天然产物分离与纯化

1、茶叶中茶多酚的提取分离纯化重庆大学课程论文学生姓名：何英学 号：20161902017t专 业：生物学学科门类：理学重庆大学生物工程学院二O一六年十月摘要茶叶中含有600多种化学成分，组分极为复杂。茶叶中的无机矿物质有27 种，大多数都是人体健康所必须物质。茶叶中的有机物茶多酚与儿茶素类物质、 咖啡碱、茶多糖等决定了茶叶色泽、香气、滋味、营养及保健功效。本文总结了 茶多酚为主要内容物的提取纯化及性质为主要内容，对比不同方法的优异，按要 求选择一条合适的工艺路线。溶剂浸提法工艺简单、技术成熟。离子沉淀法选择 性强、纯度较高但是损失大、收率低、安全性低。树脂吸附法虽工艺简单、纯度 高、能耗低但是溶

2、剂用量大、成本高。超临界流体萃取法纯度高但是设备要求高、 成本高，不适合大剂量的提取茶多酚。超声波浸提法高效、节时、提取率高但噪 音污染，不适合长期使用。微波浸提法高效、节能、节时、提取率高但具有微波 辐射。膜分离法工艺简单，环境污染小但纯度低。所以根据不同的要求、设备、 成本需要选择不同的方法。关键词：茶叶，茶多酚，提取方法1绪论茶叶起源于我国，后流传于世界。至今，地球上引种茶树的国家已经达到了 60多个，近年来世界茶叶种植面积总数达290万公顷1。我国是产茶大国，进入 21世纪以来，我国的茶产量稳居世界第一。科学研究和临床医学实验表明，茶 叶有降血糖、降血脂、抗癌、抗衰老、抗辐射等诸多保健

3、作用，这与茶叶中的有 效功能成分密不可分。茶叶中的有效成分包括茶多酚、茶多糖、咖啡碱、茶氨酸、 茶蛋白等。所以，用中低档茶叶为原料，提取分离有效成分，大力发展茶叶深加 工技术，不仅可以开辟中低档茶叶市场、充分利用茶叶资源，也将成为我国茶叶 行业发展的新方向。茶多酚作为茶叶中最主要的功能性成分，使其成为目前天然产物研究的热点， 由于具有多种生理活性和功能，在医疗保健、食品行业、日用品等领域都得到了 广泛的应用。因此，优化提取工艺，分离提纯茶多酚具有十分重要的经济和社会 效益。目前，国内茶多酚生产企业基本上采用的是溶剂法制备茶多酚，该方法生 产周期长，温度高，所制备的茶多酚含量和活性低，且由于在生

4、产过程中使用氯 仿等有机溶剂，不仅操作不安全，产品还存在有毒溶剂残留问题，其品质难以满 足国内外市场的需求，造成茶多酚产品销售困难，大量积压，同时溶剂法对环境 的污染较大，不符合绿色化生产发展的方向。因此，需要选择一条合理，绿色， 创新的生产工艺，提高茶多酚产品的质量，实现资源、环境、经济、社会一体化 发展。1茶叶的主要成分及功能简介茶是我国的国饮，是天然的绿色饮料，我国是最早发现茶树，并且最早采制 茶叶和饮用茶汤的国家。在我国，根据茶多酚的氧化程度，茶叶基本被分为绿茶、 红茶、乌龙茶、黑茶、白茶和青茶六类3, 4，其生理活性和功能也因成分的不同 有所差异。1.1茶叶的主要成分茶叶含有600多

5、种化学成分，因而组分极其复杂，主要有无机物质和有机 物质之分5。1.1.1茶叶中的无机成分只占干茶叶总质量4%9%的无机物质影响着人体的健康营养及茶叶的质量。 茶叶中发现的无机矿物质元素（N、H、O、N除外）有27种：P、B、As、S、 Se、Si、I、F、Br、K、Mg、Mn、Al、Ca、Na、Fe、Cu、Ni、Zn、Mo、Pb、 Cd、Co、Cs、Cr、Ti和V等元素，大多数元素都是人体健康所不可缺少的。1.1.2茶叶中的有机成分（1）茶多酚与儿茶素类物质茶多酚是茶叶中多酚类物质及其衍生物的总称，在茶叶的药效中起主导作用。儿茶素类 物质是茶多酚中最重要的一类结构复杂的化合物，儿茶素在绿茶中

