茶饮料浸提工艺的微波辅助萃取(MAE)应用研究.doc

茶饮料浸提工艺的微波辅助萃取（MAE）应用研究*广东省自然科学基金项目（031359）

杨文杰 黄惠华 张晨 吴阳宁
（华南理工大学轻工与食品学院 广州510640）

摘要：浸提工艺是茶饮料生产过程一个关键生产工艺。本文比较了传统热水浸提工艺和微波辅助萃取工艺之间的最优工艺参数，并利用高效液相色谱分析方法研究了微波萃取对茶多酚浸出得率和单体组成的影响，表明微波萃取技术（Microwave-assisted extraction，MAE）可应用在茶饮料生产中，而且比传统热水浸提工艺省时节能。结果表明：传统热水浸提工艺的最优浸提温度90℃、时间43min、液固比20：1，茶多酚的得率为19.76％；微波辅助萃取工艺的最优浸提功率360W、时间3.5min、液固比25：1，茶多酚的得率为20.63％。微波短时处理茶叶不会对茶多酚的结构和单体组成产生破坏性影响。
关键词：茶饮料，浸提工艺，微波辅助萃取（MAE）

Studies on Application of Extraction in Tea Beverage Processing by Microwave Assistant Extraction
Yang Wen-jie, Huang Hui-hua, Zhang Chen, Wu Yang-ning,
(Department of Food Science and Engineering, SouthChina University of Technology, Guangzhou)

Abstract: Extraction is a key technique of tea beverage processing. Two extraction methods of tea beverage processing, conventional hot water extraction and microwave-assisted extraction (MAE) method were conducted to compare the available technical parameters in this study. The influence of microwave assistant extraction on the yield and catechin constitutes of tea polyphenols also was studied by high performance liquid chromatography (HPLC) technology.
Key words: Tea Beverage, Extraction, Microwave-assisted extraction（MAE）

茶饮料的发展经历了传统冲泡、速溶茶、果汁茶、纯茶、保健茶这5个阶段。20世纪80年代初，日本首先开发成功罐装茶水饮料。随后，相继出现了纯茶饮料和保健茶饮料。茶饮料无论在国内还是国外都越来越受到欢迎，茶饮料占饮料市场的份额也越来越多，茶饮料的发展前景是十分可观的，茶饮料将成为21世纪的饮料之王[1]。
茶饮料是指茶叶经预处理、浸提、澄清、调配、罐装、灭菌等工序处理后，制成地具有茶汤风味的制品[2]。而浸提工艺是茶饮料生产过程较为关键的一个生产工艺。这步工艺的好坏对后面的工艺处理和最终成品影响都很大。影响浸提的因素主要有茶水比、浸提温度、浸提时间、茶叶颗粒大小等[3]。浸提应遵循的原则是：在保证充分萃取出茶叶中有效成分和茶汤品质的前提下，尽量降低萃取温度和减少萃取时间。所以，本文对此工艺的参数控制进行了探讨研究。
不同茶类可根据重要品质成分的浸出难易作判断浸提程度的指标，如绿茶中的最重要的呈味成分是氨基酸、咖啡碱和茶多酚，由于氨基酸很容易浸提，而咖啡碱和茶多酚的浸出情况较为类似，但茶多酚占茶叶干重的20％－30％，因此可以茶多酚的浸出情况作为判断茶叶浸出情况的指标[4]。所以本研究只测定茶多酚含量作为标准进行比较。
微波辅助萃取（Microwave-assisted Extraction，简称MAE）是利用微波的能量使物料中的目标成分加速从样品基质溶出而达到分离目的，应用在环境分析，植物化学和食品工业等方面[5]。与传统的索氏萃取方法相比，MAE具有缩短萃取过程时间，减少能量消耗，提高萃取效率，更优的萃取选择性等优点[6]。近年来，由于MAE技术的众多优点，MAE技术正趋向于提取的工业应用。所以，本文就探讨了微波萃取技术在茶饮料生产工业应用的可能性和优越性。

