對(duì)方程的分析中，根據(jù)方程各變量系數(shù)的大小得知在其三個(gè)因素當(dāng)中，對(duì)提取得率的影響程度最大的是提取次數(shù)，其次是料液比和超聲時(shí)間。在對(duì)響應(yīng)面法分析時(shí)，根據(jù)各因素所選取的范圍并結(jié)合實(shí)際操作考慮后，確定了白茶多糖的最優(yōu)提取工藝為料液比1∶62（g/mL），超聲時(shí)間 94 min，提取次數(shù)3次。用優(yōu)化后的提取工藝進(jìn)行重復(fù)提取三次，驗(yàn)證了回歸方程的準(zhǔn)確度，說(shuō)明了響應(yīng)面法優(yōu)化白茶多糖提取工藝具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

張秀紅[8]等人以茉莉花茶為供試材料，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Box-Benhnken的中心組合設(shè)計(jì)，選定溫度、水料比和沉淀茶多糖時(shí)所用的乙醇濃度3個(gè)因素分別選3水平進(jìn)行中心組合實(shí)驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，擬合出數(shù)學(xué)模型。利用該函數(shù)關(guān)系來(lái)優(yōu)化茶多糖提取條件，最終確定茶多糖的最佳浸提條件為：浸提溫度100℃；水料比為26.8；乙醇濃度為90%。在該條件下茶多糖得量有所提高，且驗(yàn)證值為7.861 0 mg/g，比單因素最高提取率高25.6%，結(jié)果表明響應(yīng)面法可有效用于茉莉花茶中茶多糖提取方法的優(yōu)化。

3 響應(yīng)面法優(yōu)化不同花色白茶浸提工藝

李磊磊[9]等人以2014年福鼎大白菜品種、春季所制得的白毫銀針、白牡丹和壽眉三種白茶為實(shí)驗(yàn)材料為原料，通過(guò)在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化三種不同花色白茶浸提工藝，建立了不同花色白茶浸提液感官評(píng)價(jià)與浸提溫度、浸提時(shí)間和液料比因子的回歸方程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，白毫銀針最優(yōu)浸提工藝參數(shù)為浸提溫度為80℃、浸提時(shí)間為49 min、液料比為17.50∶1 mL/g。白牡丹最優(yōu)浸提工藝參數(shù)為浸提溫度為90℃、浸提時(shí)間為50 min、液料比為17.50∶1 mL/g。壽眉最優(yōu)浸提工藝參數(shù)為浸提溫度為100℃，浸提時(shí)間為53 min，液料比為16.00∶1 mL/g。通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化浸取工藝，可以有效控制用水量，降低了工藝成本，方法可行。

4 響應(yīng)面法優(yōu)化茶葉中黃酮化合物提取工藝

研究表明，黃酮類化合物是重要的抗氧劑，具有抗腫瘤活性、降壓等作用[10-11]。陳根生[12]等人對(duì)龍井中黃酮類化合物的提取工藝進(jìn)行研究，在單因素試驗(yàn)中，研究不同體積比甲醇溶液、提取溫度、浸提時(shí)間對(duì)黃酮化合物浸出含量的影響。在此基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 7.0軟件和Box-Behnken設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，并建立數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的最佳提取工藝條件甲醇體積分?jǐn)?shù)61.68%、提取溫度61.54℃、提取時(shí)間82.79 min。優(yōu)化后的提取液中黃酮化合物的含量有所提高。

利用響應(yīng)面法優(yōu)化茶葉中有效成分的提取工藝，可以使有效成分的提取率大大提高，降低了工業(yè)成本，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。響應(yīng)面法不僅能夠獲得最佳的工藝參數(shù)組合，還能有效揭示不同實(shí)驗(yàn)因素之間的交互影響關(guān)系，可以為工藝生產(chǎn)提供理論依據(jù)，起到較好的指導(dǎo)作用[13]。