大孔吸附树脂对茶多酚和咖啡碱吸附及洗脱性能的研究

纪小燕，王 玉，丁兆堂，*，曲宝涵

（1.青岛农业大学茶叶研究所，山东青岛266109；2.青岛农业大学化学与药学院，山东青岛266109）

大孔吸附树脂对茶多酚和咖啡碱吸附及洗脱性能的研究

纪小燕1，王 玉1，丁兆堂1，*，曲宝涵2

（1.青岛农业大学茶叶研究所，山东青岛266109；2.青岛农业大学化学与药学院，山东青岛266109）

利用绿茶茶汤为实验材料，通过超滤浓缩后，选择不同型号的大孔吸附树脂，进行静态吸附、静态洗脱实验和动态吸附实验。结果表明：聚酰胺对茶多酚有较好的吸附性，3×10-4mol·L-1酒石酸和85%食用酒精是较好的洗脱剂，建立聚酰胺树脂吸附茶多酚过程的传质模型，计算出传质区长度和传质系数，得出最佳上样流速为1.4×10-4m·s-1，最佳上样体积为30BV。

大孔吸附树脂，茶多酚，吸附性能，洗脱性能，传质模型

茶叶中含有多种生理活性物质，其中含量较多且具有多种生理功效的茶多酚、咖啡碱有很大的开发利用价值。目前，利用大孔吸附树脂的“吸附-解附”作用原理来分离提取茶多酚和咖啡碱成为研究热点［1-7］。竹尾忠一［8］等提出茶叶沸水浸提液经过HP-2MG吸附柱，用70%的乙醇解析后，直接真空浓缩干燥而得到68%的儿茶素制备专利工艺。陈海霞［9］等通过对15种树脂的静态吸附和动态吸附以及解析性能的比较，开发了从茶叶中连续提取茶多糖、茶多酚和咖啡碱3种有效成分的工艺。但在对茶叶功效成分提取过程中，多以氯仿、乙酸乙酯等有机溶剂进行洗脱分离［10-13］，极易造成产品有害物质残留，而且产品分离单一［14-15］。笔者曾以低档绿茶为原料，以微波辅助浸提方法制备茶汤，得出制备茶汤的最佳工艺参数（论文待发表）。本实验利用所制备的茶汤，通过超滤除杂浓缩后进行吸附分离，并选用食用酸度添加剂酒石酸及食用酒精洗脱，旨在实现综合分离功效成分及低残留的目标。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶汤供试液 微波辅助浸提茶汤超滤液；儿茶素单体及咖啡碱标样 购于Sigma公司；各种化学试剂 均为分析纯；LS-100、LS-200、LS-300吸附树脂西安蓝森特种树脂有限公司；XAD-7吸附树脂德国MERCK；NKA-Ⅱ、HP2MGL吸附树脂 青岛碧海生物技术有限公司；聚酰胺 100～200目，浙江省台州市路桥四甲生化塑料厂。为树脂对咖啡碱的吸附量，mg/mL（树脂）。

表1 不同树脂对茶多酚、咖啡碱的静态吸附性能

层析柱（玻质Φ1cm×40cm），超滤微滤膜分离装置（CW100B），DBS-100电脑全自动部分收集器，DHL-A电脑恒流泵，RE52CS-1旋转蒸发器。

1.2 实验方法

1.2.1 供试液的制备 按照水茶比12∶1，设定微波催化合成仪功率为600W，浸提液温度70℃，浸提270s后过滤，合并多次滤液，得茶汤备用。将茶汤在0.14MPa的压力、90L·h-1的循环流量下通过50000Da的超滤膜，收集超滤清液作为上样供试液备用。

1.2.2 树脂预处理 体积恒定的大孔吸附树脂加入相当于树脂体积0.4～0.5倍的食用酒精中浸泡24h，然后用树脂体积的2～3倍的食用酒精与水交替反复洗脱2～3次，最终以水洗脱后，至醇洗脱液加水不显混浊，备用。聚酰胺树脂用等体积食用酒精回流2～3次，干燥后备用。

1.2.3 静态吸附实验 准确量取树脂各5mL，置于锥形瓶中，分别加入茶汤供试液50mL，25℃振荡吸附2h，使树脂对供料液中的茶多酚和咖啡碱的吸附达到平衡状态，然后对各平衡液进行分析。

1.2.4 静态洗脱实验 取5mL聚酰胺树脂3份，加入50mL茶汤供试液25℃摇床吸附2h，倒出上清液，测其茶多酚及咖啡碱含量；将树脂抽滤后，再分别以50mL α酸、3×10-4mol·L-1酒石酸和85%食用酒精，25℃摇床洗脱2h，倒出上清液，测其茶多酚及咖啡碱含量并计算其洗脱量。