1 实验材料与方法
1.1 实验材料
英德低档绿茶：市场购买。
标准品：EC、EGCG和ECG（Sigma公司产品）；咖啡碱（生化试剂，上海试剂二厂）
1.2实验仪器与试剂
1.2.1 仪器：
LG微波炉（经改装，配备了冷凝回流装置）。
752型紫外光栅分光光度计。JA1003型电子天平。
色谱系统为waters600型高效液相色谱仪，包括：waters600高压输液泵、泵控器（PCM）、waters996紫外－可见光吸收检测器、HP计算机带Millenium32色谱管理系统软件。
1.2.2 试剂：甲醇（色谱纯）；乙酸(AR)；二甲基甲酰胺（色谱纯）。
1.3 实验方法
1.3.1 传统热水萃取流程：准确称取绿茶干茶叶2.500g，放入圆底烧瓶中，加入适量蒸馏水并混匀，按各种设定条件（时间、温度、液固比、pH值、粒径、提取次数）进行萃取，抽滤得滤液，进行茶多酚含量测定和HPLC检测。
1.3.2 微波萃取流程：准确称取绿茶干茶叶2.500g，放入圆底烧瓶中，并加入适量蒸馏水混匀，按各种条件（时间、功率、液固比）在冷凝回流状态下进行微波提取，抽滤，进行茶多酚含量测定和HPLC检测。采用正交优化法对工艺各参数进行优化比较。
1.3.3 茶多酚总量测定方法：酒石酸铁比色法（GB/T 8313－1987）[7]。
1.3.4 儿茶素和咖啡碱测定方法：参照霍夫勒高效液相色谱法[8]。
分析条件：waters600型液相色谱仪。
色谱柱：Waters µ－Bondapak C18柱（300×3.9mm，5μm）。
流动相：乙酸：甲醇：二甲基甲酰胺：水（1：2：40：157；V/V）。
流速：0.5ml/min；检测波长：280nm；室温；进样体积：10μl。
所有流动相及进样液体均经过超声波脱气和0.45μm滤膜过滤。
1.3.4 游离氨基酸总量：茚三酮分光光度法（GB/T 8314－1987）
1.3.5 咖啡碱总量：紫外分光光度法（GB 8312－87）

2 结果分析与讨论
2.1 传统热水浸提工艺
2.1.1 热水浸提时间的确定
准确称取2.500g绿茶茶叶，加入蒸馏水50ml，热水温度为90℃，分别水浴浸提10min、15min、20min、30min、40min、60min，计算出各时间下茶多酚的浸出得率，并比较它们的浸提效果。结果见表1。
表1：不同热水浸提时间下茶多酚的浸出得率变化
时间（min）
10
15
20
30
40
60
茶多酚浸出量（％）
16.62
17.55
17.81
18.94
19.24
18.66
由表1可知，茶多酚浸出量先随着浸提时间的增加而增加，当30min 后，茶多酚浸出量增幅变缓，而在30min～60min区间中，从数据上较难确定出最佳的浸提工艺时间，故采用SPSS软件对数据进行曲线估计的回归分析，选择具有R2统计量值最大（即曲线拟合优度最高）的Cubic三次函数曲线估计模型作为回归模型，得到不同浸提时间时茶多酚浸出量变化的具体模型（式1）和拟合优化对比图（图1），最终确定出热水浸提的最佳工艺时间。
在相同浸提温度下不同浸提时间茶多酚浸出量变化的具体模型为：
茶多酚％：Y=15.666＋0.0987×X＋0.00136×X2－3.684×10－5×X2 式1
（Y 代表茶多酚％；X 代表浸提时间min；10≤X≤60；R2＝0.9802）

通过对图1的Cubic拟合优化曲线进行推算，可推得极值约为43min，即可确定43min为最佳热水浸提工艺时间。

2.1.2 热水浸提温度的确定
准确称取2.500g绿茶茶叶，加入蒸馏水50ml，选取热水温度为70℃、80℃、85℃、90℃、100℃五个水平，水浴浸提43min，计算出各温度下茶多酚的浸出得率，并比较它们的浸提效果。结果见表2。
表2：不同热水浸提温度下茶多酚的浸出得率变化
温度（℃）
70
80
85
90
100
茶多酚浸出量（％）
16.52
17.59
17.90
18.94
18.86
由表2可以看出，在选取的温度范围内，茶多酚浸出量随着浸提温度的升高而增加；而当浸提温度为90℃时，茶多酚浸出量达到最大值，可以认为茶多酚基本被完全萃取。因此，选择热水浸提温度90℃为最佳。

