紀(jì)小燕，王 玉，丁兆堂，*，曲寶涵

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)茶葉研究所，山東青島266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島266109）

大孔吸附樹(shù)脂對(duì)茶多酚和咖啡堿吸附及洗脫性能的研究

紀(jì)小燕1，王 玉1，丁兆堂1，*，曲寶涵2

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)茶葉研究所，山東青島266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島266109）

利用綠茶茶湯為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)超濾濃縮后，選擇不同型號(hào)的大孔吸附樹(shù)脂，進(jìn)行靜態(tài)吸附、靜態(tài)洗脫實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：聚酰胺對(duì)茶多酚有較好的吸附性，3×10-4mol·L-1酒石酸和85%食用酒精是較好的洗脫劑，建立聚酰胺樹(shù)脂吸附茶多酚過(guò)程的傳質(zhì)模型，計(jì)算出傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度和傳質(zhì)系數(shù)，得出最佳上樣流速為1.4×10-4m·s-1，最佳上樣體積為30BV。

大孔吸附樹(shù)脂，茶多酚，吸附性能，洗脫性能，傳質(zhì)模型

茶葉中含有多種生理活性物質(zhì)，其中含量較多且具有多種生理功效的茶多酚、咖啡堿有很大的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。目前，利用大孔吸附樹(shù)脂的“吸附-解附”作用原理來(lái)分離提取茶多酚和咖啡堿成為研究熱點(diǎn)［1-7］。竹尾忠一［8］等提出茶葉沸水浸提液經(jīng)過(guò)HP-2MG吸附柱，用70%的乙醇解析后，直接真空濃縮干燥而得到68%的兒茶素制備專(zhuān)利工藝。陳海霞［9］等通過(guò)對(duì)15種樹(shù)脂的靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附以及解析性能的比較，開(kāi)發(fā)了從茶葉中連續(xù)提取茶多糖、茶多酚和咖啡堿3種有效成分的工藝。但在對(duì)茶葉功效成分提取過(guò)程中，多以氯仿、乙酸乙酯等有機(jī)溶劑進(jìn)行洗脫分離［10-13］，極易造成產(chǎn)品有害物質(zhì)殘留，而且產(chǎn)品分離單一［14-15］。筆者曾以低檔綠茶為原料，以微波輔助浸提方法制備茶湯，得出制備茶湯的最佳工藝參數(shù)（論文待發(fā)表）。本實(shí)驗(yàn)利用所制備的茶湯，通過(guò)超濾除雜濃縮后進(jìn)行吸附分離，并選用食用酸度添加劑酒石酸及食用酒精洗脫，旨在實(shí)現(xiàn)綜合分離功效成分及低殘留的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茶湯供試液 微波輔助浸提茶湯超濾液；兒茶素單體及咖啡堿標(biāo)樣 購(gòu)于Sigma公司；各種化學(xué)試劑 均為分析純；LS-100、LS-200、LS-300吸附樹(shù)脂西安藍(lán)森特種樹(shù)脂有限公司；XAD-7吸附樹(shù)脂德國(guó)MERCK；NKA-Ⅱ、HP2MGL吸附樹(shù)脂 青島碧海生物技術(shù)有限公司；聚酰胺 100～200目，浙江省臺(tái)州市路橋四甲生化塑料廠。為樹(shù)脂對(duì)咖啡堿的吸附量，mg/mL（樹(shù)脂）。

表1 不同樹(shù)脂對(duì)茶多酚、咖啡堿的靜態(tài)吸附性能

層析柱（玻質(zhì)Φ1cm×40cm），超濾微濾膜分離裝置（CW100B），DBS-100電腦全自動(dòng)部分收集器，DHL-A電腦恒流泵，RE52CS-1旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 供試液的制備 按照水茶比12∶1，設(shè)定微波催化合成儀功率為600W，浸提液溫度70℃，浸提270s后過(guò)濾，合并多次濾液，得茶湯備用。將茶湯在0.14MPa的壓力、90L·h-1的循環(huán)流量下通過(guò)50000Da的超濾膜，收集超濾清液作為上樣供試液備用。

