低取代羥丙纖維素吸附茶黃素的熱動(dòng)力學(xué)研究

涂云飛

（1.浙江省茶資源跨界應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310016；2.中華全國(guó)供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江 杭州 310016）

0 引言

茶黃素（Theaflavins，TFs）是紅茶中一類具有苯駢罩酚酮結(jié)構(gòu)多酚，主要包括：茶黃素（Theaflavin，TF）、茶黃素-3-單沒食子酸酯（Theaflavin-3-Gallate，TF-3-G/TF3）、茶黃素-3'-單沒食子酸酯（Theaflavin-3'-Gallate，TF-3'-G/TF3'）、茶黃素-3，3'-雙沒食子酸酯（Theaflavin-3，3'-Gallate，TF-3，3'-G/TFD），現(xiàn)已成為紅茶品質(zhì)高低的象征，精制富集純化茶黃素成為紅茶深加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-6]。大孔吸附樹脂現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于黃酮、皂苷、生物堿類等天然化合物的純化中，富集茶黃素亦不例外[7-8]。然而，大孔吸附樹脂一般會(huì)殘留危害人體的合成前體，在長(zhǎng)期使用過程中樹脂降解產(chǎn)物使得原本綠色安全的茶黃素具有安全隱患。綠色制備的需求與呼聲在行業(yè)中越來越強(qiáng)。

低取代羥丙纖維素為纖維素基質(zhì)上接入羥丙基，與Sephadex LH-20 有相仿的結(jié)構(gòu)組成，并且具有分離精制茶黃素的屬性，其材質(zhì)安全、質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉。本實(shí)驗(yàn)考察低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素的吸附行為及其熱力學(xué)性質(zhì)，以期得到相關(guān)規(guī)律和熱力學(xué)參數(shù)，同時(shí)從熱力學(xué)的角度研究其吸附法純化茶黃素的可行性，為茶黃素的分離純化提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

Waters 高效液相色譜儀（配備1525 泵，2487紫外可見檢測(cè)器，717-plus 自動(dòng)進(jìn)樣器，Breeze 控制軟件）；色譜柱（Phenomenex Luna，Phenyl-Hexyl，5 μm，250 mm×4.6 mm 與Waters Symmetry，5 μm，150 mm×4.6 mm）；JB/T5374 型電子分析天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；HH-6 型水浴鍋（常州朗越儀器制造有限公司）；TDZ4A-WS 離心機(jī)（湖南賽特湘儀離心機(jī)儀器有限公司）；低取代羥丙纖維素（安徽山河藥用輔料股份有限公司）；乙腈（分析純，純度≥99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；冰醋酸（分析純，純度≥99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；乙醇（分析純，純度≥99%，杭州化學(xué)試劑有限公司）；甲醇（分析純，純度≥99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；市售茶黃素粗品；純凈水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.2 茶黃素粗品溶液的制備

將市售茶黃素粗品配制成0.5%濃度。配制時(shí)，以含有0.05%醋酸的5%乙醇水溶液溶解，并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅o置離心，取上層清液備用。

1.3 低取代羥丙纖維素不同規(guī)格的篩選

低取代羥丙纖維素預(yù)處理時(shí)，將不同規(guī)格的低取代羥丙纖維素與0.5%的茶黃素溶液按1∶50的固液比進(jìn)行24 h 的振蕩吸附，離心取上層清液進(jìn)行分析。

1.4 吸附等溫線的測(cè)定

取預(yù)處理好的低取代羥丙纖維素0.1 g（5 份），于50 mL 具塞三角瓶中，分別加入10 mL不同濃度（0.5～3 mg·mL-1）的茶黃素粗品溶液，恒溫水浴振蕩24 h 達(dá)到吸附平衡，離心，測(cè)定上層清液平衡液中茶黃素含量，根據(jù)（1）式計(jì)算不同濃度下低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素的吸附量。以吸附平衡液中茶黃素的平衡濃度Ce為橫坐標(biāo)，低取代羥丙纖維素上茶黃素的平衡吸附量Qe為縱坐標(biāo)，繪制等溫吸附曲線。同時(shí)再于4 ℃、25 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得到不同溫度下低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素的吸附等溫線。

式中：V 為吸附液的體積（mL）；m 為低取代羥丙纖維素的干態(tài)質(zhì)量（g）；Qe為平衡吸附量（mg·g-1）；C0為吸附前溶液中茶黃素的質(zhì)量濃度（mg·mL-1）；Ce為吸附平衡時(shí)溶液中茶黃素的質(zhì)量濃度（mg·mL-1）。

1.5 茶黃素的檢測(cè)

采用高效液相色譜法：柱溫為35 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)為278 nm，進(jìn)樣量10 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測(cè)茶黃素液相色譜分離條件的建立

根據(jù)高效液相色譜的建立條件規(guī)則，首先采用兒茶素測(cè)定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 14502-2）推薦色譜柱（Phenomenex Luna，Phenyl-Hexyl，5 μm，250 mm×4.6 mm）。并控制有機(jī)相（含2%醋酸的80%乙腈）不變，水相由純水過渡至含0.2%醋酸的7.5%乙腈水溶液，進(jìn)行梯度條件洗脫。

