木质纤维素吸附分离法纯化茶多酚研究

王秀萍，朱海燕，谢苏平（.福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福安 5505； .湖南农业大学园艺园林学院，湖南 长沙 408；.金绿源生物科技有限公司，福建 漳平 64400）

木质纤维素吸附分离法纯化茶多酚研究

王秀萍1，朱海燕2，谢苏平3
（1.福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福安 355015； 2.湖南农业大学园艺园林学院，湖南 长沙 410128；3.金绿源生物科技有限公司，福建 漳平 364400）

选用经过预处理的白杨树、杉木、松树的木屑、铁观音乌龙茶茶梗及大孔树脂、活性炭（颗粒）作为吸附剂，对直接采用鲜叶提制的茶多酚浓缩液进行静态和动态吸附及常温纯净水洗脱试验，以筛选出较好的木质纤维素吸附剂，实验结果表明，杉木木屑是首选的木质纤维素制备原料，选用经过酸碱预处理的杉木木屑作为吸附剂，对茶多酚浓缩液进行动态吸附，进液流速控制在3 mL·min-1，总儿茶素的平衡吸附量为107.93 mg·g-1；再用常温纯净水进行洗脱，控制流速2 mL·min-1，总儿茶素的解吸率为26.21%。

茶多酚；儿茶素；木质纤维素；吸附性能；解吸

茶叶精深加工产品体系主要包括茶饮料和全茶粉（如固态速溶茶、浓缩茶汁、抹茶、超微茶粉及含茶饮料等）、茶叶功能成分提取物（如茶多酚、茶黄素、茶褐素、茶氨酸等）及含茶终端产品，茶多酚是生产、应用最为广泛的产品之一，目前国内茶多酚年产量达3000 t左右［1］。我国茶多酚的研究发展于上世纪 80 年代，进入上世纪 90 年代后形成高潮［2］，现已研发的茶多酚制备方法主要有溶剂萃取法、离子沉淀法、吸附分离法、超临界流体萃取法、超声波浸提方法、微波浸提法、高速逆流色谱法（HSCCC）、膜分离法、闪式提取等等［3］，其中柱吸附分离法被认为是一种较之更为安全、简便、低耗且分离效果较好的方法［4］，但柱填充料如亲脂凝胶、吸附型树脂等非常昂贵且使用寿命短，存在树脂残留等安全隐患，且淋洗时要用多种、大量有机溶剂，显然不适用于工业化生产茶多酚［2，5］。因此，研发廉价易得、绿色环保的新材料和新工艺，对实现茶多酚的高效安全生产至为重要。

梁慧玲等尝试以杉木屑为原料，制备成木质纤维素用于茶多酚的纯化，发现杉木木质纤维素对儿茶素类有较好的选择吸附性，在脱咖啡因酯型儿茶素类的生产中将有很大的应用价值［5］。本文选用白杨树、杉木、松树的木屑、铁观音乌龙茶茶梗作为制备木质纤维素吸附剂的原料，对直接采用鲜叶提制的茶多酚浓缩液进行吸附与解吸试验，以筛选出较好的木质纤维素吸附剂，为开发茶多酚高效安全生产新工艺提供更多的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 提取原料

以茶树鲜叶为茶多酚提取原料，鲜叶来自金绿源（中国）生物科技有限公司位于漳平市南洋镇的茶园基地所种水仙品种，采摘标准为中开面至大开面，驻芽3～4叶梢。

1.1.2 吸附材料

选择白杨树木屑、松树木屑、杉木木屑、铁观音乌龙茶茶梗作为制备木质纤维素吸附剂的原材料，同时以活性炭（颗粒）和 DM-301大孔树脂作为对照吸附剂的原材料，其中铁观音乌龙茶茶梗来自福建南安乌龙茶厂，白杨树木屑来自福建省漳平市宁洋木业有限公司，杉木木屑、松树木屑来自福建省漳平木村林产有限公司；大孔树脂（DM301型）来自天津市海光化工有限公司，活性炭（颗粒状，60目）由国药集团化学试剂有限公司出品。

