木質纖維素吸附分離法純化茶多酚研究

王秀萍，朱海燕，謝蘇平（.福建省農業(yè)科學院茶葉研究所，福建 福安 5505； .湖南農業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙 408；.金綠源生物科技有限公司，福建 漳平 64400）

木質纖維素吸附分離法純化茶多酚研究

王秀萍1，朱海燕2，謝蘇平3
（1.福建省農業(yè)科學院茶葉研究所，福建 福安 355015； 2.湖南農業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙 410128；3.金綠源生物科技有限公司，福建 漳平 364400）

選用經過預處理的白楊樹、杉木、松樹的木屑、鐵觀音烏龍茶茶梗及大孔樹脂、活性炭（顆粒）作為吸附劑，對直接采用鮮葉提制的茶多酚濃縮液進行靜態(tài)和動態(tài)吸附及常溫純凈水洗脫試驗，以篩選出較好的木質纖維素吸附劑，實驗結果表明，杉木木屑是首選的木質纖維素制備原料，選用經過酸堿預處理的杉木木屑作為吸附劑，對茶多酚濃縮液進行動態(tài)吸附，進液流速控制在3 mL·min-1，總兒茶素的平衡吸附量為107.93 mg·g-1；再用常溫純凈水進行洗脫，控制流速2 mL·min-1，總兒茶素的解吸率為26.21%。

茶多酚；兒茶素；木質纖維素；吸附性能；解吸

茶葉精深加工產品體系主要包括茶飲料和全茶粉（如固態(tài)速溶茶、濃縮茶汁、抹茶、超微茶粉及含茶飲料等）、茶葉功能成分提取物（如茶多酚、茶黃素、茶褐素、茶氨酸等）及含茶終端產品，茶多酚是生產、應用最為廣泛的產品之一，目前國內茶多酚年產量達3000 t左右［1］。我國茶多酚的研究發(fā)展于上世紀 80 年代，進入上世紀 90 年代后形成高潮［2］，現(xiàn)已研發(fā)的茶多酚制備方法主要有溶劑萃取法、離子沉淀法、吸附分離法、超臨界流體萃取法、超聲波浸提方法、微波浸提法、高速逆流色譜法（HSCCC）、膜分離法、閃式提取等等［3］，其中柱吸附分離法被認為是一種較之更為安全、簡便、低耗且分離效果較好的方法［4］，但柱填充料如親脂凝膠、吸附型樹脂等非常昂貴且使用壽命短，存在樹脂殘留等安全隱患，且淋洗時要用多種、大量有機溶劑，顯然不適用于工業(yè)化生產茶多酚［2，5］。因此，研發(fā)廉價易得、綠色環(huán)保的新材料和新工藝，對實現(xiàn)茶多酚的高效安全生產至為重要。

梁慧玲等嘗試以杉木屑為原料，制備成木質纖維素用于茶多酚的純化，發(fā)現(xiàn)杉木木質纖維素對兒茶素類有較好的選擇吸附性，在脫咖啡因酯型兒茶素類的生產中將有很大的應用價值［5］。本文選用白楊樹、杉木、松樹的木屑、鐵觀音烏龍茶茶梗作為制備木質纖維素吸附劑的原料，對直接采用鮮葉提制的茶多酚濃縮液進行吸附與解吸試驗，以篩選出較好的木質纖維素吸附劑，為開發(fā)茶多酚高效安全生產新工藝提供更多的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 提取原料

以茶樹鮮葉為茶多酚提取原料，鮮葉來自金綠源（中國）生物科技有限公司位于漳平市南洋鎮(zhèn)的茶園基地所種水仙品種，采摘標準為中開面至大開面，駐芽3～4葉梢。

1.1.2 吸附材料

選擇白楊樹木屑、松樹木屑、杉木木屑、鐵觀音烏龍茶茶梗作為制備木質纖維素吸附劑的原材料，同時以活性炭（顆粒）和 DM-301大孔樹脂作為對照吸附劑的原材料，其中鐵觀音烏龍茶茶梗來自福建南安烏龍茶廠，白楊樹木屑來自福建省漳平市寧洋木業(yè)有限公司，杉木木屑、松樹木屑來自福建省漳平木村林產有限公司；大孔樹脂（DM301型）來自天津市海光化工有限公司，活性炭（顆粒狀，60目）由國藥集團化學試劑有限公司出品。

