茶渣對酯型兒茶素的選擇性吸附性能研究

胡書琴，湯 一，劉 莉

(浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院 茶葉研究所，浙江 杭州 310058)

茶渣對酯型兒茶素的選擇性吸附性能研究

胡書琴，湯 一，劉 莉

(浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院 茶葉研究所，浙江 杭州 310058)

【目的】 研究茶渣對酯型兒茶素的選擇性吸附性能，為獲得脫咖啡堿的高純度兒茶素類產(chǎn)品及茶渣的再利用提供參考?！痉椒ā?以一次浸提、二次浸提、乙醇處理和酸堿處理共4種方式處理茶渣，比較咖啡堿及酯型兒茶素(表沒食子兒茶素沒食子酸酯(Epigallocatechin gallate，EGCG)、沒食子兒茶素酸酯(Gallocatechin gallate，GCG)、表兒茶素沒食子酸酯(Epicatechin gallate，ECG)、兒茶素酸酯(Catechin gallate，CG))吸附量的大小，選擇茶渣最佳處理方式；測定乙醇處理后茶渣對茶湯中相關(guān)成分的動態(tài)吸附過程；分析比較茶湯質(zhì)量濃度分別為2，5，10，15，20 mg/mL 以及液固比(茶湯體積(mL)與茶渣質(zhì)量(g)的比值)分別為20∶1，40∶1，80∶1，100∶1，180∶1時，茶渣對咖啡堿及酯型兒茶素吸附量的影響?！窘Y(jié)果】 乙醇處理茶渣吸附性能最好，其對酯型兒茶素EGCG、GCG、ECG、CG的吸附量分別為25.67，8.44，7.60和2.44 mg/g，咖啡堿與酯型兒茶素的吸附量比值為0.098。吸附時間為70 min時，酯型兒茶素的吸附量已達最大值，但咖啡堿尚未達到飽和。茶渣對酯型兒茶素的吸附量與茶湯質(zhì)量濃度呈線性正相關(guān)；酯型兒茶素和咖啡堿的吸附量隨茶湯體積與茶渣質(zhì)量間的液固比的增大而增加，但綜合考慮吸附量、咖啡堿脫除效果與茶湯利用率，液固比以40∶1為宜?！窘Y(jié)論】 茶渣對酯型兒茶素具有選擇性吸附效果，在不同吸附時間以及不同茶湯質(zhì)量濃度與液固比下，酯型兒茶素與咖啡堿的吸附量呈現(xiàn)不同的變化特征，據(jù)此設(shè)計工藝方案有助于提高茶渣的選擇性吸附效率。

茶渣；酯型兒茶素；脫咖啡堿；吸附性能

以表沒食子兒茶素沒食子酸酯(Epigallocatechin gallate)，即EGCG為代表的酯型兒茶素，是茶葉中的主要功能性成分，具有優(yōu)異的抗氧化性和清除自由基能力[1-3]。茶葉中功能性成分常規(guī)提取和純化技術(shù)，如熱水浸提法[4]、有機溶劑萃取法[5-6]、樹脂吸附法[7]、超臨界CO2萃取法等[8-9]，或提取效率不高，或存在有機溶劑殘留、樹脂污染等問題，或生產(chǎn)成本過于昂貴，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中都有一定的困難。隨著人們對食品安全質(zhì)量的重視，天然材料越來越受到關(guān)注。木質(zhì)纖維素是近年來發(fā)現(xiàn)的一種對兒茶素具有選擇性吸附性能的天然植物材料，如梁慧玲等[10-11]、Ye等[12]用杉樹木質(zhì)纖維素獲得了脫咖啡堿的高酯型兒茶素產(chǎn)品。

