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壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶末中茶多酚的吸附性能研究
福建师范大学福清分校海洋与生化工程学院 应用化学专业

[摘 要]本文研究了壳聚糖-聚丙烯对茶末中茶多酚吸附分离条件，并采用HPLC分析吸附分离效果。该实验结果表明对25.00mL茶汤（质量浓度为0.985mg/mL），较好的吸附条件为壳聚糖-聚丙烯酸微球加入量0.3g、吸附时间为2h、茶汤pH为7.00、温度30℃时，震荡速率110r/min，茶多酚的吸附率可达到73.20 %。
[关键词]壳聚糖-聚丙烯酸微球；吸附；绿茶；茶多酚
1前言
茶多酚( tea-polyphenols, 简称TP)作为茶叶中一类主要成分具有独特的药理作用，具有抗氧化性、能预防癌变、肿瘤、心脑血管疾病等症状，在医学上有极好的前景。它在茶叶中含量很高，性质相当活泼，能在酶的作用下，发生酶促氧化，也能在湿热的作用下发生氧化作用，还能在常温常压下发生缓慢氧化[1] 。茶多酚主要成分为儿茶素类化合物（黄烷醇类）、黄酮及黄酮醇类、花色素类和酚酸及缩酚酸类多酚化合物的复合体，其中儿茶素类属黄烷醇类，约占茶多酚总量的80%，主要包括：表没食子儿茶素没食子酸酯( EGCG) 、表没食子儿茶素（EGC）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、表儿茶素（EC）、儿茶素（C）、没食子酸（GA）[2]。
自古以来中国是产茶大国. 明朝李时珍在《本草纲目》中记载说: “茶苦而寒, 最能降火, 火为百病之因, 火降则百病清也”. 茶由古代的药到后来的饮料, 现在又回归到药, 是现代生物技术和现代医学科技的成果. 茶多酚是从绿茶中提取出来的最主要、最精华、对人体最有益的成分, 是由茶叶中的黄烷醇类、黄酮、黄酮醇类、花青素类、茶白素类和酚酸及缩酚酸类组成的化合物, 主要成分是黄烷-3-醇衍生物, 俗称儿茶素. 它们的结构除酚及缩合酚类外, 均具有a-苯基苯骈二氢吡喃( 黄烷) 为主体的C6-C3-C6 基本碳架. 所以“其结构决定了茶多酚的性质及其作用”[3]。茶叶资源非常丰富，主要加工产品为茶叶，但在茶叶生产过程中产生的大量茶末和滞销的粗老茶，目前在中国，没有什么利用价值，几乎是都当作废料处理了。因此开展茶多酚提取和其生物学活性的研究，研发出能防治防癌变、肿瘤、心脑血管疾病等一系列具有医疗保健效果的饮料、食品、化妆品、药品，不仅为保障人民健康作出贡献，而且还可以创造出巨大的经济效益[4]。
目前茶多酚的提取方法有：溶剂提取法、金属离子沉淀法、树脂吸附法、超临界流体萃取法、超声波浸提法等方法[5]。但是由于茶多酚本身不稳定，容易被氧化等各种原因使溶剂提取法过程中茶多酚损失较多。有研究表明[ 6-8 ]，采用乙醇、氯仿等作为提取溶剂，可以延缓茶多酚(尤其是儿茶素)的氧化，但溶剂提取法过程中茶多酚损失较多。金属离子法常用的金属离子有Al3+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Zn2+等，其中Zn2+、Al3+是较适宜的弱酸性沉淀剂。余兆祥等[9]采用Zn2+和Al3+的复合沉淀剂提取低档绿茶中的茶多酚,提取率为10.4%，较单一沉淀剂高约1%。金属离子沉淀法的选择性和产品纯度均较高,但在稀酸转溶过程中茶多酚损失较大，且金属离子有一定的毒性。CO2 是最常用的超临界流体，具有萃取温度低、选择性高、无毒等优点，茶多酚在超临界萃取过程中不易氧化，产品纯度高。但由于茶多酚在超临界CO2中的溶解度小，加入极性改性剂后的一次提取率仍很低，限制了方法的应用。目前超声提取方法多限于单频超声，而复频超声除基频外，还出现倍频波、和频波及差频波，使产生的声场更加均匀。曹雁平等[10] 用双频复合超声来提取绿茶中的茶多酚，在浓度、提取率和提取速率方面都优于单频超声法。用微球吸附法分离提取茶多酚，能有效的解决以上的问题而且工艺简单、成本低、能耗较低，有助于实现大规模生产
壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基产物, 是一种可降解的天然高分子。由于具有良好的生物相容性、无毒和粘性等优点, 在医药、生物工程等领域展示出美好的应用前景 [ 11]其含有游离氨基，能与稀酸 结合生成胺盐而溶于稀酸。由于分子中Ｃ 2 位上的 氨基反应活性大于·ＯＨ基，易发生化学反应，使壳聚糖可在较温和的条件下进行多种化学修饰。壳聚糖与丙烯酸通过戊二醛进行接枝共聚制得表面具有两性基团(-COOH 和-NH2)的壳聚糖-聚丙烯酸微球[ 12]。本文用壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附分离茶汤中茶多酚，讨论了壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的条件，并对其吸附动力学进行初步的探讨。
2 实验部分
2.1 实验仪器和药品
2.1.1 药品和试剂
甲醇（色谱纯），国药集团化学试剂有限公司；壳聚糖，上海阿拉丁生化科技有限公司；乙腈：上海阿拉丁生化科技有限公司，色谱级，》99.9%；三蒸水；蒸馏水；盐酸，乙酸，硫酸，乙二胺四乙酸，过硫酸铵，氢氧化钠，无水碳酸钠，戊二醛50%，碱式乙酸铅，表没食子儿茶素没食子酸酯( EGCG)，抗坏血酸，福林酚，咖啡因，丙烯酸，无水乙醇，等均为市售分析纯。
2.1.2 仪器
7200型分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司；电磁力搅拌器；H.H.S型电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；TH2-C台式恒温振荡器：太仓市华美生化仪光厂；HH-4型恒温水浴锅：上海君竺仪器制造有限公司；TG328A 型电光分析天平：上海天平仪器厂；prostar-210高效液相色谱仪：美国瓦里安；SHZ-D循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限责任公司，智能型傅立叶红外光谱仪，pHS-3C型精密酸度计：上海虹益仪器仪表有限公司；TG1850-W5型高速离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司。
2.2.1壳聚糖-聚丙烯酸微球的制备
称取0.1g壳聚糖至于100mL烧杯中去，取50mL1%乙酸溶液，然后磁力搅拌30min使其完全溶解，加入于10mL20%丙烯酸溶液，2mL1g/L的过硫酸铵在单颈烧瓶中混合均匀，在70℃条件下回流反应直至出现乳白色后再回流45min，之后倒入100mL烧杯中，冷却后加入4mL50%戊二醛在磁力搅拌器下搅拌20min，完成后放入抽滤机中抽滤用乙醇清洗，放入40摄氏度烘箱中烘干。得壳聚糖-聚丙烯酸微球。
2.2.2茶多酚的定量检测方法
按GB/T 8313-2008 方法检测茶汤中茶多酚的含量。
茶多酚含量（%）=A×V×dSLOPEStd×m×106×m1×100
式中： A——样品测试液吸光度；
V——样品提取液体积，10mL；
d——稀释因子（1mL稀释25mL）；
SLOPEStd——没食子酸标准曲线的斜率；
m——样品干物质含量，%；
m1——样品质量，单位为克（g）