1.1.3 主要仪器设备

EM720KG1-PW 型微波炉（广东美的）；MJ-25PM01B型多功能料理机（广东美的）；RSY-85碟式离心机（江苏宜兴市华鼎粮食机械有限公司）；超滤膜及反渗透膜设备（江苏太仓华辰净化设备有限公司）；XY-100 蠕动泵（江苏常州市文每机械配件厂）；ShimadzuLC-10A高效液相色谱仪（日本岛津）；600型喷雾干燥机（江苏无锡市禾明干燥设备有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 茶多酚浓缩液的制备

将鲜叶置于搪瓷盘上摊凉15 h左右，摊凉厚度10～15 cm，摊放过程中适当进行翻叶。然后将萎凋叶置于微波炉中加热4 min，微波炉输出功率为250～350 w。将微波处理后的青叶打成浆状，打浆机内加入10倍新鲜茶叶重量的常温纯净水，打浆机转速设定为5200 r·min-1，浆液用不锈钢桶盛放，置于常温浸泡30 min，浆汁用300目滤网过滤后，滤渣进行榨汁，压榨挤干后的残渣再加入6倍重量的常温纯净水，搅拌浸泡30 min后再进行压榨挤汁，将打浆后的滤液和滤渣两次压榨所得的汁液合并，用孔径为l μm的滤纸过滤即可得到茶多酚粗提液。将粗提液在转速5500 r·min-1下离心，去除肉眼可见的颗粒性杂质，再用孔径为5 μm的熔喷滤芯进一步去除离心后上清液中的杂质，滤液用聚氯乙烯超滤膜进行除杂，然后用反渗透膜浓缩为浓度2（g·100mL-1）的茶多酚浓缩液。

1.2.2 吸附材料的预处理

按照参照文献［5］的方法进行杉木木质纤维素、白杨树木质纤维素、松树木质纤维素、茶梗木质纤维素、大孔树脂、活性炭（颗粒）6种吸附剂的制备。

1.2.3 静态吸附

称取20 g（湿重）左右经预处理真空抽滤后的吸附材料置于500 mL锥形瓶内，加入400 mL浓度为2（g·100mL-1）的茶多酚浓缩液，用保鲜膜封口后放进恒温振荡器槽内室温下150 r·min-1进行振荡。每隔30 min取样检测，至3 h后每隔1 h取样，4 h后每隔2 h取样检测。当连续3次同一组分的检测数值正负偏差小于3%时即认为达到平衡吸附量，则第1次的时间点即为吸附平衡时间点。每种材质重复吸附试验3次，结果以平均数表示。

儿茶素或咖啡碱的平衡吸附率（%）为到达平衡吸附量时间点起的连续3次的儿茶素或咖啡碱吸附率的均值；儿茶素或咖啡碱的平衡吸附量

Q（mg·g-1）=（Cx×Mx×V）/（100×M），式中Cx为儿茶素或咖啡碱的平衡吸附率（%），Mx为单位体积浓缩液中的儿茶素或咖啡碱的质量（mg·mL-1），V为浓缩液体积（mL），M为吸附材料的质量（湿重，g）。

1.2.4 动态吸附

分别称取20 g（湿重）经真空抽滤的6种吸附材料，湿法装柱（吸附柱为玻璃柱Φ2.8 cm×80 cm），用400 mL浓度为2（g·100mL-1）的茶多酚浓缩液上样，以蠕动泵循环供料，控制流速3 mL·min-1，循环吸附30 min后取样检测，之后每隔30 min取样检测，3 h后每隔60 min取样检测。吸附后浓缩液中茶多酚、儿茶素组分及咖啡碱含量的检测、吸附平衡时间点的判断及各组分吸附率和儿茶素（咖啡碱）的平衡吸附率的计算方法与静态吸附实验相同。每种材质重复吸附试验3次，结果以平均数表示。

