阮懌航 吳亮宇 魯靜 黃秀紅 劉麗辰 林金科

摘要：[目的]探索一種綠色、環(huán)保、安全、高效的鐵觀音茶多酚提取新方法，為茶多酚綠色提取提供新的技術(shù)參考。[方法]以鐵觀音成品茶為原料，采用新型綠色溶劑——低共熔溶液提取茶多酚;首先篩選出最優(yōu)的低共熔溶液提取體系，然后在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化，研究時間、溫度、溶液含水率對提取率的影響，得出最佳提取條件并分析其主要成分;最后通過測定DPPH自由基清除率分析茶多酚的抗氧化能力。[結(jié)果]篩選出最適的茶多酚低共熔溶液提取體系為：乳酸一甜菜堿，其次得到最佳單因素提取條件為提取時間40min、提取溫度60℃、含水率30%、摩爾比2：1、固液比1：40（g：mL）;響應(yīng)面優(yōu)化分析得到最佳提取條件為：時間46.79min、溫度62.48℃、溶液含水率32.15%，在此條件下茶多酚提取率為15.42%。通過高效液相色譜分析茶多酚組分，其中沒食子酸含量占1.40%，兒茶素類物質(zhì)占84.99%，其他組分占13.61%。低共熔溶液法提取的茶多酚DPPH自由基半清除濃度（IC₅₀）值73.89ug·mL^-1，比抗壞血酸提高了37.80%。[結(jié)論]采用響應(yīng)面法優(yōu)化得出的低共熔溶液提取茶多酚最佳工藝條件，可有效提高鐵觀音茶多酚提取率。

關(guān)鍵詞：低共熔溶液;鐵觀音;茶多酚;抗氧化活性;成分分析

中圖分類號：TS 201.2文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2020）02-0217-09

0 引言

（研究意義）鐵觀音原產(chǎn)于福建安溪，屬于烏龍茶類，具有滋味醇厚、花香顯的品質(zhì)特點，深受消費者喜愛。茶多酚作為鐵觀音烏龍茶的主要天然活性產(chǎn)物，是茶葉中主要的功能成分，是一種天然抗氧化劑。茶多酚具有抗氧化、抗誘變、抗輻射、抗菌、清除自由基、吸收紫外線等多種生物活性。因此利用低檔茶和茶葉生產(chǎn)過程中的廢料提取茶多酚，已然成為近些年國內(nèi)外“綠色工程”的熱門研究項目，在提高茶葉利用率和茶產(chǎn)業(yè)附加價值方面具有重要意義。（前人研究進展）目前，茶多酚主要的提取方法有：有機溶劑萃取法、逆流提取法、離子沉淀法、大孔樹脂吸附分離法、微波輔助浸提法、超聲波輔助浸提法、超臨界CO₂萃取法等。這些方法中，有的方法提取率較低，有的方法耗能大、成本高，無法投入大規(guī)模生產(chǎn)。低共熔溶液是一種綠色溶劑，通過有機化合物和離子型化合物以氫鍵形式結(jié)合形成;其具有無毒性，可生物降解，相對較低的蒸汽壓，高導(dǎo)電性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，零飽和蒸汽壓力，在室溫下是液體，表面張力小，擴散系數(shù)較大，室溫下電導(dǎo)率高等特點，且制備過程簡單，原料易得，毒性較低，污染較少，原料充足且價格低廉等優(yōu)點。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，低共熔溶液在材料科學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點研究內(nèi)容之一。崔琦的研究表明采用微波輔助低共熔溶液在提取沙棘中的黃酮物質(zhì)提取率可達到20.82mg·g^-1;OzturkB采用乙二醇和氯化膽堿的低共熔溶液體系從廢橘皮中提取橘皮多酚，提取率為3.16mg·g^-1;李婷婷采用微波輔助低共熔溶液法提取黃芩中的黃酮物質(zhì)，研究結(jié)果表明黃酮物質(zhì)的提取率為52.27mg·g^-1。（本研究切入點）但目前關(guān)于低共熔溶液在茶葉內(nèi)含活性成分的提取研究國內(nèi)未見報道。（擬解決的關(guān)鍵問題）本研究通過對比不同體系的低共熔溶液和傳統(tǒng)水提取方法的茶多酚提取率，篩選適合的茶多酚提取體系，通過單因素和響應(yīng)面法，優(yōu)化茶多酚提取條件，并測定茶多酚的抗氧化活性，為提高茶多酚工業(yè)提取效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料與試劑

