超聲波和機械化學法輔助提取低值茶葉中茶多酚的工藝研究

邢子玉，高夢祥

( 長江大學生命科學學院，湖北 荊州434025)

茶葉深加工綜合利用是提高茶葉資源利用率、提升經(jīng)濟效益和企業(yè)核心競爭力的重要手段。在我國的茶葉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)量約30% 的名優(yōu)茶產(chǎn)值占毛茶總產(chǎn)值的70% 以上[1]。一方面說明名優(yōu)茶開發(fā)適合市場需求，對茶葉產(chǎn)業(yè)的貢獻度大，另一方面也可以看出，70%的茶葉價值很低，屬于低值產(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常不合理。而且茶葉加工過程中約形成 2%～4% 的副產(chǎn)物，如茶末、茶莖等，造成茶葉資源浪費。名優(yōu)茶加工一般是利用嫩度高的春季原料，而70%的低值茶葉卻是成熟度較高的夏、秋季原料生產(chǎn)的。從茶葉化學成分含量分析，成熟度較高的夏、秋季原料的主要功能物質(zhì)如多酚類等含量甚至比嫩度高的春季原料更高。其之所以低值，是因為其中存在影響口感的刺激性物質(zhì)，而不是因為它的功能成分低下[2]。

茶葉主要功能成分包括茶多酚、氨基酸、茶葉多糖、茶皂素等許多功能物質(zhì)，需要在一定劑量和濃度的條件下才能表現(xiàn)出其生理活性，在低濃度時其生理活性很低或者不穩(wěn)定[3]。深加工過程就是對茶葉中生物活性物質(zhì)進行分離、純化和富集的過程，以獲得高純度的生物活性物質(zhì)，使其在功能食品、藥品和工業(yè)行業(yè)得到合理和高效的利用。然而，傳統(tǒng)的茶葉功能成分分離和制備技術(shù)( 如煎煮法、浸漬法、滲漉法、回流提取法等)存在諸多如成本高昂、功能成分氧化、化學殘留以及加工過程的廢棄物排放等需要進一步改進的地方[4,5]。功能成分綠色制備技術(shù)的開發(fā)是解決上述問題的重要手段，也是今后茶葉深加工利用的重要方向。機械化學法正是這樣的功能成分綠色制備技術(shù)，該技術(shù)通過機械粉碎使植物材料微粉化，增加顆粒比表面積，破碎細胞壁，暴露有效成分，在物料表面形成新鮮切面，固相化學助劑在新鮮切面上與有效物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，有效成分被修飾，從而改變了有效成分的溶解特性，進而提高了這些成分在特定溶劑的溶出率[6]。機械化學法能使得茶葉在傳統(tǒng)的沖泡方法中不能完全利用的許多功能或功效得到充分溶出，具有成本低廉、可能多地保留功能成分、無化學殘留、減少廢棄物排放等優(yōu)點，是一項發(fā)展前景十分廣闊的新技術(shù)。

本研究以茶葉加工中的下腳料為研究對象，分別采用熱水浸提法、超聲波輔助提取法、機械化學輔助提取法、超聲波和機械化學輔助法提取茶葉中茶多酚，并對4種提取方法進行比較，以為低值茶葉的利用提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1　材料、儀器與試劑

汲明綠茶末由湖北汲明茶葉有限公司提供。

主要設(shè)備：LG-500A高速萬能粉碎機( 瑞安百信藥機械廠產(chǎn)品)；UV-1800可見分光光度計( 上海圣科儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品)；JPCT300-全數(shù)字超聲波發(fā)生器( 武漢嘉鵬電子有限公司產(chǎn)品)；RE-2000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀( 上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)品)；TL-18M臺式高速冷凍離心機( 上海市離心機械研究所產(chǎn)品)；AVY-220電子天平( 上海精密科學儀器有限公司產(chǎn)品)。

主要試劑：茶多酚標準品、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀( 均為分析純)；95%乙醇、無水乙醇、硫酸亞鐵、酒石酸鉀鈉、無水碳酸鈉、氫氧化鈉、四硼酸鈉、稀鹽酸( 均為化學級)。

