膨润土对绿茶提取物中咖啡因的吸附性能研究

周城，陈雄，陈勤勤，张珍珍，扈晓佳，王根女

恒枫食品科技有限公司（杭州 311200）

茶饮料是近些年最受欢迎的健康饮品之一，其富含茶多酚、氨基酸、茶黄素等健康成分[1]。茶叶中所含的儿茶素具有多种有益健康的作用，茶饮对多种疾病具有潜在的预防作用，包括抗氧化、抗衰老、抗癌和抗病毒等[2-3]。

咖啡因是茶叶中一种重要的化合物，约占茶叶干重的2%～5%。食用适量的咖啡因能刺激中枢神经兴奋性，有效缓解疲劳、恢复精力、强心解痉等作用[4]，但众多医学研究认为，长期摄入咖啡因会对人体心血管系统、神经系统造成负担。咖啡因还具有成瘾性和生理毒性，滥用会造成急性中毒，长期大量摄入对神经系统造成损伤[5]。对于孕妇等敏感人群，过量摄入咖啡因会严重影响妊娠，导致流产、早产、胎儿发育迟缓、先天畸形等[6]。此外，2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构将咖啡因列入3类致癌物清单中。因此，开发不含咖啡因并且尽可能保留茶多酚的茶饮具有广阔的前景。目前，从茶叶中脱除咖啡因的方法主要有两类：一种是直接从茶叶中提取咖啡因，包括热烫预处理[7]、超临界CO2提取[8]等方法；另一种是茶提取后除去咖啡因，主要用吸附剂选择性吸附咖啡因，常用的吸附剂有活性炭[9]、微生物发酵[10]等。

膨润土是一种天然的层状黏土矿物，在食品工业中，常应用于葡萄酒[11]、陈醋[12]的澄清过程，以及漂白油脂的加工助剂。其主要成分蒙脱石，由基本的二氧化硅四面体（Si4O6(OH)4）中间夹着中央八面体（Al(OH)6），具有优秀的阳离子交换能力[13]。此前，已有报道称蒙脱石能吸附咖啡因[14]，但是还没有对膨润土在茶提取物中对咖啡因的吸附特性进行系统研究。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

绿茶，浙江茶乾坤食品股份有限公司；膨润土，内蒙古宁城天宇膨润土科技有限公司；活性炭、高岭土，上海麦克林试剂有限公司；维生素C，帝斯曼（中国）有限公司；5种儿茶素（EGCG、EGC、EC、ECG、C）标准品、咖啡碱，国药集团；乙腈、冰乙酸、甲醇，均为市售色谱纯。

磁力搅拌器，德国IKA仪器有限公司；Agilent 1260型HPLC高效液相色谱仪，安捷伦科技有限公司；UV1800型紫外分光光度计，日本岛津仪器有限公司；XS403S型电子分析天平，梅特勒-托力多仪器有限公司；PHS-3C型pH计，上海雷磁仪器有限公司；ST16型高速离心机，赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 茶汤制备

取1 kg绿茶，1 g维生素C，投入20 kg纯水，80 ℃提取15 min，后经冷却，过滤，浓缩制得茶提取液（Brix=8.0%），咖啡因含量4 735±1.39 mg/kg。

1.2.2 吸附剂对咖啡因选择吸附性能研究

探究膨润土、活性炭、高岭土对茶提取液中咖啡因的吸附性能，取50 g茶提取液，分别添加4 g吸附剂，吸附时间为30 min，以茶提取液中咖啡因含量和茶多酚的含量为考察指标。

1.2.3 温度对吸附效果的影响

将4 g膨润土加入到50 g茶提取液中，在恒温水浴锅中控制不同的温度（20，30，40，50和60 ℃）搅拌反应30 min，离心，取上清液测定茶多酚和咖啡因浓度。

1.2.4 pH对吸附效果的影响

将4 g膨润土加入到50 g茶提取液中，室温条件下，在磁力搅拌器上控制不同的pH（3.5，4.1，5.2，6.1，7.1和7.7）搅拌反应30 min，离心，取上清液测定茶多酚和咖啡因浓度。

1.2.5 吸附动力学研究

将8 g膨润土加入到100 g茶提取液中，25 ℃条件下，在磁力搅拌器上搅拌，在不同的反应时间（0.5，1，2，4，6，8，10，15，30，60和90 min）取样，过0.45 μm膜，测定茶提取液中咖啡因浓度。

