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茶多酚的提取方法及应用

 

摘要:茶多酚(Tea PolyphenolsTP)是从茶叶中提取的以儿茶素为主要成分的多酚类化合物的总称。因其化学结构中带有多个活性羟基,对人体保健极为有利,且有抑菌、杀菌、抗肿瘤、抗辐射等多项功能,作为医药和食品等的添加剂,开发和应用前景十分看好。此外,随着研究的深入,茶多酚在化妆品、日用化工、轻化工等领域也开始得以应用。 茶多酚的提取工艺目前已有了相当的研究,其中溶剂萃取、金属离子沉淀是研究和报道较多的提取法,近几年来还有一些新的方法报道,如树脂吸附法、超临界流体萃取法、超声波浸提法、微波浸提法等。 

关键词:茶多酚;提取方法;应用;  

   茶叶作为中华民族的传统保健饮料已有四五千年的历史。开发茶叶的新用途,开展茶叶的综合利用,尤其是利用低档茶叶或茶叶加工的下脚料来生产高附加值的精细化学品,是一个具有重要意义的研究课题。60年代初,日本科学家发现茶叶提取物中含有一种抗氧化活性成分,各国科学家相继深入研究,证明它是一类多酚化合物,即茶多酚(TP)。茶多酚不仅是一种新型的天然抗氧化剂,还具有明显的抗衰老、消除人体过剩的自由基,去脂减肥,降低血糖、血脂和胆固醇,预防心血管疾病,抑制肿瘤细胞等药理功能,在食品加工、医药、日用化工等领域具有重要的应用。茶多酚的提取和应用受到国内外的广泛关注,开拓了茶叶化学研究的新领域,发展以农副产物为原料的精细化学品,开发“绿色技术”,发展“绿色工程”已成为热门课题。  

1.茶多酚的组成和性质                  茶多酚是茶叶中多酚类物质的总称。茶多酚又称茶鞣或茶单宁,是形成茶叶色香味的主要成份之一,也是茶叶中有保健功能的主要成份之一。茶多酚纯品为白色无定形粉末,易溶于水,可溶于乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯,不溶于氯仿。耐热性及耐酸性好,pH = 27 范围内均十分稳定。在碱性介质中不稳定,易氧化褐变。绿茶中茶多酚的含量较高,占其质量的15%30%。茶多酚类物质大致可分为6种:黄烷醇类,4-羟基黄烷醇类,花色苷类,黄酮类,黄酮醇类和酚酸类。其中以黄烷醇类(主要是儿茶素类化合物)最为重要,占茶多酚总量的60%80%。儿茶素有4 种形式:没食子儿茶素没食子酸酯( EGCG) 、没食子儿茶素( EGC) 、儿茶素没食子 酸酯( ECG) 、儿茶素( EC)。其次是黄酮类,其它酚类物质含量比较少[1]   儿茶素类化合物的基本结构均为2-(或邻)苯酚基苯并吡喃衍生物,正是这种结构中具有连或邻苯酚基,作为抗氧化剂的活性就高于一般非酚类或单酚羟基类抗氧化剂。其等摩尔浓度的抗氧化能力依次为没食子儿茶素没食子酸酯(L-EGCG)>没食子儿茶素(L-EGC)>儿茶素没食子酸酯L-ECG)>儿茶素(L-EC)。从茶叶中提取的茶多酚抗氧化剂是这些儿茶素的混合物。其抗氧化性优于丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)等。国内外学者对茶多酚进行了急性毒性、亚急性毒性和各种药理实验研究,结果表明茶多酚安全无毒。   