6、含量最高；红茶、乌龙茶 等发酵类茶由于加工工艺的不同，儿茶素发生氧化聚合反应生成茶黄素、茶红素等有色化合 物，从而对茶的品质有很大影响。（2）茶蛋白与氨基酸茶叶中蛋白质含量很高，达20%30%，但水溶性的蛋白质仅有1%3%。氨基酸占茶 叶干重的1%5%，人们已在茶叶中发现28种氨基酸，如茶氨酸、精氨酸等。其中，茶氨 酸是茶树所特有的一种氨基酸，含量占氨基酸总量的50%以上。目前对茶蛋白和茶氨酸的 生理功效进行研究表明：茶蛋白能清除超氧阴离子，具有降血脂，抗突变、抗动脉粥样硬化 和冠心病等作用；茶氨酸具有降压，提高记忆力，增强人体抵御病毒感染的能力等作用7,8。（3）咖啡碱咖啡碱的含量占有机物干

7、物质总量的2.5%5%，是构成茶叶滋味的重要物质；它也是 一种重要的医药原料，具有强心利尿、兴奋神经中枢等作用9-11，同时也是多种饮料的添加 剂，历来为食品、医学行业人士重视。（4）碳水化合物与茶多糖茶叶中碳水化合物的含量占干物质总量的20%25%，但多数是淀粉、纤维素等不溶于 水的多糖类化合物，也含有葡萄糖、果糖、麦芽糖等水溶性的游离糖。上世纪80年代发现 茶叶中活性多糖即茶多糖有着重要的生理活性。实验表明，茶多糖具有抗血栓、抗辐射、降 血脂、降血糖，增强机体的非特异性免疫能力，防治甲状腺肥大和糖尿病等多种功效12-17。（5）维生素茶叶中含有丰富的维生素，饮茶是获得人体所需维生素的极好来

8、源。（6）芳香类物质茶叶中芳香类物质含量虽然不超过干物质的万分之三，但其种类却超过500多种，这些 物质相互作用和配合，产生了各种独特的茶类香气18-2。（7）有机酸和皂苷类物质茶叶中含有苹果酸、金鸡钠酸等多种有机酸，有助于维持体液的平衡。皂苷类物质在茶 叶中含量约为0.07%，不仅具有抗虫杀菌、抗渗消炎、抗癌等活性，而且作为一种性能优良 的天然表面活性剂，广泛应用于日化、林业、纺织等行业。（8）色素和脂质色素占茶叶干物质总量的1%左右，是构成茶叶色泽及茶汤颜色的成分。茶叶中脂质含 量不高，约为4%5%，饮茶可以获得一定量的脂肪酸。1.2茶叶的功能本草拾遗记载：“诸药为各病之药，茶为万病之药”

9、。茶叶中具有的含量 丰富的营养素和多种药效成分是其独特的保健和药用作用的基础。从传说几千年 前神农时代对茶的发现和利用，到现代对茶的深入研究，茶的医药和保健功能21 不断被发现，简述如下：（1）生津止渴；（2）消暑；（3）清热；（4）提神；（5） 明目；（6）解毒；（7）止痢；（8）通便；（9）降脂减肥；（10）利尿；（11）除腻 助消化；（12）预防高血压；（13）防治高血脂；（14）防治脂肪肝；（15）防治糖 尿病；（16）防癌抗癌；（17）补硒；（18）消炎杀菌；（19）改善心血管功能；（20） 消除口臭；（21）预防龋齿；（22）防治坏血病；（23）抗辐射；（24）延缓衰老等。2茶多酚

10、的组成和功效2.1茶多酚的组成及儿茶素的结构茶多酚又名茶单宁或茶鞣质，简称TP (tea polyphenols)，是从天然植物茶 叶中提取的多羟基酚类及其衍生物的混合物。茶多酚在绿茶的含量最高，占茶叶 干重的15%30%，因此提取制备茶多酚大都以绿茶为原料。茶多酚是由儿茶素 类、黄酮醇及配糖物、无色花青素、酚酸及缩酚酸、氧化态聚合酚类等30多种 酚类物质组成。其中儿茶素类占茶多酚总量的65%80%，是其最主要成分，主 要包括儿茶素(catechin，C)、表儿茶素(Epicatechin，EC)、表儿茶素没食子酸 酯(Epicatechin gallate，ECG)、儿茶素没食子酸酯(Cat