1.2.6 吸附等温线

取50 g茶提取液，分别加入不同质量的吸附剂（2%，4%，6%，8%，10%和12%），25 ℃下搅拌吸附30 min，测定茶提取液中咖啡因含量。

1.3 测定方法

1.3.1 咖啡因的测定

茶提取液中咖啡因的测定方法参考GB/T 8312—2013《茶 咖啡碱的测定》[15]，以咖啡因的浓度（μg/mL）为横坐标，峰面积为纵坐标绘制标准曲线。

1.3.2 茶多酚和儿茶素的测定

茶提取液中茶多酚、儿茶素含量的测定参考GB/T 8313—2018《茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》[16]的方法，以各类儿茶素（EGC、C、EGCG、EC、ECG）质量浓度（μg/mL）为横坐标，峰面积为纵坐标绘制标准曲线。

HPLC测定条件：紫外检测器；SB-C18柱5 μm，250 mm×4.6 mm；流动相的配制参考国标的方法；流速1 mL/min；进样量20 μL；检测波长278 nm；柱温40℃；梯度洗脱：0～10 min，流动相A 100%；10～15 min，流动相A由100%线性变化至68%；15～25 min，保持流动相A 68%；25～30 min，恢复流动相A至原始100%。

1.4 计算脱除率和吸附量

采用（1）计算咖啡因的除去率η：

式中：C0为咖啡因的初始质量分数，mg/kg；Ct为咖啡因在t时间点的质量分数，mg/kg。

采用（2）式计算吸附剂的平衡吸附量Qe：

式中：C0为咖啡因的初始质量分数，mg/kg；Ce为平衡时溶液中咖啡因的质量分数，mg/kg；M为溶液质量，kg；W为吸附剂质量，g。

1.5 试验数据拟合模型

等温吸附曲线表示恒温反应体系的平衡质量分数Ce与吸附剂的吸附量Q的对应关系，应用最广泛的是Langmuir模型[17]和Freundlich模型[18]，方程式分别如（3）和（4）所示：

式中：Ce为咖啡碱吸附平衡时的质量分数，mg/kg；Qe为平衡吸附量，mg/g；Qm为Langmuir模型的最大吸附容量，mg/g；KL、Kf和n分别为Langmuir和Freundlich模型的常数。

吸附动力学描述吸附进行中的动态过程，应用最广泛的是准一级动力学模型[19]、准二级动力学模型[17]，方程如式（5）和（6）所示：

式中：Qt为t时刻的吸附量，mg/g；K1为准一级动力学常数，1/min；K2为准二级动力学常数，g/（mg·min）。

1.6 数据分析

每个样品设3个平行，采用Oringin 9.0和SPSS 19.0软件进行数据分析。试验测定结果以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 咖啡因和儿茶素的标准曲线如表1所示。

表1 咖啡因和5种儿茶素的标准曲线

2.2 绿茶提取物咖啡因吸附剂的选择

在相同的添加量和吸附时间内，所选取的3种吸附剂对咖啡因的吸附情况如图1所示。活性炭和膨润土对咖啡因有明显的吸附效果，吸附能力活性炭＞膨润土＞高岭土；但同时活性炭能吸附大量茶多酚，膨润土和高岭土对茶多酚的吸附效果较弱。此外，表2显示了当添加量为8%时，不同吸附剂处理后茶提取物中主要儿茶素含量变化情况，高岭土和膨润土对5种儿茶素吸附效果相似且都较弱，而活性炭对5种儿茶素都有很强的吸附作用[21]，甚至能完全吸附EGCG。综上可知，活性炭对咖啡因的吸附作用最强，但同时吸附大量茶多酚；高岭土对两者均无明显吸附作用；膨润土能高效吸附咖啡因，同时能保留80%以上的茶多酚，是脱除茶提取物中咖啡因的理想脱除剂，因此将对膨润土吸附茶提取物中的茶多酚和咖啡因特性作进一步深入研究。

图1 不同吸附剂对茶提取物中茶多酚和咖啡因的吸附效果

表2 经不同吸附剂（添加量8%）处理后茶提取物的儿茶素含量

2.3 不同添加量对膨润土吸附效果的影响

不同添加量的膨润土对茶提取物中咖啡因的脱除率和茶多酚保留率的影响如图2所示。当膨润土添加量小于8%时，随着添加量的增加，咖啡因的脱除率快速提高，当添加量大于8%时，随着膨润土添加量的提高，咖啡因脱除率提升效果不明显。而随着膨润土添加量的增加，茶提取物中茶多酚的含量下降并不明显，保留率始终在90%以上。因此，试验膨润土的添加量选择8%，此时咖啡因的脱除率为91.31%±1.07%，同时保留92.86%±0.98%的茶多酚。

