樹脂法提取茶多酚的工藝研究

曹雪文， 熊道陵， 王露琦， 宗毅， 歐陽少波， 郭彤麟

（江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州341000）

茶多酚（Tea polyphenols,簡稱 TP），純凈物為白色無定形結(jié)晶，提取過程中易被氧化呈淡黃至淡褐色.易溶解在水中,能溶解于有機(jī)溶劑，不溶解于氯仿[1,2].通常由茶葉中提取得到，是茶葉中的主要有效成分[3].研究表明茶多酚在降血脂[4，5]、抗氧化[6-8]、消炎殺菌[9,10]、防癌防輻射[11,12]等方面有顯著功效，在食品、飲品、冷藏等方面的研究前景廣闊[13].國內(nèi)外，關(guān)于茶多酚的提取技術(shù)主要有:溶劑萃取法、沉淀提取法、層析法和超臨界流體萃取法[14，15].近兩年有一種雙水相的方法用于茶多酚的提取，該法是利用兩相間的選擇性分配來得到目標(biāo)成分，李洋等[16]利用此法使茶多酚提取率達(dá)到17.43%.

實(shí)驗(yàn)選用樹脂法提取茶湯中的茶多酚，樹脂的價(jià)格雖然較高，但比超臨界萃取法更為經(jīng)濟(jì)，且該法吸附分離簡便，操作工藝簡單，不像有機(jī)溶劑法需要一再地提取除雜，牛志平等[17]分別用8種樹脂作為吸附劑，用2 BV水作清洗液,70%乙醇（2.5 BV）作解吸劑進(jìn)行解吸.結(jié)果發(fā)現(xiàn)可使解吸率達(dá)到98.2%,產(chǎn)品得率為85.8%.曹雪文等[18].利用XDL-1樹脂對茶多酚進(jìn)行純化，并利用Design-Expert軟件進(jìn)行單因素條件優(yōu)化，在較優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下可得到純度為67.09%的茶多酚.樹脂法耗能低，生產(chǎn)條件溫和，能夠有效避免產(chǎn)品失活，樹脂也可循環(huán)再生，整個(gè)分離過程以乙醇作為洗脫劑，乙醇回收較為容易，無毒、無污染，此法提取茶多酚十分有意義[19，20].

1 材料與方法

1.1材 料

實(shí)驗(yàn)采用的 12種樹脂包括 DM-8、DM-131、DM-16X、DM-130、NKA-9、HPD-600、 聚 酰 胺 、NKA-2、LSA-21、X-5、DM-301、HZ-802 均來自艾美康健樹脂公司，綠茶茶葉來自江西某茶廠，其他實(shí)驗(yàn)藥品見表1．

表1 實(shí)驗(yàn)所需材料Table 1 Materials required for the experiment

1.2 儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要有：料理機(jī)將茶葉打碎成粉末狀；分光光度計(jì)、比色皿測定溶液中茶多酚含量；恒溫振蕩器控制多個(gè)樣品處于同一吸附溫度與振蕩頻率；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去脫附液中的有機(jī)溶劑.實(shí)驗(yàn)中具體儀器設(shè)備見表2．

表2 實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備Table 2 Experimental equipment

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樹脂的篩選

2.1.1 樹脂的預(yù)處理

樹脂的預(yù)處理：將12種大孔樹脂洗凈，用95%的乙醇溶液浸泡24 h，使其充分激活，之后用蒸餾水洗滌至無明顯醇味，用水浸泡備用.

2.1.2 茶葉浸提液的制備

茶湯的制備：將5 g茶葉用料理機(jī)打碎，并用孔徑為450 μm的篩子篩下茶葉粉末，使茶葉粉末與蒸餾水以料液比為1∶20在80℃下浸提3次，第1次浸提1 h，過濾，留下濾液，將濾渣進(jìn)行第2次和第3次浸提，均浸提30 min.之后將濾液合并，定容至500 mL.

2.1.3 茶多酚含量的測定方法

酒石酸亞鐵法（GB/8313—2002）測定、超高液相色譜法.

酒石酸亞鐵法比色液的配制：取2 mL的待測液、10 mL酒石酸鐵溶液（硫酸亞鐵1.0 g，酒石酸鉀鈉5.0 g加水溶解并定容至1 L）于50 mL容量瓶，用pH=7.5的磷酸鹽緩沖液（a液（1/15 moL的磷酸氫二鈉溶液）∶b 液（1/15 moL 的磷酸二氫鉀溶液）=85∶15）定容至刻度線.

