活性炭吸附法脱除茶叶提取液中咖啡因的工艺研究

王 平,陶春妙,朱兴一,谢 捷,杨军辉

(浙江工业大学药学院,浙江 杭州 310032)

活性炭吸附法脱除茶叶提取液中咖啡因的工艺研究

王 平,陶春妙,朱兴一,谢 捷,杨军辉

(浙江工业大学药学院,浙江 杭州 310032)

探讨了活性炭吸附脱除茶叶提取液中咖啡因的最佳工艺条件.结果表明,吸附时间2 h,活性炭用量0.125 g/mL,温度40℃,质量浓度45 g/L为活性炭吸附咖啡因的最佳工艺条件,茶多酚与咖啡因的质量比由原来的6.9增至64.8,且活性炭可以重复使用,在整个实验过程中无需使用有机溶剂和昂贵的设备.

茶多酚;活性炭;咖啡因

茶多酚(Tea polyphenols,简称TP),又叫茶单宁、茶鞣质,是一类具有抗氧化作用的酚类物质及其衍生物的总称,其含量占鲜茶叶干物重的 15%～25%,其中儿茶素为茶多酚的主要成份[1].大量的科学实验研究表明茶多酚具有许多生物学及生理学作用,例如,抗氧化性、抗微生物、消除自由基、抗癌、抗心血管、抗菌、抗炎和免疫调节能力等[2].然而,茶叶中又含有3%～5%咖啡因(Caffeine)等生物碱成分,它们具有兴奋中枢神经、提神、恢复疲劳、强心活血、提高循环系统功能、抗衰老、利尿、抗癌、抗病毒等生理作用和保健作用[3],但高剂量摄入咖啡因会刺激中枢神经、影响睡眠、增加血压、提高类风湿关节炎的患病率、增加心脏病和癫痫症的发生等[4-5].因此,去除茶叶提取液中的咖啡因具有重要的意义.目前脱咖啡因技术主要有水脱除、溶剂萃取、吸附分离和超临界CO2萃取等传统方法,以及后来发展的微生物和酶法降解咖啡因和培育低咖啡因茶树等.

茶叶咖啡因具多羟基嘌呤环和共轭双键结构,易被多孔性物质(如活性炭、硅藻土、活性粘土及纤维素等)所吸附.吸附法是利用各种吸附剂选择性吸附和洗脱剂的选择性洗脱作用达到目标产物与其它杂质相互分离[6].文献报道,活性炭对茶多酚和咖啡因具有一定的吸附作用,且吸附速度不同[7].所以本实验以茶叶提取物为原料,对活性炭吸附去除咖啡因进行研究.通过单因素试验及正交试验,以咖啡因的含量及茶多酚/咖啡因的比值为指标探讨了活性炭的用量、吸附时间、温度和样品浓度等因素对吸附效果的影响.

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

低档绿茶粉末由福建大田县人民政府提供,粉碎后过60目筛避光保存备用.

颗粒状活性炭(直径为0.5～1.0 mm)(分析纯),购置国药集团化学试剂有限公司;硫酸亚铁、酒石酸钾钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、碱式乙酸铅、盐酸和浓硫酸均为分析纯试剂;实验用水为二次蒸馏水;咖啡因标准品采用升华法自制,纯度＞99%.

1.2 仪器与设备

756PC型紫外可见分光光度计,上海光谱仪器有限公司生产;微型高速万能试样粉碎机,武汉华鑫科技有限公司;FD-1C真空冷冻干燥机,北京德天佑科技发展有限公司生产;RE-52AA旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂生产;HHS型电热恒温水浴锅,上海博迅实业有限公司生产.

1.3 方 法

1.3.1 活性炭预处理

在300 g颗粒状的活性炭中加入2倍体积85%的乙醇,放置24 h之后用水洗涤至无醇味,然后加入2倍体积0.1 mol/L NaOH溶液过夜,水洗至中性,最后加入2倍体积0.1m ol/LHCl溶液过夜,水洗至中性,室温干燥备用[7].

1.3.2 样品的制备

称取100 g茶叶粉末,加800 mL水,80℃下提取2 h,过滤,浓缩,冷冻干燥.用水配置成不同浓度的溶液,量取 20 mL,加活性炭吸附,抽滤,冷冻干燥.准确称取0.15 g,定容至25 mL,分别测茶多酚和咖啡因的含量.