式中： a——吸附前的茶多酚吸光度；
b——吸附后的茶多酚吸光度；
d——稀释因子（1mL稀释25mL）；
SLOPEStd——没食子酸标准曲线的斜率；
m——样品干物质含量，%；
m1——样品质量，单位为克（g）

2.2.3 高效液相色谱（HPLC）检测条件
按GB/T 8313-2008方法使用液相色谱仪检测。
色谱条件：
色谱柱：C18色谱柱（粒径5um，250mm×4.6mm）；
流动相A:分别将90mL乙腈， 2mLEDTA，20mL乙酸加入1000Ml容量瓶中，用三蒸水定容至刻度，充分摇匀。溶液需过0.45um膜；
流动相B:分别将800mL乙腈， 2mLEDTA20mL乙酸加入1000Ml容量瓶中，用三蒸水定容至刻度，充分摇匀。溶液需过0.45um膜；
流动相总流速1mL/min；
柱温：35摄氏度
紫外检测器：λ=278nm；
梯度条件：100%流动相A保持10min→15min内由100% A相转为68%A相，32% B相→68%A相，32%B相保持10分钟→100% A→；
进样量：10μL。
原茶汤，吸附后茶汤，解析后茶汤,茶多酚标准液（用表没食子儿茶素没食子酸酯（简称EGCG））都在此色谱条件下检测。
3. 结果与讨论
3.1恒温振荡器的震荡速率对壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的影响
平行取三份0.30g壳聚糖-聚丙烯酸微球于100mL干燥锥形瓶中，加入25.00mL相同浓度的茶汤，分别置于30r/min、110r/min、220r/min恒温震荡器（30℃）中震荡2h后取出在经离心机（12000r/min）离心10min后取上清液于25mL干燥烧杯中。测定壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率。实验结果如图所示，壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率随着转速的提高而增大，在220 r/min时最大吸附率为61.48%，考虑转速太快对机器负担较大，所以实验采用的是110 r/min。
图1震荡速率对吸附率的影响

3.2-聚丙烯酸微球用量对壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的影响
用移液管分别移取壳聚糖-聚丙烯酸微球0.10g、0.20g、0.30g、0.40 g、0.50 g、0.60 g、0.70 g、0.80 g于100mL干燥锥形瓶中，分别加入25.00mL相同浓度的茶汤。置于30℃恒温振荡器（110r/min）中震荡2h后取出，在经离心机（12000r/min）离心10min后取上清液于25mL干燥烧杯中。测定壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率。实验结果如图所示，壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率随壳聚糖-聚丙烯酸微球的增加先快速上升，后缓慢上升的趋势，当壳聚糖-聚丙烯酸微球的用量为0.3g时，吸附率基本不再增加，壳聚糖-聚丙烯酸微球用量为0.3g时对茶多酚的吸附率达为63.40%，因此对于25.00mL（吸光度为0.306，质量浓度为1.049mg/mL）的茶汤，所取壳聚糖-聚丙烯酸微球0.30g时吸附最佳。

图2壳聚糖-聚丙烯酸微球用量对吸附率的影响
3.3温度-时间对壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的影响
平行取25.00m茶汤27份，分别加入0.30g 壳聚糖-聚丙烯酸微球，分成三批置于20℃、30℃、40℃温振荡器（110r/min）中，吸附不同时间（0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、4h、5h、6h）后，在经离心机（12000r/min）离心10min后取上清液于25mL干燥烧杯中。分别测定壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率。结果如图所示。不同温度下的吸附率都随时间的增长逐渐增大，但在吸附2h后吸附率的增加开始减缓，当吸附时间超过3h后，吸附基本达到平衡，吸附率都基本不再增加，最佳吸附率是40℃下吸附6h为71.07%。随着温度的增加，吸附率基本上也是随着增加的，但增加不是很显，表明在一般温度条件下，壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚受温度影响不大。因为茶多酚在空气中容易被氧化，所以在壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的过程中，温度为30 ℃提取时间为2h较好。

图3附时间和吸附温度对吸附率的影响
3.1.3 pH对壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的影响
将煮好的茶汤分5份移取于100mL锥形瓶中用0.1(mol/mL)HCl和10(mol/mL) NaOH调节pH分别为3、4、5、6、7、8、9，分别测得茶多酚的吸光度，再准确吸取25.00mL于上述锥形瓶中，在分别加入0.3g壳聚糖-聚丙烯酸微球置于30℃，110r/min的恒温水浴振荡器中吸附2h后取出，在经离心机（12000r/min）离心10min后取上清液于25mL干燥烧杯中。测定壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率。结果如图所示，在pH=3.00至7.00范围内，壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率比较高，说明酸性条件下有利于壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附；但当pH>7.00后，壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚吸附率随着pH增大而逐渐减小，这是、由于茶多酚在碱性的条件下不稳定，容易发生氧化反应，当溶液碱性增强，茶多酚氧化越多。因此壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚，较佳的提取pH值为pH=7.00。

