茶叶中天然抗氧化剂茶多酚的提取方法及应用研究进展

曲靖师范学院化学化工学院2011届本科毕业论文1茶叶中天然抗氧化剂茶多酚的提取方法与应用研究进展1引言1.1研究目的和意义由于人们生产、生活需求的不断扩大，天然产物有效成分的提取分离与应用研究获得了前所未有的发展。绿色天然提取物茶多酚，在绿色的二十一世纪极具发展潜力。据有关专业人士介绍，目前，茶多酚在全球年消耗量约1800吨，其中，美国约700吨，西欧500吨，日本500吨，其他国家和地区约400吨。近年来除欧美国家需求逐年增加外，东南亚、南亚等消费量也有较快增长。因此，当前茶多酚的市场前景广阔，有关专家预计，未来几年，国内外茶多酚需求量将迅速从目前的1800吨攀升至2100吨以上，其市场规模可达十几亿元。我国是世界茶叶生产大国之一，每年约有70万吨茶叶，其中有约15万吨茶片、茶末，可供提取2.3吨食品级茶多酚。因此开发天然抗氧化剂茶多酚将有充足的资源保证。自从新世纪对茶多酚类开展系统研究以来，茶多酚的许多功能被陆续发现。大量的研究表明，茶多酚不仅是一种天然的无毒的抗氧化剂，而且也是一种理想的天然药物，具有清除自由基和抗氧化等生物活性。1.2国内外研究现状我国对茶多酚的研究开始于五六十年代，而专业研究开始于七十年代，目前我国对茶多酚的研究在国际上处与领先水平。国内生产的茶多酚含量大于89%，咖啡碱小于2%。当前茶多酚已被广泛应用于食品工业与医药行业。由于茶多酚具有生物活性的特性，不断地对茶多酚进行研究，不断地出现新的研究成果。王玉春在茶多酚的提取方法及应用研究进展一文中就茶多酚提取的各种方法的基本流程及各自得优缺点和茶多酚的用途做一综述。曹群在茶多酚的提取方法研究中对现如今对茶多酚的提取方法进行简单的归纳，并比较各种提取工艺的优缺点。李俊华在茶多酚的提取工艺研究中经过对茶多酚的性质及现有提取方法利弊的分析，确定采用超临界二氧化碳萃取技术对茶叶中的茶多酚进行了萃取研究，结果表明超临界二氧化碳萃取技术是可行的，并探讨了其较佳的提取工艺参数。王艳在天然抗氧化剂—茶多酚提取、分离和纯化方法一文对其性质、结构和组成做了简单的介绍，重点介绍了茶多酚的主要提取、分离和纯化方法。王学松在茶叶中茶多酚的提取方法研究一文中综述了从茶叶中提取茶多酚的方法、特点以及改金冠凤：茶叶中天然抗氧化剂茶多酚的提取方法与应用研究进展2进，重点论述了溶剂萃取法、盐沉淀法、树脂分离法、超临界萃取法这四种提取方法及其特点。随着研究的深入，综合各种方法的优点寻找提取纯度高的茶多酚的新工艺已成为目前的研究热点。2抗氧化剂、茶多酚简介2.1抗氧化剂简介抗氧化剂是指能防止或延缓食品成分氧化变质，提高食品稳定性和延缓贮藏期的食品添加剂[1]。油脂或富脂的氧化酸败、食品退色、腐烂、变色、营养成分遭到破坏和产生异臭等都是食品成分变质的表现。油脂及富脂食品的脂肪酸败，除与脂肪自身的性质有关外，还与贮藏条件下的空气质量、温度高低、湿度大小以及具有催化氧化作用的光、酶以及铜、铁、铬等金属离子直接相关。为防止物质氧化就必须针对上述影响因素采取相应措施，而抗氧化剂正是采取措施的最好依据，它可以破坏氧化反应链；自身抢先氧化；抑制氧化酶类，络合铜、铁等金属离子的活性以消除其他催化活性等。抗氧化剂的作用原理只能用于防止或延缓食品氧化反应的进行，而不能在食品发生氧化变质之后而使其复原。因此，抗氧化剂必须在氧化变质前添加。而且抗氧化剂的使用不但可以延长食品的贮存时间、保质时间、贷架时间，给生产商、经销商带来较好的经济效益，而且给消费人员带来更好的安全感。近年来由于人们对化学合成品所隐藏的危害的顾虑，随之而来的便是对天然抗氧化剂的重视，茶多酚的出现正好让人们实现了以高效低毒的天然产品取代合成产品，在国内外颇受欢迎。2.2茶多酚的成分、结构、抗氧化机理及效果2.2.1成分与性状茶多酚(TeaPolyphenols)是一类存在于茶树的树梢及其他器官中的多羟基酚类化合物的混合物，简称茶多酚或多酚类，俗名茶单宁、茶鞣质[1]。