周城，陳雄，陳勤勤，張珍珍，扈曉佳，王根女

恒楓食品科技有限公司（杭州 311200）

茶飲料是近些年最受歡迎的健康飲品之一，其富含茶多酚、氨基酸、茶黃素等健康成分[1]。茶葉中所含的兒茶素具有多種有益健康的作用，茶飲對(duì)多種疾病具有潛在的預(yù)防作用，包括抗氧化、抗衰老、抗癌和抗病毒等[2-3]。

咖啡因是茶葉中一種重要的化合物，約占茶葉干重的2%～5%。食用適量的咖啡因能刺激中樞神經(jīng)興奮性，有效緩解疲勞、恢復(fù)精力、強(qiáng)心解痙等作用[4]，但眾多醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，長期攝入咖啡因會(huì)對(duì)人體心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)?？Х纫蜻€具有成癮性和生理毒性，濫用會(huì)造成急性中毒，長期大量攝入對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷[5]。對(duì)于孕婦等敏感人群，過量攝入咖啡因會(huì)嚴(yán)重影響妊娠，導(dǎo)致流產(chǎn)、早產(chǎn)、胎兒發(fā)育遲緩、先天畸形等[6]。此外，2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)將咖啡因列入3類致癌物清單中。因此，開發(fā)不含咖啡因并且盡可能保留茶多酚的茶飲具有廣闊的前景。目前，從茶葉中脫除咖啡因的方法主要有兩類：一種是直接從茶葉中提取咖啡因，包括熱燙預(yù)處理[7]、超臨界CO2提取[8]等方法；另一種是茶提取后除去咖啡因，主要用吸附劑選擇性吸附咖啡因，常用的吸附劑有活性炭[9]、微生物發(fā)酵[10]等。

膨潤土是一種天然的層狀黏土礦物，在食品工業(yè)中，常應(yīng)用于葡萄酒[11]、陳醋[12]的澄清過程，以及漂白油脂的加工助劑。其主要成分蒙脫石，由基本的二氧化硅四面體（Si4O6(OH)4）中間夾著中央八面體（Al(OH)6），具有優(yōu)秀的陽離子交換能力[13]。此前，已有報(bào)道稱蒙脫石能吸附咖啡因[14]，但是還沒有對(duì)膨潤土在茶提取物中對(duì)咖啡因的吸附特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠茶，浙江茶乾坤食品股份有限公司；膨潤土，內(nèi)蒙古寧城天宇膨潤土科技有限公司；活性炭、高嶺土，上海麥克林試劑有限公司；維生素C，帝斯曼（中國）有限公司；5種兒茶素（EGCG、EGC、EC、ECG、C）標(biāo)準(zhǔn)品、咖啡堿，國藥集團(tuán)；乙腈、冰乙酸、甲醇，均為市售色譜純。

磁力攪拌器，德國IKA儀器有限公司；Agilent 1260型HPLC高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司；UV1800型紫外分光光度計(jì)，日本島津儀器有限公司；XS403S型電子分析天平，梅特勒-托力多儀器有限公司；PHS-3C型pH計(jì)，上海雷磁儀器有限公司；ST16型高速離心機(jī)，賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 茶湯制備

取1 kg綠茶，1 g維生素C，投入20 kg純水，80 ℃提取15 min，后經(jīng)冷卻，過濾，濃縮制得茶提取液（Brix=8.0%），咖啡因含量4 735±1.39 mg/kg。

1.2.2 吸附劑對(duì)咖啡因選擇吸附性能研究

探究膨潤土、活性炭、高嶺土對(duì)茶提取液中咖啡因的吸附性能，取50 g茶提取液，分別添加4 g吸附劑，吸附時(shí)間為30 min，以茶提取液中咖啡因含量和茶多酚的含量為考察指標(biāo)。

1.2.3 溫度對(duì)吸附效果的影響

將4 g膨潤土加入到50 g茶提取液中，在恒溫水浴鍋中控制不同的溫度（20，30，40，50和60 ℃）攪拌反應(yīng)30 min，離心，取上清液測(cè)定茶多酚和咖啡因濃度。

1.2.4 pH對(duì)吸附效果的影響

將4 g膨潤土加入到50 g茶提取液中，室溫條件下，在磁力攪拌器上控制不同的pH（3.5，4.1，5.2，6.1，7.1和7.7）攪拌反應(yīng)30 min，離心，取上清液測(cè)定茶多酚和咖啡因濃度。

1.2.5 吸附動(dòng)力學(xué)研究

將8 g膨潤土加入到100 g茶提取液中，25 ℃條件下，在磁力攪拌器上攪拌，在不同的反應(yīng)時(shí)間（0.5，1，2，4，6，8，10，15，30，60和90 min）取樣，過0.45 μm膜，測(cè)定茶提取液中咖啡因濃度。

1.2.6 吸附等溫線

取50 g茶提取液，分別加入不同質(zhì)量的吸附劑（2%，4%，6%，8%，10%和12%），25 ℃下攪拌吸附30 min，測(cè)定茶提取液中咖啡因含量。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 咖啡因的測(cè)定

