超聲波浸提-殼聚糖吸附分離茶末中茶多酚

薛麗群，羅志敏，陳盛

（福建師范大學(xué)福清分校生物與化學(xué)工程系，福建福清 350300）

超聲波浸提-殼聚糖吸附分離茶末中茶多酚

薛麗群，羅志敏，陳盛

（福建師范大學(xué)福清分校生物與化學(xué)工程系，福建福清 350300）

摘 要：研究在超聲波條件下采用正交設(shè)計(jì)法優(yōu)選茶多酚的浸提工藝。在得出的最優(yōu)浸提工藝條件下制取茶湯，利用珠狀殼聚糖探討其對(duì)茶多酚的吸附性能。結(jié)果表明：在以水做浸提劑，料液比1∶15（g/mL）、浸提溫度60℃、浸提時(shí)間21 min、兩次浸提的條件下，浸提效果較好；在上述浸提工藝條件下，珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚較佳的吸附條件為：濕態(tài)珠狀殼聚糖4.0 g、吸附時(shí)間2.0 h、溫度30℃、25.00 mL pH7的茶湯，其吸附率可達(dá)70.95%。

關(guān)鍵詞：超聲波；茶多酚；浸提；殼聚糖；茶末

茶多酚（Tea Polyphenols）是從茶葉中分離提純的多酚類化合物的總稱，在茶葉干品中的含量一般在18%～36%[1]。茶多酚類物質(zhì)既是決定茶葉風(fēng)味和品質(zhì)的主要物質(zhì)，又是一種天然的抗氧化劑，它具有抗衰老、抗輻射、消除人體自由基、降低血糖血脂和膽固醇、預(yù)防心血管疾病、抑制腫瘤細(xì)胞、沉淀金屬等一系列特殊的藥理功能[2-3]，在醫(yī)藥、食品、化妝品、日用化工等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)是產(chǎn)茶大國(guó)，茶葉資源十分豐富，但在茶葉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量茶末、修剪葉，甚至滯銷的粗老茶等廢棄料，經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值不高。茶多酚的提取和分離純化，則是對(duì)這些廢棄料的深加工，若開(kāi)發(fā)具有保健作用的藥品、食品、化妝品等，則可創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

利用茶多酚的物理化學(xué)性質(zhì)，國(guó)內(nèi)外茶多酚粗品的提取方法[4]主要有：溶劑浸提法、超聲波浸提法、微波浸提法；分離純化技術(shù)則有溶劑萃取法、膜分離技術(shù)、金屬離子沉淀法、層析法、超臨界萃取法和樹脂吸附法等。超聲波輔助浸提天然產(chǎn)物近幾年頗受研究者的關(guān)注，其利用超聲波的機(jī)械破碎和空化作用，使細(xì)胞破碎，從而加速浸提物從植物中向溶劑擴(kuò)散的速度和數(shù)量，縮短浸提時(shí)間[5-7]，但目前所用溶劑集中在有機(jī)溶劑，用水作為溶劑超聲波浸提較少。樹脂吸附法是利用樹脂對(duì)茶葉浸提液中各種成分的吸附-解吸作用的差別，尤其是對(duì)茶多酚的選擇性吸附，因?yàn)椴瓒喾拥姆有粤u基易與O、N原子以O(shè)—H…O、O—H…N的形式疏松的結(jié)合形成氫鍵[1]，因此，樹脂上有含O、N原子的功能基團(tuán)，就有利于該樹脂對(duì)茶多酚的選擇性吸附，來(lái)實(shí)現(xiàn)茶多酚與其他浸提物組分之間的分離，現(xiàn)在常用的樹脂為合成的大孔樹脂。殼聚糖（chtiosan）是D-氨基葡萄糖經(jīng)過(guò)β-1，4糖苷鍵連接而形成的一種天然的直鏈狀堿性多糖，分子鏈上含有大量具有反應(yīng)活性的—NH2和—OH。近年來(lái)，殼聚糖及其衍生物在作為一種新型的分離材料，在重金屬離子富集回收[8-10]、酚類及有機(jī)物吸附[11-13]、酶和蛋白質(zhì)的分離提純等都得到廣泛的應(yīng)用。

本文采用復(fù)合提取分離茶多酚的方法，即超聲波浸提法和樹脂吸附法聯(lián)用，以水為溶劑，將茶葉通過(guò)超聲波輻射得到茶多酚浸提液，然后利用殼聚糖樹脂對(duì)浸提液中的茶多酚進(jìn)行靜態(tài)吸附，望能得到較高的浸提率和吸附率，縮短茶多酚的浸提時(shí)間，減少有機(jī)溶劑的使用，為制備符合醫(yī)藥級(jí)或食品級(jí)的茶多酚做前期基礎(chǔ)性工作。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖：購(gòu)自浙江玉環(huán)澳興生物科技有限公司；茶末：購(gòu)自福清市茶店。無(wú)水甲醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、酒石酸鉀鈉、硫酸亞鐵、氫氧化鈉、聚乙二醇（6000）等均為市售分析純。