表1 高效液相色譜梯度洗脫程序（苯基己基柱）

以上3 個(gè)高效液相色譜運(yùn)行梯度洗脫程序（表1）得到的色譜圖見圖1。

從圖1 可以看出，將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的水相改成純水時(shí)，茶黃素組分獲得較佳的分離度需要增加較多的洗脫時(shí)間；隨著在純水中添加有機(jī)溶劑乙腈，分離時(shí)間縮短，但分離度并未得到改善。當(dāng)進(jìn)一步在洗脫程序2 的水相中添加0.2%的醋酸，并調(diào)整洗脫時(shí)間的情況下，茶黃素各組分在高效液相色譜柱上的分離度有了明顯的改善，分離度增大，同時(shí)，TF-3-G 附近分離出了一個(gè)雜質(zhì)小峰。

為了縮短分析時(shí)間，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步考察了采用Waters Symmetry 色譜柱的茶黃素分離情況。并控制水相為含5%乙酸乙酯及2%醋酸的水，有機(jī)相為純乙腈，梯度洗脫程序見表2。

圖1 茶黃素在苯基己基柱上不同梯度洗脫程序?qū)?yīng)的高效液相色譜圖

表2 高效液相色譜梯度洗脫程序（Waters Symmetry 柱）

以上2 個(gè)高效液相色譜的洗脫運(yùn)行得到的色譜圖見圖2：

圖2 茶黃素在Waters Symmetry 柱上不同梯度洗脫程序?qū)?yīng)的高效液相色譜圖

在由急速降低溶劑極性分離不是特別好的情形下，通過調(diào)整洗脫體系，增大洗脫過程中洗脫溶劑極性，雖然延長(zhǎng)了洗脫時(shí)間，但茶黃素組分分離度得到明顯改善，相比于Phenomenex Luna色譜柱，Waters Symmetry 色譜柱獲得茶黃素的分離時(shí)間縮短了將近一半，且流動(dòng)相配制更為方便。綜合考慮色譜柱柱效及分析時(shí)間的長(zhǎng)短，后續(xù)實(shí)驗(yàn)以Waters Symmetry 色譜柱對(duì)應(yīng)的洗脫參數(shù)對(duì)茶黃素進(jìn)行分析檢測(cè)。

2.2 低取代羥丙纖維素吸附茶黃素規(guī)格的選擇

如表3 所示，選取的3 種規(guī)格的低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素的吸附效果均較好，其中以規(guī)格1 的吸附能力最強(qiáng)，其次為規(guī)格2 與3。各規(guī)格中的低取代羥丙纖維素對(duì)酯型茶黃素的吸附率大于簡(jiǎn)單茶黃素，且TF-3'-G 與TF-3，3'-G 在低取代羥丙纖維素中的吸附率接近。

表3 不同規(guī)格低取代羥丙纖維素吸附茶黃素溶液平衡濃度

2.3 低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素的吸附等溫線

通常在固液吸附體系中，目標(biāo)產(chǎn)物隨著溫度及接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，在吸附劑上的吸附量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，吸附等溫線對(duì)于描述物質(zhì)的吸附行為起到很重要的作用。當(dāng)吸附達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，吸附等溫線能夠被用來預(yù)測(cè)目標(biāo)物在固液中的分布狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)以Langmuir 和Freundlich 方程來考察低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素的靜態(tài)吸附行為。

在圖3 中，隨濃度升高，茶黃素類成分均出現(xiàn)吸附飽和：TF，TF3，TF3'，TFD 分別在439 mg·L-1、824 mg·L-1、165 mg·L-1及1149 mg·L-1濃度時(shí)達(dá)到飽和。低取代羥丙纖維素吸附茶黃素的平衡吸附量Qe（mg/g）在不同溫度條件下，隨濃度的增加而增加，且低溫更有利于其吸附，即與吸附在放熱過程相穩(wěn)合。

圖3 茶黃素類在低取代羥丙纖維素上的吸附等溫線

2.3.1 Langmuir 等溫吸附模型

Langmuir 吸附等溫線通常用來描述吸附劑液態(tài)吸附行為。該方程能夠被用來預(yù)測(cè)吸附劑對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的最大吸附量。Langmuir 吸附等溫線基于吸附發(fā)生在吸附劑表面單分子層假設(shè)，忽略Absorbate 分子之間的相互吸附，公式表達(dá)如下：

1/Qe=1/Qm×[1+1/（KL×Ce）]

式中：Qe為每質(zhì)量單位吸附劑平衡吸附量（mg·g-1），Ce為吸附平衡時(shí)溶液中茶黃素的質(zhì)量濃度（mg·mL-1），Qm為每質(zhì)量單位吸附劑理論最大平衡吸附量（mg·g-1），KL（L·g-1）為吸附等溫線常數(shù)。

如圖4 所示，其為茶黃素在低取代羥丙纖維素吸附時(shí)，1/Qe對(duì)1/Ce所作的不同溫度下的線性圖，其回歸方程見表4。圖4 表說明方程中斜率隨溫度增加而增加。各回歸方程的R2＞0.98，說明Langmuir 等溫吸附模型適合描述不同溫度下，四種茶黃素單體在低取代羥丙纖維素中吸附平衡過程。

