用响应面法优化超临界CO2脱除绿茶咖啡因工艺研究

陈日春

（1.福州市食品工业研究所，福建 福州 350013；2.福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350002）

用响应面法优化超临界CO2脱除绿茶咖啡因工艺研究

陈日春1，2

（1.福州市食品工业研究所，福建 福州 350013；2.福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350002）

以咖啡因脱除率为指标，在单因素试验的基础上，利用二次正交旋转组合设计与响应面法优化超临界CO2脱除绿茶咖啡因的工艺参数，考察了萃取压力、萃取温度和萃取时间对咖啡因脱除率的影响，并确定了回归模型.结果表明：回归方程极显著，拟合性好；脱除绿茶咖啡因的最优工艺参数为茶叶含水率40%、萃取压力30 MPa、萃取温度60℃、萃取时间150 min；在最佳工艺条件下，咖啡因脱除率为87.19%.

超临界CO2；萃取；绿茶；咖啡因；响应面法

0 前言

茶叶中含有咖啡因、茶碱及可可碱等生物碱类化合物，其中，咖啡因是主要呈味物质和生理活性组分，占茶叶干质量的2.0%～5.0%[1]，适量摄入可刺激人体中枢神经兴奋[2]，有提神醒脑之功效[3]，但是过量摄入会引发不适症状，易增加血压[4]，甚至致突变[5]及引起婴儿早产[6]，有碍于人体健康.近年来，美国和日本等发达国家对茶制品中咖啡因的含量作出了明文规定[7].为此，茶叶咖啡因的脱除工艺备受国内外相关工作者关注.

超临界CO2流体萃取技术（Supercritical CO2Fluid Extraction,SCFE）是20世纪中后期发展起来的一项利用处于高临界温度和压力状态下的流体与待分离物质接触，并依次有选择性地将极性大、沸点高和分子质量大的成分萃取出来的化工分离新技术[8-9].它具有选择性高、溶解能力强、无毒无害、工艺过程简单、产品纯度高等优点[10]，已广泛应用于化工、冶金、食品、香料、医药、生物等深加工领域[11-13].但利用该技术脱除茶叶中咖啡因的研究主要集中在红茶和黑茶上，如Furukawa等[14]用超临界CO2流体脱除黑茶中的咖啡因等，但在绿茶，尤其是炒青绿茶脱咖啡因上的应用报道相对较少[15].

笔者以炒青绿茶为原料，以咖啡因脱除率为评价指标，利用二次正交旋转组合设计和响应面法优化炒青绿茶咖啡因脱除工艺，为低咖啡因绿茶工业化提供指导，同时为相关研究提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

炒青绿茶：购自安溪农茶厂，三级，含水率6.34%.

HA120—50—01（02）超临界萃取装置：南通市华安超临界萃取有限公司，萃取釜容积1～5 L，萃取压力 0～50MPa，操作温度 0～75℃，最大流量 0～50L/h.

1.2 方法

绿茶的预处理[16-17]：取适量的炒青绿茶，适度粉碎，加入相应量的蒸馏水，于常温下放置2 h，使水分均匀分布，备用.

脱咖啡因处理：经过查阅大量的资料和预试验，选用超临界CO2萃取技术对炒青绿茶进行脱咖啡因处理，其装置图如图1所示[18].

图1 超临界CO2萃取装置示意图

茶叶含水率的测定[19]：准确称取试样4.0 g，厚度不超过 5.0 mm，将试样置于蒸发皿中，于105.0℃鼓风干燥箱中干燥约5.0 h后取出，于蒸发皿中冷却30.0 min，称重，再干燥60.0 min，冷却后称重，至两次质量差不超过5.0 mg时止.试验重复3次，取平均值.按式1计算茶叶含水率.

式中，m1为试样干燥前的质量，g；m2为试样干燥后的质量，g.

咖啡因含量的测定：参照GB/T 8312-2002.

式中，C为据试样的吸光度值换算成的咖啡因质量浓度，mg/mL；M为试样质量，g；m为试样干物质的百分含量；m1为试样脱咖啡因处理后的咖啡因含量，mg；m2为试样脱咖啡因处理前的咖啡因含量，mg.