2.1.3 热水浸提液固比的确定
准确称取2.500g绿茶茶叶，分别加入蒸馏水30ml、40ml、50ml、60ml、70ml，在浸提温度90℃下，水浴浸提43min，计算出各液固比下茶多酚的浸出百分含量，并比较它们的浸提效果。结果见表3。
表3 不同浸提液固比下茶多酚的浸出得率变化
液固比（ml/g）
12
16
20
24
28
加入蒸馏水量（ml）
30
40
50
60
70
茶多酚浸出量（％）
14.88
16.64
19.62
19.13
19.09
由表3可看出，在所选择的液固比范围内，液固比达到20：1之后，茶多酚浸出量变化不大，差异不明显，考虑到用水量和能耗等成本因素，确定液固比20：1为宜。

2.1.4 热水浸提pH值的确定
准确称取2.500g绿茶茶叶，分别加入蒸馏水50ml，并对溶剂的pH值按照要求进行调整，在浸提温度90℃下，水浴浸提43min，计算出各pH值下茶多酚的浸出得率，并比较它们的浸提效果。结果见表4。
表4 不同浸提液固比下茶多酚的浸出得率变化
pH值
3.8
5.0
5.5
6.0
7.0
8.0
茶多酚浸出得率（％）
18.18
18.52
19.19
18.89
17.94
17.54
由表4可知，酸性环境对浸提茶多酚较为有利。在酸性pH范围内，pH值为5.5时的茶多酚浸出量最大。但是，在茶饮料生产中，加入酸，会对茶汤味道和品质造成不良影响，并加大后续工序的难度，故确定热水浸提pH值为7.0。

综合以上各个单因素实验可得：传统热水浸提的最优工艺条件是：浸提温度90℃；浸提时间43min；液固比20：1；pH值7.0。

2.2 微波浸提工艺
在热水浸提工艺的单因素实验基础上，对微波萃取的工艺条件进行正交优化实验。影响微波萃取的因素有：微波萃取功率、微波萃取时间、液固比、pH值、茶叶粒径等等。参考有关资料，选择了微波萃取功率、微波萃取时间、液固比这三个因素作为正交的三因素，并设定了各个因素的三个水平进行实验，结果见表5。
表5 微波浸提工艺三因素三水平正交实验结果数据表
实验号
A（微波功率）
B（微波萃取时间）
C（液固比率）
茶多酚浸出得率％
1
180w（A1）
3.5min（B3）
25：1（C1）
17.28
2
180w（A1）
3min（B2）
16：1（C3）
11.92
3
180w（A1）
2.5min（B1）
20：1（C2）
9.91
4
360w（A2）
3.5min（B3）
16：1（C3）
20.38
5
360w（A2）
3min（B2）
20：1（C2）
19.99
6
360w（A2）
2.5min（B1）
25：1（C1）
18.69
7
540w（A3）
3.5min（B3）
20：1（C2）
20.56
8
540w（A3）
3min（B2）
25：1（C1）
20.56
9
540w（A3）
2.5min（B1）
16：1（C3）
19.50
K1
39.11
48.10
56.53

K2
59.06
49.99
50.46

K3
58.14
58.22
51.80

R
19.03
10.12
6.07

采用SPSS软件对表5的正交结果进行多因素方差分析，得到各因素的均方值（Mean Square）分别是：微波功率47.951；微波萃取时间8.587；液固比率3.390。从均方值可以得出各个因素对茶多酚的独立作用的影响程度大小排列是：微波萃取功率>微波萃取时间>液固比。这点与表5中R值所表现出的结果是一致的。
比较每个因素的K值可得：水平A 2、B 3、C 1的K值最大，对应可以知道：微波萃取功率360w；微波萃取时间3.5min和液固比为25：1是微波萃取的最优工艺条件。