1.2.5 动态吸附实验 将茶多酚浓度C=4.3mg·mL-1，咖啡碱浓度C=0.74mg·mL-1的茶汤供试液按不同上柱流速进行动态吸附。测定不同流出液体积下的茶多酚和咖啡碱含量，直到达到预定饱和值。

2 结果与分析

2.1 树脂静态吸附和洗脱实验

2.1.1 静态吸附实验 表1为各树脂的吸附性能。从实验结果看出，聚酰胺树脂对茶多酚的选择性系数为8.52，对茶多酚吸附效果最好，对咖啡碱的选择性系数为0.12；而NKA-Ⅱ对咖啡碱的选择性系数为3.94，对咖啡碱的吸附效果最好，对茶多酚的选择性系数为0.25，故本文采用聚酰胺和NAK-Ⅱ分级吸附分离茶多酚和咖啡碱。

2.1.2 静态洗脱实验 表2为不同洗脱剂对茶多酚和咖啡碱的洗脱性能，由表2可知，α酸溶液对咖啡碱和茶多酚的洗脱率之比高达12.18，而3×10-4mol·L-1酒石酸溶液对咖啡碱和茶多酚的洗脱率之比高达13.58，都能够很好地洗脱出咖啡碱。但α酸溶液是5%硫酸与10%食用酒精的混合溶液，可能会对粗品造成残留，而酒石酸作为一种食品酸度添加剂已被广泛应用，故本研究选择先用3×10-4mol·L-1酒石酸溶液洗脱咖啡碱，再用85%食用酒精洗脱茶多酚的阶段洗脱工艺。

表2 不同洗脱剂对聚酰胺树脂茶多酚和咖啡碱的洗脱性能

2.2 动态吸附实验

2.2.1 最适上样量的确定 图1、图2是不同流速下的茶多酚和咖啡碱的穿透曲线，由图1、图2可知，随着上柱速率增大，聚酰胺对茶多酚的吸附选择性系数也越大，越有利于茶多酚的分离，而随着上样体积的增大，茶多酚的吸附量没有明显的增大，由此确定1.6×10-4m·s-1较佳，最适上样体积为30BV。

图1 聚酰胺对TP的吸附穿透曲线

图2 聚酰胺对caff的吸附穿透曲线

2.2.2 聚酰胺吸附茶多酚传质区高度计算 传质区高度hz是动态吸附的一个重要参数，反映了吸附过程中传质速率的大小［13］。传质区高度hz与层析柱内树脂床总高度hT以及物质总传质系数Kfa值有如下关系：

式中，VT为吸附柱饱和时流出液的体积，m3；VZ为吸附柱从穿透到饱和时流出液的体积，m3；f为传质区形成后传质区内已经吸附的树脂分数；VB为吸附柱穿透时流出液的体积，m3；ρ0为供料液中茶多酚质量浓度，mg·mL-1；u为流体空塔速度，m·s-1，ρB为达到穿透点的流出液质量浓度，mg·mL-1；ρE为达到饱和点的流出液质量浓度，mg·mL-1；ρ*为表示与吸附量q相平衡的流体相中的吸附质质量浓度，mg·mL-1。其中，f可以利用穿透曲线的拟合方程通过图解积分法得到，穿透曲线的拟合方程通用式为

式中，x为透过液体积，mL；y为透过液浓度，mg·mL-1；a、b、c、d、e为系数。

根据Freundlich吸附等温方程，得到茶多酚和咖啡碱在聚酰胺树脂上的吸附等温方程，见图3、图4。

图3 茶多酚在聚酰胺树脂上的吸附等温线

图4 咖啡碱在聚酰胺树脂上的吸附等温线

由公式（1）～式（4）及吸附等温方程可求出不同流速下的f、hz和Kfa，见表3。

表3 不同流速下的f、hz和Kfa

由表3可知，上柱流速为1.4×10-4m·s-1时吸附柱具有较短的传质区高度和最大的传质系数，更有利于茶多酚的吸附传质，树脂利用率更高，故确定1.4×10-4m·s-1为最适上样流速。

3 结论

3.1 通过超滤处理微波辅助浸提茶汤可有效地将蛋白质、茶多糖分离出来，防止了树脂污染，提高了过柱茶汤浓度。

3.2 通过静态吸附和洗脱实验，对多种树脂的吸附性能做比较，得出分离茶多酚和咖啡碱最适树脂分别为聚酰胺和NAK-Ⅱ，3×10-4mol·L-1酒石酸溶液和85%食用酒精是较合适的洗脱剂。

3.3 通过建立聚酰胺树脂吸附茶多酚过程的传质模型，根据传质区长度和传质系数得出最佳上样流速为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 *通讯联系人

纪小燕（1982-），女，硕士研究生，主要从事茶叶功效成分提取研究。

山东省科技攻关项目（2006GG2209014）。