全 文 ：第７卷第１期
２００９年１月
生 物 加 工 过 程
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．７Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２００９
收稿日期：２００８０７１８
基金项目：国家自然科学基金资助项目（２０５７２０６７，１０４７４０６１）
作者简介：郭树琴（１９８２—），女，山西朔州人，硕士研究生，研究方向：环境与辐射生物物理；吴胜举（联系人），副教授，Ｅｍａｉｌ：ｗｕｓｈｊｕ＠ｓｎｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
响应面法优化超声提取绿茶茶多酚工艺
郭树琴，吴胜举，李 岱
（陕西师范大学 物理学与信息技术学院，西安 ７１００６２）
摘 要：利用响应面法对超声提取绿茶茶多酚的工艺条件进行优化，在单因素试验的基础上，根据中心组合设计原
理采用三因素三水平的响应面分析法，依据回归分析确定最优提取工艺条件。结果表明，其最佳工艺条件为：液料
比为４０２ｍＬ／ｇ，超声功率为４７６Ｗ，提取时间为１５１ｍｉｎ，采用该工艺条件，茶多酚的提取得率达到１０３１２％，通
过响应面法得到一个能较好预测试验结果的模型方程。
关键词：响应面法；茶多酚；超声波提取法
中图分类号：ＴＢ５５９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－３６７８（２００９）０１－００３９－０５
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓｆｒｏｍ
ｇｒｅｅｎｔｅａｂｙｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ
ＧＵＯＳｈｕｑｉｎ，ＷＵＳｈｅｎｇｊｕ，ＬＩＤａｉ
（ＣｏｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓｆｒｏｍｇｒｅｅｎｔｅａ，ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅ
ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｗｉｔｈｔｈｒｅｅｆａｃｔｏｒｓａｔｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｓｗａｓａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍ
ｅｔｅｒｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｕｌｔｒａ
ｓｏｎｉｃｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｗｅｒｅａｓｆｏｌｏｗｓ：ｒａｔｉｏｏｆｓｏｌｖｅｎｔｔｏｍａｔｅｒｉａｌ＝４０２ｍＬ／ｇ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｏｗｅｒ＝４７８Ｗ，
ｗｏｒｋｉｎｇｔｉｍｅ＝１５１ｍｉｎ，ａｎｄｔｈｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｙｉｅｌｄｏｆｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓｆｒｏｍｇｒｅｅｎｔｅａ＝１０３１２％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ；ｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
茶是我国的传统饮料，又是２１世纪的绿色饮
料［１］。２０世纪６０年代初，日本科学家发现茶叶提取物
中含有一种抗氧化活性成分茶多酚（ＴＰ）［２］，是一类存