2.茶多酚的提取方法   

 2.1溶剂萃取法  溶剂萃取法是最传统的提取工艺,已先后开发出十多种提取工艺。茶多酚易溶(或可溶)于水、醇类、醚类、酮类、酯类等,所以溶剂萃取法可有水提取法和有机溶剂萃取法两种。水提 取法以水为溶剂,采用水浴加热提取多次,合并提取液后用氯仿萃取,分出氯仿,相后改用乙酸乙酯多次萃取,合并乙酸乙酯相并减压蒸馏浓缩,将其干燥(真空、冷冻或喷雾干燥)后用去离子水重结晶即得产品。此法有机溶剂使用少,工艺简便,成本低,产品纯度高,但提取率低。有机溶剂提取方法是传统的提取茶多酚的一种方法,也是使用最为广泛的方法,过程比较简单。其原理是利用茶叶中不同化合物在不同溶剂中的溶解度差异进行提取分离的。常用的溶剂有水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯,一般为回流提取。  工艺流程:茶叶原料→溶剂提取→过滤→有机溶剂脱色、脱咖啡碱→萃取→回收溶剂干燥 →茶多酚粗品[2] 。浸提、除杂、萃取为必不可少的共同性步骤,常用的去杂质方法有氯仿除杂法,活性碳脱色法,石油醚除或通过低温静止除杂法。各工艺的差别仅在于浸提条件、浸提剂、浸提时间、pH值、温度、次数等)、除杂条件和萃取条件不同。  溶剂萃取法的优点是稳定、可靠;缺点是:用水提取,茶多酚提取率低(一般提取率为5% 6 %),产品纯度低,产品易氧化,且其中含有大量杂质(如植物多糖、茶棕色素、色素、咖啡碱、树脂等)。而用有机溶剂提取,提取率虽可有所提高(可达到1O% 15% ),但由于浸提液中不但含有茶多酚,而且还含有茶色素、咖啡碱等杂质,要得到精品,还须反复除杂精制,工序多,工艺繁琐复杂,萃取工序一般需经3级错流萃取;需多次蒸馏,加热时间长;需要用大量的有机溶剂,有的有机溶剂回收困难,有毒、易燃,不利于安全生产。综上所述,溶剂法的改进主要应以简化工艺、降低成本、提高有效成份含量和提取率等为目标。  我国湖北省化学研究所开发出一种新的溶剂萃取法提取茶多酚,茶多酚的含量〉95%,茶多酚萃取率在8%-11%,其中儿茶素含量〉70%,咖啡因〈1%,产品质量达到或超过医药保健用茶多酚的要求,已于2000年通过了湖北省科技厅组织的专家鉴定。其提取工艺是将粉碎后的茶叶末用萃取剂在一定温度下萃取两次,浓缩后的萃取液加入特定溶剂及脱色剂去杂,过滤,母液经浓缩后用溶剂洗脱咖啡因,经再次浓缩后用溶剂萃取茶多酚,蒸馏溶剂,干燥后得到茶多酚产品。萃取工艺流程如下: 茶叶末浸提→过滤浓缩→沉降除杂→过滤浓缩→脱碱萃取→脱溶→干燥→茶多酚  

该工艺创新之处在于:(1)浓缩后的萃取液用特定溶剂处理,能有效去杂并克服过滤困难及后续洗脱咖啡因及色素工序中的乳化问题。(2)筛选出一种有效脱除咖啡因的特定溶液,用该溶液洗脱可使茶多酚中的咖啡因含量降至0.5%以下,同时不影响茶多酚的萃取率及含量。   

2.2金属离子沉淀法  沉淀法的原理是利用茶多酚在一定的介质条件下可以和某些物质络合形成沉淀物的性质,使其从浸提液中分离出来,从而与水溶液中咖啡碱、单糖、氨基酸等组分分离,来提取茶多酚。一般工艺流程为:茶叶原料一热水提取一过滤一沉淀一转溶一萃取一浓缩一真空干燥,得到茶 多酚粗品[3] 。已报道使用的沉淀剂有4类,即无机盐类、生物碱、蛋白质类和高分子聚合物。其中无机盐类最常用,其他3类沉淀剂成本高,目前尚处在实验阶段。无机盐类常用沉淀剂有3种:① 重金属碱式盐,如Pb(OH)AcCu(0H)Ac等;② 氢氧化物,如Ca(OH)2,这类沉淀剂 价廉,但强碱均有腐蚀作用;③ 盐离子,如Ca2+Zn2+Mg2+Ba2+ Fe3+ 等,是一类较有前途的沉淀剂。可在碱性条件下沉淀,在酸、中性条件下转溶。这些金属离子可以单独使用,也可以复合使用。由于每种沉淀剂存在一定的适宜pH 沉淀环境,一般认为偏碱性的沉淀剂易诱发 茶多酚的氧化,因此Zn2+A13+沉淀剂被认为是较适宜的弱酸性环境的沉淀剂。余兆祥[4] 等采用 Zn2+A13+复合型沉淀剂进行沉淀试验,分别与Zn2+A13+ 单一型沉淀剂进行对比,结果表明,复合型沉淀剂比单一沉淀剂效果要好。沉淀法的优点是:① 减少了有机溶剂的使用量,从而大大减少了环境污染,生产安全性好;② 工艺较简单:茶叶经浸泡后,加入沉淀剂即可得到茶多酚与金属结晶性沉淀物,不必浓缩提液,可在一定程度上降低能耗,成本低;③选择性强,因 而产品的纯度较好,可达95 %以上,有的高达99.5% ;④ 产品色泽好,水溶性好。缺点是:① 无机盐沉淀剂沉淀转溶时pH值波动大,而茶多酚在碱性条件下易氧化,影响产品品质;② 过滤和稀酸转溶过程中茶多酚的损失较大;③ 溶液中咖啡碱等干扰物质因与茶多酚配合物的吸附产生共沉淀作用而被带人沉淀中,影响茶多酚的纯度。此外,有些金属盐残留对产品安全性也构成隐患;④ 工艺操作控制比较严格,废渣、废液处理量大。   