2 结果与分析

2.1 单因素试验及分析

在预试验的基础上，考察茶叶含水率、萃取压力、萃取温度和萃取时间对茶叶咖啡因脱除率的影响.

2.1.1 茶叶含水率对绿茶咖啡因脱除率的影响

制备含水率分别为 6.34%（干茶）、18.50%、30.00%、40.86%和50.67%的茶叶样品，分别用超临界CO2萃取技术脱除茶叶中的咖啡因，得到茶叶含水率与咖啡因脱除率的关系，见图2.

图2 含水率对绿茶咖啡因脱除率的影响

从图2可以看出，干茶的咖啡因脱除率仅为5.50%，主要是由于干茶中水分含量相对较低，且多以结合态存在，其将茶叶中的咖啡因束缚起来，形成较强的结合力，使得咖啡因难以被超临界CO2所萃取.随着茶叶中含水率的增加，咖啡因脱除率也随之明显提高，此结果与冯耀声[20]的研究结果基本一致.这主要是由于随着茶叶水分含量的增加，茶叶中自由水比重逐渐增大，咖啡因逐渐游离出来，基质对咖啡因的束缚力也随之减小.此外，由于超临界CO2流体具有优良的溶解能力，可与茶叶中的结合水形成共溶剂，从而提高茶叶咖啡因的溶出率.含水率为40.86%时，咖啡因脱除率最大，随后逐渐降低.分析原因可能是由于随着茶叶含水率的增加，体系中自由水含量也随之增加，过量的自由水在茶叶表面形成一层近似连续相的水膜，从而阻碍了咖啡因的溶出，降低了咖啡因的脱除效率.结合预试验，茶叶含水率最终取值为40.0%.

2.1.2 萃取压力对绿茶咖啡因脱除率的影响

萃取压力是影响超临界萃取过程的重要参数之一.随着萃取压力的增大，CO2流体的密度随之增大，咖啡因的溶解能力逐渐增强.在萃取压力为15、20、25、30 和 35 MPa的条件下，考察了萃取压力对咖啡因脱除率的影响，结果见图3.由图3可见，随着萃取压力的增大，绿茶咖啡因脱除率明显提高.但是过高的萃取压力对萃取设备的性能要求也相对更高.综合考虑，萃取压力选取在25～30 MPa范围内较佳.

图3 萃取压力对绿茶咖啡因脱除率的影响

2.1.3 萃取温度对绿茶咖啡因脱除率的影响

在萃取温度为 35、45、55、65 和 75 ℃下，考察萃取温度对绿茶咖啡因脱除率的影响，结果如图4所示.

图4 萃取温度对绿茶咖啡因脱除率的影响

由图4可看出，随着萃取温度的升高，咖啡因脱除率呈先增后减的趋势.分析原因主要是由于随着萃取温度的升高，茶叶中的水分蒸发速率也随之加快，这就增加了水分与超临界CO2的接触机会，从而形成共溶剂.温度越高，分子运动速度越快，共溶剂与咖啡因缔合的几率逐步增大，咖啡因在超临界CO2流体中的溶解度即随之增加，同时，减弱了茶叶中基质和风味组分对咖啡因的束缚，使得咖啡因逐渐从茶叶中释放出来，并溶解于超临界CO2流体中.当温度超过65℃后，CO2的密度降低，超临界流体的溶解度降低，咖啡因脱除率逐渐降低，而茶叶中的咖啡因含量仍呈下降趋势.但是，过高的萃取温度易使茶叶色泽黯淡，且易产生不良风味，无法确保茶叶品质的稳定性.因此，萃取温度以55℃左右为宜.

2.1.4 萃取时间对绿茶咖啡因脱除率的影响

在相同萃取条件下，考察不同萃取时间对咖啡因脱除率的影响，结果见图5.由图5可看出，萃取30～150 min，咖啡因较易溶出，咖啡因脱除率上升较快，随着萃取时间的延长，咖啡因脱除率增加趋势变缓.这主要是由于在萃取初期，超临界流体可提供足够的溶剂溶解咖啡因，随着萃取时间的延长，咖啡因与茶叶中的基质结合力逐渐增强，溶出率也随之降低，同时，咖啡因在超临界流体中的溶解度逐渐趋于饱和，因此，在萃取后期，尽管咖啡因脱除率仍呈增长趋势，但增幅明显降低.萃取时间过长，不仅易带来大量的能源损耗，也易对低咖啡因绿茶品质产生不良影响.因此，萃取时间在150～210min以内制得的低咖啡因绿茶品质较优.