在于茶叶中的多羟基酚性化合物的混合物。
茶多酚不仅是一种天然无毒的抗氧化剂，也是
理想的天然药物，具有多种保健功能和药理作用，
它具有清除自由基、抗菌抗病毒、抗肿瘤、抗辐射、
抗氧化、除臭、多药耐药性逆转和防治心血管病等
作用［３－１０］，同时在食品加工、医药、化妆品、农用化
学品等领域也具有重要的应用。
目前茶多酚提取方法主要有以下几种：溶液浸
提法、金属离子沉淀法、树脂吸附法、超临界流体萃
取法、微波浸提法和超声波浸提法。
超声波浸提法提取天然产物是利用超声波的机
械破碎和空化作用，使细胞破碎，加速浸提物从原料
向溶剂的扩散速率，具有提取效率高，不需高温，能耗
低，提取时间短等特点［１１－１２］。超声法提取茶多酚和
儿茶素不会改变其结构和性状［１３］。故本试验以绿茶
陕青为原料应用超声波提取绿茶茶多酚，在单因素试
验的基础上采用三因素三水平的响应面分析法，依据
回归分析确定最优提取工艺条件，为茶多酚的深度研
究开发提供理论基础。
１ 材料与方法
１１ 原料与仪器
１１１ 原料与试剂
陕青（市售）、ＦｅＳＯ４、酒石酸钾钠、Ｎａ２ＨＰＯ４、
ＫＨ２ＰＯ４等试剂均为分析纯。
茶多酚标准品购于天津一方科技有限公司。
１１２ 主要仪器
ＴＢ２１５Ｄ电子天平（北京赛多利斯仪器系统有
限公司），不锈钢水浴锅、旋转蒸发器 ＲＥ５２ＡＡ（上
海亚荣生化仪器厂），ＪＹ９２２型超声波细胞粉碎机
（２０ｋＨｚ）（宁波新芝生物科技有限公司）。
１２ 实验方法
１２１ 茶多酚含量测定
根据ＧＢ８３１３８７，用酒石酸亚铁法进行比色分析。
１２２ 工作曲线的绘制
称取茶多酚标准品５ｍｇ，加水溶解定容至２５
ｍＬ，混匀，即为０２ｍｇ／ｍＬ的茶多酚标准溶液。分
别量取标准溶液０、１０、２０、３０、４０ｍＬ于一组２５
ｍＬ棕色容量瓶中，各加水至５ｍＬ，酒石酸铁溶液５
ｍＬ，加缓冲液至刻度，混匀后用１０ｍｍ比色皿，以试
剂空白作参比，于波长５４０ｎｍ处测定吸光度，绘制
出标准曲线，其线性回归方程为Ｙ＝００１１２Ｘ＋
０００１４（Ｒ２＝０９９９）。
１２３ 实验方法
称取２ｇ茶叶粉（ｍ），加入到一定量的蒸馏水
中，常温浸泡３０ｍｉｎ，采用超声波浸提法进行提取，
真空抽滤，收集滤液，测定其体积（Ｖ），取一定的滤
液进行稀释，记录稀释因子（ｎ），按照制备标准曲线
的步骤进行操作，根据回归方程测定滤液中的茶多
酚质量浓度（ρ）。则
茶多酚的提取率（％）＝ρ×ｎ×Ｖｍ ×１００％
２ 结果与讨论
２１ 单因素试验结果
２１１ 提取时间对茶多酚提取率的影响
称取绿茶样２ｇ共７份，分别加６０ｍＬ蒸馏水
于超声波粉碎机中提取，功率为４００Ｗ。茶多酚提
取率结果见图１。由图１可知，随着浸提时间的延
长浸提率逐渐增大，当时间到１５ｍｉｎ之后提取率反
而减小，最佳提取时间为１５ｍｉｎ。
图１ 提取时间对提取率的影响
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｏｎｙｉｅｌｄ
２１２ 超声功率对茶多酚提取率的影响
称取绿茶试样２ｇ共５份，加６０ｍＬ蒸馏水，
分别置于超声波细胞粉碎机电功率为２４０、３２０、
４００、４８０和５２０Ｗ下提取１５ｍｉｎ，提取率结果见图
２。由图２可知，随着超声电功率的增大，提取率
逐渐增大。在４８０Ｗ时达到最大，随着超声电功
率的进一步增大，提取率逐渐下降，可能是因为超
声换能器为变幅杆型，辐射的能量比较集中，随着
超声功率的进一步增强，加速了提取液的流动，从
而使得物料在超声场中停留的时间减少，受超声
破壁作用随之减弱，茶多酚溶出速率减小，从而使
得有效的茶多酚含量减少。最佳提取电功率为
４８０Ｗ。
图２ 超声波功率对提取率的影响
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｏｗｅｒｏｎｙｉｅｌｄ
２１３ 液料比对茶多酚提取率的影响
为了考察在上述装置中液料比对茶多酚的提
取率影响，称取绿茶样２ｇ共５份，分别加入５０、６０、
７０、８０和９０ｍＬ蒸馏水于超声波粉碎机中，选择电功