KQ-500DB超聲波清洗儀：昆山市超聲儀器有限公司；7200型可見(jiàn)分光光度計(jì)：尤尼柯（上海）儀器有限公司；FA2004B型電子天平：上海越平科學(xué)儀器有限公司；pHs-3C型酸度計(jì)：上海虹益儀器儀表有限公司；THZ-C型臺(tái)式恒溫振蕩器：太倉(cāng)市華美生化儀器廠；SHZ-D（III）循環(huán)式真空泵抽濾機(jī)：上海書培實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；針形注射器。

1.2 方法

1.2.1 超聲波浸提茶多酚

稱取研磨過(guò)的茶末1.000 g于試管中，加入適量的蒸餾水，置于超聲波清洗儀中，調(diào)整一定的功率和溫度，開(kāi)動(dòng)超聲波清洗機(jī)輻射一段時(shí)間，抽濾，并用適量蒸餾水沖洗濾餅，合并濾液定容至250 mL。按料液比（茶末質(zhì)量：蒸餾水體積）、溫度、時(shí)間、浸提次數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，考察各因素對(duì)茶多酚浸提率的影響，依據(jù)最佳浸提工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.2.2 珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附性能研究

取適量殼聚糖與聚乙二醇溶于1%鹽酸溶液中，制成4%（w/v）殼聚糖鹽酸溶液，用針形注射器注入凝結(jié)液（20%NaOH、30%甲醇混合均勻），得顆粒均勻、形狀規(guī)整、內(nèi)有空心的白色球形殼聚糖，水洗至中性，濕態(tài)下保存?zhèn)溆谩?/p>

在最佳工藝條件下制得茶湯，測(cè)定茶湯中茶多酚的含量a。然后移取一定量的茶湯于錐形瓶中，加入適量樹脂，置于恒溫振蕩器中（110 r/min）吸附一定時(shí)間，測(cè)定吸附后的茶湯中茶多酚的含量b，進(jìn)而得珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附率。分別考察了吸附時(shí)間、殼聚糖用量、茶湯濃度、茶湯pH等對(duì)吸附率的影響。

茶多酚的吸附率 c（%）=（a-b）/a× 100%

1.2.3 茶多酚含量和浸提率測(cè)定

按GB/T 8313—2002《茶葉中茶多酚含量的檢測(cè)方法》測(cè)定茶多酚的含量。

浸提率（%）=[浸提液中茶多酚含量（g）/浸提時(shí)茶末質(zhì)量（g）]× 100%

2 結(jié)果與討論

2.1 茶多酚浸提的單因素試驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)茶多酚浸提率的影響

平行稱取1.000 g茶末于試管中8份，加入適量（6、9、12、15、18、21、24、27mL）蒸餾水，考察茶末與蒸餾水的比例即料液比為 1∶6、1∶9、1∶12、1∶15、1∶18、1∶21、1∶24、1∶27（g/mL）對(duì)浸提率的影響，在溫度65℃下，將試管置于超聲波清洗儀中浸提15 min，測(cè)定茶多酚的浸提率。結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液比對(duì)茶多酚浸提率的影響Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on extraction rate of tea polypheols

由圖1可知，隨著蒸餾水用量的增加，茶多酚的浸提率呈先增加后趨于平緩的趨勢(shì)，當(dāng)料液比為1∶15時(shí)，茶多酚浸提率可達(dá)14.48%，因此本實(shí)驗(yàn)條件下選擇較佳料液比為1∶15。

2.1.2 溫度對(duì)茶多酚浸提率的影響

平行稱取1.000 g茶末于試管中9份，加入15 mL蒸餾水即料液比為1∶15，在溫度分別為25、40、45、50、55、60、65、70、75 ℃條件下浸提 15 min，然后測(cè)定茶多酚的浸提率。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度的升高，茶多酚的浸提率呈先升高后降低的趨勢(shì)。雖然溫度高有利于浸提，但是溫度高也使茶多酚氧化加速。因此，本實(shí)驗(yàn)條件下選擇浸提溫度為65℃。

2.1.3 時(shí)間對(duì)茶多酚浸提率的影響

平行稱取1.000 g茶末于試管中8份，加入15 mL蒸餾水，在溫度為65℃，分別考察不同浸提時(shí)間（3、6、9、12、15、18、21、24 min）對(duì)茶多酚浸提率的影響。結(jié)果如圖3所示。