1.1.3 主要儀器設備

EM720KG1-PW 型微波爐（廣東美的）；MJ-25PM01B型多功能料理機（廣東美的）；RSY-85碟式離心機（江蘇宜興市華鼎糧食機械有限公司）；超濾膜及反滲透膜設備（江蘇太倉華辰凈化設備有限公司）；XY-100 蠕動泵（江蘇常州市文每機械配件廠）；ShimadzuLC-10A高效液相色譜儀（日本島津）；600型噴霧干燥機（江蘇無錫市禾明干燥設備有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 茶多酚濃縮液的制備

將鮮葉置于搪瓷盤上攤涼15 h左右，攤涼厚度10～15 cm，攤放過程中適當進行翻葉。然后將萎凋葉置于微波爐中加熱4 min，微波爐輸出功率為250～350 w。將微波處理后的青葉打成漿狀，打漿機內加入10倍新鮮茶葉重量的常溫純凈水，打漿機轉速設定為5200 r·min-1，漿液用不銹鋼桶盛放，置于常溫浸泡30 min，漿汁用300目濾網過濾后，濾渣進行榨汁，壓榨擠干后的殘渣再加入6倍重量的常溫純凈水，攪拌浸泡30 min后再進行壓榨擠汁，將打漿后的濾液和濾渣兩次壓榨所得的汁液合并，用孔徑為l μm的濾紙過濾即可得到茶多酚粗提液。將粗提液在轉速5500 r·min-1下離心，去除肉眼可見的顆粒性雜質，再用孔徑為5 μm的熔噴濾芯進一步去除離心后上清液中的雜質，濾液用聚氯乙烯超濾膜進行除雜，然后用反滲透膜濃縮為濃度2（g·100mL-1）的茶多酚濃縮液。

1.2.2 吸附材料的預處理

按照參照文獻［5］的方法進行杉木木質纖維素、白楊樹木質纖維素、松樹木質纖維素、茶梗木質纖維素、大孔樹脂、活性炭（顆粒）6種吸附劑的制備。

1.2.3 靜態(tài)吸附

稱取20 g（濕重）左右經預處理真空抽濾后的吸附材料置于500 mL錐形瓶內，加入400 mL濃度為2（g·100mL-1）的茶多酚濃縮液，用保鮮膜封口后放進恒溫振蕩器槽內室溫下150 r·min-1進行振蕩。每隔30 min取樣檢測，至3 h后每隔1 h取樣，4 h后每隔2 h取樣檢測。當連續(xù)3次同一組分的檢測數值正負偏差小于3%時即認為達到平衡吸附量，則第1次的時間點即為吸附平衡時間點。每種材質重復吸附試驗3次，結果以平均數表示。

兒茶素或咖啡堿的平衡吸附率（%）為到達平衡吸附量時間點起的連續(xù)3次的兒茶素或咖啡堿吸附率的均值；兒茶素或咖啡堿的平衡吸附量

Q（mg·g-1）=（Cx×Mx×V）/（100×M），式中Cx為兒茶素或咖啡堿的平衡吸附率（%），Mx為單位體積濃縮液中的兒茶素或咖啡堿的質量（mg·mL-1），V為濃縮液體積（mL），M為吸附材料的質量（濕重，g）。

1.2.4 動態(tài)吸附

分別稱取20 g（濕重）經真空抽濾的6種吸附材料，濕法裝柱（吸附柱為玻璃柱Φ2.8 cm×80 cm），用400 mL濃度為2（g·100mL-1）的茶多酚濃縮液上樣，以蠕動泵循環(huán)供料，控制流速3 mL·min-1，循環(huán)吸附30 min后取樣檢測，之后每隔30 min取樣檢測，3 h后每隔60 min取樣檢測。吸附后濃縮液中茶多酚、兒茶素組分及咖啡堿含量的檢測、吸附平衡時間點的判斷及各組分吸附率和兒茶素（咖啡堿）的平衡吸附率的計算方法與靜態(tài)吸附實驗相同。每種材質重復吸附試驗3次，結果以平均數表示。

