機(jī)械化學(xué)法輔助提取廢茶渣中茶多酚工藝研究

袁淑芳，李大剛，沈慶魁，陳珍萍

(黎明職業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，福建泉州 362000)

機(jī)械化學(xué)法輔助提取廢茶渣中茶多酚工藝研究

袁淑芳，李大剛，沈慶魁，陳珍萍

(黎明職業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，福建泉州 362000)

研究機(jī)械化學(xué)法輔助提取廢茶渣中茶多酚的最佳工藝，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，從固相試劑配比、研磨時(shí)間、洗脫時(shí)間、洗脫次數(shù)、 pH值等多個(gè)方面探討了提取工藝參數(shù)。得出的最佳提取條件為固相試劑配比(茶末與固相試劑質(zhì)量比)1:0.6、研磨時(shí)間5min、洗脫時(shí)間5min、洗脫次數(shù)3次、pH值為4。

機(jī)械化學(xué)法；茶多酚；工藝研究

茶多酚是茶葉中多羥基酚類化合物的總稱，又名茶單寧、茶鞣質(zhì)，簡稱為TP(Tea ployphenols)，含量約占茶葉干物質(zhì)總量的15%～30%。其主要成份是兒茶素類化合物(包括表兒茶素、表沒食子兒茶素、表兒茶素沒食子酸酯和沒食子兒茶素沒食子酸酯)，約占茶多酚總量的65%～80%，除兒茶素類外，還含有黃烷酮類、 酚酸類和花色苷及其苷元等物質(zhì)[1]。茶多酚因其化學(xué)結(jié)構(gòu)帶有多個(gè)活性羥基，而具有抗氧化、抗輻射、抑菌、抗病毒、降血糖和血脂、預(yù)防心血管疾病、防癌、抗腫瘤、抗衰老等多種天然生物活性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、精細(xì)化工等領(lǐng)域中[2-7]。

目前常規(guī)的提取茶多酚的方法有：溶劑萃取法、金屬離子沉淀法、樹脂吸附分離法、超臨界流體萃取法、超聲波或微波輔助萃取法等[8-14]。這些方法有的要用有毒溶劑或重金屬鹽，影響其在醫(yī)藥、食品行業(yè)中的應(yīng)用;有的雖不用有毒的化學(xué)品，但設(shè)備的投資費(fèi)用以及能耗都相對(duì)較大，生產(chǎn)成本較高，制約了茶多酚行業(yè)的發(fā)展。所以，新型茶多酚提取純化工藝有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。

機(jī)械化學(xué)法[15-18]是近年來將機(jī)械力與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合引入到天然生物活性成分提取而形成的一門新技術(shù)，該法依靠機(jī)械力作用使植物物料達(dá)到超微粉碎狀態(tài)，使有效成分與固相試劑能更充分地發(fā)生反應(yīng)，提高有效物質(zhì)在特定溶劑中的溶解性，從而實(shí)現(xiàn)了在常溫下用水作浸提劑就能得到有效物質(zhì)的高提取率，不但降低了能耗，節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，而且沒有有機(jī)溶劑的污染，是一種綠色、環(huán)保的提取技術(shù)。目前該法用于茶多酚的提取還鮮有報(bào)道，本文擬針對(duì)機(jī)械化學(xué)法輔助提取廢茶渣中茶多酚的工藝進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用茶為福建地產(chǎn)的鐵觀音廢茶渣;四水合酒石酸鉀鈉、硫酸亞鐵、十二水合磷酸氫二鈉、碳酸鉀、磷酸、乙醇、磷酸二氫鉀等均為分析純。

WFJ 7202B型可見分光光度計(jì)(尤尼柯(上海)儀器有限公司)；FE20型實(shí)驗(yàn)室PH計(jì)(梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司)；SE-2020型電子天平(梅特勒—托利多常州衡器有限公司)；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；78HW-1型恒溫磁力攪拌器(海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；XQM-04L型變頻行星式球磨機(jī)(南京大冉科技有限公司)；GZX-9140 MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)。

1.2 工藝路線

機(jī)械化學(xué)法輔助提取廢茶渣中茶多酚的工藝路線如圖1所示。

圖1 機(jī)械化學(xué)法輔助提取廢茶渣中茶多酚的工藝路線圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 茶葉干物質(zhì)含量的測定

分別稱取混合均勻的茶末1g于10個(gè)已洗凈烘干做好標(biāo)記的50mL燒杯中，并記錄下每個(gè)裝有茶末的燒杯的質(zhì)量，將其放入數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱中，將溫度控制在103℃，分別在烘干一定時(shí)間后，取出測其質(zhì)量，計(jì)算茶葉干物質(zhì)含量。