2.3树脂吸附法  树脂吸附分离法提取茶多酚是利用树脂能对茶多酚发生吸附—解离作用的特性来实现茶多酚与其他浸提物组分之间的分离。根据所采用的树脂类型的不同可分为吸附柱分离法、离子交换柱分离法和凝胶柱分离法,这三种方法原理相同,只是操作上有一定的差异。  工艺流程:茶叶→沸水浸提→过滤→滤液→树脂洗脱→洗脱液→浓缩干燥→茶多酚  目前,国产的92-2型和92-3型树脂对茶多酚的分离提取效果较好,吸附率达93%以上, 解析率达92%以上,适合于茶多酚的分离。

采用硅藻土、活性炭、聚酰胺树脂、D-301 树脂作为吸附剂,并对其吸附容量与分离效果做比较。比较11种不同树脂对茶多酚的吸附特性,得到NKA吸附树脂更适于茶多酚分离纯化。当供试液茶多酚含量为10mg/ml,以80%乙醇作为洗脱剂,洗脱速度为0.8ml/min时,茶多酚纯度可达95.8%  该法有以下优点:① 树脂吸附法简便,工艺简单,能耗少;② 操作条件温和,避免了有效成分失活;③ 在整个过程中使用的有机溶剂主要是乙醇,它的回收容易,而且无毒、无污染。环境污染少,符合清洁化生产的发展趋势;④树脂再生容易,反复利用,成本低。缺点是:① 树脂用量大,树脂价格高、饱和吸附量低、且由于树脂失活,使用寿命短;②大规模连续性生产的设备缺乏,只适合于小量的生产。  

2.4超临界流体萃取法  超临界流体萃取是一种正处于积极开发阶段的新型分离技术,它是利用温度和压力略超过或靠近临界的介于气体和液体之间的流体作为萃取剂,从固体或液体中萃取某种高沸点和热敏 性成分,以达到分离和提纯的目的。由于其介质通常为无毒的二氧化碳,对产品无毒,特别适合于医药、食品添加剂等产品的提取。   等人运用超临界二氧化碳萃取方法对茶多酚进行了提取试验,结果表明:超临界二氧化碳萃取茶叶中的茶多酚在工艺上是完全可行的。采用超临界二氧化碳萃取茶叶中的茶多酚的适宜条件是:萃取压力为20MPa,萃取温度为50,分离压力为5Mpa,分离温度为40,二氧化碳流量为25l/h,萃取时间为5h,在此条件下,茶多酚的萃取率达90%  超临界流体萃取具有萃取速度快、效能高、溶剂消耗量少、没有残留等优点,特别是在天然植物以及食品中的热敏性化合物的萃取过程中,能使被萃取成分不因氧化、分解、逸散而变质,是传统的萃取方法不可比拟。   