鐵觀音成品茶購于惜緣茶葉有限公司，粉碎后過60目篩，密封備用。

DPPH試劑購于東京化成工業(yè)株式會社;乳酸、無水乙醇、無水碳酸鈉、檸檬酸、果糖購于國藥集團;蘋果酸、氯化膽堿、甜菜堿、沒食子酸購于麥克林公司;福林酚試劑購于索萊寶公司;乙腈（色譜純），德國Merck公司;冰醋酸（AR）、抗壞血酸（AR）、甲醇（色譜純），美國Sigma-Aldrich公司。

1.2儀器與設(shè)備

712N可見分光光度計（上海精密科學(xué)儀器廠）;艾本德5424R高速離心機（德國制造）;HH-6恒溫水浴鍋（國華電器公司）;高效液相色譜儀（美國Waters公司）;SY-2230恒溫水域搖床（美國精騏公司）;超純水機（成都艾柯公司）;高速多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1低共熔溶液制備 采用水浴加熱攪拌的方法制備低共熔溶液，將氯化膽堿/果糖、氯化膽堿/乳酸、甜菜堿/蘋果酸、甜菜堿/檸檬酸、甜菜堿/乳酸5種雙組分按摩爾比1：2各放人燒杯中，在85℃水浴中攪拌為均一的液體（約60～80min）。

1.3.2低共熔溶液的篩選 準確稱取鐵觀音茶粉（2.00±0.05）g于50mL離心管中，各加入30%含水率的5種自制低共熔溶液，混勻后置于恒溫水浴搖床中。提取條件為時間60min、固液比為1：20（g：mL）、溫度為60℃，轉(zhuǎn)速為100r·min^-1。提取后趁熱抽濾，濾液于4℃保藏待測。

1.3.3茶多酚提取的單因素試驗 考察不同因素對茶多酚提取的影響。設(shè)置的單因素分別是：提取時間（20、40、60、80、100min）;提取溫度（40、50、60、70、80℃）;固液比[1：20、1：30、1：40、1：50（g：mL）];低共熔溶液含水率（10%、20%、30%、40%、50%）;低共熔溶液中氫鍵受體（HBA）與供體（HBD）的摩爾比（1：1、1：2、1：3、2：1、3：1）。

1.3.4響應(yīng)面優(yōu)化茶多酚工藝 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取連續(xù)變量時間（A）、溫度（B）、低共熔溶液的含水率（C）為自變量，茶多酚的提取率（Y）為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken中心組合實驗原理，設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面分析試驗。各因素水平設(shè)定參見表1.

1.3.5茶多酚含量的測定 鐵觀音提取液的茶多酚含量測定參照GB/T 8313-2018，略作改動。將提取液稀釋200倍后，吸取1mL稀釋液于刻度試管中，加入10%的福林酚試劑反應(yīng)5min后再加入7.5%的碳酸鈉溶液，搖勻;室溫下反應(yīng)60min，于765nm波長測定各吸光值。提取率計算參照公式（1）。

提取率=C×V/M×l00% （1）

式中，C為樣品中溶液的濃度（mg·L^-1），V為提取液體積（mL），M為茶粉質(zhì)量（g）。

1.3.6茶多酚類物質(zhì)HPLC分析

（1）待測液制備

將25mL EDTA（10mg·mL^-1）+0.2g抗壞血酸+50mL乙腈加入500mL容量瓶，用水定容至刻度，制得穩(wěn)定溶液;茶多酚提取液用穩(wěn)定溶液稀釋10倍后過0.45um膜，制成待測液。