茶提取液中咖啡因的測(cè)定方法參考GB/T 8312—2013《茶 咖啡堿的測(cè)定》[15]，以咖啡因的濃度（μg/mL）為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 茶多酚和兒茶素的測(cè)定

茶提取液中茶多酚、兒茶素含量的測(cè)定參考GB/T 8313—2018《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測(cè)方法》[16]的方法，以各類兒茶素（EGC、C、EGCG、EC、ECG）質(zhì)量濃度（μg/mL）為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

HPLC測(cè)定條件：紫外檢測(cè)器；SB-C18柱5 μm，250 mm×4.6 mm；流動(dòng)相的配制參考國標(biāo)的方法；流速1 mL/min；進(jìn)樣量20 μL；檢測(cè)波長278 nm；柱溫40℃；梯度洗脫：0～10 min，流動(dòng)相A 100%；10～15 min，流動(dòng)相A由100%線性變化至68%；15～25 min，保持流動(dòng)相A 68%；25～30 min，恢復(fù)流動(dòng)相A至原始100%。

1.4 計(jì)算脫除率和吸附量

采用（1）計(jì)算咖啡因的除去率η：

式中：C0為咖啡因的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Ct為咖啡因在t時(shí)間點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg。

采用（2）式計(jì)算吸附劑的平衡吸附量Qe：

式中：C0為咖啡因的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Ce為平衡時(shí)溶液中咖啡因的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；M為溶液質(zhì)量，kg；W為吸附劑質(zhì)量，g。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合模型

等溫吸附曲線表示恒溫反應(yīng)體系的平衡質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ce與吸附劑的吸附量Q的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用最廣泛的是Langmuir模型[17]和Freundlich模型[18]，方程式分別如（3）和（4）所示：

式中：Ce為咖啡堿吸附平衡時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Qe為平衡吸附量，mg/g；Qm為Langmuir模型的最大吸附容量，mg/g；KL、Kf和n分別為Langmuir和Freundlich模型的常數(shù)。

吸附動(dòng)力學(xué)描述吸附進(jìn)行中的動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)用最廣泛的是準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[19]、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[17]，方程如式（5）和（6）所示：

式中：Qt為t時(shí)刻的吸附量，mg/g；K1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，1/min；K2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，g/（mg·min）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)平行，采用Oringin 9.0和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 咖啡因和兒茶素的標(biāo)準(zhǔn)曲線如表1所示。

表1 咖啡因和5種兒茶素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 綠茶提取物咖啡因吸附劑的選擇

在相同的添加量和吸附時(shí)間內(nèi)，所選取的3種吸附劑對(duì)咖啡因的吸附情況如圖1所示。活性炭和膨潤土對(duì)咖啡因有明顯的吸附效果，吸附能力活性炭＞膨潤土＞高嶺土；但同時(shí)活性炭能吸附大量茶多酚，膨潤土和高嶺土對(duì)茶多酚的吸附效果較弱。此外，表2顯示了當(dāng)添加量為8%時(shí)，不同吸附劑處理后茶提取物中主要兒茶素含量變化情況，高嶺土和膨潤土對(duì)5種兒茶素吸附效果相似且都較弱，而活性炭對(duì)5種兒茶素都有很強(qiáng)的吸附作用[21]，甚至能完全吸附EGCG。綜上可知，活性炭對(duì)咖啡因的吸附作用最強(qiáng)，但同時(shí)吸附大量茶多酚；高嶺土對(duì)兩者均無明顯吸附作用；膨潤土能高效吸附咖啡因，同時(shí)能保留80%以上的茶多酚，是脫除茶提取物中咖啡因的理想脫除劑，因此將對(duì)膨潤土吸附茶提取物中的茶多酚和咖啡因特性作進(jìn)一步深入研究。

圖1 不同吸附劑對(duì)茶提取物中茶多酚和咖啡因的吸附效果

表2 經(jīng)不同吸附劑（添加量8%）處理后茶提取物的兒茶素含量

2.3 不同添加量對(duì)膨潤土吸附效果的影響

不同添加量的膨潤土對(duì)茶提取物中咖啡因的脫除率和茶多酚保留率的影響如圖2所示。當(dāng)膨潤土添加量小于8%時(shí)，隨著添加量的增加，咖啡因的脫除率快速提高，當(dāng)添加量大于8%時(shí)，隨著膨潤土添加量的提高，咖啡因脫除率提升效果不明顯。而隨著膨潤土添加量的增加，茶提取物中茶多酚的含量下降并不明顯，保留率始終在90%以上。因此，試驗(yàn)膨潤土的添加量選擇8%，此時(shí)咖啡因的脫除率為91.31%±1.07%，同時(shí)保留92.86%±0.98%的茶多酚。