1.2.5 洗脱与收集

将动态吸附完成的吸附材料真空抽滤后，用20～25℃的纯净水160 mL，控制流速2 mL·min-1进行洗脱，分段收集洗脱液，每20 mL作为一个待检样，分别检测其中的茶多酚、儿茶素组分和咖啡碱含量，并计算各组分的解吸率。

各组分的解吸率DX（%）=（CX× VX）/（Q × M）×100%，式中 CX为洗脱液中各成分的浓度（mg·mL-1），VX为洗脱液体积（mL），Q为各成分动态吸附的平衡吸附量（mg·g-1），M为吸附材料的质量（湿重，g）。

1.2.6 样液检测方法

样液（吸附后浓缩液或洗脱液）→滤纸过滤→滤液在20～25℃、5000 r·min-1转速条件下离心10 min→上清液用0.45 μm微孔滤膜过滤→检测滤液中茶多酚、咖啡碱和儿茶素组分含量《GB/T 8313-2008茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》。

2 结果与分析

2.1 静态吸附试验

6种吸附剂静态吸附过程中，茶多酚、总儿茶素、咖啡碱及4种主要儿茶素类（EGC、EGCG、EC、ECG）的吸附率变化如图1所示，不同吸附剂、不同组分的吸附率均是随吸附进行迅速增大，到达吸附平衡点后变化平缓，其中4种木质纤维素和活性炭的儿茶素吸附率均高于咖啡碱的吸附率，大孔树脂则相反。

从表1可以看出，不同吸附剂对总儿茶素的平衡时间不同，大孔树脂最短，为1.5 h左右，活性炭为2 h左右，而4种木质纤维素儿茶素吸附到达平衡点的时间长得多，其中白杨树、茶梗和松树木质纤维素吸附平衡时间都在6 h左右，杉木木质纤维素为4 h左右。对比杉木、白杨树、松树及茶梗木质纤维素、大孔树脂、活性炭对总儿茶素的静态平衡吸附率和吸附量，可知6种吸附材质对儿茶素的吸附能力依次为：白杨树木质纤维素＞大孔树脂＞杉木木质纤维素＞茶梗木质纤维素＞松树木质纤维素＞活性炭，因此，大孔树脂、白杨树和杉木木质纤维素是较适用的儿茶素吸附剂。

表1 不同吸附材质对总儿茶素、咖啡碱的静态吸附效果Table 1 Efficiencies of various adsorbents in static adsorbing catechins and caffeine from tea extract

图 1 不同材质静态吸附过程中各组分吸附率变化趋势Fig. 1 Absorption rates on various components in tea extract during static adsorption by adsorbents

同时，对咖啡碱的吸附也是大孔树脂达到平衡的时间最短，为1.5 h左右，活性炭吸附咖啡碱达到平衡的时间为3 h左右，其余材质吸附咖啡碱的平衡时长同于其吸附儿茶素的平衡时间；对比杉木、白杨树、松树及茶梗木质纤维素、大孔树脂、活性炭对咖啡碱的静态平衡吸附率和吸附量，可知6种吸附材质对咖啡碱的吸附能力依次为大孔树脂＞杉木木质纤维素＞白杨树木质纤维素＞松树木质纤维素＞茶梗木质纤维素＞活性炭，这说明大孔树脂、杉木和白杨树木质纤维素也是较适用的咖啡碱吸附剂。

从图2可以看出，大孔树脂、杉木和白杨树木质纤维素静态吸附儿茶素和咖啡碱的能力均较强，但大孔树脂对咖啡碱的静态吸附能力明显强于儿茶素，而木质纤维素和活性炭均是对儿茶素的静态吸附能力明显强于咖啡碱。此外，白杨树对儿茶素的静态平衡吸附率显著高于大孔树脂和杉木木质纤维素，即白杨树木质纤维素对儿茶素的吸附能力显著强于后两者，而前者对咖啡碱的静态平衡吸附率显著低于大孔树脂且略低于杉木木质纤维素，因此，用木屑作为茶多酚的吸附原料是可行的，其中以白杨树木屑最佳。