茶多酚在茶叶中的含量一般在25%~55%之间。其主要组分为儿茶素类(黄烷醇类)、黄酮及黄酮醇类、花色素类和酚酸及缩酚酸类等四大类.在茶多酚中各组成份中以黄烷醇类为主，黄烷醇类又以儿茶素类物质为主，儿茶素含量占茶多酚总量的65%~80%之间[2]。包括4种形式的儿茶素：儿茶素(EC)、没食子儿茶素(EGC)、儿茶素没食子酸酯(ECG)、没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)。茶多酚从茶叶下脚料(茶末、茶片、粗老叶或修剪叶)中提取，其得率在6%~l0%之间，为浅黄色或浅绿色的粉末，有茶叶味，易溶于水、乙醇、醋酸乙酯。在酸性和中性曲靖师范学院化学化工学院2011届本科毕业论文3条件下稳定，适宜pH值为4～8。2.2.2结构茶多酚的主要成分儿茶素的结构图1所示：OHHOHHOOR2OHOHR1不同结构式中：L—EC：R1=H，R2=HL—EGC：R1=OH，R2=HL—EGC：R1=H，OHOHOHCOR2=L—EGCG：R1=0HOHOHOHCOR2=图1茶多酚的主要成分儿茶素的结构2.2.3抗氧化机理儿茶素分子结构上的羟基（-OH）起到供氢(H)体的作用，与脂肪酸中的游离基相结合而中断脂肪酸氧化的连锁反应，能抑制氢过氧化物的形成，起到了抗氧化作用[3]。其过程分别为：1）供氢过程OOHHOOHOHOH+RRH自由基OOHOOHO2）抑制过程ROO·(过氧化自由基)+RH2(抗氧化剂)→ROOH+RH·RH·+HR→2R+H2金冠凤：茶叶中天然抗氧化剂茶多酚的提取方法与应用研究进展42.2.4抗氧化效果据研究，4种具有强抗氧化能力的按等摩尔浓度其抗氧化能力由强到弱依次是：表没食子儿茶素没食子酸表没食子儿茶素表儿茶素没食子酸脂表儿茶素；按等重量浓度抗氧化能力由强到弱依次是：表没食子儿茶素表没食子儿茶素没食子酸表儿茶素表儿茶素没食子酸脂。可见表没食子儿茶素没食子酸和表没食子儿茶素的抗氧化能力最强。3茶多酚的提取方法茶多酚提取工艺效果较好的是有机溶剂萃取法、离子沉淀提取法、树脂吸附分离法、超临界二氧化碳萃取法，其次是超声波浸提法、层析法、膜技术。3.1有机溶剂萃取法有机溶剂萃取法是传统的提取工艺，先后已开发出十多种提取工艺[4,5]。是利用茶叶中不同化合物在不同溶剂中的溶解度不同进行提取分离。在粗茶叶萃取溶液中，除含有茶多酚以外，还含有咖啡碱、酯质、色素、植物多糖、有机酸、以及悬浮物，且茶多酚含量仅为25%～40%，所以大多数工艺用乙酸乙酯、氯仿等有机溶剂反复萃取的方法进一步除杂、纯化、精制。溶剂萃取法一般的工艺路线图2所示图2溶剂萃取法一般的工艺路线本法的优点是：稳定、可靠；缺点是：有效成分的含量和提取率较低，通过以上工艺获得的茶多酚含量通常仅能达到50%～65%，即便采用由我国农科院茶叶研究所所开发的专利方法—冷冻静止除杂法，使茶多酚含量提高到84%，仍难以满足医药和日化等对纯度要求极高的行业的需求；用水提取提取率低，产品易被氧化，一般需大量使用多种有机溶剂，包括有毒溶剂如氯仿等，难为食品和医药等行业所接受；需多次进行加热、蒸馏处理,工序繁琐，生产成本高。粗茶多酚水层溶剂层氯仿浸提3次水重复茶叶滤渣滤液浸提3次乙酸乙酯水层有机相回流减压蒸馏乙酸乙酯浓缩液曲靖师范学院化学化工学院2011届本科毕业论文5从表1的结果可以看出，使用乙酸乙酯所得到的产品纯度最高，但产率很低；96%乙醇的提取率最高，但含有的杂质很多；不难看出，水提取的纯度也较高，若用水与沉淀法结合，可以得到不错的产率和纯度。一般情况下，醇法也可与溶剂法、沉淀法等结合而提高产品质量，但若从尽量回收茶多糖和咖啡碱等副产物的角度出发，水法更为方便。虽然不少文献资料认为丙酮法较好，不过在溶剂提取实验的条件下，此法并未显示出任何优越性表1溶剂与茶多酚提取纯度溶剂乙酸乙酯丙酮（含水）水（沉淀剂）96%乙醇提取率（%）2~44~66~89~12纯度（%）94708560（注：表中数据均为十次试验所得平均值）3.2离子沉淀提取法离子沉淀法是另一种较为常用的提取工艺，利用茶多酚在一定条件下可以与金属离子反应生成沉淀而在水溶剂中与其他物质分离来提取茶多酚。