圖2 不同添加量對(duì)吸附效果的影響

2.4 吸附溫度對(duì)膨潤土吸附效果的影響

由圖3可知，隨著溫度的升高，膨潤土對(duì)咖啡因的吸附效率逐漸降低，表明吸附過程是一個(gè)放熱過程[20]。而茶多酚的保留率則呈現(xiàn)先下降在上升的趨勢(shì)，但整體保留率在90%左右。因此考慮到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)盡可能減少茶提取物的風(fēng)味損失，試驗(yàn)選擇25 ℃為吸附溫度。

圖3 溫度對(duì)吸附效果的影響

2.5 pH對(duì)膨潤土吸附效果的影響

由圖4可知，隨著pH的升高，膨潤土的吸附效果略有提高，但提升效果并不明顯。隨著茶提取物的pH提升至7以上，茶提取物的色澤明顯變暗，品質(zhì)下降明顯，并且此時(shí)茶多酚的保留率急劇下降至55%，說明在中性或弱堿性環(huán)境下，膨潤土對(duì)咖啡因的吸附選擇性減弱。綜合考慮，茶提取物的pH控制在5～6之間比較合適。

圖4 pH對(duì)吸附效果的影響

2.6 吸附動(dòng)力學(xué)

研究吸附動(dòng)力學(xué)，不僅可以推測(cè)出膨潤土對(duì)咖啡因的吸附機(jī)理，而且動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以為茶濃縮液脫咖工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖5a描述了咖啡因濃度隨時(shí)間的變化，圖5b為單位吸附量隨時(shí)間的變化。如圖5a所示，膨潤土對(duì)茶提取物中咖啡因的吸附分為快速階段（1 min內(nèi)）和緩慢吸附階段（2～10 min），10 min后達(dá)到平衡。快速階段結(jié)束后達(dá)到最大吸附量的95.23%，反應(yīng)平衡時(shí)咖啡因去除率達(dá)到91.64%。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用式（5）準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)、式（6）準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程線性形式擬合，所得動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)見表3，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)度優(yōu)于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，更符合膨潤土對(duì)茶提取物中咖啡因吸附行為的作用機(jī)理，該模型反映了多重吸附機(jī)理的復(fù)合效應(yīng)，包括外部膜擴(kuò)散、表面吸附、顆粒內(nèi)部擴(kuò)散多個(gè)過程，并表明吸附過程以化學(xué)吸附為主[21]。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的Qe=32.97 mg/g，與實(shí)際測(cè)得的平橫吸附量32.89±0.25 mg/g在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上無顯著差異。

表3 25 ℃下膨潤土對(duì)咖啡因吸附的動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果

圖5 （a）咖啡因濃度隨時(shí)間的變化；（b）膨潤土單位吸附量隨時(shí)間的變化

2.7 等溫吸附方程

表4 膨潤土吸附咖啡因等溫吸附參數(shù)（25 ℃）

圖6顯示了膨潤土對(duì)茶提取物中咖啡因的吸附等溫線，隨著Ce值的增加，茶提取物中咖啡因的平衡吸附量Qe收斂到一定值，這些數(shù)據(jù)與Langmuir吸附模型和Freunclich吸附模型經(jīng)線性擬合，均顯示出較高的相關(guān)系數(shù)（R2分別為0.999 8和0.947 9）。Freunclich模型中的1/n代表吸附效率，其值越小則表示吸附性能越好；1/n在0.1～0.5，吸附易發(fā)生[22]，符合試驗(yàn)結(jié)果，膨潤土對(duì)茶提取物中咖啡因的吸附作用在10 min作用即達(dá)到平衡狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果與Langmuir吸附模型的相關(guān)系數(shù)更高，說明膨潤土固體表面對(duì)咖啡堿的吸附作用相當(dāng)均勻，吸附作用主要為單分子層吸附[23]。

圖6 膨潤土對(duì)茶提取物中咖啡因的吸附等溫線

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)選取了食品工業(yè)中常用的加工助劑探究其對(duì)茶提取物中咖啡因的吸附性能，結(jié)果顯示，膨潤土對(duì)咖啡堿有出色的選擇吸附性能，在弱酸性（pH 5～6）、室溫條件下，吸附10 min能脫除90%以上的咖啡因，吸附時(shí)間明顯短于許琦等[14]的研究結(jié)果。并且，經(jīng)膨潤土脫咖處理后的茶提取物能保留90%左右的茶多酚，幾類主要兒茶素?fù)p失率低，能較好保持茶提取物的風(fēng)味。通過動(dòng)力學(xué)模型的擬合，表明膨潤土對(duì)咖啡因的吸附是一種以化學(xué)吸附為主，并輔以外部膜擴(kuò)散、表面吸附、顆粒內(nèi)部擴(kuò)散多個(gè)過程[24]，但是未對(duì)具體的吸附機(jī)理進(jìn)行更深入的探究，研究者可繼續(xù)研究其表面帶電情況以及空間結(jié)構(gòu)對(duì)咖啡因吸附性能的影響，并開發(fā)更高效的咖啡因吸附劑?？傊驖櫷潦遣杼崛∥镏锌Х纫蛎摮睦硐氩牧?，在影響吸附效果的因素、吸附動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行了初步探討，為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供證據(jù)。