1.3.3 茶多酚和咖啡因的质量分数测定

茶多酚和咖啡因的质量分数分别采用国标法中的酒石酸亚铁法和紫外分光光度法测定,其计算公式分别为

式中：L1为试液得总量,mL;L2为测定时的用液量,mL;L3为试液的总量,mL;C为从标准曲线上查得的咖啡因浓度,μg/mL;M为活性炭吸附之后样品的质量,g.

2 结果与分析

2.1 咖啡因标准曲线绘制

准确称取1.96 mg自制咖啡因标准品配置成0.078 4 mg/mL溶液,分别吸取0,1,2,3,4,5,6mL于25 mL容量瓶中,各加入1.0 mL 0.01 mo l/L的HCl,加水定容,用10mm石英比色杯,在274 nm测定吸光度A,得咖啡因浓度与吸光度的标准曲线,线性回归方程为y=0.0488x-0.004 4(R2=0.999 7),标准曲线见图1.

图1 咖啡因标准曲线Fig.1 Standard curve of caffeine

2.2 单因素试验

2.2.1 吸附时间对茶多酚和咖啡因吸附的影响

吸附时间越长,茶多酚和咖啡因的吸附量越多,导致产品中茶多酚的含量很低;但吸附时间过短,则不能达到去除咖啡因的目的,因此,需考察吸附时间对结果的影响.取10份质量浓度为30 g/L的样品溶液20 mL,分别加入2 g活性炭,室温下吸附时间分别为0,0.5,1,2,3,4,5,6,8,10 h,实验结果见图2,3.

由图2,3可知,在试验所选取的时间范围内,茶多酚和咖啡因的质量分数随着时间的增加而逐渐减少,茶多酚与咖啡因质量比不断上升.当吸附时间大于2 h,活性炭对茶多酚和咖啡因的吸附速度减慢,在有效去除咖啡因的同时尽可能多的保留茶多酚,选择最佳吸附时间为2 h.

2.2.2 活性炭用量对茶多酚和咖啡因吸附的影响

活性炭用量对茶多酚和咖啡因的吸附是一个较为重要的因素.取8份质量浓度为30 g/L的样品溶液20 mL,分别加入活性炭用量为0,0.025,0.05,0.075,0.1,0.125,0.15,0.2 g/mL,室温下吸附2 h,实验结果见图4,5.

图4 活性炭用量对吸附咖啡因和茶多酚的影响Fig.4 Ef fects of amount of active carbon on adsorbing caffeine and TP

图5 活性炭用量对茶多酚/咖啡因的影响Fig.5 Effects of amount of active carbon on TP/caffeine

由图4,5可知,活性炭用量越多,在相同时间内吸附茶多酚和咖啡因吸附量越多.当活性炭用量大于2.5 g时,茶多酚与咖啡因的质量比基本不变,且样品中大部分咖啡因也被吸附,故活性炭用量确定为0.125 g/mL.

2.2.3 温度对茶多酚和咖啡因吸附的影响

温度越高,活性炭的吸附能力越强,但由于茶多酚的不稳定性,因此温度对活性炭吸附去除咖啡因也是一个重要的影响因素.取5份质量浓度为30 g/L的样品溶液20mL,分别加入2.5 g活性炭在20,30,50,75,90℃下吸附2 h,实验结果见图6,7.

由图6,7可知,随着温度的增加,活性炭对茶多酚和咖啡因的吸附量也增加,当温度大于50℃时,茶多酚与咖啡因质量比开始降低,这可能是由于茶多酚在较高温度下更容易氧化,导致茶多酚的减少速率大于活性炭对咖啡因的吸附速率.选择50℃为最佳吸附温度.

2.2.4 样品溶液的浓度对吸附的影响

浓度越稀,需加入越多的活性炭和增加后续工作,浓度过高,则影响活性炭的吸附能力,因此考察了样品浓度对活性炭吸附的影响.取5份质量浓度分别为7,15,30,60,90 g/L样品溶液20 mL,分别加入2.5 g活性炭50℃下吸附2 h,实验结果见图8,9.

由图8,9可知,样品浓度越高,茶多酚和咖啡因的含量也越高,茶多酚与咖啡因质量比不断降低,不能达到选择性吸附的目的.当样品质量浓度为7 g/L时,茶多酚与咖啡因比值达到最大,但此时大部分的茶多酚也被吸附,同时也增加的活性炭的用量和后续工作量,选择30 g/L为最佳浓度.

2.3 正交试验

2.3.1 试验设计

在单因素试验的基础上进行正交试验,优化提取工艺.选择吸附时间、活性炭用量、温度和样品溶液质量浓度四个对活性炭吸附影响较大的因素设计L9(34)四因素三水平正交试验,因素水平如表1所示.

