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《中国科学技术大学》 2007年
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功能高分子在茶叶深加工中的应用基础研究

汪小钢  
【摘要】: 全球咖啡碱年销量约为12万吨,20%~25%用于工业,其余大部分用于医药和食品。近些年来,人工合成咖啡碱对人体和环境的毒副作用使得大部分发达国家明文禁止“合成咖啡碱不得加入食品饮料中”,从而为天然咖啡碱的开发带来无限商机。在国外,天然咖啡碱主要是来源于生产咖啡过程中的一种副产品。我国是产茶大国,各种制茶废弃物非常丰富,因而充分利用制茶废料提取咖啡碱,具有原料易得,工艺简便等特点。但由于天然咖啡碱的生产成本比人工合成咖啡碱要高很多,从而限制了天然咖啡碱的大规模生产和应用。因此,如何降天然咖啡碱的生产成本就显得十分重要。本论文首次采用微生物发酵技术来提高茶叶中咖啡碱含量,从而降低其生产成本。试验结果表明,微生物发酵确实能够较大幅度地增加茶叶中咖啡碱的含量,对发酵体系中的微生物进行跟踪检测,并与咖啡碱的含量变化进行综合分析,发现与咖啡碱含量变化相关的微生物主要是真菌和酵母,细菌几乎不起作用;进一步的单一微生物发酵试验表明,选用的霉菌能够提高茶叶中咖啡碱含量,而所选用的两种假丝酵母却使茶叶中咖啡碱含量降低。试验结果表明,黑曲霉发酵使茶叶中咖啡碱含量增加的幅度最大,在第16天,绿茶咖啡碱含量增加到9.63%,与最初的3.47%相比,增幅为177.5%;对试验结果进行综合分析,可以推断:微生物受茶叶中一些物质的诱导,产生了新的代谢途径,利用茶叶中的一些化合物合成咖啡碱,这些化合物大部分不溶于水,它们在绿茶中的含量远高于红茶;而且微生物代谢合成咖啡碱的最直接前提物可能是茶叶碱,而在茶树体中合成咖啡碱的最直接前提物是可可碱。 然而,对于茶多酚制品而言,过多的咖啡碱残留会影响它在一些领域的应用,因此有必要降低茶多酚中的咖啡碱含量。现在常用的方法是用氯仿等有机溶剂脱除咖啡碱,也有用超临界CO_2来分离的,尽管很有成效,但都存在很多问题,比如有机溶剂的毒害与残留,超临界CO_2的一次性投资很大等。因此,有人用柱层析等色谱的方法来分离茶多酚和咖啡碱,取得了一些成果,比如用C_(18)色谱柱、凝胶色谱柱、高速逆流色谱等分离茶多酚和咖啡碱,但C_(18)色谱柱和凝胶色谱柱成本很高,高速逆流色谱制备规模太小,因此寻找合适的价格低廉的固定相十分重要。本论文根据已有文献的报道,采用分子印迹技术合成以咖啡碱为模板的分子印迹聚合物,通过它对分子大小和结构的特殊选择性来分离咖啡碱。结果表明,以咖啡碱为模板,甲基丙烯酸为功能单体,采用水溶液微悬浮聚合合成分子印迹聚合物是可行的,模板分子和功能单体的最佳摩尔比为1∶12,流动相宜采用甲醇的醋酸水溶液;咖啡碱分子印迹色谱柱分离没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)和咖啡碱以及分离茶多酚各组分的实验结果证明,用分子印迹聚合物脱除茶多酚中的咖啡碱是可以实现的,EGCG和咖啡碱之间的分离度高达2.39,但分离过程会造成一些组分的损失。 表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)是儿茶素的主体成分,具有很强的药理功能,因此它的分离提取一直受到各界的重视。目前常用的方法是用葡聚糖凝胶的方法分离制备EGCG,也有用高速逆流色谱来分离制备的,还有将两种方法结合起来应用,都取得了很好的效果。