近年來，我國茶葉深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，茶飲料、速溶茶等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的茶渣[13]。敖曉奎[14]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，茶渣表面布滿橢圓形氣孔，且氣孔基本呈打開狀態(tài)，其適宜的孔結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)符合高效吸附劑的特點。另有研究表明，茶渣中碳表面富含酚類和羧酸類等活性基團[15]，其主要成分為蛋白質(zhì)和纖維素類[16]，而吸附劑木質(zhì)纖維素也主要由富含酚羥基的木質(zhì)素構(gòu)成，可見二者的化學(xué)組成具有相似性。目前關(guān)于茶渣對廢水中重金屬的吸附已有較多研究[17-18]。束魯燕等[19]對兒茶素浸提動力學(xué)的研究表明，酯型兒茶素的浸提速率低于簡單兒茶素，由此推測，茶葉中不可溶性干物質(zhì)(茶渣)對酯型兒茶素可能存在選擇吸附效應(yīng)，但這一推斷尚無文獻報道加以證實。

茶渣本身可食用，且安全、無毒、可再生，對其再利用可解決生產(chǎn)上茶渣過剩的難題。本研究以茶渣不同處理方式、不同吸附時間以及不同茶湯質(zhì)量濃度和液固比等為試驗因子，通過對比試驗，就茶渣對酯型兒茶素的選擇性吸附性能進行了分析評價，并就影響其吸附性能的相關(guān)因素進行了初步探索，旨在為茶渣資源的利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

用于制備茶渣和茶湯的茶葉原料為低檔龍井老黃片，取自于浙江新昌縣大佛龍井產(chǎn)地。

1.2 試驗儀器與試劑

主要儀器：DKS-28型電熱恒溫水浴鍋(杭州藍天化驗儀器廠)、HZ-9212SB 水浴恒溫振蕩器(太倉市華利達實驗設(shè)備有限公司)、HP8453紫外可見分光光度計(Pharmacia Biotech公司)、高效液相色譜儀(島津LC-20A型)、ALPHA1-2LD plus型冷凍干燥機(德國Christ公司)、DFT-100型100克手提式高速萬能粉碎機(溫嶺市林大機械有限公司)。

主要試劑：EGCG、表兒茶素沒食子酸酯(Epicatechin gallate，ECG)、沒食子兒茶素酸酯(Gallocatechin gallate，GCG)、兒茶素酸酯(Catechin gallate，CG)和咖啡堿(Caffeine)等標樣，均來自Sigma公司；乙腈、甲醇，HPLC級；冰乙酸、酒石酸亞鐵、十二水合磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀，AR級；超純水若干。

1.3 試驗方法

1.3.1 茶湯的制備 將試驗用茶樣用高速萬能粉碎機磨碎并過1 mm篩，稱取10 g，加入450 mL沸水，放入100 ℃恒溫水浴鍋中浸提45 min(每10 min搖勻1次)，浸提結(jié)束后經(jīng)高壓真空泵抽濾，分離茶湯與茶渣，濾液轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，冷卻后定容備用；抽濾后所得茶渣低溫烘干，過0.45 mm篩收集備用。

1.3.2 茶渣不同預(yù)處理方式及其吸附性能比較 按表1的不同預(yù)處理方式得到4組茶渣，將各組所得茶渣等量稱取3份，每份2 g，置于100 mL具塞錐形瓶中，各加60 mL浸提所得茶湯，于25 ℃水浴恒溫振蕩器中，以150 r/min振蕩2 h后濾紙過濾，收集濾液，檢測吸附前后濾液中兒茶素組分與咖啡堿含量的變化，計算吸附量和吸附率。

1.3.3 茶渣得率 每份10 g茶葉原料，重復(fù)3次，按表1處理方式所得到的茶渣稱質(zhì)量后，計算茶渣與茶葉原料的質(zhì)量比，即為茶渣得率。

1.4 茶渣動態(tài)吸附特征

取4.5 g茶渣于500 mL錐形瓶中，加入360 mL茶湯，置于恒溫振蕩器中，在25 ℃、150 r/min的條件下振蕩，分別于10，20，30，50，70，100，130，160和220 min取樣，檢測各處理吸附前后濾液中兒茶素組分與咖啡堿含量的變化，計算吸附量和吸附率。

1.5 茶湯質(zhì)量濃度對茶渣吸附性能的影響

將浸提所得茶湯經(jīng)冷凍干燥機冷凍成粉狀后，配制成質(zhì)量濃度為2，5，10，15，20 mg/mL的茶湯，在25 ℃、150 r/min的條件下振蕩2 h后，測定吸附前后茶湯中各主要組分的含量，檢測各處理吸附前后濾液中兒茶素組分與咖啡堿含量的變化，計算吸附量和吸附率。