1.2.2 樹(shù)脂預(yù)處理 體積恒定的大孔吸附樹(shù)脂加入相當(dāng)于樹(shù)脂體積0.4～0.5倍的食用酒精中浸泡24h，然后用樹(shù)脂體積的2～3倍的食用酒精與水交替反復(fù)洗脫2～3次，最終以水洗脫后，至醇洗脫液加水不顯混濁，備用。聚酰胺樹(shù)脂用等體積食用酒精回流2～3次，干燥后備用。

1.2.3 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn) 準(zhǔn)確量取樹(shù)脂各5mL，置于錐形瓶中，分別加入茶湯供試液50mL，25℃振蕩吸附2h，使樹(shù)脂對(duì)供料液中的茶多酚和咖啡堿的吸附達(dá)到平衡狀態(tài)，然后對(duì)各平衡液進(jìn)行分析。

1.2.4 靜態(tài)洗脫實(shí)驗(yàn) 取5mL聚酰胺樹(shù)脂3份，加入50mL茶湯供試液25℃搖床吸附2h，倒出上清液，測(cè)其茶多酚及咖啡堿含量；將樹(shù)脂抽濾后，再分別以50mL α酸、3×10-4mol·L-1酒石酸和85%食用酒精，25℃搖床洗脫2h，倒出上清液，測(cè)其茶多酚及咖啡堿含量并計(jì)算其洗脫量。

1.2.5 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn) 將茶多酚濃度C=4.3mg·mL-1，咖啡堿濃度C=0.74mg·mL-1的茶湯供試液按不同上柱流速進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附。測(cè)定不同流出液體積下的茶多酚和咖啡堿含量，直到達(dá)到預(yù)定飽和值。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)脂靜態(tài)吸附和洗脫實(shí)驗(yàn)

2.1.1 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn) 表1為各樹(shù)脂的吸附性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，聚酰胺樹(shù)脂對(duì)茶多酚的選擇性系數(shù)為8.52，對(duì)茶多酚吸附效果最好，對(duì)咖啡堿的選擇性系數(shù)為0.12；而NKA-Ⅱ?qū)Х葔A的選擇性系數(shù)為3.94，對(duì)咖啡堿的吸附效果最好，對(duì)茶多酚的選擇性系數(shù)為0.25，故本文采用聚酰胺和NAK-Ⅱ分級(jí)吸附分離茶多酚和咖啡堿。

2.1.2 靜態(tài)洗脫實(shí)驗(yàn) 表2為不同洗脫劑對(duì)茶多酚和咖啡堿的洗脫性能，由表2可知，α酸溶液對(duì)咖啡堿和茶多酚的洗脫率之比高達(dá)12.18，而3×10-4mol·L-1酒石酸溶液對(duì)咖啡堿和茶多酚的洗脫率之比高達(dá)13.58，都能夠很好地洗脫出咖啡堿。但α酸溶液是5%硫酸與10%食用酒精的混合溶液，可能會(huì)對(duì)粗品造成殘留，而酒石酸作為一種食品酸度添加劑已被廣泛應(yīng)用，故本研究選擇先用3×10-4mol·L-1酒石酸溶液洗脫咖啡堿，再用85%食用酒精洗脫茶多酚的階段洗脫工藝。

表2 不同洗脫劑對(duì)聚酰胺樹(shù)脂茶多酚和咖啡堿的洗脫性能

2.2 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

2.2.1 最適上樣量的確定 圖1、圖2是不同流速下的茶多酚和咖啡堿的穿透曲線，由圖1、圖2可知，隨著上柱速率增大，聚酰胺對(duì)茶多酚的吸附選擇性系數(shù)也越大，越有利于茶多酚的分離，而隨著上樣體積的增大，茶多酚的吸附量沒(méi)有明顯的增大，由此確定1.6×10-4m·s-1較佳，最適上樣體積為30BV。

圖1 聚酰胺對(duì)TP的吸附穿透曲線

圖2 聚酰胺對(duì)caff的吸附穿透曲線

2.2.2 聚酰胺吸附茶多酚傳質(zhì)區(qū)高度計(jì)算 傳質(zhì)區(qū)高度hz是動(dòng)態(tài)吸附的一個(gè)重要參數(shù)，反映了吸附過(guò)程中傳質(zhì)速率的大小［13］。傳質(zhì)區(qū)高度hz與層析柱內(nèi)樹(shù)脂床總高度hT以及物質(zhì)總傳質(zhì)系數(shù)Kfa值有如下關(guān)系：

