膨潤土對綠茶提取物中咖啡因的吸附性能研究

周城，陳雄，陳勤勤，張珍珍，扈曉佳，王根女

恒楓食品科技有限公司（杭州 311200）

茶飲料是近些年最受歡迎的健康飲品之一，其富含茶多酚、氨基酸、茶黃素等健康成分[1]。茶葉中所含的兒茶素具有多種有益健康的作用，茶飲對多種疾病具有潛在的預(yù)防作用，包括抗氧化、抗衰老、抗癌和抗病毒等[2-3]。

咖啡因是茶葉中一種重要的化合物，約占茶葉干重的2%～5%。食用適量的咖啡因能刺激中樞神經(jīng)興奮性，有效緩解疲勞、恢復(fù)精力、強(qiáng)心解痙等作用[4]，但眾多醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，長期攝入咖啡因會對人體心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)。咖啡因還具有成癮性和生理毒性，濫用會造成急性中毒，長期大量攝入對神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷[5]。對于孕婦等敏感人群，過量攝入咖啡因會嚴(yán)重影響妊娠，導(dǎo)致流產(chǎn)、早產(chǎn)、胎兒發(fā)育遲緩、先天畸形等[6]。此外，2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)將咖啡因列入3類致癌物清單中。因此，開發(fā)不含咖啡因并且盡可能保留茶多酚的茶飲具有廣闊的前景。目前，從茶葉中脫除咖啡因的方法主要有兩類：一種是直接從茶葉中提取咖啡因，包括熱燙預(yù)處理[7]、超臨界CO2提取[8]等方法；另一種是茶提取后除去咖啡因，主要用吸附劑選擇性吸附咖啡因，常用的吸附劑有活性炭[9]、微生物發(fā)酵[10]等。

膨潤土是一種天然的層狀黏土礦物，在食品工業(yè)中，常應(yīng)用于葡萄酒[11]、陳醋[12]的澄清過程，以及漂白油脂的加工助劑。其主要成分蒙脫石，由基本的二氧化硅四面體（Si4O6(OH)4）中間夾著中央八面體（Al(OH)6），具有優(yōu)秀的陽離子交換能力[13]。此前，已有報道稱蒙脫石能吸附咖啡因[14]，但是還沒有對膨潤土在茶提取物中對咖啡因的吸附特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠茶，浙江茶乾坤食品股份有限公司；膨潤土，內(nèi)蒙古寧城天宇膨潤土科技有限公司；活性炭、高嶺土，上海麥克林試劑有限公司；維生素C，帝斯曼（中國）有限公司；5種兒茶素（EGCG、EGC、EC、ECG、C）標(biāo)準(zhǔn)品、咖啡堿，國藥集團(tuán)；乙腈、冰乙酸、甲醇，均為市售色譜純。

磁力攪拌器，德國IKA儀器有限公司；Agilent 1260型HPLC高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司；UV1800型紫外分光光度計，日本島津儀器有限公司；XS403S型電子分析天平，梅特勒-托力多儀器有限公司；PHS-3C型pH計，上海雷磁儀器有限公司；ST16型高速離心機(jī)，賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 茶湯制備

取1 kg綠茶，1 g維生素C，投入20 kg純水，80 ℃提取15 min，后經(jīng)冷卻，過濾，濃縮制得茶提取液（Brix=8.0%），咖啡因含量4 735±1.39 mg/kg。

1.2.2 吸附劑對咖啡因選擇吸附性能研究

探究膨潤土、活性炭、高嶺土對茶提取液中咖啡因的吸附性能，取50 g茶提取液，分別添加4 g吸附劑，吸附時間為30 min，以茶提取液中咖啡因含量和茶多酚的含量為考察指標(biāo)。

1.2.3 溫度對吸附效果的影響

將4 g膨潤土加入到50 g茶提取液中，在恒溫水浴鍋中控制不同的溫度（20，30，40，50和60 ℃）攪拌反應(yīng)30 min，離心，取上清液測定茶多酚和咖啡因濃度。

1.2.4 pH對吸附效果的影響

將4 g膨潤土加入到50 g茶提取液中，室溫條件下，在磁力攪拌器上控制不同的pH（3.5，4.1，5.2，6.1，7.1和7.7）攪拌反應(yīng)30 min，離心，取上清液測定茶多酚和咖啡因濃度。

1.2.5 吸附動力學(xué)研究

將8 g膨潤土加入到100 g茶提取液中，25 ℃條件下，在磁力攪拌器上攪拌，在不同的反應(yīng)時間（0.5，1，2，4，6，8，10，15，30，60和90 min）取樣，過0.45 μm膜，測定茶提取液中咖啡因濃度。

1.2.6 吸附等溫線

取50 g茶提取液，分別加入不同質(zhì)量的吸附劑（2%，4%，6%，8%，10%和12%），25 ℃下攪拌吸附30 min，測定茶提取液中咖啡因含量。

1.3 測定方法

1.3.1 咖啡因的測定

茶提取液中咖啡因的測定方法參考GB/T 8312—2013《茶 咖啡堿的測定》[15]，以咖啡因的濃度（μg/mL）為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 茶多酚和兒茶素的測定