圖4 茶黃素類各單體Langmuir 吸附等溫線

另外，Langmuir 方程擬合較好，說明吸附材料對(duì)酯型兒茶素及茶黃素的吸附是以單分子吸附為主，吸附是一動(dòng)態(tài)過程。并且表4 中，除TF 外，Qm與KL值隨溫度增加而降低，而KL與吸附熱量關(guān)聯(lián)，即KL的值降高，越有利于目標(biāo)產(chǎn)物茶黃素的吸附，故茶黃素的吸附主要為吸附放熱過程。

表4 茶黃素各成分對(duì)應(yīng)Langmuir 模型

2.3.2 Freundlich 等溫吸附模型

通常情況下，F(xiàn)reundlich 擬合方程基于吸附發(fā)生在固體的異質(zhì)表面和多層吸附行為。其表達(dá)式為：Qe=KF×Ce1/n或lnQe=lnKF+1/nlnCe

式中，KF與1/n 是該Freundlich 方程的常數(shù)。

如圖5 所示，其為茶黃素在低取代羥丙纖維素中吸附時(shí)，lnQe對(duì)lnCe所作的不同溫度下的線性圖，其回歸方程及各參數(shù)與回歸系數(shù)見表5。

圖5 Freundlich 等溫吸附擬合模型

表5 中擬合的方程適合解釋茶黃素在低取代羥丙纖維素上的吸附行為。Freundlich 方程中的常數(shù)1/n 涉及表面異質(zhì)不均勻性。0＜1/n＜1，表明吸附是適合的；1/n=1 表明吸附是同種類的；1/n＞1 表明擬合的模型不適合吸附行為的表述。KF與吸附能力有關(guān)，比較Langmuir 等溫吸附模型與Freundlich 等溫吸附模型，前者的擬合回歸系數(shù)高于后者，即表明茶黃素類更適合Langmuir 同類單分子吸附模型。

表5 茶黃素各成分對(duì)應(yīng)Freundlich 模型

2.3.3 吸附熱力學(xué)參數(shù)考察

基于熱動(dòng)力學(xué)原理，能量屬于守恒狀態(tài)。并且在獨(dú)立系統(tǒng)中，熵是目標(biāo)物質(zhì)是否能夠被材料吸附的重要驅(qū)動(dòng)力。實(shí)際考察應(yīng)用中，能量與熵通常被用來考察過程是否會(huì)自發(fā)發(fā)生。在吸附過程中，熱力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)焓（ΔHθ）、標(biāo)準(zhǔn)熵（ΔSθ）及標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能（ΔGθ）通常會(huì)被重點(diǎn)考察，熱力學(xué)參數(shù)ΔHθ、ΔSθ及ΔGθ，可以作如下計(jì)算：

ΔGθ=-RT lnKL

lnKL=-ΔGθ/RT=ΔSθ/R-ΔHθ/RT

其中，R 是常數(shù)（8.314 J·（mol·K）-1）

方程中的ΔHθ、ΔSθ能夠通過lnKL與1/T 所作回歸方程的斜率與截距所得。茶黃素在低取代羥丙纖維素上的吸附熱動(dòng)力學(xué)如表6 所示。當(dāng)吉布斯自由能為負(fù)值時(shí)，一般會(huì)表示吸附自由發(fā)生。標(biāo)準(zhǔn)焓為負(fù)值時(shí)，通常會(huì)表示吸附為放熱反應(yīng)，這與實(shí)驗(yàn)觀察的一致（表6）。通常ΔHθ的值在2.1～20.9 kJ·mol-1與80～200 kJ·mol-1時(shí)，分別代表物理與化學(xué)吸附，表6 表明為茶黃素在低取代羥丙纖維素上的吸附為物理吸附。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熵為負(fù)值時(shí)，表示吸附質(zhì)在固液界面很少自由運(yùn)動(dòng)，吸附較牢靠。標(biāo)準(zhǔn)熵值的改變與吸附劑吸附水的位點(diǎn)被取代相關(guān)。負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)熵值通常揭示吸附劑表面吸附目標(biāo)成分不強(qiáng)于水分子，故表6 中除TF 外，其它三種茶黃素單體在低取代羥丙上的吸附主要由焓驅(qū)動(dòng)。另外，ΔHθ＞0，表明低取低羥丙纖維素對(duì)茶黃素TF 的吸附亦為放熱反應(yīng)。

表6 茶黃素單體在低取代羥丙纖維素上的吸附熱力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

低取代羥丙纖維素能夠作為價(jià)廉且有效的吸附劑，通過物理力的作用，從溶液中吸附茶黃素類成分。Langmuir 等溫吸附模型能夠較好擬合描述茶黃素在低取代羥丙纖維素上的吸附行為。通過靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三種低取代羥丙纖維素對(duì)茶黃素吸附是以單分子吸附為主，其對(duì)各成分均有較好的吸附，特別對(duì)雙酯型茶黃素的吸附效果較好。