圖2 溫度對(duì)茶多酚浸提率的影響Fig.2 Effects of temperature on extraction rate of tea polypheols

圖3 時(shí)間對(duì)茶多酚浸提率的影響Fig.3 Effects of time on extraction rate of tea polypheols

由圖3可知，隨著超聲處理時(shí)間的增加，茶多酚的浸提率呈先增加后下降的趨勢(shì)。當(dāng)超聲時(shí)間為18min，茶多酚浸提率達(dá)到最大，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，茶多酚含量開(kāi)始降低，可能的原因是由于茶多酚易氧化，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，被氧化的茶多酚量也隨著增加。因此，本試驗(yàn)的浸提時(shí)間為18 min。

2.1.4 浸提次數(shù)對(duì)茶多酚浸提率的影響

平行稱取1.000 g茶末于試管中4份，在料液比為1∶15、溫度為65℃、浸提時(shí)間15 min，然后考察不同浸提次數(shù)對(duì)茶多酚浸提率的影響，合并濾液測(cè)定吸光度。結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸提次數(shù)對(duì)茶多酚浸提率的影響Fig.4 Effects of frequency on extraction rate of tea polypheols

由圖4可知，隨著浸提次數(shù)的增加，茶多酚總的浸提率緩慢增加，為了提高浸提效率和節(jié)約能源，本試驗(yàn)選擇超聲浸提兩次。

2.2 正交優(yōu)化茶多酚的浸提工藝

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇L9（33）正交表試驗(yàn)設(shè)計(jì)和極差分析，以茶多酚的浸提率為考核指標(biāo)優(yōu)化浸提工藝?？疾炝肆弦罕龋ˋ）、溫度（B）、時(shí)間（C）三個(gè)因素，每個(gè)因素各取3個(gè)水平。根據(jù)正交試驗(yàn)表1、表2進(jìn)行超聲浸提兩次，合并濾液，測(cè)定濾液的吸光度，得到茶多酚的浸提率。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experiment factor levels list

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment

由表1和表2的數(shù)據(jù)可得出，浸提茶多酚的較好工藝條件為A2B1C3，即料液比為1∶15、溫度為60℃、浸提時(shí)間為21 min。得出結(jié)論是：在A2B1C3并且是二次浸提的條件下，茶多酚的浸提的含量較高。所考察的因素中，根據(jù)極并分析，茶末中茶多酚的浸提影響因素的影響程度為：料液比＞時(shí)間＞溫度。

2.3 優(yōu)化試驗(yàn)條件的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)果的可信度及可行性，固定以上得出的試驗(yàn)條件：料液比1∶15、浸提溫度60℃、浸提時(shí)間21 min、浸提兩次，重復(fù)試驗(yàn)3次，結(jié)果如表3所示，茶多酚浸提率較高且較穩(wěn)定，說(shuō)明了試驗(yàn)的可行性。

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of verification experiment

珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附研究

2.4.1 吸附時(shí)間對(duì)茶多酚吸附率的影響

平行量取25.00 mL茶湯9份，分別加入4.000 g濕態(tài)珠狀殼聚糖，置于30℃恒溫振蕩器中（110 r/min），探討不同吸附時(shí)間（0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 h）對(duì)吸附率的影響。結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附時(shí)間對(duì)茶多酚吸附率的影響Fig.5 Effects of absorption time on adsorption rate of tea polyphenols

由圖5可知，隨著時(shí)間的增加，珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附率先急劇上升后趨于平緩的趨勢(shì)，當(dāng)吸附時(shí)間為2.0 h后，吸附基本達(dá)到平衡，因此本試驗(yàn)取2.0 h為較佳吸附時(shí)間。

2.4.2 珠狀殼聚糖用量對(duì)茶多酚吸附率的影響

平行準(zhǔn)確移取25.00 mL茶湯7份，分別加入濕態(tài)珠狀殼聚糖樹脂 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 g，置于30℃恒溫振蕩器中（110 r/min）吸附2.0 h，測(cè)定珠狀殼聚糖樹脂對(duì)茶多酚的吸附率。結(jié)果如圖6所示。

圖6 珠狀殼聚糖樹脂用量對(duì)茶多酚吸附率的影響Fig.6 Effects of beaded chitosan resin amount on adsorption rate of tea polyphenols

由圖6可知，珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附率隨著樹脂用量的增加而不斷增加，當(dāng)樹脂為4.0 g時(shí)，吸附則基本達(dá)平衡，吸附率可達(dá)69.66%。因此，本試驗(yàn)條件下，所加濕態(tài)珠狀殼聚糖樹脂的量為4.0 g時(shí)吸附效果較佳。