率为４８０Ｗ，提取１５ｍｉｎ，结果见图３。由图３可知，
随着液料比的增大提取率在逐渐增大，当液料比增
加到４０ｍＬ／ｇ之后提取率开始减小。因此，对于陕
０４ 生 物 加 工 过 程 第７卷
青绿茶而言，液料比的最佳值为４０ｍＬ／ｇ。
图３ 液料比对提取率的影响
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｌｉｑｕｉｄｔｏｍａｔｅｒｉａｌｒａｔｉｏｏｎｙｉｅｌｄ
２２ 响应面分析法优化绿茶茶多酚提取参数
响应面分析法已经广泛应用于化学化工、生物
工程、食品工业等方面［１４］。为了在现有实验的基础
上寻找到整个区域上因素的最佳组合和响应值的
最优值，故采用响应面分析方法研究几个因素间交
互作用对提取率的影响，以确定最佳提取工艺参数。
２２１ 响应面分析因素水平的选取
根据 ＢｏｘＢｅｎｈｎｋｅｎ的中心组合试验设计原
理［１５１６］，综合单因素影响试验结果，选取超声时间、
超声电功率、液料比３个因素，在单因素试验的基础
上采用三因素三水平的响应面分析方法，试验因素
与水平设计见表１。
表１ 响应面分析因素与水平
Ｔａｂｌｅ１ ＡｎａｌｙｔｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｆｏｒＲＳＡ
试验因素
因素水平与编码
－１ ０ １
时间（Ｚ１）／ｍｉｎ １２ １５ １８
功率（Ｚ２）／Ｗ ４４０ ４８０ ５２０
液料比（Ｚ３）／（ｍＬ·ｇ
－１） ３５ ４０ ４５
２２２ 响应面分析方案及结果
对时间Ｚ１、功率Ｚ２和液料比Ｚ３作变换如下：Ａ＝
（Ｚ１－１５）／３，Ｂ＝（Ｚ２－４８０）／４０，Ｃ＝（Ｚ３－４０）／５，
以Ａ、Ｂ、Ｃ为自变量，以茶多酚提取得率为响应值
（Ｙ），试验方案及３次平行试验，结果见表２。
经回归拟合后，各试验因子对响应值的影响可
用如下函数表示：
Ｙ＝１０２９３９８＋００３６４００Ａ －００３４０００Ｂ ＋
０１２３２０Ｃ－００３３７５０ＡＢ－０１５２２５ＡＣ＋００８９０００·
ＢＣ－００９４２２２Ａ２－０１３２２２Ｂ２－０１８７２２Ｃ２
表２ 响应面分析方案及试验结果
Ｔａｂｌｅ２ ＰｒｏｇｒａｍａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆＲＳＡ
试验号
因素
Ａ
时间／
ｍｉｎ
Ｂ
功率／
Ｗ
Ｃ
液料比／
（ｍＬ·ｇ－１）
提取率／
％
１ １００ １００ －１００ ９３８６
２ －１００ １００ １００ １０１５８
３ －１００ －１００ －１００ ９６５２
４ ０００ ０００ ０００ １０２９７
５ ０００ ０００ １００ １０３００
６ ０００ １００ ０００ １０１４５
７ －１００ －１００ １００ ９９８４
８ １００ ０００ ０００ １０１１２
９ ０００ ０００ －１００ ９９１２
１０ －１００ １００ －１００ ９４５９
１１ １００ －１００ －１００ １０１５３
１２ －１００ ０００ ０００ １０２８６
１３ １００ －１００ １００ ９８８７
１４ ０００ －１００ ０００ １０１７７
１５ １００ １００ １００ ９９１５
运用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ软件对１５个实验点的响应
值进行回归分析，得到回归分析表（表３），对提取率
有交互影响的响应面分析立体曲面图见图４～６。
模型的可靠性可从方差分析及相关系数来考
察。当“Ｐｒｏｂ＞Ｆ”值小于００５即表示该项指标显
著，从表３整体模型的“Ｐｒｏｂ＞Ｆ”值是００１４９，可
知各次试验的该模型的预测值与实测值比较相符
的。另外，获得的相关系数 Ｒ２＝０９３８５，表明该二
次方程模型较显著，试验设计可靠。
由“Ｐｒｏｂ＞Ｆ”值可见，液料比影响高度显著，而
提取时间与提取功率较不显著。在所选取的各因
素水平范围内，按照对结果的影响排序，其顺序为
液料比，提取时间，超声功率。
１４ 第１期 郭树琴等：响应面法优化超声提取绿茶茶多酚工艺