1.6 液固比對茶渣吸附性能的影響

以液固比(茶湯體積(mL)與吸附劑質(zhì)量(g)的比值)20∶1，40∶1，80∶1，100∶1，180∶1加入茶湯與茶渣，達到吸附平衡后測定茶湯中各組分含量，檢測各處理吸附前后濾液中兒茶素組分與咖啡堿含量的變化，計算吸附量。

1.7 成分檢測和計算方法

1.7.1 咖啡堿和兒茶素含量測定 將測試液過 0.45 μm濾膜，用于HPLC分析，采用島津LC-20A型高效液相色譜儀，AgiLent TC-C18(2)分析柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，柱溫35 ℃，檢測波長280 nm，流速1.0 mL/min；流動相A為體積分數(shù)0.5%冰醋酸+體積分數(shù)3%乙腈+體積分數(shù)96.5%超純水，流動相B為體積分數(shù)0.5%冰醋酸+體積分數(shù)30%乙腈+體積分數(shù)69.5%超純水；洗脫梯度：前35 min內(nèi)B相由體積分數(shù)20%線性增加到65%，瞬間降到20%，以20%B保持5 min，進樣量10 μL。

1.7.2 吸附量與吸附率的計算 計算公式[20]分別為：

Q=(C0-Ce)×V/w，

E=[(C0-Ce)/C0]×100%，

Kcaffeine/Ester-catechins=Qcaffeine/QEster-catechins。

式中：Q為吸附量，mg/g；C0為起始溶液質(zhì)量濃度，mg/mL；Ce為吸附平衡時溶液質(zhì)量濃度，mg/mL；V為吸附溶液體積，mL；w為吸附劑質(zhì)量，g；E為吸附率，%；Kcaffeine/Ester-catechins為咖啡堿與酯型兒茶素的吸附量比值；Qcaffeine為咖啡堿吸附量；QEster-catechins為酯型兒茶素吸附量。

1.8 數(shù)據(jù)處理

每組試驗均重復(fù)3次，以3次重復(fù)的平均值作為試驗結(jié)果。試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進行處理與分析，并采用Duncan’s進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理方式的茶渣得率及其吸附性能比較

由表2可以看出，按表1預(yù)處理方式各組茶渣得率為42.16%～55.52%，其中A和B組茶渣得率較高，分別為55.52%和53.87%。茶渣對EGCG吸附量最大的是C組，達25.67 mg/g，其次是B組，為24.56 mg/g，均極顯著高于A和D組。對咖啡堿的吸附量,A組最低，極顯著低于其他3組，其他3組差異不大；B和C組的KCaffeine/Ester-catechins值，即咖啡堿與酯型兒茶素的吸附量比值較低，說明其脫咖啡堿效果優(yōu)于A和D組。

注：同列數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示在P<0.01水平差異極顯著。表3,4,6同。

Note:Different capital letters in each column indicate significance atP<0.01 level.The same for tables 3,4,and 6.

由表3可知，就吸附率而言，茶渣不同處理方式對酯型兒茶素的吸附率存在一定的差異，其中C組對酯型兒茶素各組分的吸附率均最高，對EGCG、GCG、ECG、CG的吸附率分別為93.17%，97.11%，94.56%，80.68%。各組對咖啡堿的吸附率除A組極顯著較低外，其余各組差異不大，在23.20%～23.72%?？梢?，C組即水浸提后經(jīng)乙醇處理茶渣對酯型兒茶素的選擇吸附性能最優(yōu)。鑒于此，以下試驗所采用的均為乙醇處理茶渣。

2.2 茶渣對酯型兒茶素及咖啡堿吸附率的動態(tài)變化

茶渣對酯型兒茶素與咖啡堿吸附率的動態(tài)變化如表4所示。由表4可知，咖啡堿的吸附率變化與酯型兒茶素有著明顯差別?？Х葔A吸附量在220 min內(nèi)一直呈緩慢上升趨勢，未出現(xiàn)明顯的吸附飽和點；而酯型兒茶素EGCG、ECG、GCG、CG的吸附率動態(tài)變化趨勢較為一致，吸附開始后10 min左右即達飽和吸附量的89.38%～94.87%，至70 min左右達到飽和吸附量的96.83%～99.53%。可見，基于富集酯型兒茶素的同時最大限度脫去咖啡堿，吸附時間不宜過長。