2.1.4實(shí)驗(yàn)過程及計(jì)算

篩選出較優(yōu)吸附量與脫附率的樹脂之后，再利用單因素實(shí)驗(yàn)對動(dòng)態(tài)吸附的吸附速度、脫附速度、脫附體積進(jìn)行研究，并且通過吸附特性曲線的描繪得出合理的吸附體積以防吸附過程中發(fā)生穿透現(xiàn)象，浪費(fèi)原料.

2.1.5 測定方法

吸取待測液2 mL，注入50 mL容量瓶中，加酒石酸亞鐵溶液10 mL，充分混合，再加pH為7.5的緩沖液至刻度，用10 mm比色杯，在波長540 nm處以空白溶液作參比.

3 結(jié)果與討論

3.1 吸附樹脂的選擇結(jié)果

精確稱量樹脂2 g，預(yù)處理后轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，加入50 mL的10 mg/mL的茶湯，每隔10 min用恒溫振蕩器在30℃下振搖10 s，持續(xù)1.5 h.之后取出錐形瓶，靜置24 h，使其吸附飽和.吸取上層液，測定茶多酚含量，計(jì)算靜態(tài)飽和吸附量和脫附率.除去上層的吸附液，用濾紙吸干12種吸附飽和樹脂上的水分，再用30 mL 70%的乙醇將這12種樹脂分別轉(zhuǎn)移到另12個(gè)錐形瓶中，放入30℃的恒溫振蕩器中震搖1.5 h，將解析液過濾，測解吸率.結(jié)果見表3.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的各種樹脂的性能參數(shù)：聚酰胺的吸附量最大，其次是DM-16X，之后是DM-131、X-5樹脂.而脫附率從大到小的順序則是X-5＞DM-131＞DM-16X,綜合考慮這幾種樹脂的吸附量和脫附率的差值，本實(shí)驗(yàn)選取DM-16X作為實(shí)驗(yàn)樹脂.

3.2 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

3.2.1 上樣速度對吸附性能的影響

取10 mL預(yù)處理好的DM-16X樹脂濕法裝柱，導(dǎo)入一定體積的茶湯于柱中.上柱流速分別為2 BV/h、4 BV/h、6 BV/h、8 BV/h、10 BV/h、12 BV/h.檢測各個(gè)速度下每2.5 BV流出液中茶多酚的含量，考察上柱液流速對樹脂吸附茶多酚的影響，繪制動(dòng)態(tài)吸附曲線，結(jié)果如圖1所示.

表3 不同樹脂茶湯吸附量Table 3 Adsorption capacity of different resin tea soup

圖1吸附速度對吸附特性的影響Fig.1 Effect of adsorption rate on adsorption characteristics

根據(jù)圖1可以看出，流速是通過影響溶質(zhì)在樹脂表面的擴(kuò)散從而影響吸附效果.各曲線均為增長型，且在第6組樣品開始，茶多酚漏出液濃度增長明顯，其中2 BV/h曲線該現(xiàn)象最為突出，這是因?yàn)樵谧詈髱捉M樣品中茶多酚已經(jīng)發(fā)生穿透，而2 BV/h速度實(shí)驗(yàn)由于流速慢使得前幾組體積的茶湯吸附得較為完全，在收集第7個(gè)和第8個(gè)樣品時(shí)已達(dá)到樹脂吸附飽和狀態(tài)，故之后穿透更為明顯.其他速度實(shí)驗(yàn)由于流速更快吸附不夠飽和，因此在最后幾個(gè)樣品中均未發(fā)生像2 BV/h速度實(shí)驗(yàn)?zāi)菢釉鲩L太過明顯的現(xiàn)象.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知6 BV/h比起2 BV/h、4 BV/h更快，但是其漏出茶多酚的現(xiàn)象比起8 BV/h、10 BV/h更不明顯，其曲線的增長幅度又更均勻，較易控制.因此上柱流速選擇6 BV/h.

3.2.2 吸附特性曲線

以6 BV/h的流速、茶多酚濃度為1.51 mg/mL、體積為200 mL的茶湯上柱，每隔2.5 BV分步收集流出液，測定其茶多酚的含量以繪制該曲線.結(jié)果如圖2所示.