1.3.2 供試品溶液制備

稱取混合均勻的茶末1g于已洗凈烘干的球磨罐中，按照試驗(yàn)方案加入不同量的固相試劑碳酸鉀，放入變頻行星式球磨機(jī)中研磨，按規(guī)定研磨時(shí)間取出，將茶粉移入100ml的燒杯中，用20ml的無水乙醇攪拌洗脫一定時(shí)間，經(jīng)幾次洗脫后抽濾，抽濾后的濾渣用50mL去離子水溶解，同時(shí)邊攪拌邊加入一定量的磷酸將pH調(diào)節(jié)至規(guī)定值，將此溶液做試品溶液，按酒石酸亞鐵比色法GB/T 8313-2002測其吸光度，計(jì)算茶葉中茶多酚的含量。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

分別考察乙醇洗脫次數(shù)、洗脫時(shí)間、固相試劑配比、研磨時(shí)間、pH值對(duì)機(jī)械化學(xué)法輔助提取茶末中茶多酚的提取率的影響。洗脫次數(shù)采用1、2、3、4、5次五個(gè)水平，洗脫時(shí)間采用1、3、5、7、9min 五個(gè)水平，固相試劑配比采用1：0.1、 1：0.3、1:0.6、1:0.8、1:1五個(gè)水平，研磨時(shí)間采用2、5、10、12、15 min五個(gè)水平，pH值采用2、3、4、5、6、7六個(gè)水平。試驗(yàn)條件： 茶葉1g，無水碳酸鉀一定量，研磨一定時(shí)間，洗脫用無水乙醇20ml，加磷酸控制pH值。控制其它因素不變，改變其中一因素，探討其對(duì)茶多酚提取率的影響。

1.3.4 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的最佳的洗脫時(shí)間、洗脫次數(shù)，再選用固相試劑配比、研磨時(shí)間、pH值做三因素三水平試驗(yàn)，設(shè)計(jì)如表1所示的L9(34)正交表。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.4 分析方法

采用酒石酸亞鐵比色法GB/T 8313-2002測定茶多酚的含量。

準(zhǔn)確吸取試液1mL，注人25mL的容量瓶中，加水4mL和酒石酸亞鐵溶液5mL，充分混合，再加pH7.5磷酸鹽緩沖液至刻度，用10mm比色杯，在波長540nm處，以試劑空白溶液作參比，測定吸光度(A)。

茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中： L1— 試液的總量，mL； L2— 測定時(shí)的用液量，mL； M0— 試樣的質(zhì)量，g；m — 試樣的干物質(zhì)含量，%； A— 試樣的吸光度；1.957—用10mm比色杯，當(dāng)吸光度等于0.50時(shí)每毫升浸提液中含茶多酚相當(dāng)于1.957mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 洗脫次數(shù)對(duì)茶多酚提取率的影響

圖2 洗脫次數(shù)對(duì)茶多酚提取率的影響

圖3 洗脫時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響

由圖2可知，前3次洗脫茶多酚含量下降比較明顯，洗脫3次以后下降趨勢(shì)趨于平緩。這是由于頭一兩次洗脫，乙醇的量有限且乙醇與茶粉的混合不夠充分，不能將茶粉中葉綠素、咖啡因全部洗出，隨著洗脫次數(shù)的增多，茶粉中葉綠素、咖啡因能更多地被乙醇溶解進(jìn)入有機(jī)相,其對(duì)吸光度產(chǎn)生的影響減弱，測得的茶多酚含量就越接近真實(shí)值。洗脫3次以后，大部分葉綠素、咖啡因被洗出，再增加洗脫次數(shù)，茶多酚含量變化不明顯，所以從無水乙醇的用量考慮，最佳的洗脫次數(shù)為3次，以下試驗(yàn)均采用3次洗脫。

2.1.2 洗脫時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響

由圖3可知，洗脫時(shí)間為小于5min時(shí)茶多酚含量下降的趨勢(shì)比較明顯，洗脫時(shí)間大于5min時(shí)下降趨勢(shì)趨于平緩。這是由于在洗脫的前5min考察時(shí)間范圍內(nèi)，洗脫時(shí)間是一個(gè)控制因素，洗脫時(shí)間短，茶粉還不能充分地被乙醇浸泡，茶粉中的可溶于乙醇的成分如葉綠素、咖啡因等在較短的時(shí)間內(nèi)來不及浸出，隨時(shí)間延長，不斷被洗脫出來。洗脫5min后，茶粉已得到充分的浸泡，大多數(shù)的葉綠素、咖啡因等物質(zhì)已被洗脫，再增加浸泡時(shí)間已沒有意義，故最佳洗脫時(shí)間為5min,以下試驗(yàn)均采用5min洗脫。

