大孔吸附樹脂對茶多酚和咖啡堿吸附及洗脫性能的研究

紀小燕，王 玉，丁兆堂，*，曲寶涵

（1.青島農業大學茶葉研究所，山東青島266109；2.青島農業大學化學與藥學院，山東青島266109）

大孔吸附樹脂對茶多酚和咖啡堿吸附及洗脫性能的研究

紀小燕1，王 玉1，丁兆堂1，*，曲寶涵2

（1.青島農業大學茶葉研究所，山東青島266109；2.青島農業大學化學與藥學院，山東青島266109）

利用綠茶茶湯為實驗材料，通過超濾濃縮后，選擇不同型號的大孔吸附樹脂，進行靜態吸附、靜態洗脫實驗和動態吸附實驗。結果表明：聚酰胺對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，建立聚酰胺樹脂吸附茶多酚過程的傳質模型，計算出傳質區長度和傳質系數，得出最佳上樣流速為1.4×10-4m·s-1，最佳上樣體積為30BV。

大孔吸附樹脂，茶多酚，吸附性能，洗脫性能，傳質模型

茶葉中含有多種生理活性物質，其中含量較多且具有多種生理功效的茶多酚、咖啡堿有很大的開發利用價值。目前，利用大孔吸附樹脂的“吸附-解附”作用原理來分離提取茶多酚和咖啡堿成為研究熱點［1-7］。竹尾忠一［8］等提出茶葉沸水浸提液經過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%的兒茶素制備專利工藝。陳海霞［9］等通過對15種樹脂的靜態吸附和動態吸附以及解析性能的比較，開發了從茶葉中連續提取茶多糖、茶多酚和咖啡堿3種有效成分的工藝。但在對茶葉功效成分提取過程中，多以氯仿、乙酸乙酯等有機溶劑進行洗脫分離［10-13］，極易造成產品有害物質殘留，而且產品分離單一［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（論文待發表）。本實驗利用所制備的茶湯，通過超濾除雜濃縮后進行吸附分離，并選用食用酸度添加劑酒石酸及食用酒精洗脫，旨在實現綜合分離功效成分及低殘留的目標。

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樣 購于Sigma公司；各種化學試劑 均為分析純；LS-100、LS-200、LS-300吸附樹脂西安藍森特種樹脂有限公司；XAD-7吸附樹脂德國MERCK；NKA-Ⅱ、HP2MGL吸附樹脂 青島碧海生物技術有限公司；聚酰胺 100～200目，浙江省臺州市路橋四甲生化塑料廠。為樹脂對咖啡堿的吸附量，mg/mL（樹脂）。

表1 不同樹脂對茶多酚、咖啡堿的靜態吸附性能

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

1.2 實驗方法

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

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

1.2.3 靜態吸附實驗 準確量取樹脂各5mL，置于錐形瓶中，分別加入茶湯供試液50mL，25℃振蕩吸附2h，使樹脂對供料液中的茶多酚和咖啡堿的吸附達到平衡狀態，然后對各平衡液進行分析。

1.2.4 靜態洗脫實驗 取5mL聚酰胺樹脂3份，加入50mL茶湯供試液25℃搖床吸附2h，倒出上清液，測其茶多酚及咖啡堿含量；將樹脂抽濾后，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，測其茶多酚及咖啡堿含量并計算其洗脫量。

1.2.5 動態吸附實驗 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行動態吸附。測定不同流出液體積下的茶多酚和咖啡堿含量，直到達到預定飽和值。

2 結果與分析

2.1 樹脂靜態吸附和洗脫實驗

2.1.1 靜態吸附實驗 表1為各樹脂的吸附性能。從實驗結果看出，聚酰胺樹脂對茶多酚的選擇性系數為8.52，對茶多酚吸附效果最好，對咖啡堿的選擇性系數為0.12；而NKA-Ⅱ對咖啡堿的選擇性系數為3.94，對咖啡堿的吸附效果最好，對茶多酚的選擇性系數為0.25，故本文采用聚酰胺和NAK-Ⅱ分級吸附分離茶多酚和咖啡堿。

2.1.2 靜態洗脫實驗 表2為不同洗脫劑對茶多酚和咖啡堿的洗脫性能，由表2可知，α酸溶液對咖啡堿和茶多酚的洗脫率之比高達12.18，而3×10-4mol·L-1酒石酸溶液對咖啡堿和茶多酚的洗脫率之比高達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，可能會對粗品造成殘留，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 不同洗脫劑對聚酰胺樹脂茶多酚和咖啡堿的洗脫性能

2.2 動態吸附實驗

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，聚酰胺對茶多酚的吸附選擇性系數也越大，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TP的吸附穿透曲線

圖2 聚酰胺對caff的吸附穿透曲線

2.2.2 聚酰胺吸附茶多酚傳質區高度計算 傳質區高度hz是動態吸附的一個重要參數，反映了吸附過程中傳質速率的大小［13］。傳質區高度hz與層析柱內樹脂床總高度hT以及物質總傳質系數Kfa值有如下關系：

式中，VT為吸附柱飽和時流出液的體積，m3；VZ為吸附柱從穿透到飽和時流出液的體積，m3；f為傳質區形成后傳質區內已經吸附的樹脂分數；VB為吸附柱穿透時流出液的體積，m3；ρ0為供料液中茶多酚質量濃度，mg·mL-1；u為流體空塔速度，m·s-1，ρB為達到穿透點的流出液質量濃度，mg·mL-1；ρE為達到飽和點的流出液質量濃度，mg·mL-1；ρ*為表示與吸附量q相平衡的流體相中的吸附質質量濃度，mg·mL-1。其中，f可以利用穿透曲線的擬合方程通過圖解積分法得到，穿透曲線的擬合方程通用式為

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

根據Freundlich吸附等溫方程，得到茶多酚和咖啡堿在聚酰胺樹脂上的吸附等溫方程，見圖3、圖4。

圖3 茶多酚在聚酰胺樹脂上的吸附等溫線

圖4 咖啡堿在聚酰胺樹脂上的吸附等溫線

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時吸附柱具有較短的傳質區高度和最大的傳質系數，更有利于茶多酚的吸附傳質，樹脂利用率更高，故確定1.4×10-4m·s-1為最適上樣流速。

3 結論

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

3.2 通過靜態吸附和洗脫實驗，對多種樹脂的吸附性能做比較，得出分離茶多酚和咖啡堿最適樹脂分別為聚酰胺和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 通過建立聚酰胺樹脂吸附茶多酚過程的傳質模型，根據傳質區長度和傳質系數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 *通訊聯系人

紀小燕（1982-），女，碩士研究生，主要從事茶葉功效成分提取研究。

山東省科技攻關項目（2006GG2209014）。