活性炭吸附法脫除茶葉提取液中咖啡因的工藝研究

王 平,陶春妙,朱興一,謝 捷,楊軍輝

(浙江工業大學藥學院,浙江 杭州 310032)

活性炭吸附法脫除茶葉提取液中咖啡因的工藝研究

王 平,陶春妙,朱興一,謝 捷,楊軍輝

(浙江工業大學藥學院,浙江 杭州 310032)

探討了活性炭吸附脫除茶葉提取液中咖啡因的最佳工藝條件.結果表明,吸附時間2 h,活性炭用量0.125 g/mL,溫度40℃,質量濃度45 g/L為活性炭吸附咖啡因的最佳工藝條件,茶多酚與咖啡因的質量比由原來的6.9增至64.8,且活性炭可以重復使用,在整個實驗過程中無需使用有機溶劑和昂貴的設備.

茶多酚;活性炭;咖啡因

茶多酚(Tea polyphenols,簡稱TP),又叫茶單寧、茶鞣質,是一類具有抗氧化作用的酚類物質及其衍生物的總稱,其含量占鮮茶葉干物重的 15%～25%,其中兒茶素為茶多酚的主要成份[1].大量的科學實驗研究表明茶多酚具有許多生物學及生理學作用,例如,抗氧化性、抗微生物、消除自由基、抗癌、抗心血管、抗菌、抗炎和免疫調節能力等[2].然而,茶葉中又含有3%～5%咖啡因(Caffeine)等生物堿成分,它們具有興奮中樞神經、提神、恢復疲勞、強心活血、提高循環系統功能、抗衰老、利尿、抗癌、抗病毒等生理作用和保健作用[3],但高劑量攝入咖啡因會刺激中樞神經、影響睡眠、增加血壓、提高類風濕關節炎的患病率、增加心臟病和癲癇癥的發生等[4-5].因此,去除茶葉提取液中的咖啡因具有重要的意義.目前脫咖啡因技術主要有水脫除、溶劑萃取、吸附分離和超臨界CO2萃取等傳統方法,以及后來發展的微生物和酶法降解咖啡因和培育低咖啡因茶樹等.

茶葉咖啡因具多羥基嘌呤環和共軛雙鍵結構,易被多孔性物質(如活性炭、硅藻土、活性粘土及纖維素等)所吸附.吸附法是利用各種吸附劑選擇性吸附和洗脫劑的選擇性洗脫作用達到目標產物與其它雜質相互分離[6].文獻報道,活性炭對茶多酚和咖啡因具有一定的吸附作用,且吸附速度不同[7].所以本實驗以茶葉提取物為原料,對活性炭吸附去除咖啡因進行研究.通過單因素試驗及正交試驗,以咖啡因的含量及茶多酚/咖啡因的比值為指標探討了活性炭的用量、吸附時間、溫度和樣品濃度等因素對吸附效果的影響.

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

低檔綠茶粉末由福建大田縣人民政府提供,粉碎后過60目篩避光保存備用.

顆粒狀活性炭(直徑為0.5～1.0 mm)(分析純),購置國藥集團化學試劑有限公司;硫酸亞鐵、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、堿式乙酸鉛、鹽酸和濃硫酸均為分析純試劑;實驗用水為二次蒸餾水;咖啡因標準品采用升華法自制,純度＞99%.

1.2 儀器與設備

756PC型紫外可見分光光度計,上海光譜儀器有限公司生產;微型高速萬能試樣粉碎機,武漢華鑫科技有限公司;FD-1C真空冷凍干燥機,北京德天佑科技發展有限公司生產;RE-52AA旋轉蒸發器,上海亞榮生化儀器廠生產;HHS型電熱恒溫水浴鍋,上海博迅實業有限公司生產.

1.3 方 法

1.3.1 活性炭預處理

在300 g顆粒狀的活性炭中加入2倍體積85%的乙醇,放置24 h之后用水洗滌至無醇味,然后加入2倍體積0.1 mol/L NaOH溶液過夜,水洗至中性,最后加入2倍體積0.1m ol/LHCl溶液過夜,水洗至中性,室溫干燥備用[7].