2.1.3 固相試劑配比對(duì)茶多酚提取率的影響

圖4 固相試劑配比對(duì)茶多酚提取率的影響

圖5 研磨時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響

圖6 pH值對(duì)茶多酚提取率的影響

由圖4可知，當(dāng)固相試劑配比為1：0.6時(shí)，茶多酚提取率開始趨于平衡，這表明這種情況下碳酸鉀與茶葉中的茶多酚能夠充分作用，再多加碳酸鉀已無必要，過多反而會(huì)造成茶多酚氧化，且導(dǎo)致用酸浸取茶多酚時(shí)耗酸過多。故最佳固相試劑配比為1：0.6，以下試驗(yàn)均采用1：0.6的固相試劑配比。

2.1.4 研磨時(shí)間對(duì)茶多酚提取率的影響

由圖5可知，研磨時(shí)間從2min增加到5min，茶多酚的提取率提高了68%，而后茶多酚的提取率隨研磨時(shí)間的增長反而逐步降低。原因是研磨時(shí)間不到5min，混合物料粒度研磨得不夠細(xì)，顆粒較粗，茶多酚不能與碳酸鉀充分接觸，不能完全反應(yīng)，部分仍以茶多酚的形式存在，用乙醇洗脫時(shí)會(huì)與咖啡因和葉綠素一并被洗掉而損失，致使茶多酚提取率不高。當(dāng)研磨時(shí)間為5min時(shí)，研磨的粒度已足夠細(xì)，使茶多酚與碳酸鉀能充分接觸，完全反應(yīng)，茶多酚的提取率比較高，這時(shí)如果再增加研磨時(shí)間，只會(huì)加大摩擦，造成茶多酚氧化損失。因此最佳研磨時(shí)間取5min,以下的試驗(yàn)采用5min的研磨時(shí)間。

2.1.5 pH值對(duì)茶多酚提取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，pH值為4時(shí)，茶多酚的提取率最高，所以最佳的pH值取4。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)考察了固相試劑配比、研磨時(shí)間、pH值對(duì)機(jī)械化學(xué)法提取茶多酚的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

從極差分析得出，機(jī)械化學(xué)法輔助提取茶多酚的最佳工藝條件為X3Z3Y1，即固相試劑配比(茶末與固相試劑的質(zhì)量比)為1:0.6、pH值為4、研磨時(shí)間為5min。各因素所起作用的主次順序?yàn)椋汗滔嘣噭┡浔?pH值>研磨時(shí)間。在優(yōu)化的提取工藝條件下提取得到茶多酚的含量為6.36%。

3 結(jié)論

本研究采用機(jī)械化學(xué)法輔助提取茶末中茶多酚，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)，從固相試劑配比、研磨時(shí)間、洗脫時(shí)間、洗脫次數(shù)、pH值等多個(gè)方面探討了提取工藝參數(shù)，得出的最佳提取條件為固相試劑配比(茶末與固相試劑質(zhì)量比)1:0.6、研磨時(shí)間5min、洗脫時(shí)間5min，洗脫次數(shù)3次、pH值為4。

機(jī)械化學(xué)輔助提取實(shí)現(xiàn)用水作溶劑，具有提取率高、耗時(shí)少、工藝簡單、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，是茶多酚提取的一種有效方法。

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On the Mechanochemical Process Assisted Extraction of Tea Polyphenol from Tea Waste

YUAN Shu-fang, LI Da-gang, SHEN Qing-kui, CHEN Zheng-ping

(College of Material and Chemical Engineering, Liming Vocational University, Quanzhou Fujian 362000, China)

The mechanochemical process assisted extraction of tea polyphenol from tea waste was researched, single factor experiment and orthogonal experiment were carried out, and extraction process parameters were studied from the perspectives of the solid reagent ratio, milling time, elution time, elution times, pH value. The best conditions of extraction are attained: the solid reagent ratio is 1:0.6; the milling time is 5 minutes; the elution time is 5 minutes; the elution times are 3; pH value is 4.

mechanochemical process; tea polyphenol; technical study

2013-10-18

福建省教育廳A類科技項(xiàng)目(JA11328)。

袁淑芳(1965- )，女，安徽臨泉人，黎明職業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院副教授，從事天然活性物質(zhì)的提取與應(yīng)用研究。

TS201.1

A

1008-178X(2014)01-0064-05