茶叶中天然抗氧化剂茶多酚的提取方法及应用研究进展.doc
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1、曲靖师范学院化学化工学院2011届本科毕业论文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
2、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
3、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
4、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、
5、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
6、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(Tea Polyphenols)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
7、)。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。在酸性和中性条件下稳定,适宜pH值为48。2.2.2结构茶多酚的主要成分儿茶素的结构图1所示:不同结构式中: LEC: R1=H , R2=HLEGC: R1=OH , R2=HLEGC: R1=H , LEGCG :R1=0H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:
8、1)供氢过程2)抑制过程ROO(过氧化自由基)+RH2(抗氧化剂)ROOH+RHRH+HR2R+H22.2.4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
9、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
10、%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。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
11、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(%)244668912 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
12、。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、NH3H2O、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NaHCO3 Na2CO3 NH3H2O NaOH。随着调节溶液碱性的改变,茶多酚的提取率
13、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,NH3H2O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,24mol/L Na2CO3溶液亦是较好的pH
14、调节剂。若选用NaOH或NH3H2O溶液适宜浓度为0.20.6mol/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
15、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
16、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,超临界二氧化碳萃取法具有较强的渗透能力,很好的传递性
17、能,较好的选择性,容易溶解有机溶剂,萃取率高,价格便宜、容易得到,操作费用相对较低,操作条件温和、容易控制,特别适用于热敏性物质,提取物质不受破坏等优点。该方法制备茶多酚可以避免使用有毒有机溶剂,不会对环境造成污染,工序流程简单,产品分离方法简单易行7。但是茶多酚在超临界CO2中的溶解度相对较小,加入极性改性剂后的一次提取率仍然很低,但是固定设备投入成本高。3.5超声波浸提法超声波特殊的物理性质有利于茶多酚的提取。主要是对茶多酚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,使茶叶细胞组织更容易被破碎而释放出胞内物质,从而加速茶多酚浸提物从茶叶中向溶剂扩散的速率,再用与传统工艺相
18、同的过程从提取液中得到纯化的茶多酚。该方法提取茶多酚具有工艺流程简单,浸提所需时间短,可以避免茶多酚在长时间高温下氧化的可能性,且回收利用率较高、氧化损耗较小,节约时间和能量,提取率高等优点,同时避免了使用有毒有机溶剂,提取工艺成本低,综合经济效益显著有效,具有良好的工业推广价值和意义8 。3.6微波浸提法20世纪以来,用微波萃取法提取茶叶中中天然抗氧化剂茶多酚日渐成为研究的热点。微波辅助萃取技术(微波萃取技术),是指在微波反应器中使用适合的溶剂从天然药用动、植物组织、矿物组织中提取各种化学成分的一种提取方法9,10。且微波浸提法是近年来使用的一种较为新的方法,微波浸提法的基本原理是利用分子在
19、微波场中发生高频的运动,扩散速率逐渐增大,茶多酚等需要浸提的物质在微波的辐射作用下已很快的速度浸取出来。微波提取过程中的主要因素包括:萃取所用时间、提取茶多酚的溶剂的种类、微波加热功率大小、溶剂使用量及湿润水量等。微波浸提法的优点在于:处理过程所用时间短,微波方法仅用数分钟乃至几秒即可;效率高节约能量,提取率高,不仅节约了溶剂,而且大大提高了提取效率;避免使用有毒性溶剂、产品安全可靠;效率高,易控制,有利于自动化和提高生产效率。所以,微波浸提法省能、省工、省时、省钱与环境友好相处,是一种可持续发展的技术。3.7层析法层析法又称色谱法,其原理是利用不同物质在固定相和流动相中具有不同的分配系数。按
20、层析法的分离原理又可分四类:凝胶柱排阻分离、吸附分离、离子交换分离和分配分离。吸附分离的原理是利用吸附柱中的吸附剂表面对溶解在流动相中的混合物具有吸附性能差异而进行分离。填料中主要含有吸附树脂、活性碳、聚酰胺、硅胶和氧化铝等。凝胶柱吸附分离的原理是利用凝胶柱里的填料对流动相中的混合物具有不同的排阻作用而分离混合物。离子交换柱分离的原理是利用离子交换柱可解离不溶性填料对溶解在流动相中的可解离混合物具有不同的离子交换作用而分离混合物。色谱法的关键是填料的选择,选择过程中,填料应价廉、能反复利用、样品处理量大、减小死吸附。流动相以水或乙醇为最佳。相比而言,大孔吸附树脂因自身具有分子空隙和吸附的双重性
21、质,符合填料和流动相的要求,是一类用途宽广的新型非离子型分子吸附剂。中国农科院茶叶研究所的研究表明,国产9223和9224吸附树脂对茶多酚提取效果最佳 。色谱柱法的优点是工作程序较少,使用有机溶剂量少,且填料为可再生资源,常温下,稳定性高,生产成本低,正逐步向着工业化方向发展;缺点是生产周期过长,有效成分含量不算太高。3.8 膜技术膜技术法的原理是以选择性透过膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力时,原料从膜两侧选择性地透过膜以达到分离的目的11。目前,主要用超过滤、微过滤对蛋白质、可溶性多糖、胶质、纤维素等大分子物质进行截取以及利用反渗透法、纳过滤进行浓缩。夏涛12用平板超滤设备对乌龙茶茶汁进
22、行澄清处理。结果表明,截留分子量为8万的膜最为理想,可去除茶汁中81.02 %的蛋白质,86.23 %的果胶和57.26%的可溶性纤维素。而茶多酚损失在9%以内。膜技术法优点是常温下不会破坏茶多酚结构,操作工艺简单,不会对环境造成污染;缺点是产品杂质含量高,膜价格高,过滤速度缓慢。3.9 对提取方法进行简要分析上述方法中:有机溶剂萃取法大量使用有机溶剂,很多有机溶剂是有毒的,安全性问题依然存在;离子沉淀提取法需调节溶液酸碱度、溶液酸碱度必需严格控制,致使部分多酚类物质遭到氧化破坏,影响有效成分的含量及颜色,会产生废水、废液、废渣污染;树脂吸附分离法工艺较为繁琐;超临界二氧化碳萃取法材料昂贵,固
23、定设备投入成本高,技术操作严格;目前,茶多酚提取新工艺仍是热门研究课题。总之,在提取茶多酚的过程中,应根据实际情况选择合适的提取方法。同时,也可结合多种方法,取长补短。既要勇于大胆尝试新的技术、新的工艺、新的设备,又要注意尽可能降低生产成本。4茶多酚的应用4.1抗氧化4.1.1茶多酚作用于自由基原子、原子团、分子和离子中未配对电子构成的自由基对生物体的调节起着至关重要的作用。自由基在生物体内的生成和代谢活动程度与机体健康状况密切相关。正常情况下,生命过程中机体产生的适量自由基是维持生命所必须的,但人体内过量的自由基可引起生物膜损坏及脂质过氧化,对人体的蛋白质类、脂类、核酸类和糖类等生命必须物质
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