图2 不同添加量对吸附效果的影响

2.4 吸附温度对膨润土吸附效果的影响

由图3可知，随着温度的升高，膨润土对咖啡因的吸附效率逐渐降低，表明吸附过程是一个放热过程[20]。而茶多酚的保留率则呈现先下降在上升的趋势，但整体保留率在90%左右。因此考虑到实际生产应用的便捷性和经济性，同时尽可能减少茶提取物的风味损失，试验选择25 ℃为吸附温度。

图3 温度对吸附效果的影响

2.5 pH对膨润土吸附效果的影响

由图4可知，随着pH的升高，膨润土的吸附效果略有提高，但提升效果并不明显。随着茶提取物的pH提升至7以上，茶提取物的色泽明显变暗，品质下降明显，并且此时茶多酚的保留率急剧下降至55%，说明在中性或弱碱性环境下，膨润土对咖啡因的吸附选择性减弱。综合考虑，茶提取物的pH控制在5～6之间比较合适。

图4 pH对吸附效果的影响

2.6 吸附动力学

研究吸附动力学，不仅可以推测出膨润土对咖啡因的吸附机理，而且动力学参数可以为茶浓缩液脱咖工艺设计提供依据。图5a描述了咖啡因浓度随时间的变化，图5b为单位吸附量随时间的变化。如图5a所示，膨润土对茶提取物中咖啡因的吸附分为快速阶段（1 min内）和缓慢吸附阶段（2～10 min），10 min后达到平衡。快速阶段结束后达到最大吸附量的95.23%，反应平衡时咖啡因去除率达到91.64%。将试验数据用式（5）准一级动力学、式（6）准二级动力学方程线性形式拟合，所得动力学模型的参数见表3，准二级动力学模型的相关度优于准一级动力学模型，更符合膨润土对茶提取物中咖啡因吸附行为的作用机理，该模型反映了多重吸附机理的复合效应，包括外部膜扩散、表面吸附、颗粒内部扩散多个过程，并表明吸附过程以化学吸附为主[21]。准二级动力学方程拟合的Qe=32.97 mg/g，与实际测得的平横吸附量32.89±0.25 mg/g在统计学意义上无显著差异。

表3 25 ℃下膨润土对咖啡因吸附的动力学方程拟合结果

图5 （a）咖啡因浓度随时间的变化；（b）膨润土单位吸附量随时间的变化

2.7 等温吸附方程

表4 膨润土吸附咖啡因等温吸附参数（25 ℃）

图6显示了膨润土对茶提取物中咖啡因的吸附等温线，随着Ce值的增加，茶提取物中咖啡因的平衡吸附量Qe收敛到一定值，这些数据与Langmuir吸附模型和Freunclich吸附模型经线性拟合，均显示出较高的相关系数（R2分别为0.999 8和0.947 9）。Freunclich模型中的1/n代表吸附效率，其值越小则表示吸附性能越好；1/n在0.1～0.5，吸附易发生[22]，符合试验结果，膨润土对茶提取物中咖啡因的吸附作用在10 min作用即达到平衡状态。试验结果与Langmuir吸附模型的相关系数更高，说明膨润土固体表面对咖啡碱的吸附作用相当均匀，吸附作用主要为单分子层吸附[23]。

图6 膨润土对茶提取物中咖啡因的吸附等温线

3 结果与讨论

试验选取了食品工业中常用的加工助剂探究其对茶提取物中咖啡因的吸附性能，结果显示，膨润土对咖啡碱有出色的选择吸附性能，在弱酸性（pH 5～6）、室温条件下，吸附10 min能脱除90%以上的咖啡因，吸附时间明显短于许琦等[14]的研究结果。并且，经膨润土脱咖处理后的茶提取物能保留90%左右的茶多酚，几类主要儿茶素损失率低，能较好保持茶提取物的风味。通过动力学模型的拟合，表明膨润土对咖啡因的吸附是一种以化学吸附为主，并辅以外部膜扩散、表面吸附、颗粒内部扩散多个过程[24]，但是未对具体的吸附机理进行更深入的探究，研究者可继续研究其表面带电情况以及空间结构对咖啡因吸附性能的影响，并开发更高效的咖啡因吸附剂。总之，膨润土是茶提取物中咖啡因脱除的理想材料，在影响吸附效果的因素、吸附动力学等方面进行了初步探讨，为工业生产应用提供证据。