图5 萃取时间对绿茶咖啡因脱除率的影响

2.2 响应面设计与结果

为了制得品质更优的低咖啡因绿茶，根据三元二次正交旋转组合设计原理，在单因素试验的基础上，选取萃取压力（X1，MPa）、萃取温度（X2，℃）和萃取时间（X3，min）为参试因子，以咖啡因脱除率为评价指标，设计3因素3水平的响应面分析方法，共23个试验点，其中，试验编号1～14为析因点，即自变量X1、X2和X3所构成的三维顶点；试验编号15～23为零点，即区域的中心点，重复试验，用以估算试验误差.试验方案及结果见表1.

利用Design Expert 7.1.6统计分析软件对表1的试验结果进行回归分析，得到方差分析表（见表2）和二次回归方程:Y=67.13+1.43X1+3.54X2+1.74X3-0.23X12+1.86X22+0.60X32+2.00X1X2+0.25X1X3-1.35X2X3.由表 2可知，二次回归模型的 F值为13.728 5，P＜0.000 1，极为显著，说明该模型与实际结果相拟合，且检验结果显著；失拟项 F值为0.984 5，P=0.482 2（P＞0.05），R2=0.904 8.由此可见，该模型拟合程度较好，适应于本反应性状分析.

2.3 响应面及等高线分析

由回归模型转换并作出交互项的响应面图，考察所拟合的响应面形状，分析萃取压力、萃取温度和萃取时间对炒青绿茶咖啡因脱除率的影响，其响应面和等高线见图6-图8.结合响应面和等高线可看出，在所选范围内存在极值，萃取压力和萃取温度交互作用较强，而萃取压力和萃取时间交互作用较弱.结合试验，并由响应面和数据处理结果得出，当 X1=30 MPa、X2=60 ℃、X3=150 min，即萃取压力30 MPa、萃取温度60℃、萃取时间150 min时，咖啡因脱除率最大值为87.29%.

表1 试验设计与结果

表2 方差分析表

以萃取压力30 MPa、萃取温度60℃、萃取时间150 min的优化工艺参数进行验证试验，试验重复3次，参照绿茶脱咖啡因处理方法制备低咖啡因绿茶试样，在测定其咖啡因脱除率的同时，对萃取后的茶叶理化指标及感官品质进行测定，并与原炒青绿茶进行对比试验，结果如表3所示.

图6 萃取压力和萃取温度对咖啡因脱除率影响的响应面和等高线图

图7 萃取压力和萃取时间对咖啡因脱除率影响的响应面和等高线图

图8 萃取压力和萃取时间对咖啡因脱除率影响的响应面和等高线图

表3 验证试验结果

由表3可看出，绿茶咖啡因脱除率验证值为87.19%，与优化试验结果相当；经过脱咖啡因处理的炒青绿茶，咖啡因含量明显降低，且炒青绿茶茶多酚和氨基酸流失较少，产品感官无明显差异.

3 结论

通过单因素试验和二次正交旋转组合设计研究了茶叶含水率、萃取压力和萃取温度等工艺参数对咖啡因脱除率的影响，并利用响应面分析法建立了超临界CO2脱除绿茶咖啡因的二次多项数学模型，经检验证明模型是合理可靠的.同时利用模型的响应面对影响咖啡因脱除率的关键因素及其相互作用进行了探讨，得到了超临界脱除茶叶咖啡因的最佳工艺：茶叶含水率40%，萃取压力30 MPa、萃取温度60℃、萃取时间150 min，绿茶咖啡因脱除率为87.19%.

本工艺条件可用于低咖啡因茶饮料的制备，并已实现产业化；同时，作者正研究将所萃取出的咖啡因应用于功能性饮品中，以满足不同消费者对茶饮品的需求，不仅有助于提高茶叶的综合利用率，还有利于提高其附加值.