茶提取液中茶多酚、兒茶素含量的測定參考GB/T 8313—2018《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》[16]的方法，以各類兒茶素（EGC、C、EGCG、EC、ECG）質(zhì)量濃度（μg/mL）為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

HPLC測定條件：紫外檢測器；SB-C18柱5 μm，250 mm×4.6 mm；流動相的配制參考國標(biāo)的方法；流速1 mL/min；進(jìn)樣量20 μL；檢測波長278 nm；柱溫40℃；梯度洗脫：0～10 min，流動相A 100%；10～15 min，流動相A由100%線性變化至68%；15～25 min，保持流動相A 68%；25～30 min，恢復(fù)流動相A至原始100%。

1.4 計算脫除率和吸附量

采用（1）計算咖啡因的除去率η：

式中：C0為咖啡因的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Ct為咖啡因在t時間點的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg。

采用（2）式計算吸附劑的平衡吸附量Qe：

式中：C0為咖啡因的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Ce為平衡時溶液中咖啡因的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；M為溶液質(zhì)量，kg；W為吸附劑質(zhì)量，g。

1.5 試驗數(shù)據(jù)擬合模型

等溫吸附曲線表示恒溫反應(yīng)體系的平衡質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ce與吸附劑的吸附量Q的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用最廣泛的是Langmuir模型[17]和Freundlich模型[18]，方程式分別如（3）和（4）所示：

式中：Ce為咖啡堿吸附平衡時的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Qe為平衡吸附量，mg/g；Qm為Langmuir模型的最大吸附容量，mg/g；KL、Kf和n分別為Langmuir和Freundlich模型的常數(shù)。

吸附動力學(xué)描述吸附進(jìn)行中的動態(tài)過程，應(yīng)用最廣泛的是準(zhǔn)一級動力學(xué)模型[19]、準(zhǔn)二級動力學(xué)模型[17]，方程如式（5）和（6）所示：

式中：Qt為t時刻的吸附量，mg/g；K1為準(zhǔn)一級動力學(xué)常數(shù)，1/min；K2為準(zhǔn)二級動力學(xué)常數(shù)，g/（mg·min）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

每個樣品設(shè)3個平行，采用Oringin 9.0和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。試驗測定結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 咖啡因和兒茶素的標(biāo)準(zhǔn)曲線如表1所示。

表1 咖啡因和5種兒茶素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 綠茶提取物咖啡因吸附劑的選擇

在相同的添加量和吸附時間內(nèi)，所選取的3種吸附劑對咖啡因的吸附情況如圖1所示。活性炭和膨潤土對咖啡因有明顯的吸附效果，吸附能力活性炭＞膨潤土＞高嶺土；但同時活性炭能吸附大量茶多酚，膨潤土和高嶺土對茶多酚的吸附效果較弱。此外，表2顯示了當(dāng)添加量為8%時，不同吸附劑處理后茶提取物中主要兒茶素含量變化情況，高嶺土和膨潤土對5種兒茶素吸附效果相似且都較弱，而活性炭對5種兒茶素都有很強(qiáng)的吸附作用[21]，甚至能完全吸附EGCG。綜上可知，活性炭對咖啡因的吸附作用最強(qiáng)，但同時吸附大量茶多酚；高嶺土對兩者均無明顯吸附作用；膨潤土能高效吸附咖啡因，同時能保留80%以上的茶多酚，是脫除茶提取物中咖啡因的理想脫除劑，因此將對膨潤土吸附茶提取物中的茶多酚和咖啡因特性作進(jìn)一步深入研究。

圖1 不同吸附劑對茶提取物中茶多酚和咖啡因的吸附效果

表2 經(jīng)不同吸附劑（添加量8%）處理后茶提取物的兒茶素含量

2.3 不同添加量對膨潤土吸附效果的影響

不同添加量的膨潤土對茶提取物中咖啡因的脫除率和茶多酚保留率的影響如圖2所示。當(dāng)膨潤土添加量小于8%時，隨著添加量的增加，咖啡因的脫除率快速提高，當(dāng)添加量大于8%時，隨著膨潤土添加量的提高，咖啡因脫除率提升效果不明顯。而隨著膨潤土添加量的增加，茶提取物中茶多酚的含量下降并不明顯，保留率始終在90%以上。因此，試驗膨潤土的添加量選擇8%，此時咖啡因的脫除率為91.31%±1.07%，同時保留92.86%±0.98%的茶多酚。

圖2 不同添加量對吸附效果的影響

2.4 吸附溫度對膨潤土吸附效果的影響

由圖3可知，隨著溫度的升高，膨潤土對咖啡因的吸附效率逐漸降低，表明吸附過程是一個放熱過程[20]。而茶多酚的保留率則呈現(xiàn)先下降在上升的趨勢，但整體保留率在90%左右。因此考慮到實際生產(chǎn)應(yīng)用的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，同時盡可能減少茶提取物的風(fēng)味損失，試驗選擇25 ℃為吸附溫度。