（2）HPLC條件

采用WatersAcquity UPLC HSS T3色譜柱（2.1mm×100mm，RPl81.7um），Acquuy UPLC柱在線過濾器，以色譜圖中峰不出現(xiàn)拖尾、基線不漂移和分離度為依據(jù)對流動相體系和梯度洗脫設(shè)計、分析參數(shù)進行評定，流動相條件：A相為9.5%乙腈+0.02%EDTA-2Na+2%冰醋酸，流動相B為80%乙腈+0.02%EDTA-2Na+2%冰醋酸。柱溫箱溫度：35℃，PDA檢測條件：掃描范圍200～400mm，特征檢測波長：278nm，掃描時間：9min;進樣量：2ul.

（3）兒茶素組分含量的計算

通過積分HPLC色譜圖中的各組分峰面積，可計算出各個組分的濃度，再乘以相應(yīng)的稀釋系數(shù)和體積從而得到兒茶素各個組分的含量。

1.3.7鐵觀音茶多酚提取液的抗氧化能力測定 采用DPPH自由基清除率評價茶多酚提取液的抗氧化能力。DPPH自由基測定方法參照Xu等的方法，略作改動。將茶多酚提取液稀釋成不同的質(zhì)量濃度梯度（50、100、200、400、800ug·mL^-1）;各取0.2mL稀釋液于刻度試管中，以超純水為空白對照，以不同質(zhì)量濃度梯度（50、100、200、400、800ug·mL^-1）的抗壞血酸溶液為陽性對照，再加入4.8mL 0.01mmol·mL^-1的DPPH自由基溶液，搖勻后于室溫下避光反應(yīng)30min，在517nnl波長下測定吸光值。按公式（2）計算DPPH自由基的清除率，通過SPSs.17軟件計算IC₅₀值。

DPPH自由基清除率/%=1-A_s/A_c（2）

式中：Ac為空白樣品的吸光度值，As為加入不同濃度樣品后的吸光度值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007，SPSSl7.0及Design-Expertl0.0.7進行分析處理，數(shù)據(jù)以平均值±標準差的方式表示，試驗均設(shè)3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低共熔溶液體系篩選

由表2可知，低共熔溶液的茶多酚提取率高于超純水且在統(tǒng)計學(xué)上具有極顯著差異（P<0.01）;其中乳酸與甜菜堿組成的低共熔溶液體系多酚提取率最高，為（14.40±0.53）%，相比于傳統(tǒng)水提取方法提高了67.29%，且對比其他低共熔溶液體系在統(tǒng)計學(xué)上表現(xiàn)為極顯著差異（P<0.01）。因此選擇乳酸和甜菜堿體系作為后續(xù)試驗的低共熔溶液體系。

2.2 茶多酚提取的單因素試驗

2.2.1提取時間對茶多酚提取率的影響 由圖1可知，茶多酚的提取時間在20～40min時提取率呈現(xiàn)上升趨勢;在40min之后提取率呈現(xiàn)下降趨勢;40min時提取率達到最大，為15.23%，且顯著高于（戶<0.05）其他提取時間的提取率。綜合考慮提取成本和效率，確認最佳提取時間為40min.

2.2.2溫度對茶多酚提取率的影響 由圖2可知，當溫度為40℃～60℃時，提取率隨著溫度的增加而增加，溫度為60℃時提取率達到最大，為（15.27±0.72）%且顯著高于其他溫度處理的茶多酚提取率（P<0.05）;當溫度進一步增加，提取率隨之下降。因此，選擇溫度60℃為最佳提取條件。

2.2.3低共熔溶液組成摩爾比對茶多酚提取率的影響

由圖3可知，當氫鍵供體（HBD）和氫鍵受體（HBA）的摩爾比為2：1時提取率最佳為14.67%;而1：2時提取率最低，為（13.81±0.02）%。因此，選取低共熔溶液組成摩爾比2：1為最佳摩爾比條件。