［1］安徽农学院.茶叶生物化学［M］.2版.北京：农业出版社，1984：72.

［2］Smith A.Effects of caffeine on human behavior［J］.Food and Chemical Toxicology，2002，40（9）：1243-1255.

［3］Shilo L，Sabbah H，Hadari R，et al.The effects of coffee consumption on sleep and melatonin sectretion［J］.Sleep Med，2002，3（3）：271-273.

［4］Lane J D，Philips Bute B G，Kuhn C M.Caffeine affects cardiovascular and neuroendocrine activation at work and home［J］.Psychosomatic Medicine，2002，64（4）：595-603.

［5］张清林.咖啡和咖啡因的致突变作用［J］.中国公共卫生，1995，11（4）：162-164.

［6］Wen W Q，Shu X O，Jacobs D R，et al.The associations of maternal caffeine consumption and nausea with spontaneous abortion［J］.Epidemology，200l，12（1）：38-42.

［7］商业部茶叶畜产局，商业部杭州茶叶加工研究所.茶叶品质理化分析［M］.上海：上海科学技术出版社，1989：99-100.

［8］张宏达.茶树植物资源的订正［J］.中山大学学报：自然科学版，1984，23（1）：1-12.

［9］徐莉扬，徐琳.超临界流体萃取技术在茶叶领域的应用概况［J］.辽宁医药，2008，23（1）：26-29.

［10］冯耀声，李军.茶多酚的超临界萃取法研究［J］. 浙江化工，1995，26（4）：10-13.

［11］包焕升，夏书申.超临界流体萃取技术及其应用［J］.中国调味品，1992，92（6）：1-3.

［12］岳松，马力.超临界流体萃取技术及其在食品工业中的应用［J］.四川工业学院学报，2002，21（3）：73-75.

［13］王艳萍，汪心想，任保增.超临界流体萃取技术的应用［J］.河南化工，2009，26（12）：25-27.

［14］Furukawa S，Watanabe T，Tai T.Effect of high pressure gaseous and supercritical carbon dioxide treatments on bacterial spores［J］.Biocontrol Science，2003，8（2）：97-100.

［15］林郑和.超临界流体萃取技术在茶叶研究中的应用［J］.茶叶科学技术，2007（2）：4-5.

［16］赵卉，杜晓.减压升华脱除绿茶中的咖啡碱［J］.四川农业大学学报，2008，26（1）：53-58.

［17］岳鹏翔，吴守一.用超临界CO2脱除绿茶中咖啡碱的试验研究［J］.茶叶科学，2002，22（2）：131-134.

［18］Gehrig，Manfred.Process for the production of decaffeinated tea：US，4938977［P］.1990-07-03.

［19］中华人民共和国卫生部药典委员会，中华人民共和国药典（第二部）［M］.北京：化学工业出版社，人民卫生出版社，2000：387.

［20］冯耀声，胡望月.超临界CO2萃取茶叶中咖啡因的研究［J］.科技通报，1994，10（1）：33-37.

OPTIMIZATION OF GREEN TEA CAFFEINE REMOVAL PROCESS BY SUPERCRITICAL CO2EXTRACTION USING RESPONSE SURFACE METHODOLOGY

CHEN Ri-chun1,2
（1.Fuzhou Food Industry Research Institute,Fuzhou 350013， China;2.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002， China）

Taking the caffeine removal rate as the index,the paper optim ized the green tea caffeine removal process using quadratic-orthogonal-rotation-combination design and response surfacemethodology,and studied the effects of extraction pressure,extraction temperature and extraction time on the caffeine removal rate,and also determ ined the regression model.The results showed that the regression equation was significant and had excellent goodness of fit;the optim ized conditions for removing caffeine from green tea were water content 40%,extraction pressure 30 MPa,extraction temperature 60℃,and extraction time 150 m in;under the optimized conditions,the caffeine removal rate reached 87.19%.

supercritical CO2； extraction;green tea； caffeine； response surfacemethodology

TS272.5;TS 201.1

B

1673-2383（2011）03-0045-06

2011-01-12

陈日春（1960-），男，福建福州人，博士研究生，高级工程师，研究方向为农副产品深加工.