1.2　試驗方法

1.2.1茶多酚標準曲線的建立

分別吸取茶多酚標準溶液1.0、2.0、3.0、4.0mL于容量瓶中，均加水至10mL，再加酒石酸亞鐵溶液10mL，加入pH為7.5的磷酸緩沖液至刻度，混勻后，用1cm比色皿，以空白試劑作對照，于波長540nm處測定光密度，得出茶多酚質(zhì)量濃度(x，mg/mL)與光密度(y)的線性回歸方程y= 0.118x-0.002 (R2=0.998)。

1.2.2含堿助劑的茶葉細粉的制備

稱取茶葉下腳料150g,平均分為3組，按照堿助劑( NaOH+Na2B4O7、NaHCO3+Na2B4O7和Na2CO3+Na2B4O7，其中NaOH、NaHCO3、Na2CO3與Na2B4O7質(zhì)量比均為1︰2)與茶葉下腳料質(zhì)量比為6%、8%和10%，分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的堿助劑與茶葉下腳料混合，投入設(shè)備中研磨至物料粒度D≤44μm備用。

1.2.3pH的確定

稱取含有堿助劑Na2CO3+Na2B4O7( 質(zhì)量比1∶2)且堿助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比為8%的茶葉細粉1.4g，平均分為7份裝入150mL錐形瓶中，各加入30mL水，放置于超聲波發(fā)生器中，設(shè)置功率為50W，超聲波處理時間為30min，4000r/min離心10min，取上清液，將沉淀再加30mL水充分混勻后再離心1次，合并上清液，用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0等7個水平，然后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀分別將溶劑蒸干，加入95%乙醇40mL溶解過濾，然后將濾液用95%乙醇定容至50mL，按照測定標準曲線的方法測定光密度，計算出茶多酚含量，選出最佳pH。

1.2.4超聲波功率對茶葉茶多酚提取率的影響

稱取含有堿助劑Na2CO3+Na2B4O7( 質(zhì)量比1∶2)且助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比為8%的茶葉細粉1.0g，平均分為5份裝入150mL錐形瓶中，加水60mL，放置于超聲波發(fā)生儀中，分別在超聲波功率為10、30、50、70W和90W 5個水平下處理25min，測定光密度，計算茶多酚提取率。

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1.2.5提取時間對茶葉茶多酚提取率的影響

稱取含有堿助劑Na2CO3+Na2B4O7( 質(zhì)量比1∶2)且助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比為8%的茶葉細粉1.2g，平均分為6份裝入150mL錐形瓶中，加水60mL，放置于超聲波發(fā)生儀中，設(shè)置超聲波功率為50W，在超聲波作用時間為10、20、25、30、35min和40min 6個水平進行處理，分別測定光密度，計算茶多酚提取率。

1.2.6料液比對茶葉茶多酚提取率的影響

稱取含有堿助劑Na2CO3+Na2B4O7( 質(zhì)量比1∶2)且助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比為8%的茶葉細粉1.0g，平均分為5份裝入150mL錐形瓶中，加入不同體積的水，使其料液比( g/mL)分別為1∶20、1∶30、1∶60、1∶100和1∶150 5個水平，放置于超聲波發(fā)生儀中處理，分別測定光密度，計算茶多酚提取率。

1.2.7堿助劑含量對茶葉茶多酚提取率影響

分別稱取含有堿助劑Na2CO3+Na2B4O7( 質(zhì)量比1︰2)且堿助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比4%、6%、8%、10% 和12% 5個水平下的茶葉細粉各0.2g，分別裝入150mL錐形瓶中，放置于超聲波發(fā)生儀中處理，測定光密度，計算茶多酚提取率。

1.2.8不同提取方法對茶葉茶多酚提取率的影響

1)超聲波輔助提取法茶葉下腳料不加堿助劑超微粉碎后，精確稱取細粉0.2g裝入150mL錐形瓶中加水30mL，放置于超聲波發(fā)生儀中處理，設(shè)置功率50W，超聲波處理時間25min，4000r/min離心10min，取上清液，將沉淀再加30mL水充分混勻后再離心1次，合并上清液，調(diào)節(jié)pH為4，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將溶劑蒸干，然后用95%乙醇溶解過濾，且用95%乙醇定容到50mL，測定光密度，計算茶多酚提取率。