11、echin gallate，CG)、表 没食子儿茶素没食子酸酯(Epigallocatechin gallate，EGCG)、没食子儿茶素没食 子酸酯(Gallocatechin gallate，GCG)、表没食子儿茶素(Epigallocatechin，EGC)、 没食子儿茶素(Gallocatechin，GC)，其中主要单体的结构式如图2所示：图2.1主要儿茶素单体的结构Fig. 2.1 Structure of main monomers of catechin2.2茶多酚的功效2.2.1清除自由基、抗衰老作用茶多酚具有清除体内自由基的能力，不仅抑制机体内脂质过氧化作用或延缓 细胞脂褐素

12、的产生，而且能提高体内抗自由基损伤的酶系SOD和GSH-PX等 的活性，再生体内维生素C和维生素E、GSH等高效抗氧化剂，延缓细胞衰老。 22-232.2.2抗辐射作用茶多酚通过清除自由基，调节与辐射有关酶的活性，增强造血功能及杀菌等 作用，有助于受损细胞的恢复，从而减小或防治辐射对人体的影响。茶多酚还能 吸收200330nm的紫外线，保护皮肤，被誉为“紫外线过滤器”。242.2.3抗突变作用茶多酚可灭活终致突变剂或抑制前突变剂的代谢，抑制致癌物与DNA结合 等，从而发挥其抗突变作用。25-272.2.4防癌和抗癌作用它能阻断亚硝酸盐等致癌物质在体内的合成，并可直接杀伤癌细胞和增强免 疫力，对

13、肝癌、胃癌、口腔癌等多种癌症的预防和辅助治疗，均能起到良好的疗 效。28-302.2.5解毒、抗过敏作用另外，茶多酚是天然的金属离子络合剂，能使重金属离子（如Pb2+、Hg2+、 Cr6+等）沉淀，并可作为生物碱和重金属盐中毒的抗解剂，起到一定的缓解作用。 茶多酚对顽固性特应性皮炎中的过敏反应有良好的抑制作用，对哮喘等过敏性病 症亦有显著的疗效。31-332.2.6消炎、抗菌、抗病毒作用茶多酚有消炎作用，具有广谱抗菌性，其抑菌能力和选择性都很强，在一定 程度上能抑制口腔细菌、螺旋杆菌、大肠杆菌、等多种病原菌的生长。儿茶素类 化合物可明显抑制流感病毒，对艾滋病病毒的增殖亦可起到抑制作用。甲-36

14、2.2.7降低胆固醇、降血脂作用茶多酚通过降低血脂水平，调节血甘油三酯（TG）、胆固醇（CH）及低密度 脂蛋白胆固醇（LDL-C）和高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）在血液中的含量，起 到降低体内胆固醇和血脂的作用。37-39另外，茶多酚还具有降血压和抗动脉粥样硬化、减肥轻身、护齿除口臭、降 低血糖、调节机体免疫功能的功效40-52。3茶多酚的提取制备工艺3.1溶剂浸提法溶剂浸提法是最传统的提取工艺。常用溶剂有水、乙醇、乙酸乙酯等，利用 茶多酚易溶于这些溶剂的性质，使其从茶叶或浸提液中分离。工艺流程见图3.1。图3.1溶剂浸提法提取茶多酚工艺流程图Fig. 3.1 The flow-sheet

15、diagram of solvent extraction to prepare tea polyphenols溶剂提取法是工业用于提取茶多酚最常用的方法，提取原理是茶多酚易溶于 水、醇类、酮类、酯类、醚类等，可利用水和有机溶剂将茶多酚从茶叶中提取出 来。常用的方法有：茶叶一用水或乙醇浸取一回收水或乙醇、喷雾干燥一茶多酚。特点：工艺简单，成本低，但所生产的茶多酚粗品含有大量的多糖、色素、 咖啡因、氨基酸等，茶多酚的含量仅为30%左右，儿茶素含量仅10%，市场销 售价格每千克一般只几十元，应用受到限制；只有经过进一步的精制、去杂、才 有实用意义。茶叶一用水或乙醇浸取一乙酸乙酯（丙酮）萃取回收乙酸