 2.5超声波浸提法  超声波浸提法是对提取过程进行超声波强化处理,是利用超声波的机械破碎和空化作用, 加速茶多酚浸提物从茶叶中向溶剂扩散的速度,缩短浸提时间,增加有效成分的提取率。从已有研究结果表明,采用超声波辅助提取不到1小时效果可相同于传统提取数小时效果。传统提取工艺提取时间较长,在温度较高的情况下,茶多酚易发生氧化,造成品质下降,得率降低。而采用超声波提取,所需时间短,避免茶多酚长时间处于高温下而发生氧化,从而使得率和产 品质量都得以提高。将超声波提取与水提取进行对比,在频率为20KHz超声波下,提取10min,比水提取30min得率提高40%以上,省时、节能,避免茶多酚高温氧化。   

 2.6微波浸提法  近年来,用微波萃取法提取茶叶中的茶多酚正在成为研究热点。微波辅助萃取技术,简称微波萃取技术,是指使用适合的溶剂在微波反应器中从天然药用植物、矿物、动物组织中提取 各种化学成分的技术和方法[11] 。微波浸提法是最近几年发展的一种新方法,基本原理是利用在微波场中分子发生高频的运动,扩散速率增大,因此茶多酚等浸提物在微波的辐射作用下可快速浸取出来。影响微波提取过程的主要因素包括:微波加热功率;提取溶剂的种类,萃取时间; 溶剂用量以及润湿水量。微波辅助萃取技术比目前常规使用的工艺有以下特点:① 处理时间快,微波方法仅用数分钟乃至数十秒即可,具有高效节能的作用;② 提取率高,节约了溶剂,大大提高了提取效率;③ 避免使用有毒溶剂、产品安全;④ 热效率高,控制容易,便于自动化和提高生产率。所以,微波辅助萃取技术节省能源,省工、省时、对环境友好,是一种可持续发展的技术。 

3.茶多酚的应用   

 3.1在食品加工中的应用  茶多酚是一种新型的天然抗氧化剂,其抗氧化作用在于儿茶素分子结构中酚性羟基特有供氢体的活性,能与脂肪酸在自动氧化过程中产生的游离基结合,中断脂肪酸氧化的连锁反应,抑制氢过氧化物的形成,达到抗氧得鲜的目的。而且茶多酚的抗氧化性能比BHABHT23 倍,且安全无毒。一些国家正试图用茶多酚替代BHABHTTBHQ等合成抗氧化剂19917月我国食品添加剂标准化技术委员会批准将茶多酚正式列为食品添加剂。茶多酚可广泛应用于动植物油脂、油基食品、焙烤食品、糕点、乳制品、肉制品、水产品等作为抗氧保鲜剂。  

 3.2在医药保健中的应用  现代医学研究认为,人体内过量的自由基是引起人体衰老、致病、致癌的重要因素之一,而茶多酚能清除人体内过剩的活性自由基,提高人体抗衰老、抗辐射、抗肿瘤的能力。实验表明,茶多酚中儿茶素类化合物对O2OH自由基的清除率达到98%以上,清除速率常数在109 1014数量级,对活细胞(PMN)产生的氧自由基的综合清除效果优于维生素E和维生素C 。茶多酚还有去脂减肥,降低胆固醇和血糖、血脂,防止动脉粥样硬化,预防心血管疾病等多种药理功能。因此,目前国内外正研究将茶多酚制成医疗保健药品,以提高人体的抗衰老、增强免疫能力和新陈代谢作用。  

 3.3在日用化学品中的作用  由于茶多酚具有明显的“三抗”(抗衰老、抗辐射、抗肿瘤)作用,消除过剩自由基、抑菌抗毒、消除异味等,而且是安全无毒的天然制成品,因此,在日用化学品尤其在保健化妆品中具有重要的应用。此外,利用茶多酚的强还原性和消除自由基的作用,国外已将茶多酚加入香烟过滤咀中作为解毒剂。    4.结束语  我国茶叶资源丰富,开发茶叶的新用途,尤其是利用低档茶叶或茶叶加工的下脚料来生产茶多酚等精细化学品,实属科教兴农、利国利民的有力举措。茶多酚的提取方法比较多,各有特点,具体采用哪种方法视技术经济条件和茶叶资源而定。从绿茶叶中提取茶多酚的同时,应尽可能提取茶叶中的咖啡碱和天然色素等,以实现茶叶的综合利用,以期获得最好的经济效益。茶多酚作为新型天然抗氧化剂,在食品加工、医疗保健药品、日用化学品等方面具有重要的应用。随着科学研究的深入,其应用领域必将进一步扩大。 



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