图 2 总儿茶素及咖啡碱静态平衡吸附率及其方差分析结果Fig. 2 Static equilibrium rates of various adsorbents in adsorbing catechins and caffeine， and results on variance analysis

表2 不同吸附材质对总儿茶素、咖啡碱的动态吸附效果Table 2 Efficiencies of various adsorbents in dynamic adsorbing catechins and caffeine from tea extract

2.2 动态吸附试验

图3显示，与静态吸附过程相同，6种吸附剂动态吸附过程中，茶多酚、总儿茶素、咖啡碱及 4种主要儿茶素的吸附率也均是随吸附的进行而呈上升趋势，前期上升较快，后期因逐渐达到吸附平衡变化幅度很小。此外，6种吸附剂静态或动态吸附过程中 EGC的吸附率均高于咖啡碱和其他儿茶素组分，而酯型儿茶素ECG和EGCG的吸附率也均较高。

图 3 不同材质动态吸附过程中各组分吸附率变化趋势Fig. 3 Absorption rates on various components in tea extract during dynamic adsorption by adsorbents

而表2的数据显示，在动态吸附试验过程中，活性炭的儿茶素动态吸附达到平衡的时间最短，为1.5h左右，大孔树脂为2 h左右，而4种木质纤维素儿茶素动态吸附到达平衡点的时间长得多，其中杉木、茶梗和松树木质纤维素吸附平衡时间都在4 h左右，白杨树木质纤维素为3 h左右；对比杉木、白杨树、松树及茶梗木质纤维素、大孔树脂、活性炭对总儿茶素的动态平衡吸附率和吸附量，可知6种吸附材质对儿茶素的吸附能力依次为大孔树脂＞白杨树木质纤维素＞杉木木质纤维素＞茶梗木质纤维素＞松树木质纤维素＞活性炭，因此，大孔树脂、白杨树和杉木木质纤维素是较适用的儿茶素吸附剂，这与静态吸附实验结果一致。

同时，对咖啡碱的动态吸附以大孔树脂达到平衡的时间最短，为2 h左右，活性炭为2.5 h左右，杉木、茶梗及松树木质纤维素3种吸附材质到达平衡吸附量的时间都在4 h左右，而白杨树木质纤维素动态吸附咖啡碱的平衡时间最长，为5 h左右；对比杉木、白杨树、松树及茶梗木质纤维素、大孔树脂、活性炭对咖啡碱的动态平衡吸附率和吸附量，可知6种吸附材质对咖啡碱的吸附能力依次为大孔树脂＞白杨树木质纤维素＞杉木木质纤维素＞松树木质纤维素＞茶梗木质纤维素＞活性炭，这说明大孔树脂、白杨树和杉木木质纤维素也是较适用的咖啡碱吸附剂，这也与静态吸附实验结果一致。

从图4可以看出，大孔树脂、杉木和白杨树木质纤维素动态吸附儿茶素和咖啡碱的能力均较强，但大孔树脂对咖啡碱的动态吸附能力明显强于儿茶素，而木质纤维素和活性炭均是对儿茶素的动态吸附能力明显强于咖啡碱。此外，大孔树脂对儿茶素的平衡吸附率显著高于白杨树和杉木木质纤维素，白杨树木质纤维素对儿茶素的平衡吸附率又显著高于杉木木质纤维素，即大孔树脂对儿茶素的吸附能力显著强于后两者，白杨树木质纤维素对儿茶素的吸附能力又显著强于杉木木质纤维素，且三者对咖啡碱的动态平衡吸附率差异显著性亦是如此，而白杨树木质纤维素对咖啡碱的吸附性能较强不利于后续的儿茶素洗脱和纯化，故杉木木屑也是制备儿茶素吸附剂较理想的原材料。