2.2.4低共熔溶液含水率對茶多酚提取率的影響由圖4可知，當溶液的含水率為10%～30%，茶多酚的提取率隨著含水率提高逐漸增加;當含水率為30%時提取率達到最大，為14.78%，且顯著高于其他處理的提取率（P<0.05），當含水率大于30%提取率下降。因此，選擇含水率為30%的低共熔溶液進行后續(xù)試驗。

2.2.5固液比對茶多酚提取率的影響 由圖5可知，當固液比為1：20～1：40（g：mL）時，提取率隨著固液比的增加而增加;當固液比為1：40（g：mL）時提取率達到最大，為14.74%;當固液比大于1：40（g：mE）時，提取率有所下降。故選取1：40（g：mL）可作為低共熔溶液提取茶多酚的最優(yōu)固液比。

2.3 鐵觀音茶多酚提取工藝響應(yīng)面優(yōu)化

2.3.1響應(yīng)面優(yōu)化方案及結(jié)果分析 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，固液比和低共熔組分摩爾比這2個因素的變化對茶多酚提取率的影響不具有顯著性，故選取提取時間A、提取溫度B、低共熔溶液含水率C為自變量，茶多酚的提取率Y為因變量，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理進行響應(yīng)面優(yōu)化，具體方案和結(jié)果見表3.

利用Design-Expertl0.0.7軟件中的Box-Behnken模型對表3中的數(shù)據(jù)進行多元擬合分析，從而獲得茶多酚提取率Y對自變量提取時間A、提取溫度B、低共熔溶液含水率C的二次項多元統(tǒng)計分析，建立的二元回歸方程為：Y=15.37+0.20A+0.24B+0.32C0.040AB-0.093AC-0.21BC-0.25A²-0.36B²-0.55C²。

通過分析回歸方程模型與響應(yīng)面值之間的關(guān)聯(lián)，其中模型戶<0.0001，失擬項的P>0.05，說明模型的預(yù)測值和試驗數(shù)據(jù)具有高度的吻合度;相關(guān)系數(shù)r=0.9841，說明回歸方程能夠很好地模擬實際曲面;調(diào)整系數(shù)R²=0.9636，說明有96.36%的響應(yīng)值變化可以通過該模型來解釋。由此可以認為模型與實際有高度的契合度，以此方程為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型能夠充分反映茶多酚提取率與各個提取工藝參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

對模型的二次回歸方程進行方差分析，結(jié)果見表4.由表4可知，回歸方程的一次項A、B、C為顯著影響因素且表現(xiàn)為極顯著性;二次項A²、B²、C²均表現(xiàn)為極顯著性;交互項BC具有極顯著性。以鐵觀音茶多酚提取率為響應(yīng)值建立的模型具有極顯著性（P<0.0001），而誤差項不顯著，說明模型高度契合，回歸方程成立，可以較準確表明各因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，因此利用該方程可以對茶多酚提取工藝進行優(yōu)化。

2.3.2鐵觀音茶多酚提取的最佳條件確定及驗證通過繪制響應(yīng)面圖可以更加深入直觀地探討相關(guān)變量之間的交互關(guān)系以及變量對響應(yīng)值的影響趨勢。模型的響應(yīng)曲面圖如圖6，等高線的形狀能表示兩個因素之間的相互作用情況。若等高線呈現(xiàn)橢圓形，則兩個因素之間存在顯著交互作用;若等高線呈現(xiàn)圓形，則兩個因素之間的交互作用無顯著性。由圖6可知，含水率和提取溫度對茶多酚的提取率具有顯著交互影響;提取時間和提取溫度對茶多酚的提取率的交互作用無顯著相關(guān)。當提取溫度、提取時間、含水率增加時，響應(yīng)值呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。這與單因素試驗結(jié)果相吻合。