表３ 茶多酚提取参数数学回归分析结果
Ｔａｂｌｅ３ Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓ
方差来源 自由度 平方和 均方 Ｆ值 Ｐｒｏｂ＞Ｆ
Ａ １ ００１３ ００１３ １２９ ０３０８１
Ｂ １ ００１２ ００１２ １１２ ０３３７８
Ｃ １ ０１５ ０１５ １４７４ ００１２１
ＡＢ １ ９１１２×１０－３ ９１１２×１０－３ ０８８ ０３９００
ＡＣ １ ０１９ ０１９ １８０１ ０００８１
ＢＣ １ １００６３ ００６３ ６１５ ００５５８
Ａ２ １ ００２３ ００２３ ２２２ ０１９６７
Ｂ２ １ ００４５ ００４５ ４３７ ００９１０
Ｃ２ １ ００９０ ００９０ ８７５ ００３１６
回归 ９ ０７９ ００８７ ８４８ ００１４９
误差项 ５ ００５１ ００１０
总回归 １４ ０８４
图４ 液料比与功率对提取率的影响
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｌｉｑｕｉｄｔｏｍａｔｅｒｉａｌｒａｔｉｏａｎｄｐｏｗｅｒ
ｏｎｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓｙｉｅｌｄ
图５ 功率与提取时间对提取率的影响
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｏｗｅｒａｎｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ
ｏｎｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓｙｉｅｌｄ
２２３ 因素间的交互影响
图４～６直观地反映了各因素交互作用对响应
图６ 液料比与提取时间对提取率的影响
Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｌｉｑｕｉｄｔｏｍａｔｅｒｉａｌｒａｔｉｏａｎｄ
ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｏｎｔｅａｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌｓｙｉｅｌｄ
值的影响。比较３组图可知，液料比与提取时间对
茶多酚提取率的交互效应最为显著，表现为曲线较
陡；而液料比与功率对茶多酚提取率的交互效应次
之，功率与提取时间对茶多酚提取率的交互效应不
显著，相应表现为曲线较为平滑。
２３ 绿茶茶多酚提取工艺条件的确定
通过软件 ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ求解方程，即对模型方
程求一阶偏导，可以求出模型的极值点：Ａ＝００２；
Ｂ＝－０１；Ｃ ＝００４。经过转换得出最优提取条
件为：料液比为４０２ｍＬ／ｇ，超声功率为４７６Ｗ，提
取时间为１５１ｍｉｎ，最大提取率为１０３１２％，而采
用该实验条件进行验证实验得到提取率为
１０３０７％，这说明该方程与实际情况符合得很好，响
２４ 生 物 加 工 过 程 第７卷
应面法能较好地对影响绿茶茶多酚的提取工艺进
行回归分析和条件优化。
３ 结 论
以水做溶剂采用超声提取绿茶茶多酚，在单因
素试验的基础上，进行响应面分析优化超声提取实
验参数。由响应面分析实验得出，液料比、超声功
率、浸提时间是影响茶多酚浸提率的主要因素，液
料比的影响最为显著。依据回归分析确定最优提
取工艺条件，提取茶多酚的最佳工艺条件为：液料
比４０２ｍＬ／ｇ，时间１５１ｍｉｎ，功率４７６Ｗ，最大提取
率为１０３１２％。而试验验证提取率为 １０３０７％，
这说明通过响应面法得到一个能较好预测试验结
果的模型方程。
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３４ 第１期 郭树琴等：响应面法优化超声提取绿茶茶多酚工艺