图 4 总儿茶素及咖啡碱动态平衡吸附率及其方差分析结果Fig. 4 Dynamic equilibrium rates of various adsorbents in adsorbing catechins and caffeine， and results on variance analysis

2.3 洗脱试验

从表3结果来看，6种吸附剂的总儿茶素解吸率从高到低依次为：大孔树脂＞茶梗木质纤维素＞杉木木质纤维素＞白杨树木质纤维素＞松树木质纤维素＞活性炭，4种木质纤维素的儿茶素解吸率均不到33%；咖啡碱的解吸率从高到低依次为：活性炭＞白杨树木质纤维素＞松树木质纤维素＞杉木木质纤维素＞茶梗木质纤维素＞大孔树脂，除大孔树脂外，同一吸附剂的咖啡碱解吸率均超过38%，明显高于儿茶素。

6种吸附剂解吸得到的总儿茶素质量高低依次为：大孔树脂1203.0 mg＞茶梗木质纤维素660.8 mg＞杉木木质纤维素 565.8 mg＞白杨树木质纤维素538.4 mg＞松树木质纤维素 426.0 mg＞活性炭 330.2 mg；而解吸得到的总儿茶素与茶多酚质量百分比大小依次为：白杨树木质纤维素79.29%＞杉木木质纤维素69.46%＞大孔树脂69.39%＞活性炭68.85%＞茶梗木质纤维素68.69%＞松树木质纤维素66.73%，说明大孔树脂、白杨树和杉木木质纤维素纯水洗脱儿茶素的效果较好；6种吸附剂解吸得到的咖啡碱质量高低依次为：白杨树木质纤维素249.6 mg＞松树木质纤维素189.4 mg＞杉木木质纤维素181.2 mg＞活性炭132.6 mg＞茶梗木质纤维素105.2 mg＞大孔树脂51.6 mg，而解吸得到的咖啡碱与总儿茶素质量比大小依次为：白杨树木质纤维素 0.46＞松树木质纤维素0.44＞活性炭0.40＞杉木木质纤维素0.32＞茶梗木质纤维素0.16＞大孔树脂0.04，说明大孔树脂、杉木和茶梗木质纤维素比较有利于从儿茶素中脱除咖啡碱。

再者，解吸得到的非酯型儿茶素与总儿茶素质量百分比大小依次为：松树木质纤维素93.29%＞杉木木质纤维素 90.84%＞活性炭 90.07%＞大孔树脂89.86%＞茶梗木质纤维素 89.74%＞白杨树木质纤维素86.14%；解吸得到的酯型儿茶素与总儿茶素质量百分比大小依次为：白杨树木质纤维素13.86%＞茶梗木质纤维素 10.26%＞大孔树脂 10.14%＞活性炭 9.93%＞杉木木质纤维素 9.16%＞松树木质纤维素 6.71%，这表明杉木和白杨树木质纤维素比较能有效分离出非酯型与酯型儿茶素，其中杉木木质纤维素更有利于分离富集非酯型儿茶素，白杨树木质纤维素更有利于分离富集酯型儿茶素。

此外，在表3中，大孔树脂吸附的总儿茶素经纯水洗脱的解吸率高达49.82%，而已有的研究显示，用大孔树脂吸附分离法提纯茶多酚时，一般用较高浓度乙醇溶液洗脱茶多酚［7-12］；用纯水和不同浓度的乙醇溶液进行梯度洗脱时，纯水洗出的茶多酚含量接近0［5，13］，而本实验结果与此大相径庭，不仅大孔树脂的解吸率较高，甚至大孔吸附树脂对总儿茶素的解吸能力强于4种木质纤维素和活性炭。其次，活性炭柱层析对于分离水溶性物质（如氨基酸、糖类及某些苷类）是一种较好的方法，如纯化低聚木糖时以体积分数30%的乙醇溶液作为活性炭的洗脱液分离效果较好，而去离子水的洗脱能力很弱［14，15］，而本实验中活性炭吸附的总儿茶素经纯水洗脱的解吸率达到17.53%。以上结果可能是由于平衡吸附量、上样液浓度、水质、水洗脱体积、洗脱流速等实验条件的不同造成的，具体的原因有待进一步的实验查明。