1.2.5 洗脫與收集

將動態(tài)吸附完成的吸附材料真空抽濾后，用20～25℃的純凈水160 mL，控制流速2 mL·min-1進行洗脫，分段收集洗脫液，每20 mL作為一個待檢樣，分別檢測其中的茶多酚、兒茶素組分和咖啡堿含量，并計算各組分的解吸率。

各組分的解吸率DX（%）=（CX× VX）/（Q × M）×100%，式中 CX為洗脫液中各成分的濃度（mg·mL-1），VX為洗脫液體積（mL），Q為各成分動態(tài)吸附的平衡吸附量（mg·g-1），M為吸附材料的質量（濕重，g）。

1.2.6 樣液檢測方法

樣液（吸附后濃縮液或洗脫液）→濾紙過濾→濾液在20～25℃、5000 r·min-1轉速條件下離心10 min→上清液用0.45 μm微孔濾膜過濾→檢測濾液中茶多酚、咖啡堿和兒茶素組分含量《GB/T 8313-2008茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》。

2 結果與分析

2.1 靜態(tài)吸附試驗

6種吸附劑靜態(tài)吸附過程中，茶多酚、總兒茶素、咖啡堿及4種主要兒茶素類（EGC、EGCG、EC、ECG）的吸附率變化如圖1所示，不同吸附劑、不同組分的吸附率均是隨吸附進行迅速增大，到達吸附平衡點后變化平緩，其中4種木質纖維素和活性炭的兒茶素吸附率均高于咖啡堿的吸附率，大孔樹脂則相反。

從表1可以看出，不同吸附劑對總兒茶素的平衡時間不同，大孔樹脂最短，為1.5 h左右，活性炭為2 h左右，而4種木質纖維素兒茶素吸附到達平衡點的時間長得多，其中白楊樹、茶梗和松樹木質纖維素吸附平衡時間都在6 h左右，杉木木質纖維素為4 h左右。對比杉木、白楊樹、松樹及茶梗木質纖維素、大孔樹脂、活性炭對總兒茶素的靜態(tài)平衡吸附率和吸附量，可知6種吸附材質對兒茶素的吸附能力依次為：白楊樹木質纖維素＞大孔樹脂＞杉木木質纖維素＞茶梗木質纖維素＞松樹木質纖維素＞活性炭，因此，大孔樹脂、白楊樹和杉木木質纖維素是較適用的兒茶素吸附劑。

表1 不同吸附材質對總兒茶素、咖啡堿的靜態(tài)吸附效果Table 1 Efficiencies of various adsorbents in static adsorbing catechins and caffeine from tea extract

圖 1 不同材質靜態(tài)吸附過程中各組分吸附率變化趨勢Fig. 1 Absorption rates on various components in tea extract during static adsorption by adsorbents

同時，對咖啡堿的吸附也是大孔樹脂達到平衡的時間最短，為1.5 h左右，活性炭吸附咖啡堿達到平衡的時間為3 h左右，其余材質吸附咖啡堿的平衡時長同于其吸附兒茶素的平衡時間；對比杉木、白楊樹、松樹及茶梗木質纖維素、大孔樹脂、活性炭對咖啡堿的靜態(tài)平衡吸附率和吸附量，可知6種吸附材質對咖啡堿的吸附能力依次為大孔樹脂＞杉木木質纖維素＞白楊樹木質纖維素＞松樹木質纖維素＞茶梗木質纖維素＞活性炭，這說明大孔樹脂、杉木和白楊樹木質纖維素也是較適用的咖啡堿吸附劑。

從圖2可以看出，大孔樹脂、杉木和白楊樹木質纖維素靜態(tài)吸附兒茶素和咖啡堿的能力均較強，但大孔樹脂對咖啡堿的靜態(tài)吸附能力明顯強于兒茶素，而木質纖維素和活性炭均是對兒茶素的靜態(tài)吸附能力明顯強于咖啡堿。此外，白楊樹對兒茶素的靜態(tài)平衡吸附率顯著高于大孔樹脂和杉木木質纖維素，即白楊樹木質纖維素對兒茶素的吸附能力顯著強于后兩者，而前者對咖啡堿的靜態(tài)平衡吸附率顯著低于大孔樹脂且略低于杉木木質纖維素，因此，用木屑作為茶多酚的吸附原料是可行的，其中以白楊樹木屑最佳。