16、乙酯一喷雾干燥一 茶多酚特点：在工艺一的基础上使用乙酸乙酯作主浸取剂，或丙酮作助提剂，提高 了产品的纯度和得率，且产品的抗氧化活性好，但咖啡因的含量仍较高，茶多酚 含量在70%左右，市场销售价格每千克100元。茶叶一用水或乙醇浸提一真空浓缩一氯仿萃取一水相（含儿茶素）一乙酸乙 酯萃取一回收乙酸乙酯、干燥一茶多酚3.2离子沉淀法离子沉淀法53-56是根据茶多酚能与某些金属离子络合生成沉淀物的性质，将 茶多酚从浸提液中分离，实现与其他组分的初步分离。工艺流程见图3.2。茶叶热水浸提 K 过滤滤液沉淀:茶彩酚 K 浓缩十燥k萃耳又k图3.2溶剂浸提法提取茶多酚工艺流程图Fig. 1-3 The fl

17、ow-sheet diagram of iron-precipitation to prepare tea polyphenols3.3树脂吸附法树脂吸附法57-58是利用树脂对茶多酚的选择性吸附实现与其他组分之间的 分离。该工艺需要对茶多酚选择性强的高吸附量的填料，适用于制备少量高纯度的茶多酚产品，不太适合工业化生产。工艺流程见图3.3。图3.3树脂吸附法提取茶多酚工艺流程图Fig. 3.3The flow-sheet diagram of resin absorption to prepare tea polyphenols3.4超临界流体萃取法超临界流体萃取法【59-6。目前研究较多的体

18、系包括CO2、水、氨、甲醇、乙 醇等。如今人们将有毒的有机溶剂用超临界流体来代替，实现对目标产物的高效 萃取分离，具体方法如下：高压下使超临界流体与茶叶接触，控制体系的温度和 压力使茶多酚溶解在超临界流体中，进而升温或降压降低其密度，使茶多酚析出。 该法由于其介质多是无毒的CO2,尤其适合医药、食品等行业中产品的制备。 工艺流程见图3.4。茶叶预妊珂C6 很热加压辛孟签祢分潇辨除杂K条由酚图3.4超临界流体萃取法提取茶多酚工艺流程图Fig. 3.4The flow-sheet diagram of supercritical fluid extraction toprepare tea pol

19、yphenols3.5超声波浸提法超声波浸提法61是先利用超声波的机械破碎和空化作用使细胞破碎，加速茶多酚等浸 提物从茶叶向溶剂的扩散速率，缩短浸提时间，再采用与传统工艺相同的制备过程从浸提液 中取得产品。传统工艺的浸提时间都比较长，而且在高温下还容易造成茶多酚的氧化，使得 率降低；而超声浸提时间短，避免了茶多酚长时间处在高温环境下的氧化，使产品得率和质 量都有所提高。3.6微波提取法微波浸提法W-64 是利用分子在微波场中发生高频运动的特点，加速茶多酚等浸提物的扩 散，进而使其快速浸取出来。该法省时、高效、节能，可有效地保护有效成分Pan Xuejun 等人S 使用微波辅助的方法提取茶多酚和

20、咖啡碱，提取效率和茶多酚得率都有所提高。3.7膜分离法膜分离法网-67是将浸提液流过半透膜，以膜两侧产生浓度梯度为传质推动力，使溶液中 茶多酚等小分子可以选择性地通过膜，一定程度上将茶多酚、咖啡碱等与蛋白质、果胶、可 溶性淀粉等进行了分离。该方法工艺简单，条件温和，环境污染小，但是制备的茶多酚纯度 不高，仍需要进一步纯化。4结论提取天然产物的方法根据其性质不同，方法会所改变。提取茶多酚根据其溶解性，酸性， 与金属离子络合反应等性质确定了多种不同的提取分离茶多酚的方法。表1中总结了茶多 酚提取工艺的优缺点，根据提取的不同要求选择不同的提取方法。表1提取工艺的优缺点Table 1 Advantag

21、es and disadvantages of the extraction processes提取方法主要优点主要缺点溶剂浸提法工艺简单、技术成熟工序复杂、时间长、成本偏高离子沉淀法选择性强、纯度较高损失大、收率低、安全性低树脂吸附法工艺简单、纯度高、能耗低溶剂用量大、成本高超临界流体萃取法纯度高设备要求高、成本高超声波浸提法高效、节时、提取率高高效、节时、提取率高微波浸提法高效、节能、节时、提取率高微波辐射膜分离法纯度低工艺简单，环境污染小纯度低参考文献丁俊之，世界茶叶产销知多少J,茶叶通讯,2010, 37(1): 32-33.李清泽，杜维春，李建兵，我国茶叶市场和消费特点分析J,中国茶

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