3)超聲波和機械化學輔助提取法茶葉下腳料加堿助劑Na2CO3+Na2B4O7( 質(zhì)量比1∶2)且堿助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比分別為8%超微粉碎，精確稱取細粉0.2g裝入150mL錐形瓶中，加水30mL，放置于超聲波發(fā)生器中，設(shè)置功率50W，超聲波處理時間25min，4000r/min離心10min，取上清液，將沉淀再加30mL水充分混勻后再離心1次，合并上清液，調(diào)節(jié)到pH為4，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將溶劑蒸干，然后用95%乙醇溶解過濾，且用95%乙醇定容到50mL，測定光密度，計算茶多酚提取率。

2　結(jié)果與分析

2.1　堿助劑的篩選

當堿助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比為6%、8% 和10% 時，3 種備選堿助劑與茶葉茶多酚提取率的關(guān)系如表1所示。由表1可以看出，當堿助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比相同時，堿助劑Na2CO3+Na2B4O7作用下的光密度較大，即提取的茶多酚質(zhì)量最大，造成這種結(jié)果的原因可能是NaOH堿性太大，茶葉中溶出的雜質(zhì)增多，影響了茶多酚的溶出；而NaHCO3作用下的茶多酚提取率較低，可能是其堿性太弱，茶多酚類化合物沒有充分溶出。同時也可以看出，茶葉茶多酚提取率在堿助劑含量達到 8% 時最大。因此后續(xù)研究選用堿助劑Na2CO3+Na2B4O7。

表1　不同堿助劑與茶葉質(zhì)量比下的光密度

2.2　pH的確定

由表2可知，pH在3.5～4.5 范圍內(nèi)光密度相對趨于平緩，當pH值為4時樣品溶液有最大光密度，造成這個結(jié)果的原因可能是當pH>4.5時，茶多酚鹽類化合物沒有充分反應(yīng)，還有部分茶多酚類化合物沒有游離出來，當pH<3.5時，光密度下降明顯，很可能是因為茶多酚類化合物在強酸條件下不穩(wěn)定。

表2　不同pH下的光密度

2.3　超聲波功率對茶葉茶多酚提取率的影響

圖1　不同超聲波功率下的茶多酚提取率

超聲波功率對茶葉茶多酚提取率的影響規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，當其他條件相同時，超聲波功率為50W時，茶葉茶多酚提取率最高。

2.4　超聲波處理時間對茶葉茶多酚提取率的影響

超聲波處理時間對茶葉茶多酚提取率的影響規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，茶葉茶多酚提取率先隨著超聲波處理時間的增大而提高，當處理時間大于25min后，提取率趨于平緩。

2.5　料液比對茶葉茶多酚提取率的影響

料液比對茶葉茶多酚提取率的影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，隨著溶劑用量增大，茶葉中茶多酚提取率增大，當料液比小于1︰60g/mL后，提取率增加幅度不明顯，考慮生產(chǎn)成本和后續(xù)處理，料液比取1︰60g/mL。

圖2 不同超聲波處理時間下的茶多酚提取率圖3 不同料液比的茶多酚提取率

2.6　不同提取方法對茶葉茶多酚提取率影響

模擬人們平時喝茶，以80℃水浸泡25min(料液比為1∶60g/mL)，測定其茶湯的光密度，再與超聲波輔助提取法、機械化學輔助提取法、超聲波和機械化學輔助提取法提取法的光密度對比，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，采用超聲波和機械化學輔助提取法提取茶葉茶多酚，不僅提高了茶多酚提取率，而且實現(xiàn)了用水高效提取，同時說明了此種方法在茶多酚提取過程中具有很好的發(fā)展前景。

表3　不同提取方法下的光密度

3　結(jié)論

1)3 種備選助劑，Na2CO3+Na2B4O7作用情況下，茶葉下腳料茶多酚提取率最高；按堿助劑與茶葉下腳料質(zhì)量比為8%進行超微粉碎時，茶多酚提取率有最大值。

2)超聲波和機械化學輔助提取法提取茶葉中茶多酚比熱水浸提法、超聲波輔助提取法和機械化學法輔助提取法的提取率更高。

3)機械化學輔助提取法的優(yōu)勢是將茶多酚轉(zhuǎn)換成能溶于水的鹽類，然后在弱酸性環(huán)境中使茶多酚重新游離出，從而實現(xiàn)了用水提取茶葉中茶多酚。超聲波輔助提取法是利用超聲波的空化效應(yīng)使茶葉細胞中茶多酚更易于流出。本研究將2種提取方法綜合起來提取茶葉茶多酚，提取率增加，達到了預(yù)期的效果。

[參考文獻]

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