但制备的规模很小,且成本很高。在本论文中,分子印迹技术被应用于分离EGCG。试验结果表明,以EGCG为模板,4-乙烯基吡啶为功能单体,采用水溶液微悬浮聚合制备分子印迹聚合物是可行的,模板分子和功能单体的最佳摩尔比为1∶16:EGCG分子印迹色谱柱分离EC、ECG和GCG实验结果证明,用分子印迹聚合物分离旋光异构体具有较好的效果,EGCG和GCG的分离度为1.52,但对于空间结构相同、分子上官能团差异较小如EGCG和ECG时,分离度较小,仅为0.60;应用儿茶素分子印迹柱分离咖啡碱和EGCG具有很好的效果,它们之间的分离度高达2.30;对茶多酚的分离试验表明,可以应用EGCG分子印迹色谱柱从茶多酚中分离制备高纯度EGCG。 茶色素是儿茶素的氧化产物,它对心血管和肿瘤等具有很好的防治效果,其主体成分是茶黄素和茶红素以及茶褐素。茶色素的制备方法有两种,一种是通过多酚氧化酶或过氧化物酶来氧化获得,另一种是通过铁氰化钾等化学氧化剂的氧化获得。多酚氧化酶和过氧化物酶有很好的选择性、专一性和较强的催化活性,但是很难获得,也不易回收再利用,因此成本很高。而人工模拟酶可以批量生产,既具有酶的催化能力,同时它的稳定性又大大优于天然酶蛋白,在有机相和水相中都不溶解,这样便于分离回收再利用。本论文以低分子量的壳聚糖为载体,通过与水杨醛反应合成壳聚糖希夫碱,然后与铜离子进行配位络合,最后用环氧氯丙烷进行交联,得到壳聚糖铜络合物。试验结果表明,形成的铜络合物具有与辣根过氧化物酶类似的催化能力,其活性较天然的过氧化物酶弱,如以焦性没食子酸为底物,壳聚糖希夫碱铜络合物的催化能力约为辣根过氧化物酶的28.28%。但它能够回收再利用,试验数据表明,重复使用4次后,模拟酶的活性几乎未发生变化,第四次催化形成的产物是第一次的86.18%,其损失可能是因为有一部分模拟酶在搅拌过程中发生粉碎,同时模拟酶对儿茶素还是有少量的吸附,这都会影响到模拟酶的活性。试验结果表明,用壳聚糖希夫碱铜络合物作为辣根过氧化物酶的模拟酶催化儿茶素的氧化制备茶黄素和茶红素是可行的。 茶色素的另一种制备方法是用化学氧化剂氧化儿茶素,最常用的氧化剂是铁氰化钾,它的氧化产率较高,但氧化剂的分离回收困难,而且氧化反应后需通过酸化来终止反应,这一过程中易产生氢氰酸,对人体和环境具有潜在的危险;而且,铁氰化钾氧化还原后形成的亚铁氰化钾在有酸或酸性盐存在时,特别是加热时,也会分解而放出剧毒的氢氰酸。此外,铁氰化钾氧化后从体系中分离困难,既不利于反应的终止,也不利于产品安全。为了提高铁氰化钾的稳定性,减轻它对人体和环境的潜在危害,实现与产品的完全分离,我们尝试以离子交换树脂为载体,将铁氰根离子吸附固定在树脂上,用它作为高分子氧化剂,去氧化儿茶素制备茶色素。试验结果表明,强碱性阴离子交换树脂717固载的铁氰化钾能氧化儿茶素形成茶黄素,但它的氧化活性较游离的铁氰化钾弱很多,若以D,L-C和EGCG为反应底物,固载氧化剂主产物茶黄素单没食子酸酯的峰面积(510351.9)是游离铁氰化钾氧化的主产物峰面积(1026658.0)的49.71%。反应后的树脂固载氧化剂可以通过过氧化氢的氧化有效再生,这对于降低生产成本,解决环境污染等是十分有利的。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TS272

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【参考文献】
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