圖 2 總兒茶素及咖啡堿靜態(tài)平衡吸附率及其方差分析結果Fig. 2 Static equilibrium rates of various adsorbents in adsorbing catechins and caffeine， and results on variance analysis

表2 不同吸附材質對總兒茶素、咖啡堿的動態(tài)吸附效果Table 2 Efficiencies of various adsorbents in dynamic adsorbing catechins and caffeine from tea extract

2.2 動態(tài)吸附試驗

圖3顯示，與靜態(tài)吸附過程相同，6種吸附劑動態(tài)吸附過程中，茶多酚、總兒茶素、咖啡堿及 4種主要兒茶素的吸附率也均是隨吸附的進行而呈上升趨勢，前期上升較快，后期因逐漸達到吸附平衡變化幅度很小。此外，6種吸附劑靜態(tài)或動態(tài)吸附過程中 EGC的吸附率均高于咖啡堿和其他兒茶素組分，而酯型兒茶素ECG和EGCG的吸附率也均較高。

圖 3 不同材質動態(tài)吸附過程中各組分吸附率變化趨勢Fig. 3 Absorption rates on various components in tea extract during dynamic adsorption by adsorbents

而表2的數據顯示，在動態(tài)吸附試驗過程中，活性炭的兒茶素動態(tài)吸附達到平衡的時間最短，為1.5h左右，大孔樹脂為2 h左右，而4種木質纖維素兒茶素動態(tài)吸附到達平衡點的時間長得多，其中杉木、茶梗和松樹木質纖維素吸附平衡時間都在4 h左右，白楊樹木質纖維素為3 h左右；對比杉木、白楊樹、松樹及茶梗木質纖維素、大孔樹脂、活性炭對總兒茶素的動態(tài)平衡吸附率和吸附量，可知6種吸附材質對兒茶素的吸附能力依次為大孔樹脂＞白楊樹木質纖維素＞杉木木質纖維素＞茶梗木質纖維素＞松樹木質纖維素＞活性炭，因此，大孔樹脂、白楊樹和杉木木質纖維素是較適用的兒茶素吸附劑，這與靜態(tài)吸附實驗結果一致。

同時，對咖啡堿的動態(tài)吸附以大孔樹脂達到平衡的時間最短，為2 h左右，活性炭為2.5 h左右，杉木、茶梗及松樹木質纖維素3種吸附材質到達平衡吸附量的時間都在4 h左右，而白楊樹木質纖維素動態(tài)吸附咖啡堿的平衡時間最長，為5 h左右；對比杉木、白楊樹、松樹及茶梗木質纖維素、大孔樹脂、活性炭對咖啡堿的動態(tài)平衡吸附率和吸附量，可知6種吸附材質對咖啡堿的吸附能力依次為大孔樹脂＞白楊樹木質纖維素＞杉木木質纖維素＞松樹木質纖維素＞茶梗木質纖維素＞活性炭，這說明大孔樹脂、白楊樹和杉木木質纖維素也是較適用的咖啡堿吸附劑，這也與靜態(tài)吸附實驗結果一致。

從圖4可以看出，大孔樹脂、杉木和白楊樹木質纖維素動態(tài)吸附兒茶素和咖啡堿的能力均較強，但大孔樹脂對咖啡堿的動態(tài)吸附能力明顯強于兒茶素，而木質纖維素和活性炭均是對兒茶素的動態(tài)吸附能力明顯強于咖啡堿。此外，大孔樹脂對兒茶素的平衡吸附率顯著高于白楊樹和杉木木質纖維素，白楊樹木質纖維素對兒茶素的平衡吸附率又顯著高于杉木木質纖維素，即大孔樹脂對兒茶素的吸附能力顯著強于后兩者，白楊樹木質纖維素對兒茶素的吸附能力又顯著強于杉木木質纖維素，且三者對咖啡堿的動態(tài)平衡吸附率差異顯著性亦是如此，而白楊樹木質纖維素對咖啡堿的吸附性能較強不利于后續(xù)的兒茶素洗脫和純化，故杉木木屑也是制備兒茶素吸附劑較理想的原材料。