2.3 茶湯質(zhì)量濃度對茶渣吸附性能的影響

由表5中回歸模型可以看出，在一定范圍內(nèi)，EGCG、GCG、ECG、CG的吸附量(y)與茶湯質(zhì)量濃度(x)之間呈線性關(guān)系，其回歸模型的R2值分別為0.894 6，0.982 0，0.915 1，0.949 8，可見隨茶湯質(zhì)量濃度的增加，EGCG、GCG、ECG、CG等酯型兒茶素的吸附量同步增加。而咖啡堿的吸附量(y)與茶湯質(zhì)量濃度(x)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即在低質(zhì)量濃度條件下，茶湯質(zhì)量濃度對咖啡堿吸附量的影響較小，當(dāng)質(zhì)量濃度大于15 mg/mL時，吸附量才出現(xiàn)顯著增加。由此可見，較高的茶湯質(zhì)量濃度有利于茶渣吸附酯型兒茶素，但同時造成脫咖啡堿效果降低。綜合考慮，茶湯質(zhì)量濃度以15 mg/mL較好，此時根據(jù)表5數(shù)值計算得到的Kcaffeine/Ester-catechins值最低，為0.056。

注：同行數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示在P<0.01水平差異極顯著?；貧w模型中y為吸附量，x為茶湯質(zhì)量濃度。

Note:Different capital letters in each column indicate significance atP<0.01 level.In the regression model,ymeans adsorption capacity andxmeans tea concentration.

2.4 不同液固比對茶渣吸附性能的影響

由表6可知，酯型兒茶素和咖啡堿的吸附量均隨液固比的增加而增大，尤其當(dāng)液固比由20∶1增至40∶1時，這一趨勢最為明顯，但總體而言，咖啡堿的吸附量增加比率明顯高于酯型兒茶素。綜合茶渣對酯型兒茶素的吸附量、茶湯利用率以及脫咖啡堿效果等因素，液固比以40∶1左右較好。

表6 不同液固比下茶渣對酯型兒茶素類及咖啡堿的吸附量比較
Table 6 Absorption capacities of ester-catechins and caffeine by tea residues with different liquid-solid ratios mg/g

3 討論與結(jié)論

木質(zhì)纖維素主要由纖維素(35%～50%)、半纖維素(20%～40%)、木質(zhì)素(20%～30%)組成[21]，強酸強堿處理后主要為木質(zhì)素，木質(zhì)素大量的酚羥基等活性基團可以與茶多酚的羥基形成氫鍵，而其中的苯環(huán)可以與茶多酚中的苯環(huán)產(chǎn)生疏水性作用力和化學(xué)吸附作用，因此具有較好地吸附茶多酚的能力[11]。梁慧玲等[11]用處理后的木質(zhì)纖維素為吸附劑，結(jié)果表明木質(zhì)纖維素對EGCG的吸附量為 16.22 mg/g，對咖啡堿的吸附量為2.12 mg/g，咖啡堿與酯型兒茶素的吸附量比值為0.105，木質(zhì)纖維素脫咖啡堿效果顯著。

茶渣中主要成分為蛋白質(zhì)和纖維素類[14]，其中蛋白質(zhì)占15%～18%，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素各占20%左右。與木質(zhì)纖維素相比，茶渣具有相似的結(jié)構(gòu)，此外還含有一定量的蛋白質(zhì)，其所含活性基團更豐富，氨基酸側(cè)鏈可與多酚苯環(huán)間因形成氫鍵和疏水相互作用而絡(luò)合[20]。從本研究結(jié)果看，茶渣同樣具有較好的脫咖啡堿吸附酯型兒茶素效果。

綜合本研究結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1)不同預(yù)處理方式相比較而言，水浸提后再用乙醇處理所獲茶渣對酯型兒茶素的選擇吸附性能最優(yōu)。

