微波辅助下红茶色素提取工艺的优化

王雪梅，张东东，刘 霞，赵蝴蝶，洪国英，易 帆

(1.兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050； 2.太原理工大学 轻纺工程学院， 山西 晋中 030600)

我国是产茶大国，茶叶年产量、销量更是达到了几百万吨[1]，但由于气候、储存方式、加工方式等因素导致大量茶叶品质降低，不宜饮用。直接废弃低质量茶叶会造成有效资源的浪费，若能够再次回收利用这类茶叶，不仅能够降本增效，而且能够减少资源的浪费。

红茶作为六大茶类饮品之一，其中富含的色素类物质在医疗保健领域具有广泛应用，茶色素对预防和治疗“三高”、癌症、血管类疾病具有很好的功效[2-3]；在食品方面，茶色素具有抑菌、延长食品保质期、替代化学着色剂的作用[4]；在处理废水方面，茶叶或者其残渣经过改性或者炭化之后对工业废水、生活污水、实验废水中的污染物具有一定的吸附作用[5]。

目前国内外对红茶色素的提取方法主要有960 W超声波提取法[6]、沸水浸提法、体外模拟氧化法、有机溶剂提取法等；但作用时间都在3min以上，且提取率最高为33.3%，大多数提取率在22%以下[7-9]，因此，研究能提高红茶色素提取率、降低提取时间、减少能源和资源消耗的提取工艺十分必要。

本文运用茶叶中的色素与其他物质对微波能量的吸收量不同，使色素吸收足够能量从茶叶上分离并转移到溶液中，并利用响应面Design-Expert 12.0.3 Trial 中的Box-Benhnken[10]试验原理对色素提取工艺进行优化，分析各因素对色素提取率的影响，得到简便高效的色素提取方法和工艺，以期使红茶色素在印染、保健、医药等领域的应用更加广泛。

1 试 验

1.1 试验器材

试验材料：废弃正山小种红茶(市购)、滤纸、保鲜膜、去离子水等。

试验药品：无水乙醇(分析纯，广州市锦源化学有限公司)。

试验仪器：WG700CTL型格兰仕微波炉(广东格兰仕集团)；DHG-9030A鼓风干燥箱(南京晓晓仪器设备有限公司)；中药粉碎机(武义海纳电器有限公司)；双杰JJ224BC电子天平(惠州市衡源电子有限公司)；180 μm(80目)标准筛等。

1.2 红茶色素的提取

1.2.1 单因素试验

以提取剂乙醇体积分数、固液比、微波作用时间、微波功率为红茶色素提取率的影响因素，设计方案如表1所示。

表1 单因素试验表Tab.1 Single factor test table

在常温常压条件下，将适量的红茶粉碎后用标准筛过滤，称取过滤后的红茶粉末2.5 g放入烧杯中，加入不同体积分数的提取剂乙醇溶液50 mL，用保鲜膜覆盖杯口并扎小孔，在不同微波功率和微波作用时间下进行色素提取，将提取好的溶液用滤纸过滤，并将滤渣烘干称量，根据式(1)计算红茶色素的提取率。

(1)

1.2.1.1提取剂乙醇体积分数的影响

在微波功率420 W、微波作用时间70 s、固液比1∶20的条件下，提取剂乙醇体积分数对红茶色素提取率的作用曲线如图1所示。由图1可知，色素提取率随提取剂体积分数的增大呈先升后降的趋势，并且较高体积分数的乙醇对红茶色素具有较大的降解作用，乙醇体积分数为70%时红茶色素提取率达到最大值。因此，选取响应面优化试验提取剂乙醇体积分数的3个水平为60%、70%、80%。

图1 提取剂乙醇体积分数的影响Fig.1 Influence of extraction agent ethanol volume fraction

1.2.1.2微波作用时间的影响

在提取剂乙醇体积分数70%、微波功率420 W、固液比1∶20的条件下，微波作用时间对红茶色素提取率的作用曲线如图2所示。由图2可知，色素提取率随着作用时间的增大呈先升后降的趋势，并且较长的作用时间对红茶色素也具有较大的降解作用，作用时间为60 s时色素提取率达到最大值。因此选取响应面优化试验微波作用时间的3个水平为50、60、70 s。

图2 微波作用时间的影响Fig.2 Effect of microwave action time

1.2.1.3微波功率的影响

在提取剂乙醇体积分数70%、微波作用时间70 s、固液比1∶20的条件下，微波功率对色素提取率的作用曲线如图3所示。由图3可知，色素提取率随微波功率的增大呈先升后降的趋势，并且较高的微波功率对色素也具有较大的降解作用，微波功率为420 W时色素提取率达到最大值。因此选取响应面优化试验微波功率的3个水平为280、420、560 W。