式中，VT為吸附柱飽和時(shí)流出液的體積，m3；VZ為吸附柱從穿透到飽和時(shí)流出液的體積，m3；f為傳質(zhì)區(qū)形成后傳質(zhì)區(qū)內(nèi)已經(jīng)吸附的樹(shù)脂分?jǐn)?shù)；VB為吸附柱穿透時(shí)流出液的體積，m3；ρ0為供料液中茶多酚質(zhì)量濃度，mg·mL-1；u為流體空塔速度，m·s-1，ρB為達(dá)到穿透點(diǎn)的流出液質(zhì)量濃度，mg·mL-1；ρE為達(dá)到飽和點(diǎn)的流出液質(zhì)量濃度，mg·mL-1；ρ*為表示與吸附量q相平衡的流體相中的吸附質(zhì)質(zhì)量濃度，mg·mL-1。其中，f可以利用穿透曲線的擬合方程通過(guò)圖解積分法得到，穿透曲線的擬合方程通用式為

式中，x為透過(guò)液體積，mL；y為透過(guò)液濃度，mg·mL-1；a、b、c、d、e為系數(shù)。

根據(jù)Freundlich吸附等溫方程，得到茶多酚和咖啡堿在聚酰胺樹(shù)脂上的吸附等溫方程，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 茶多酚在聚酰胺樹(shù)脂上的吸附等溫線

圖4 咖啡堿在聚酰胺樹(shù)脂上的吸附等溫線

由公式（1）～式（4）及吸附等溫方程可求出不同流速下的f、hz和Kfa，見(jiàn)表3。

表3 不同流速下的f、hz和Kfa

由表3可知，上柱流速為1.4×10-4m·s-1時(shí)吸附柱具有較短的傳質(zhì)區(qū)高度和最大的傳質(zhì)系數(shù)，更有利于茶多酚的吸附傳質(zhì)，樹(shù)脂利用率更高，故確定1.4×10-4m·s-1為最適上樣流速。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)超濾處理微波輔助浸提茶湯可有效地將蛋白質(zhì)、茶多糖分離出來(lái)，防止了樹(shù)脂污染，提高了過(guò)柱茶湯濃度。

3.2 通過(guò)靜態(tài)吸附和洗脫實(shí)驗(yàn)，對(duì)多種樹(shù)脂的吸附性能做比較，得出分離茶多酚和咖啡堿最適樹(shù)脂分別為聚酰胺和NAK-Ⅱ，3×10-4mol·L-1酒石酸溶液和85%食用酒精是較合適的洗脫劑。

3.3 通過(guò)建立聚酰胺樹(shù)脂吸附茶多酚過(guò)程的傳質(zhì)模型，根據(jù)傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度和傳質(zhì)系數(shù)得出最佳上樣流速為1.4×10-4m·s-1。

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Study on adsorbing and desorption characteristics of macroporous absorption resin for teapolyphenols and caffeine

JI Xiao-yan1，WANG Yu1，DING Zhao-tang1，*，QU Bao-han2
（1.Tea Research Institute of Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；2.The Chemistry and Pharmacy College of Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China）

Green tea liquor used as experimental material was ultra-filtered and concentrated，and then different types of macroporous absorption resins were chosen for static adsorption and elution，dynamic adsorption experiment.The results showed that polyamide resin had better adsorbent capability to tea polyphenols，and 3×10-4mol·L-1tartaric acid and 85%edible alcohol was better eluent.The model of mass transfer of polyamide resin’s adsorbent capability to tea polyphenols was established，and mass transfer section length and modulus were calculated，the best flow rate was 1.4×10-4m·s-1and the best green tea liquor volume infused into column was 30BV.

macroporous absorption resin；tea polyphenols；adsorbing characteristics；desorption characteristics；mass model

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0118-03

2010-01-26 *通訊聯(lián)系人

紀(jì)小燕（1982-），女，碩士研究生，主要從事茶葉功效成分提取研究。

山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2006GG2209014）。