表1 因素水平表Tab le 1 Factors and levels of orthogonal test

2.3.2 正交试验结果与分析

正交试验结果与分析见表2.

表2 正交试验的结果及分析L9(34)Table 2 Results and analysis of orthogonal test L9(34)

从正交试验结果看出,无论从咖啡因的含量还是从茶多酚/咖啡因比值分析,吸附时间对活性炭吸取去除茶叶提取物中咖啡因的影响最大,而活性炭用量对其影响最小,吸附温度和样品的浓度对咖啡因的吸附影响也较大.活性炭用量越多,温度越高,吸附时间越长,活性炭对茶多酚和咖啡因的吸附量也越多,为使活性炭更好的进行选择性吸附,产品中茶多酚含量更高,因选择较低的温度和缩短吸附时间,同时为了减少后续工作,确定最佳的吸附工艺为：A1D3C1B1,即活性炭用量为0.125 g/mL,吸附温度为40℃,样品质量浓度为45 g/L,吸附时间2 h.由极差分析可知,活性炭吸附茶叶提取物中的咖啡因的条件因素的影响主次顺序为 A＞D＞C＞B,即时间＞浓度＞温度＞活性炭用量.

2.4 验证实验

在最佳工艺条件下进行活性炭吸附茶叶提取物中咖啡因的验证实验,结果如表3所示.

表3 最佳工艺验证实验Table3 Results of verification experiment

实验结果表明,在最佳的工艺条件下,活性炭能有效脱除茶叶提取物中的咖啡因,茶多酚与咖啡因的质量比由原来的6.9增加到64.8.

2.5 重复使用活性炭吸附实验

活性炭吸附后,依照活性炭预处理方法进行活化,重复使用三次,实验结果如表4所示.

表4 重复使用活性炭实验Tab le4 Results of re-use of active carbon experiment

实验结果表明：活性炭可以重复使用而对其活性影响不大.

3 结 论

在单因素考察的基础上进行正交实验,选出活性炭吸附的最佳工艺条件：活性炭用量为0.125 g/mL,吸附温度为40℃,样品质量浓度为45 g/L,吸附时间2 h.在该条件下,茶多酚与咖啡因的质量比由原来的6.9增加到64.8,提高了9.4倍.由此可以看出,活性炭能有效的去除茶叶提取液中的咖啡因.

[1]陶荣达.茶多酚的制备和应用研究的进展[J].化学世界,1997,38(2)：64-67.

[2]杨贤强.茶多酚保健功效研究的新进展[J].茶叶,1992,18(3)42-45.

[3]FINGER A,KUHR S,ENGELHARDT U H.Ch romatography of tea constituents[J].Jou rnalof Chromatog raphy,1992,624(1-2)：293-315.

[4]SM ITH A.Effects of caffeine on human behavior[J].Food and Chem ical Toxicology,2002(9)：1243-1255.

[5]许勇泉,尹军峰,袁海波,等.茶叶脱咖啡因技术研究进展[J]茶叶科学,2008,28(1)：1-8.

[6]陈劲春,李一,刘春秀.四种吸附材料分离茶多酚的初步结果比较[J].北京化工大学学报,2000,27(2)：95-96.

[7]YE Jian-hui,LIANG Yue-rong,JIN Jing,et al.Preparation of partially decaffeinated instant green tea[J].Journal of Ag ricultu re and Food Chemistry,2007,55(9)：3498-3502.

[8]中国标准出版社第一编辑室.茶叶标准汇编[M].2版.北京中国标准出版社,2005：163-167.

Study on process optim ization of removal of caffeine from the tea extractby active carbon

WANG Ping,TAO Chun-miao,ZH U Xing-yi,XIE Jie,YANG Jun-hui
(College of Pharmaceu tical Science,Zhejiang University of Technology,H angzhou 310032,China)

The experimentwas designed to study theoptimum conditionsof removing caffeine from the tea extractby active carbon.The experimental results showed that the optimum technological conditionswere as follow s：The adsorption time w as 2 h.The temperaturewas 40℃.The tea extract concentration was 45 g/L.The amount of active carbon was 0.125 g/mL.Under these conditions,the value of TP/caffeine was raised from 6.9 to 64.8,and the active carbon could be easily recorered and reused,and no organic solvents or expensive equipments were needed in the process.

tea-polyphenol(TP);active carbon;caffeine

TS201.1

A

1006-4303(2010)04-0360-05

2009-02-19

浙江省自然科学基金资助项目(Y4090346)

王 平(1969—),女,浙江金华人,教授,博士,研究方向为天然产物开发.

(

陈石平)