在響應(yīng)面設(shè)計的因素范圍內(nèi)，按照回歸模型利用Design-Expert 10.0.7軟件分析得出的茶多酚提取最佳條件是：提取時間46.8min，提取溫度62.5℃，低共熔溶液含水率32.2%，模型預(yù)測最佳提取率為15.46%。為證實預(yù)測結(jié)果，采用最后確定的提取條件進行3次重復(fù)驗證，得到實際茶多酚提取率為（15.42±0.20）%，與模型預(yù)測相差0.04%。由此可見，應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化法確定的茶多酚提取條件具有實際應(yīng)用價值。

2.4 茶多酚提取物主要化學(xué)成分分析

采用HPLC分析茶多酚提取物中的各組分物質(zhì)及其含量，生成的色譜圖如圖7所示。茶多酚提取液中的主要組分分別是沒食子酸（GA）和兒茶素類物質(zhì)，其中GA占1.40%，兒茶素類物質(zhì)占84.99%。如圖8所示，在兒茶素的7種組分中，EGCG的含量最高，其占兒茶素含量的46.29%，是茶多酚的主要活性成分物質(zhì)。兒茶素類物質(zhì)組分的比例：表沒食子兒茶素（EGC）：兒茶素（C）：表兒茶素（EC）：表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）：沒食子兒茶素沒食子酸酯（GCG）：表兒茶素沒食子酸酯（ECG）：兒茶素沒食子酸酯（CG）為0.796：0.304：0.393：1.517：0.226：0.034：0.007.

2.5 茶多酚提取液的抗氧化活性

對茶多酚提取液進行DPPH自由基清除率能力測定。如圖9所示，當質(zhì)量濃度為50～200ug·mL^-1時，隨著質(zhì)量濃度的增加，應(yīng)用水提法和低共熔溶液法提取的茶多酚提取液的DPPH自由基清除率也相應(yīng)增加，當質(zhì)量濃度大于200ug·mL^-1之后清除率達到一個平衡狀態(tài)。兩種提取方法得到的多酚提取液的最大清除率基本一致，且僅在800ug·mL^-1比陽性對照Vc略低一些。

IC₅₀值表示DPPH清除率為50%時抗氧化劑的濃度;IC₅₀值越大，表明抗氧化物質(zhì)的抗氧化能力越低。通過計算分析得出IC₅₀值為：鐵觀音水提?。?4.63ug·mL^-1）<鐵觀音低共熔溶液提?。?3.89ug·mL^-1）-1），由此可知兩種提取方法得到的茶多酚提取物的抗氧化能力均強于陽性對照V_c，其中水提取的茶多酚抗氧化能力最強，低共熔溶液提取的茶多酚抗氧化能力較水提取的多酚弱一些。由此表明，低共熔溶液提取的茶多酚具有較強的抗氧化能力，可以通過后續(xù)的分離純化方法制成天然抗氧化產(chǎn)品。

3討論與結(jié)論

茶多酚是茶葉中的主要功能成分，也是茶葉發(fā)揮其保健功效的重要成分之一。本研究采用低共熔溶液提取茶葉中的多酚類物質(zhì)，探討了不同的低共熔溶液體系、提取時間、提取溫度、固液比、低共熔組分的摩爾比對茶多酚提取率的影響。