图4 PH值对吸附率的影响
3.1.4茶汤浓度对壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附茶多酚的影响
用4g茶末配置出茶汤，用蒸馏水稀释分别稀释成20%、40%、60%、80%、100%的茶汤，分别测得茶多酚含量，再准确吸取25.00mL于锥形瓶中，加入0.3g壳聚糖-聚丙烯酸微球，置于20℃，30℃，40℃，110r/min的恒温水浴振荡器中吸附2h。取出，测壳聚糖-聚丙烯酸微球
对茶多酚的吸附率。如图所示，在不同的温度下随茶汤溶度的升高，壳聚糖-聚丙烯酸微球对茶多酚的吸附率逐渐降低，但从吸附的量来看还是100％时吸附的最多。

图5浓度和温度对吸附率的影响

3.2 壳聚糖-聚丙烯酸微吸附前后茶汤的HPLC对比分析

图6 EGCG的色谱图

图7 CAF的色谱图

图8 GA的色谱图

图9 原茶汤的色谱图

图10吸附后的色谱图

图11 吸附后+EGCG的色谱图

图12 脱附后的色谱图

图13 脱附后+EGCG的色谱图
按照3.2，壳聚糖-聚丙烯酸微球吸附前后的茶汤溶液进行HPLC分析，并进行谱图对比分析，结果见图8、图9、图10。由图8和参考文献[13]可知，6种儿茶素类物质和2种生物碱（咖啡因、可可碱THEO）得到了一定的分离，但基线部分有重叠。8种化合物的保留时间分别为GA 3.501min、THEO 3.903min、EGC 4.529min、C 5.883min、EGCG 10.048min、CAF 10.642min、EC 16.261min、ECG 25.832min。由图8和图9对比分析可知，EGCG峰吸附后比吸附前小很多，说明EGCG有效地被吸附，而CAF的峰吸附前后变化不大，说明CAF大部分残留在吸附后的溶液中而被除去。所以可说明，壳聚糖-沸石膜对茶多酚和咖啡因具有选择性吸附特性，特别是对EGCG有选择性吸附。
4 结论
壳聚糖由于表面含有丰富的-NH2、-OH等功能基团, 可通过氢键作用吸附茶多酚。本实验制备了壳聚糖-聚丙烯酸微球，用其进行吸附分离茶多酚，实验结果表明，对25.00mL质量浓度为1.049mg/mL的茶汤，较佳的吸附条件为0.3g壳聚糖-聚丙烯酸微球、吸附时间2h、茶汤pH7.00、温度30℃，吸附率可达到76.36 %，单位吸附量可达171.24mg/g；壳聚糖-沸石膜对茶多酚和咖啡因具有选择性吸附特性，特别是对EGCG有选择性吸附。由于壳聚糖是自然界中来源仅次于纤维素的天然高分子，且具有无毒、良好的生物相容性、生物可降解性、易成形加工等优点，使壳聚糖膜在茶多酚的吸附分离中必将具有美好的应用前景。
5 致谢
非常感谢薛丽群老师、薛丽群老师在我大学的最后学习阶段——毕业实验阶段给自己的指导，从最初的定题，到后面的实验的处理过程中，她们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业实验，她们放弃了很多自己的休息时间，在此我向她们表示我诚挚的谢意。同时，也要感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，在此向他们表示我由衷的感谢，并祝所有的老师能够培养出越来越多的优秀人才!
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Chitosan - polyacrylic acid microspheres of tea polyphenols in tea dust adsorption performance research
School of Ocean Science and Biochemistry Engineering Major in Applied Chemistry

【Abstract】This paper studies the chitosan - polypropylene of tea polyphenols in tea dust adsorption separation conditions, and USES the HPLC analysis of adsorption separation effect. The experimental results show that the 25.00 mL beverage (mass concentration of 0.985 mg/mL), better adsorption conditions of chitosan - 0.3 g for the amount of polyacrylic acid microspheres, adsorption time for 2 h, the beverage pH 7.00, the temperature 30 ℃, volatile speed 110 r/min, tea polyphenols adsorption rate can reach 73.20%.
【key words】 chitosan - polyacrylic acid; Adsorption; Green tea. Tea polyphenols