圖2 吸附特性曲線Fig.2 Adsorption characteristics

由吸附特性曲線圖（圖2）可見，漏出液中茶多酚量增加得較為穩(wěn)定，直到第5個(gè)樣品，茶多酚的漏出濃度約為0.15 mg/mL達(dá)到原液濃度的9.87%，第6個(gè)樣品茶多酚濃度為0.16 mg/mL，占原液濃度的10.84%.因此可以確定在第5個(gè)和第6個(gè)樣品之間發(fā)生穿透現(xiàn)象 （當(dāng)漏出液茶多酚濃度達(dá)到原液濃度的10%時(shí)即發(fā)生穿透現(xiàn)象），因此本實(shí)驗(yàn)的原液體積宜控制在12.5 BV.

3.2.3 脫附劑體積對脫附率的影響

由圖3可知：洗脫劑用量越大，洗脫率越大，當(dāng)洗脫劑體積為100 mL時(shí)，茶多酚幾乎完全被洗下，而80 mL時(shí)洗脫率也超過95%，與100 mL的洗脫率相差不大，為節(jié)省乙醇，選擇80 mL脫附.

3.2.4 脫附速度對脫附率的影響

按確定好的較優(yōu)吸附條件進(jìn)行上柱，吸附平衡后用等量蒸餾水淋洗樹脂，以80 mL，70%的乙醇作為洗脫劑，測量洗脫速度為2 BV/h、4 BV/h、6 BV/h、8 BV/h、10 BV/h下的洗脫率，選擇出較優(yōu)的脫附速度.脫附速度對脫附率的影響如圖4所示.

圖3脫附體積對脫附率的影響Fig.3 Effect of desorption volume on desorption rate

圖4 脫附速度對脫附率的影響Fig.4 Effect of desorption rate on desorption rate

由圖4可知：流速為8 BV/h時(shí)，脫附率最大，小于8 BV/h時(shí)，由于流速過慢，洗脫過程中擴(kuò)散速率較慢，外擴(kuò)散阻力較大，影響了脫附率，導(dǎo)致脫附率較小.因此，本實(shí)驗(yàn)將動(dòng)態(tài)洗脫流速控制在8 BV/h.

按較佳條件處理所得最終產(chǎn)品的UPLC（超高液相色譜）檢測色譜圖如圖5所示.

最終產(chǎn)品的UPLC分析結(jié)果如表4和表5所示．

由酒石酸亞鐵法測出產(chǎn)品茶多酚含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為76.57%，根據(jù)UPLC檢測：EGC含量為35.94%；EC含量為 4.22%，EGCG含量為 18.56%，ECG含量為6.9%；最終計(jì)算得4種兒茶素的含量達(dá)到65.62%，咖啡堿含量為16.96%.

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圖5 最終茶湯樣品UPLU色譜Fig.5 Final tea soup sample UPLU chromatography

表4 茶湯中4種兒茶素及咖啡堿的回歸方程Table 4 Regression equation of four catechins and caffeine in tea soup

表5 4種兒茶素及咖啡堿的含量Table 5 Content of four catechins and caffeine

4 吸附熱力學(xué)、吸附動(dòng)力學(xué)研究

4.1 吸附熱力學(xué)研究

4.1.1 DM-16X樹脂吸附等溫線的繪制

準(zhǔn)確稱取5.0 g經(jīng)過預(yù)處理的DM-16X樹脂，放入100 mL的錐形瓶中，然后分別加入茶多酚濃度為1 mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5 mg/mL 的溶液,25℃下震蕩至吸附平衡，分析上清液茶多酚濃度.以茶多酚的濃度作為橫坐標(biāo)，把樹脂的吸附量作為縱坐標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表6，繪制吸附等溫線，如圖6所示.

表6 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Adsorption thermodynamic experimental data

圖6 DM-16X樹脂吸附等溫線（25℃）Fig.6 DM-16X resin adsorption isotherm （25℃）

由圖6可見，DM-16X樹脂對茶多酚符合單分子層吸附體系，其吸附等溫線可用Langmuir方程描述，圖6中吸附等溫線的斜率隨著茶多酚濃度的增加而逐漸降低.說明隨著茶多酚濃度的升高，茶多酚分子和樹脂之間的親和力降低.