表3 不同材质动态吸附后纯水洗脱结果统计Table 3 The results analysis of water elution following the dynamic adsorptions of different adsorbents

3 结论

综合以上解吸试验分析结果，虽然木质纤维素的总儿茶素解吸率均低于大孔树脂，但杉木木质纤维素纯水洗脱儿茶素的效果相对较好，能有效从儿茶素中脱除咖啡碱和分离富集非酯型儿茶素，因此，杉木木屑是首选的木质纤维素制备原料。选用经过酸碱预处理的杉木木屑作为吸附剂，对反渗透膜浓缩后的浓缩液进行动态吸附，进液流速控制在3 mL·min-1，总儿茶素的平衡吸附量为107.93 mg·g-1；再用常温纯净水进行洗脱，控制流速2 mL·min-1，总儿茶素的解吸率为26.21%。

据梁慧玲等的研究结果，杉木木质纤维素对酯型儿茶素类的吸附力大于咖啡因和简单儿茶素类，且操作温度以常温（25℃）为佳。同时，杉木木质纤维素填充柱对咖啡因和酯型儿茶素类的洗脱分离效果优于大孔吸附树脂填充柱［5］。本研究亦发现，常温下白杨树和杉木木质纤维素都是较好的儿茶素和咖啡碱吸附剂，而杉木木质纤维素填充柱对酯型儿茶素类的洗脱分离效果接近于大孔吸附树脂，且其对酯型儿茶素类的吸附力小于简单儿茶素类，这与本分离实验中只用纯水进行洗脱有关。福建地区各种木材资源和木材加工企业很多，尤其是杉木资源极为丰富，制备木质纤维素来源便利，经济实惠，因此，进一步完善和应用杉木木质纤维素提纯茶多酚技术具有广阔的发展前景。

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Extracting Tea Polyphenols Using Lignocellulose Adsorbent Followed by Water Elution

WANG Xiu-ping1，ZHU Hai-yan2，XIE Su-ping3
（1. Tea Research Institute， Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fu' an， Fujian 355015， China；
2. College of Horticulture and Landscape， Hunan Agricultural University， Changsha， Hunan 410128， China；
3. Jinlvyuan Biological Technology Co.， Ltd.， Zhangping， Fujian 364400， China）

This study attempted to apply lignocellulose to adsorb polyphenols from the extract of fresh tea leaves followed by water-elution to obtain purified and concentrated tea polyphenols. Static and dynamic adsorption using acid-and-alkali pretreated sawdust of poplar， cedarwood， and pine， Tie-guanyin oolong tea stalks， macro-porous resin， and granular activated carbon were conducted. The results indicated that cedarwood sawdust was the preferred raw material for the process. At the tea extract feeding speed of 3 mL·min-1， the equilibrium adsorption of catechins was found to be 107.93 mg·g-1. Subsequently， washing with purified water on the adsorbent at ambient temperature and a flow rate of 2 mL·min-1achieved a catechins desorption rate of 26.21%.

tea polyphenols； catechins； lignocellulose； adsorptionproperties； desorption

TS272.7

A

2015-08-31初稿；2015-11-04修改稿

福建省科技厅区域重大项目（2013N3009）；福建农业科学院科技创新团队项目（CXTD-1-1302）；宜宾市引进高层次人才项目（2013YG03）。

王秀萍（1973-），女，副研究员，博士，研究方向：茶文化与茶业经济。E-mail： 905966898@qq.com