图3 微波功率的影响Fig.3 Influence of microwave power

1.2.1.4固液比的影响

在提取剂乙醇体积分数70%、微波作用时间70 s、微波功率420 W的条件下，固液比对色素提取率的作用曲线如图4所示。由图4可知，色素提取率随固液比的增大呈上升的趋势，并且在固液比为1∶25之后由于茶叶中色素含量的限制，使色素在溶液中的溶解度基本无变化。因此，选取响应面优化试验固液比的3个水平为1∶20、1∶25、1∶30。

图4 固液比的影响Fig.4 Influence of solid-liquid ratio

1.2.2 色素提取响应面优化试验设计

结合以上试验结果，以提取剂乙醇体积分数A、微波作用时间B、微波功率C、固液比D为响应面试验的4个因素，并结合软件中的Box-Benhnken原理，设计如表2所示的响应面试验因素水平表。

表2 红茶色素提取响应面优化试验因素水平表Tab.2 Factor levels of response surface optimization test for black tea pigment extraction

2 结果与讨论

2.1 红茶色素提取

2.1.1 响应面优化试验结果

依据以上试验所得结论，以红茶色素提取率为响应值，以提取剂乙醇体积分数、微波作用时间、微波功率、固液比为响应因子，其响应面优化试验结果如表3所示。

表3 响应面试验结果Tab.3 Response surface test results

2.1.2 响应面优化拟合分析

根据响应面软件[11-12]，对表3数据进行分析，得到红茶色素提取率Y与各影响因素的二次方程为：

(2)

表4示出模型的方差分析结果。由表4可知，响应面法预测的模型F值为4.830(P<0.05)，经检验显著性表明，模拟预测的回归方差达到显著水平，又因失拟项不显著(P= 0.058 5 > 0.05)，因此该模型可以用于此红茶色素提取率的预测和分析。在一次项中，作用功率(P< 0.000 1)极显著，其他不显著。在交互项中，均不显著。在二次项中，提取剂体积分数(P= 0.003 4 < 0.01)、作用功率(P= 0.000 5 <0.01)、固液比(P= 0.009 1 < 0.01)极显著，其他项不显著，因此，各项因素对色素提取率的影响作用并不是方程(2)所示的简单线性关系。

2.1.3 多因素交互分析

为探究各因素之间的交互作用对色素提取率的影响，由响应面软件得到如图5～10所示的交互作用图。由图5～10可知：微波功率与微波作用时间、微波功率与提取剂乙醇体积分数、固液比与微波功率之间的交互作用均不显著。再结合表4可知，各因素主次顺序为：微波功率>提取剂乙醇体积分数>微波作用时间>固液比。其中微波功率较大的F值和较小的P值说明微波功率对红茶色素的提取率影响最为显著，较小的波动就会使红茶色素的提取率发生较大的变化。

表4 红茶色素提取方差分析结果Tab.4 Results of variance analysis of black tea pigment extraction

图5 乙醇体积分数与微波作用时间交互作用图Fig.5 Interaction between ethanol volume fraction and microwave acting time.(a) Response surface; (b) Response plane

图6 微波功率与微波作用时间交互作用图Fig.6 Interaction between microwave power and microwave acting time. (a) Response surface;(b) Response plane

图7 微波功率与乙醇体积分数交互作用图Fig.7 Interaction diagram of microwave power and ethanol volume fraction.(a) Response surface;(b) Response plane

图9 固液比与微波作用时间交互作用图Fig.9 Interaction between solid-liquid ratio and microwave action time.(a) Response surface;(b) Response plane

图10 固液比与微波功率交互作用图Fig.10 Interaction diagram of solid-liquid ratio and microwave power.(a) Response surface;(b) Response plane

2.1.4 响应面优化结果

红茶色素提取工艺响应面优化结果如表5所示，得到响应面优化红茶色素提取工艺为：微波功率485.6 W、提取剂乙醇体积分数67.42%、微波作用时间61.58 s、固液比1∶23，此条件下色素提取率为36.29%。为便于操作，将理论数据修整为：提取剂乙醇体积分数67%、微波作用时间62 s、微波功率490 W、固液比1∶23，此条件下测得色素提取率为36.50%，与理论值基本吻合。

表5 色素提取工艺Design-Expert 软件优化结果Tab.5 Optimization results of pigment extraction process Design-Expert software

3 结 论

①优化的微波辅助乙醇溶液中红茶色素的提取工艺为：提取剂乙醇体积分数67%、微波作用时间62 s、微波功率490 W、固液比1∶23，各因素的影响顺序为：微波功率>提取剂乙醇体积分数>微波作用时间>固液比。且较大的微波功率、提取剂乙醇体积分数以及较长的微波作用时间对红茶色素具有降解作用，使得红茶色素提取率下降。

②与提取时间在3min以上、提取率在33.3%以下、以及需要加热的传统提取方法相比，该方法在很大程度上提高了红茶色素的提取率和提取效率，可有效利用天然废弃资源，减少提取过程中能源的消耗和提取时间及工艺成本。