1.3.2 樣品的制備

稱取100 g茶葉粉末,加800 mL水,80℃下提取2 h,過濾,濃縮,冷凍干燥.用水配置成不同濃度的溶液,量取 20 mL,加活性炭吸附,抽濾,冷凍干燥.準確稱取0.15 g,定容至25 mL,分別測茶多酚和咖啡因的含量.

1.3.3 茶多酚和咖啡因的質量分數測定

茶多酚和咖啡因的質量分數分別采用國標法中的酒石酸亞鐵法和紫外分光光度法測定,其計算公式分別為

式中：L1為試液得總量,mL;L2為測定時的用液量,mL;L3為試液的總量,mL;C為從標準曲線上查得的咖啡因濃度,μg/mL;M為活性炭吸附之后樣品的質量,g.

2 結果與分析

2.1 咖啡因標準曲線繪制

準確稱取1.96 mg自制咖啡因標準品配置成0.078 4 mg/mL溶液,分別吸取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測定吸光度A,得咖啡因濃度與吸光度的標準曲線,線性回歸方程為y=0.0488x-0.004 4(R2=0.999 7),標準曲線見圖1.

圖1 咖啡因標準曲線Fig.1 Standard curve of caffeine

2.2 單因素試驗

2.2.1 吸附時間對茶多酚和咖啡因吸附的影響

吸附時間越長,茶多酚和咖啡因的吸附量越多,導致產品中茶多酚的含量很低;但吸附時間過短,則不能達到去除咖啡因的目的,因此,需考察吸附時間對結果的影響.取10份質量濃度為30 g/L的樣品溶液20 mL,分別加入2 g活性炭,室溫下吸附時間分別為0,0.5,1,2,3,4,5,6,8,10 h,實驗結果見圖2,3.

由圖2,3可知,在試驗所選取的時間范圍內,茶多酚和咖啡因的質量分數隨著時間的增加而逐漸減少,茶多酚與咖啡因質量比不斷上升.當吸附時間大于2 h,活性炭對茶多酚和咖啡因的吸附速度減慢,在有效去除咖啡因的同時盡可能多的保留茶多酚,選擇最佳吸附時間為2 h.

2.2.2 活性炭用量對茶多酚和咖啡因吸附的影響

活性炭用量對茶多酚和咖啡因的吸附是一個較為重要的因素.取8份質量濃度為30 g/L的樣品溶液20 mL,分別加入活性炭用量為0,0.025,0.05,0.075,0.1,0.125,0.15,0.2 g/mL,室溫下吸附2 h,實驗結果見圖4,5.

圖4 活性炭用量對吸附咖啡因和茶多酚的影響Fig.4 Ef fects of amount of active carbon on adsorbing caffeine and TP

圖5 活性炭用量對茶多酚/咖啡因的影響Fig.5 Effects of amount of active carbon on TP/caffeine

由圖4,5可知,活性炭用量越多,在相同時間內吸附茶多酚和咖啡因吸附量越多.當活性炭用量大于2.5 g時,茶多酚與咖啡因的質量比基本不變,且樣品中大部分咖啡因也被吸附,故活性炭用量確定為0.125 g/mL.

2.2.3 溫度對茶多酚和咖啡因吸附的影響

溫度越高,活性炭的吸附能力越強,但由于茶多酚的不穩定性,因此溫度對活性炭吸附去除咖啡因也是一個重要的影響因素.取5份質量濃度為30 g/L的樣品溶液20mL,分別加入2.5 g活性炭在20,30,50,75,90℃下吸附2 h,實驗結果見圖6,7.

由圖6,7可知,隨著溫度的增加,活性炭對茶多酚和咖啡因的吸附量也增加,當溫度大于50℃時,茶多酚與咖啡因質量比開始降低,這可能是由于茶多酚在較高溫度下更容易氧化,導致茶多酚的減少速率大于活性炭對咖啡因的吸附速率.選擇50℃為最佳吸附溫度.