圖 4 總兒茶素及咖啡堿動態(tài)平衡吸附率及其方差分析結果Fig. 4 Dynamic equilibrium rates of various adsorbents in adsorbing catechins and caffeine， and results on variance analysis

2.3 洗脫試驗

從表3結果來看，6種吸附劑的總兒茶素解吸率從高到低依次為：大孔樹脂＞茶梗木質纖維素＞杉木木質纖維素＞白楊樹木質纖維素＞松樹木質纖維素＞活性炭，4種木質纖維素的兒茶素解吸率均不到33%；咖啡堿的解吸率從高到低依次為：活性炭＞白楊樹木質纖維素＞松樹木質纖維素＞杉木木質纖維素＞茶梗木質纖維素＞大孔樹脂，除大孔樹脂外，同一吸附劑的咖啡堿解吸率均超過38%，明顯高于兒茶素。

6種吸附劑解吸得到的總兒茶素質量高低依次為：大孔樹脂1203.0 mg＞茶梗木質纖維素660.8 mg＞杉木木質纖維素 565.8 mg＞白楊樹木質纖維素538.4 mg＞松樹木質纖維素 426.0 mg＞活性炭 330.2 mg；而解吸得到的總兒茶素與茶多酚質量百分比大小依次為：白楊樹木質纖維素79.29%＞杉木木質纖維素69.46%＞大孔樹脂69.39%＞活性炭68.85%＞茶梗木質纖維素68.69%＞松樹木質纖維素66.73%，說明大孔樹脂、白楊樹和杉木木質纖維素純水洗脫兒茶素的效果較好；6種吸附劑解吸得到的咖啡堿質量高低依次為：白楊樹木質纖維素249.6 mg＞松樹木質纖維素189.4 mg＞杉木木質纖維素181.2 mg＞活性炭132.6 mg＞茶梗木質纖維素105.2 mg＞大孔樹脂51.6 mg，而解吸得到的咖啡堿與總兒茶素質量比大小依次為：白楊樹木質纖維素 0.46＞松樹木質纖維素0.44＞活性炭0.40＞杉木木質纖維素0.32＞茶梗木質纖維素0.16＞大孔樹脂0.04，說明大孔樹脂、杉木和茶梗木質纖維素比較有利于從兒茶素中脫除咖啡堿。

再者，解吸得到的非酯型兒茶素與總兒茶素質量百分比大小依次為：松樹木質纖維素93.29%＞杉木木質纖維素 90.84%＞活性炭 90.07%＞大孔樹脂89.86%＞茶梗木質纖維素 89.74%＞白楊樹木質纖維素86.14%；解吸得到的酯型兒茶素與總兒茶素質量百分比大小依次為：白楊樹木質纖維素13.86%＞茶梗木質纖維素 10.26%＞大孔樹脂 10.14%＞活性炭 9.93%＞杉木木質纖維素 9.16%＞松樹木質纖維素 6.71%，這表明杉木和白楊樹木質纖維素比較能有效分離出非酯型與酯型兒茶素，其中杉木木質纖維素更有利于分離富集非酯型兒茶素，白楊樹木質纖維素更有利于分離富集酯型兒茶素。

此外，在表3中，大孔樹脂吸附的總兒茶素經純水洗脫的解吸率高達49.82%，而已有的研究顯示，用大孔樹脂吸附分離法提純茶多酚時，一般用較高濃度乙醇溶液洗脫茶多酚［7-12］；用純水和不同濃度的乙醇溶液進行梯度洗脫時，純水洗出的茶多酚含量接近0［5，13］，而本實驗結果與此大相徑庭，不僅大孔樹脂的解吸率較高，甚至大孔吸附樹脂對總兒茶素的解吸能力強于4種木質纖維素和活性炭。其次，活性炭柱層析對于分離水溶性物質（如氨基酸、糖類及某些苷類）是一種較好的方法，如純化低聚木糖時以體積分數30%的乙醇溶液作為活性炭的洗脫液分離效果較好，而去離子水的洗脫能力很弱［14，15］，而本實驗中活性炭吸附的總兒茶素經純水洗脫的解吸率達到17.53%。以上結果可能是由于平衡吸附量、上樣液濃度、水質、水洗脫體積、洗脫流速等實驗條件的不同造成的，具體的原因有待進一步的實驗查明。