2.3 微波对茶多酚结构及其儿茶素组成的影响
茶多酚中的主要成分是儿茶素类，包括EC、EGC、ECG、EGCG等。为了进一步了解微波浸提对茶多酚结构和儿茶素组成的影响，在传统热水萃取和微波萃取最优工艺条件下对绿茶进行浸提，采用HPLC测定茶汤中茶多酚主要成分――儿茶素的组成，分析微波浸提对茶多酚化学结构和组分的影响，结果见图2和图3。

图2 传统热水浸提工艺儿茶素HPLC色谱图（90℃，43min）

图3微波辅助萃取工艺儿茶素HPLC色谱图（360W，3.5min）
从图2和图3可知，两种工艺浸提出的儿茶素的HPLC色谱图基本相似。经与标准品色谱图对照，可以确定各个峰代表的组分，按顺序依次是L-EGC（（-）-epigallocatechin，表没食子儿茶素）、D-C（（+）-catechin，右旋儿茶素）、CAF（caffeine，咖啡碱）、L-EC（（-）-epicatechin，表儿茶素）和L-EGCG（（-）-epigallocatechin gallate，表没食子儿茶素没食子酸酯）[9]。无论从HPLC色谱图还是各峰的峰面积和各峰所占的百分比，都可以看出茶叶经微波辅助萃取的茶多酚与传统热水浸提的茶多酚的结构和组成无明显变化，微波短时处理茶叶不会对茶多酚的结构和组成产生破坏性影响。

3 结论
综合两种工艺的最优工艺参数，并进行浸提效果比较，结果如表6：
表6 热水与微波最优浸提工艺比较
工艺
温度/功率
时间
液固比
pH值
茶多酚得率（％）
传统热水浸提
90℃
43min
20：1
5.5
19.76
微波辅助萃取
360w
3.5min
25：1
5.5
20.63
综合可知：微波辅助萃取技术（MAE）不仅能提高茶多酚的浸出量，提高茶饮料的品质，而且具有短时、高效和节能的优点，同时不会对茶多酚的结构和组分产生破坏，故可应用在茶饮料生产的茶叶浸提工艺上，将会极大提高茶饮料生产的经济效益。

参考文献：
[1] 方元超,赵晋府编著. 茶饮料生产技术. 中国轻工业出版社, 2001: 1~2
[2] 严鸿德, 汪东风, 王泽农, 陆宁, 王同和编著. 茶叶深加工技术. 中国轻工业出版社, 1998: 1~5
[3] Xuejun Pan, Guoguang Niu, Huizhou Liu. Microwave-assisted extraction of tea polyphenol and tea caffeine from green tea leaves. Chemical Engineering and Processing. 2003(42): 129~133
[4] 严鸿德, 汪东风, 王泽农, 陆宁, 王同和编著. 茶叶深加工技术. 中国轻工业出版社, 1998: 69－71
[5] Youn Y. S., Ming Y. K. & Yuan. Microwave-assisted extraction of ginsenosides from ginseng root. Microchemical Journal, S. C 2003（74）：131–139
[6] Eskilsson C. S. & Bjorklund. Analytical-scale microwave-assisted extraction. Journal of Chromatography A, E 2000（902）： 227–250.
[7] 钟萝等人编著. 茶叶品质理化分析研究. 上海科学技术出版社, 1989: 258～261
[8] 钟萝等人编著. 茶叶品质理化分析研究. 上海科学技术出版社, 1989: 289～291
[9] Goto, T., Yoshida, Y., Kiso, M., & Nagashima, H. Simultaneous analysis of individual catechin and caffeine in green tea. J. Chromatogr. A. 1996(749): 295~299

基金项目：广东省自然科学基金项目（031359）。
杨文杰，（1979～），男，硕士研究生，研究方向：食品工程。
联系地址：广州市华南理工大学轻工与食品学院食品科学2002级硕士，510640。
电话：87112851。 E-mail：wencky2005@