2)酯型兒茶素與咖啡堿之間的吸附動態(tài)變化曲線呈現(xiàn)不同的特征，前者在70 min時已基本吸附飽和，而咖啡堿至220 min尚未達到吸附飽和點，所以吸附時間70 min左右較為適宜，既可充分吸附酯型兒茶素，又有利于控制咖啡堿的吸附量。

3)由于茶湯質(zhì)量濃度與酯型兒茶素的吸附量之間呈線性正相關(guān)，而與咖啡堿呈指數(shù)關(guān)系，因此茶湯較低質(zhì)量濃度有利于提高脫咖啡堿效果，但也會使酯型兒茶素的吸附總量減少，綜合比較，茶湯質(zhì)量濃度15 mg/mL左右較為適宜。

4)酯型兒茶素和咖啡堿的吸附量均隨液固比的增加而增大，低液固比下，茶渣尚未達到最大吸附量，利用不充分；但液固比過高，不僅造成茶湯浪費，也會使咖啡堿吸附量增大。綜合比較，液固比 40∶1 左右較為合理。

以茶渣作為酯型兒茶素提取的吸附劑，不僅成本低廉，而且其本身可食用，具有衛(wèi)生環(huán)保的優(yōu)勢。從本研究結(jié)果看，茶渣的吸附性能優(yōu)越，由于茶葉有效成分的提取往往以乙醇為提取溶劑，因此將由此產(chǎn)生的廢棄茶渣，直接用作酯型兒茶素提取的吸附材料，具有一定的可行性。當(dāng)然，由于茶渣所含高分子成分較復(fù)雜，因此無論就其吸附機理還是吸附的工藝條件均有進一步深入研究的必要。

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Effects of tea residue on selective adsorption properties of ester-catechins

HU Shu-qin,TANG Yi,LIU Li

(TeaResearchInstitute,CollegeofAgriculture&Biotechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China)

【Objective】 The effects of tea residue on selective adsorption properties of ester-catechins were researched in this paper to provide reference on obtaining high purity catechins products with low caffeine and reusing tea residue.【Method】 Tea residue was treated by 4 methods,one time water extraction,two times water-extraction,ethanol treatment,and acid and alkali treatment.The adsorption amounts of caffeine and catechins (Epigallocatechin gallate (EGCG),Gallocatechin gallate (GCG),Epicatechin gallate (ECG),and Catechin gallate (CG)) were compared to obtain the best treatment method.The dynamic adsorption process of the ethanol treated tea residue was determined to compare the effects of tea residue on adsorption of ester-catechins when tea concentrations were 2,5,10,15 and 20 mg/mL and liquid-solid ratios were 20∶1,40∶1,80∶1,100∶1 and 180∶1.【Result】 The ethanol treated tea residue was the best with adsorption capacities on EGCG,GCG,ECG,and CG of 25.67,8.44,7.60,and 2.44 mg/g,respectively,and the ratio of caffeine to ester-catechins was 0.098.After 70 min,the adsorption of ester-catechins had reached its maximum while the adsorption of caffeine had not.The adsorption of ester-catechins had a linear correlation with tea concentration.The adsorption capacities of ester-catechins and caffeine increased with the increase of volume of tea and liquid-solid ratio.But considering the adsorption capacity,caffeine removal effect and utilization rate of tea,40∶1 was suggested for liquid-solid ratio.【Conclusion】 Tea residue could absorb ester-catechins selectively.Besides,ester-catechins and caffeine showed different characteristics in dynamic process and different relationships between adsorption capacities and tea concentration and liquid-solid ratio.This study was beneficial to improve the selective adsorption efficiency of tea residue.

tea residue;ester-catechins;decaffeination;adsorption properties

2014-01-01

國家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-23)

胡書琴(1989-)，女，安徽巢湖人，在讀碩士，主要從事茶葉加工工程及品質(zhì)鑒定研究。E-mail：21116076@zju.edu.cn

湯 一(1962-)，男，浙江諸暨人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事茶葉加工工程及品質(zhì)鑒定研究。 E-mail：ytang@zju.edu.cn

時間:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.023

S571.109.9

A

1671-9387(2015)07-0213-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.023.html