4.1.2 吸附熱力學(xué)方程的求解

Langmuir建立了單分子層的吸附等溫線，該吸附等溫線有以下幾個(gè)假設(shè)：吸附運(yùn)動(dòng)是在活性中心上進(jìn)行的，每個(gè)活性中心有比較遠(yuǎn)的距離，且有相同的能量，各個(gè)分子之間沒有相互作用，吸附呈現(xiàn)單分子吸附.

吸附速度與吸附質(zhì)的濃度成正比關(guān)系，同時(shí)也和吸附劑表面上還沒被吸附質(zhì)占有的活性中心的數(shù)目成正比，脫附速度會(huì)和已經(jīng)被吸附質(zhì)占有了的活性中心的數(shù)目成正比.即

V1為吸附速度；V2為脫附速度；m為每克吸附劑的吸附量；m′為每克吸附劑的最大吸附量；c為吸附質(zhì)溶液濃度；K1為吸附速度；K2為脫附速度.

吸附平衡時(shí)有

推導(dǎo)出方程

qm為吸附劑的最大吸附量；q為吸附劑的吸附量；k’為 Langmuir吸附常數(shù).

根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)，DM-16X樹脂的吸附等溫線方程為：

4.2 吸附動(dòng)力學(xué)研究

4.2.1 吸附動(dòng)力學(xué)曲線

向5 g已經(jīng)處理好的DM-16X樹脂中加入已知濃度的茶湯，每隔30 min測定茶多酚含量，結(jié)果如圖7所示.

由圖7可以看出5 g的DM-16X樹脂對茶多酚的吸附量隨著時(shí)間的增大而增大，最后在時(shí)間為6 h時(shí)趨于平衡，實(shí)驗(yàn)過程中，不僅要考慮樹脂的吸附性能，還要考慮吸附時(shí)間，時(shí)間不夠，樹脂的吸附量達(dá)不到最大，時(shí)間太長，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行.

圖7 吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.7 Adsorption kinetics curve

4.2.2 平衡常數(shù)k的求解

根據(jù)以上吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，結(jié)合Langmuir吸附速率方程，該直線斜率即為該吸附劑的平衡速率常數(shù)k，經(jīng)計(jì)算可得k=0.82 h-1.以時(shí)間t為橫軸為縱坐標(biāo)作圖，可得一條直線，見圖8.

圖8 吸附速率圖示Fig.8 Adsorption rate map

由圖8可求得k值大小，k值越大，吸附速率越大，反之則越小.計(jì)算得吸附動(dòng)力學(xué)方程如下：Langmuir吸附速率方程：

其中：Qt為t時(shí)刻樹脂吸附量 （mg/g）；Qe為吸附平衡時(shí)樹脂吸附量（mg/g）；k為平衡速率常數(shù).

最終得到吸附動(dòng)力學(xué)方程為：

5 結(jié) 論

1）通過對12種樹脂的選型實(shí)驗(yàn)，得出DM-16X為實(shí)驗(yàn)較優(yōu)樹脂.

2）動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，流速對于樹脂吸附茶多酚量的研究表明，流速為6 BV/h速度適宜，茶多酚的漏出濃度均勻，速度調(diào)控更加方便.

3）吸附特性曲線表明吸附流速6 BV/h時(shí)，用10 mL樹脂吸附含茶多酚1.51 mg/mL的茶湯，吸附體積最好控制在12.5 BV及之前，否則發(fā)生穿透現(xiàn)象.

4）通過研究不同體積和脫附速度脫附液對樹脂中茶多酚的脫附率可知，80 mL、8 BV/h的乙醇溶液脫附效果不僅好而且經(jīng)濟(jì).

5）本實(shí)驗(yàn)得出的DM-16X對茶多酚的吸附—脫附工藝條件得到的成品茶多酚最終測定純度可達(dá)76.57%，其中計(jì)算得4種兒茶素的含量達(dá)到65.62%，咖啡堿含量為16.96%.

6）通過DM-16X吸附等溫線圖可發(fā)現(xiàn)：該樹脂對于茶多酚的吸附過程屬于單分子層吸附，可用Langmuir方程進(jìn)行描述.結(jié)合試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用orign軟件對圖形進(jìn)行曲線擬合，可得吸附等溫線方程為

7）由吸附動(dòng)力學(xué)曲線，DM-16X樹脂吸附性能較好，吸附平衡常數(shù)k=0.82 h-1.