圖3 溫度對吸附效果的影響

2.5 pH對膨潤土吸附效果的影響

由圖4可知，隨著pH的升高，膨潤土的吸附效果略有提高，但提升效果并不明顯。隨著茶提取物的pH提升至7以上，茶提取物的色澤明顯變暗，品質(zhì)下降明顯，并且此時茶多酚的保留率急劇下降至55%，說明在中性或弱堿性環(huán)境下，膨潤土對咖啡因的吸附選擇性減弱。綜合考慮，茶提取物的pH控制在5～6之間比較合適。

圖4 pH對吸附效果的影響

2.6 吸附動力學(xué)

研究吸附動力學(xué)，不僅可以推測出膨潤土對咖啡因的吸附機(jī)理，而且動力學(xué)參數(shù)可以為茶濃縮液脫咖工藝設(shè)計提供依據(jù)。圖5a描述了咖啡因濃度隨時間的變化，圖5b為單位吸附量隨時間的變化。如圖5a所示，膨潤土對茶提取物中咖啡因的吸附分為快速階段（1 min內(nèi)）和緩慢吸附階段（2～10 min），10 min后達(dá)到平衡。快速階段結(jié)束后達(dá)到最大吸附量的95.23%，反應(yīng)平衡時咖啡因去除率達(dá)到91.64%。將試驗數(shù)據(jù)用式（5）準(zhǔn)一級動力學(xué)、式（6）準(zhǔn)二級動力學(xué)方程線性形式擬合，所得動力學(xué)模型的參數(shù)見表3，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的相關(guān)度優(yōu)于準(zhǔn)一級動力學(xué)模型，更符合膨潤土對茶提取物中咖啡因吸附行為的作用機(jī)理，該模型反映了多重吸附機(jī)理的復(fù)合效應(yīng)，包括外部膜擴(kuò)散、表面吸附、顆粒內(nèi)部擴(kuò)散多個過程，并表明吸附過程以化學(xué)吸附為主[21]。準(zhǔn)二級動力學(xué)方程擬合的Qe=32.97 mg/g，與實際測得的平橫吸附量32.89±0.25 mg/g在統(tǒng)計學(xué)意義上無顯著差異。

表3 25 ℃下膨潤土對咖啡因吸附的動力學(xué)方程擬合結(jié)果

圖5 （a）咖啡因濃度隨時間的變化；（b）膨潤土單位吸附量隨時間的變化

2.7 等溫吸附方程

表4 膨潤土吸附咖啡因等溫吸附參數(shù)（25 ℃）

圖6顯示了膨潤土對茶提取物中咖啡因的吸附等溫線，隨著Ce值的增加，茶提取物中咖啡因的平衡吸附量Qe收斂到一定值，這些數(shù)據(jù)與Langmuir吸附模型和Freunclich吸附模型經(jīng)線性擬合，均顯示出較高的相關(guān)系數(shù)（R2分別為0.999 8和0.947 9）。Freunclich模型中的1/n代表吸附效率，其值越小則表示吸附性能越好；1/n在0.1～0.5，吸附易發(fā)生[22]，符合試驗結(jié)果，膨潤土對茶提取物中咖啡因的吸附作用在10 min作用即達(dá)到平衡狀態(tài)。試驗結(jié)果與Langmuir吸附模型的相關(guān)系數(shù)更高，說明膨潤土固體表面對咖啡堿的吸附作用相當(dāng)均勻，吸附作用主要為單分子層吸附[23]。

圖6 膨潤土對茶提取物中咖啡因的吸附等溫線

3 結(jié)果與討論

試驗選取了食品工業(yè)中常用的加工助劑探究其對茶提取物中咖啡因的吸附性能，結(jié)果顯示，膨潤土對咖啡堿有出色的選擇吸附性能，在弱酸性（pH 5～6）、室溫條件下，吸附10 min能脫除90%以上的咖啡因，吸附時間明顯短于許琦等[14]的研究結(jié)果。并且，經(jīng)膨潤土脫咖處理后的茶提取物能保留90%左右的茶多酚，幾類主要兒茶素?fù)p失率低，能較好保持茶提取物的風(fēng)味。通過動力學(xué)模型的擬合，表明膨潤土對咖啡因的吸附是一種以化學(xué)吸附為主，并輔以外部膜擴(kuò)散、表面吸附、顆粒內(nèi)部擴(kuò)散多個過程[24]，但是未對具體的吸附機(jī)理進(jìn)行更深入的探究，研究者可繼續(xù)研究其表面帶電情況以及空間結(jié)構(gòu)對咖啡因吸附性能的影響，并開發(fā)更高效的咖啡因吸附劑。總之，膨潤土是茶提取物中咖啡因脫除的理想材料，在影響吸附效果的因素、吸附動力學(xué)等方面進(jìn)行了初步探討，為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供證據(jù)。