研究結(jié)果表明，不同的低共熔溶液均能提高茶多酚的提取率，但低共熔溶液的體系差異導(dǎo)致提取率的增幅也有所差異。其中，以乳酸-甜菜堿為體系的低共熔溶液的提取率最高（14.40±0.53）%，相比常規(guī)提取法提高了67.29%。其主要原因是低共熔溶液對植物細胞壁具有較強的破壞作用，且乳酸一甜菜堿體系的流動性優(yōu)于其他低共熔體系，能促進茶葉內(nèi)含物質(zhì)的溶出;茶多酚的最佳提取pH值為4.5，而以乳酸一甜菜堿組成的低共熔溶液能夠為茶多酚提供一個酸性的提取環(huán)境，從而提高提取率。在單因素試驗中，隨著時間和溫度的增加，茶多酚提取率呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢，其中最佳提取時間和溫度分別是40min和60℃，說明在一定的范圍內(nèi)，茶多酚的提取率與時間和溫度呈正相關(guān)關(guān)系，但長時間和高溫度的條件會導(dǎo)致茶多酚類物質(zhì)的氧化，從而降低其提取的效率;在一定范圍內(nèi)，隨著溶劑的增加，茶多酚的溶出率也有所增加，但溶劑持續(xù)增加，會引起部分雜質(zhì)溶出，導(dǎo)致提取率有所下降，同時持續(xù)增加投液量還會造成溶液的浪費和提取成本的增加，故選擇最佳固液比1：40（g：mL）;當提取體系中含水率較低時，溶液較為粘稠，不利于溶液和茶粉之間進行接觸;而含水率過高，則低共熔溶液體系中的極性增強，破壞了低共熔溶液體系中的化學(xué)鍵，導(dǎo)致提取率呈現(xiàn)下降趨勢，因此最佳溶液含水率為30%;隨著低共熔溶液體系中甜菜堿摩爾量的增加，溶液的黏稠度和pH值也增加，不利于茶多酚的提取，故最適摩爾比HBA：HBD為2：1.

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 10.0.7軟件，應(yīng)用Box-Behnken設(shè)計及響應(yīng)面分析法對此工藝進行優(yōu)化分析，建立了低共熔溶液提取茶多酚工藝的三元二次多項式回歸模型，該模型擬合度高、重現(xiàn)性好;分析得出3個因素對茶多酚提取率的影響具有極顯著性（P<0.01）且他們對茶多酚提取率的影響次序依次為：含水率>溫度>時間。通過該模型得出的優(yōu)化提取工藝條件為：提取時間46.8min，提取溫度62.5℃，低共熔溶液含水率32.2%、固液比1：40（g：mL）、低共熔溶液組分摩爾比2：1.此時，通過模型計算得出的提取率為15.46%，驗證的提取率為（15.42±0.20）%，與模型得到的提取率高度吻合，表明模型準確、可靠，具有實際參考意義。

通過HPLC分析可知，茶多酚的主要成分是兒茶素類物質(zhì)，占總含量的84.99%，是茶多酚中的主要功能成分;兒茶素中含量最高的是EGCG，占兒茶素總量的46.29%，高出其他組分含量2-9倍不等;EGCG基團上有著豐富的羥基，有著較強的氧自由基結(jié)合的能力，同時兒茶素之間在茶葉加工過程中發(fā)生集合反應(yīng)形成二聚體，因此兒茶素具有很好的抗氧化能力。

DPPH自由基作為一種人工合成的自由基分子，能夠高效、穩(wěn)定地定量分析一種物質(zhì)的抗氧化能力。茶多酚類物質(zhì)是天然的抗氧化物，因此探索不同提取方式對抗氧化活性的影響，對之后解決實際生產(chǎn)過程中茶多酚活性的保留問題具有重要的指導(dǎo)意義。對茶多酚提取物進行DPPH自由基清除試驗，結(jié)果表明在一定濃度下清除率均能達到90%，表明高濃度的茶多酚能夠有效清除自由基，具有抗氧化能力;當茶多酚質(zhì)量濃度為50～200mg·mL^-1時，自由基的清除率呈現(xiàn)快速增長的趨勢;當茶多酚濃度大于200g·mL^-1時，自由基的清除率維持在穩(wěn)定的水平上。由此可見，茶多酚的最佳抗氧化濃度為200g·mL^-1。IC₅₀值體現(xiàn)的是當自由基濃度下降一半時所需的茶多酚濃度，IC₅₀值越小表明抗氧化劑的抗氧化活性越強;對比其IC₅₀值，鐵觀音水提取<鐵觀音低共熔溶液提取

綜上所述，采用低共熔溶液提取的茶多酚可以顯著提高茶多酚的提取率且能夠有效保持其抗氧化活性;該研究成果能為茶多酚在食品、保健品等領(lǐng)域的深度開發(fā)提供理論依據(jù)。