表3 不同材質動態(tài)吸附后純水洗脫結果統(tǒng)計Table 3 The results analysis of water elution following the dynamic adsorptions of different adsorbents

3 結論

綜合以上解吸試驗分析結果，雖然木質纖維素的總兒茶素解吸率均低于大孔樹脂，但杉木木質纖維素純水洗脫兒茶素的效果相對較好，能有效從兒茶素中脫除咖啡堿和分離富集非酯型兒茶素，因此，杉木木屑是首選的木質纖維素制備原料。選用經過酸堿預處理的杉木木屑作為吸附劑，對反滲透膜濃縮后的濃縮液進行動態(tài)吸附，進液流速控制在3 mL·min-1，總兒茶素的平衡吸附量為107.93 mg·g-1；再用常溫純凈水進行洗脫，控制流速2 mL·min-1，總兒茶素的解吸率為26.21%。

據梁慧玲等的研究結果，杉木木質纖維素對酯型兒茶素類的吸附力大于咖啡因和簡單兒茶素類，且操作溫度以常溫（25℃）為佳。同時，杉木木質纖維素填充柱對咖啡因和酯型兒茶素類的洗脫分離效果優(yōu)于大孔吸附樹脂填充柱［5］。本研究亦發(fā)現(xiàn)，常溫下白楊樹和杉木木質纖維素都是較好的兒茶素和咖啡堿吸附劑，而杉木木質纖維素填充柱對酯型兒茶素類的洗脫分離效果接近于大孔吸附樹脂，且其對酯型兒茶素類的吸附力小于簡單兒茶素類，這與本分離實驗中只用純水進行洗脫有關。福建地區(qū)各種木材資源和木材加工企業(yè)很多，尤其是杉木資源極為豐富，制備木質纖維素來源便利，經濟實惠，因此，進一步完善和應用杉木木質纖維素提純茶多酚技術具有廣闊的發(fā)展前景。

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Extracting Tea Polyphenols Using Lignocellulose Adsorbent Followed by Water Elution

WANG Xiu-ping1，ZHU Hai-yan2，XIE Su-ping3
（1. Tea Research Institute， Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fu' an， Fujian 355015， China；
2. College of Horticulture and Landscape， Hunan Agricultural University， Changsha， Hunan 410128， China；
3. Jinlvyuan Biological Technology Co.， Ltd.， Zhangping， Fujian 364400， China）

This study attempted to apply lignocellulose to adsorb polyphenols from the extract of fresh tea leaves followed by water-elution to obtain purified and concentrated tea polyphenols. Static and dynamic adsorption using acid-and-alkali pretreated sawdust of poplar， cedarwood， and pine， Tie-guanyin oolong tea stalks， macro-porous resin， and granular activated carbon were conducted. The results indicated that cedarwood sawdust was the preferred raw material for the process. At the tea extract feeding speed of 3 mL·min-1， the equilibrium adsorption of catechins was found to be 107.93 mg·g-1. Subsequently， washing with purified water on the adsorbent at ambient temperature and a flow rate of 2 mL·min-1achieved a catechins desorption rate of 26.21%.

tea polyphenols； catechins； lignocellulose； adsorptionproperties； desorption

TS272.7

A

2015-08-31初稿；2015-11-04修改稿

福建省科技廳區(qū)域重大項目（2013N3009）；福建農業(yè)科學院科技創(chuàng)新團隊項目（CXTD-1-1302）；宜賓市引進高層次人才項目（2013YG03）。

王秀萍（1973-），女，副研究員，博士，研究方向：茶文化與茶業(yè)經濟。E-mail： 905966898@qq.com