2.4.3 茶湯濃度-溫度對(duì)茶多酚吸附率的影響

將茶湯稀釋一定倍數(shù)，然后平行準(zhǔn)確移取25.00mL不同濃度（0.1c0、0.2c0、0.4c0、0.6c0、0.8c0、c0，設(shè)茶湯原濃度為c0）的茶湯三份，分別置于30、40、50℃恒溫振蕩器（110 r/min）振蕩吸附2.0 h，測(cè)定吸附率。結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著茶湯濃度的增加，珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附率也不斷增加，在同等濃度條件下，溫度對(duì)茶多酚的吸附率影響不大，但隨著溫度的升高，吸附率呈現(xiàn)略有下降的趨勢(shì)。本試驗(yàn)采用30℃為較佳吸附溫度。

圖7 茶湯濃度對(duì)茶多酚吸附率的影響Fig.7 Effects of tea concentration on adsorption rate of tea polyphenols

2.4.4 茶湯pH對(duì)茶多酚吸附率的影響

用氫氧化鈉或鹽酸溶液調(diào)節(jié)茶湯至不同pH，然后分別移取不同 pH（3、4、5、6、7、8、9、10）的茶湯 25.00 mL，加入等量殼聚糖樹脂，置于恒漸振蕩器中振蕩吸附2.0 h，測(cè)定茶多酚的吸附率。結(jié)果如圖8所示。

圖8 茶湯的pH對(duì)茶多酚吸附率的影響Fig.8 Effects of tea soup pH on adsorption rate of tea polyphenols

由圖8可知，在酸性條件下，珠狀殼聚糖對(duì)茶多酚的吸附率隨著pH的增加而增加，但在堿性條件下，吸附率隨著pH的增加而急劇下降，這是因?yàn)椴瓒喾颖旧頃?huì)呈酸性，而隨著pH的增加，茶多酚的氧化速率增加，特別是pH＞7的堿性條件下，則它的氧化作用會(huì)迅速增加[1]，本試驗(yàn)條件下選擇pH7為較佳條件。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用超聲波產(chǎn)生的空化、機(jī)械擾動(dòng)等物理作用粉碎植物細(xì)胞外壁使目標(biāo)物大量的浸出，其浸提茶多酚的效果比較明顯，浸提溫度低，浸提時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，保證了茶多酚在提取過(guò)程中不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的高溫而發(fā)生氧化聚合，引起茶多酚生物活性功能的降低。采用蒸餾水作為提取溶劑，并且用殼聚糖進(jìn)行茶多酚的吸附分離，利用樹脂吸引附法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、能耗少、操作條件溫和等特點(diǎn)，且無(wú)毒、無(wú)污染，有機(jī)溶劑用量少，有利于制備符合食品、醫(yī)藥保健等方面所需的茶多酚。

通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)先茶多酚浸提工藝。結(jié)果表明，在本試驗(yàn)條件下，浸提的最佳工藝參數(shù)為：料液比為1∶15，浸提溫度為60℃，浸提時(shí)間為21 min/次，浸提次數(shù)為二次。用珠狀殼聚糖吸附浸提液中的茶多酚，較佳的吸附條件為吸附時(shí)間2.0 h，濕態(tài)珠狀殼聚糖樹脂用量為4.0 g，吸附溫度為30℃（110 r/min），茶湯pH 7，吸附率可達(dá)70.95%。

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Ultrasonic Extraction-Adsorption of Beaded Chitosan Resin for Tea Polyphenols from Tea Dust

XUE Li-qun，LUO Zhi-min，CHEN Sheng
（Department of Biological and Chemical Engineering，F(xiàn)uqing Branch of Fujian Normal University， Fuqing 350300， Fujian，China）

Abstract：Tea polyphenols was extracted by ultrasonic wave technology with orthogonal test method.The effect of adsorption rate for tea polypehnols by using the beaded chitosan resin was studied.The results showed optimal extraction condition were as follows：the solid-liquid ratio 1∶15 （g/mL），the temperature of extraction 60 ℃，the time of extraction 21 min，and extract twice.Meanwhile the optimal adsorption condition to tea polyphenols were as follows： the beaded chitosan resin 4.0 g，adsorption time 2.0 h，adsorption temperature 30 ℃，pH of tea soup 7.The absortion rate could reach 70.95%.

Key words：ultrasound；tea polyphenols；extraction；chitosan；tea dust

福建省教育廳B類項(xiàng)目（JB09240）；福建師范大學(xué)福清分校校級(jí)資助項(xiàng)目（KY2008032）

薛麗群（1983—），女（漢），講師，碩士，研究方向：生物高分子在食品中的應(yīng)用。

2012-07-09