其中煤炭科学研究总院合肥研究所这方面获得了国家专利。他们不仅系统研究了Al3+、Zn2+、Fe3+、Mg2+、Ba2+、Ca2+等6种可溶金属离子提取茶多酚的条件，而且确定了优惠工艺与参数。其提取率和沉淀最低PH值如下：表2提取率和沉淀最低PH值[1]沉淀剂Al3+Zn2+Fe3+Mg2+Ba2+Ca2+最低PH值5.25.76.77.27.58.6提取率/%10.611.28.68.17.67.1（注：表中数据均为十次实验所得平均值）由表2可以看出，6种离子均可作为提取茶多酚的沉淀剂，Ba.十毒性较强，实验中通常不宜采用。其它条件一定，分别以NaOH、NH3·H2O、Na2CO3、NaHCO3溶液作为pH调节剂实验碱性溶液对提取率的影响。结果表明，以不同种碱性溶液调节pH，提取率的高低顺序为NaHCO3Na2CO3NH3·H2ONaOH。随着调节溶液碱性的改变，茶多酚的提取率不断降低，NaHCO3溶液的浓度对茶多酚的提取影响很小，Na2CO3溶液的浓度对其影响较小，NH3·H2O的浓度对其影响较大，Na0H的浓度对其影响最大。可见调节剂的碱性强弱对提取率的高低直接有关。这是因为碱性越强,茶多酚的局部氧化越严重。NaHCO3属两性物质在水溶液中浓度不太稀时，NaHCO3溶液的pHl/2(pKa1+pKa2)=8.5。故在NaHCO3的浓度不是过稀时，溶液的pH与NaHCO3无关。因此在调节pH时选用NaHCO3金冠凤：茶叶中天然抗氧化剂茶多酚的提取方法与应用研究进展6溶液，不会因浓度大小的改变造成比较严重的茶多酚局部氧化。因此NaHCO3溶液是较为理想的pH调节剂。另外实验显示，2~4mol/LNa2CO3溶液亦是较好的pH调节剂。若选用NaOH或NH3·H2O溶液适宜浓度为0.2~0.6mol/L，浓度过低会使操作的工作量过大，浓度过高会因茶多酚的局部氧化严重而导致降低提取率。离子沉淀法的优点是：使用有机溶剂较少，生产安全性好，工艺简单，生产成本低；由于选择性强，所以有效成分含量和提取率都较高，有效成分的含量可大于95%，提取率可达7.0%--10.5%；产品色泽好，水溶性好。离子沉淀法一般的工艺路线如图3所示图3离子沉淀法一般的工艺路线3.3树脂吸附分离法此法于1998年以后才有文献报道，其分离原理是利用吸附剂树脂对多酚类有机物选择性吸附的特性。在茶叶或茶末中，加16倍沸水。首先回流浸取30min，进行压滤。取滤渣加入数倍沸水，再次回流浸取15min，进行压滤。合并两次提取的滤液，静置、冷却。将浸取液通过装有吸附剂大孔吸附树脂的吸附床,吸附剂树脂常用92-2、92-3、XAD-7、DA201型[1]。吸附剂树脂在使用前需进行活化处理,用蒸馏水或NaCl溶液浸泡后，用HCl、NaOH和乙醇洗至无色，吸附物用浓度范围为20%--100%，最佳浓度为72%--78%的甲醇、乙醇或丙酮溶剂进行洗脱，蒸馏回收洗脱液中的甲醇、乙醇或丙酮溶剂，待蒸出速度明显减慢时，抽真空片刻。用洗脱液除去溶剂甲醇、乙醇或丙酮后干燥，即得粉状茶多酚[6]。3.4超临界二氧化碳萃取法超临界二氧化碳萃取方法是一种新型高效的绿色分离技术，通常用二氧化碳作超临界流体介质，二氧化碳在温度高于临界温度80oC、压力高于临界压力321MPa的状态下，形成介于液体和气体之间的流体形态，即超临界流体。这种流体的密度与液体相近，粘浓缩、回收沉淀水层氯化铵浸提3次沸水茶叶滤渣滤液溶解盐酸残渣酸化液萃取乙酸乙酯水层乙酸乙酯层沉淀粗茶多酚曲靖师范学院化学化工学院2011届本科毕业论文7度和气体相近，扩散系数比液体大100倍[7]。对很多物质有极强的溶解扩散能力，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来，以达到分离和纯化的目的。与其他的萃取分离技术相比，超临界二氧化