2.2.4 樣品溶液的濃度對吸附的影響

濃度越稀,需加入越多的活性炭和增加后續工作,濃度過高,則影響活性炭的吸附能力,因此考察了樣品濃度對活性炭吸附的影響.取5份質量濃度分別為7,15,30,60,90 g/L樣品溶液20 mL,分別加入2.5 g活性炭50℃下吸附2 h,實驗結果見圖8,9.

由圖8,9可知,樣品濃度越高,茶多酚和咖啡因的含量也越高,茶多酚與咖啡因質量比不斷降低,不能達到選擇性吸附的目的.當樣品質量濃度為7 g/L時,茶多酚與咖啡因比值達到最大,但此時大部分的茶多酚也被吸附,同時也增加的活性炭的用量和后續工作量,選擇30 g/L為最佳濃度.

2.3 正交試驗

2.3.1 試驗設計

在單因素試驗的基礎上進行正交試驗,優化提取工藝.選擇吸附時間、活性炭用量、溫度和樣品溶液質量濃度四個對活性炭吸附影響較大的因素設計L9(34)四因素三水平正交試驗,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 正交試驗結果與分析

正交試驗結果與分析見表2.

表2 正交試驗的結果及分析L9(34)Table 2 Results and analysis of orthogonal test L9(34)

從正交試驗結果看出,無論從咖啡因的含量還是從茶多酚/咖啡因比值分析,吸附時間對活性炭吸取去除茶葉提取物中咖啡因的影響最大,而活性炭用量對其影響最小,吸附溫度和樣品的濃度對咖啡因的吸附影響也較大.活性炭用量越多,溫度越高,吸附時間越長,活性炭對茶多酚和咖啡因的吸附量也越多,為使活性炭更好的進行選擇性吸附,產品中茶多酚含量更高,因選擇較低的溫度和縮短吸附時間,同時為了減少后續工作,確定最佳的吸附工藝為：A1D3C1B1,即活性炭用量為0.125 g/mL,吸附溫度為40℃,樣品質量濃度為45 g/L,吸附時間2 h.由極差分析可知,活性炭吸附茶葉提取物中的咖啡因的條件因素的影響主次順序為 A＞D＞C＞B,即時間＞濃度＞溫度＞活性炭用量.

2.4 驗證實驗

在最佳工藝條件下進行活性炭吸附茶葉提取物中咖啡因的驗證實驗,結果如表3所示.

表3 最佳工藝驗證實驗Table3 Results of verification experiment

實驗結果表明,在最佳的工藝條件下,活性炭能有效脫除茶葉提取物中的咖啡因,茶多酚與咖啡因的質量比由原來的6.9增加到64.8.

2.5 重復使用活性炭吸附實驗

活性炭吸附后,依照活性炭預處理方法進行活化,重復使用三次,實驗結果如表4所示.

表4 重復使用活性炭實驗Tab le4 Results of re-use of active carbon experiment

實驗結果表明：活性炭可以重復使用而對其活性影響不大.

3 結 論

在單因素考察的基礎上進行正交實驗,選出活性炭吸附的最佳工藝條件：活性炭用量為0.125 g/mL,吸附溫度為40℃,樣品質量濃度為45 g/L,吸附時間2 h.在該條件下,茶多酚與咖啡因的質量比由原來的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葉提取液中的咖啡因.

[1]陶榮達.茶多酚的制備和應用研究的進展[J].化學世界,1997,38(2)：64-67.

[2]楊賢強.茶多酚保健功效研究的新進展[J].茶葉,1992,18(3)42-45.

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[5]許勇泉,尹軍峰,袁海波,等.茶葉脫咖啡因技術研究進展[J]茶葉科學,2008,28(1)：1-8.

[6]陳勁春,李一,劉春秀.四種吸附材料分離茶多酚的初步結果比較[J].北京化工大學學報,2000,27(2)：95-96.

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[8]中國標準出版社第一編輯室.茶葉標準匯編[M].2版.北京中國標準出版社,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

浙江省自然科學基金資助項目(Y4090346)

王 平(1969—),女,浙江金華人,教授,博士,研究方向為天然產物開發.

(

陳石平)