CN102850470A

CN102850470A - 一种从绿茶茶渣中分离纯化水溶性半纤维素的方法

Info

Publication number: CN102850470A
Application number: CN2012103780716A
Authority: CN
Inventors: 周惠明; 宋珺玲; 朱科学; 郭晓娜; 彭伟
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-10-08
Also published as: CN102850470B

Abstract

本发明公开了一种从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其以工业上生产速溶茶和茶多酚产生的剩余茶渣为原料，利用碱性过氧化氢法将其中的半纤维素溶出，然后用低浓度乙醇将少量直链非水溶性半纤维素沉淀，再利用高浓度乙醇沉淀得到水溶性半纤维素，而后利用大孔吸附树脂对此茶渣水溶性半纤维素进行脱色得到水溶性半纤维素。本发明通过不同乙醇浓度沉淀的方法将茶渣中水溶性半纤维素与不溶性半纤维素分离，工艺简单，易于工业化。经过大孔吸附树脂脱色纯化后可以得到色泽浅白、纯度达70％且易溶于水的绿茶茶渣半纤维素，为半纤维素的应用打开了新的大门。

Description

一种从绿茶茶渣中分离纯化水溶性半纤维素的方法

技术领域

本发明涉及一种绿茶茶渣半纤维素的提取分离技术，尤其涉及一种从绿茶茶渣中分离纯化水溶性半纤维素的方法。

背景技术

我国是产茶大国，茶叶资源十分丰富，但在茶叶深加工过程中也产生了几十万吨的茶叶废渣，没有被充分利用，这不仅造成了资源的浪费，也严重污染了生态环境。绿茶茶渣半纤维素是茶渣中溶于碱性溶液中的那一部分非纤维素多糖，占茶渣干重的20％-30％，作为茶渣粗纤维中含量仅次于纤维素的成分，绿茶茶渣半纤维素有很高的利用前景。

茶渣半纤维素中主要包括半乳糖、阿拉伯糖以及葡萄糖，有一些还与蛋白质结合形成糖蛋白。研究表明，绿茶阿拉伯半乳聚糖以及阿拉伯半乳聚糖-蛋白质复合体对人体有很重要的免疫调节作用，可以抑制酒精对胃部的损害，防止胃溃疡的发生，有很好的药用价值；作为一种可溶的、非粘性的膳食纤维，它可以添加到各类食品中，在食品中发挥支撑、抗老化等作用，是一种完美的食品添加助剂；它还可以作为药物载体，也被利用在肝脏磁共振成像系统中，在工业上发挥着重要的作用。

在现有技术中半纤维素提取方式主要有碱法提取、超声波微波辅助提取、蒸汽提取法以及碱性过氧化氢法等等。CN102276760A公开了一种利用梯度乙醇沉淀的方法将农林生物质提取的半纤维素分级以适用于不同的应用需求，但是没有解决半纤维素产品难溶于水的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，以克服现有技术中存在的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，包括以下步骤：

(1)将工业生产速溶绿茶饮料和茶多酚的剩余茶渣干燥、磨碎，形成粒径为0.3-0.4mm的茶渣粉末；

(2)将步骤(1)所得茶渣粉末用0.5wt％-1.25wt％的NaOH溶液在40-70°C提取2h以上，提取期间加入H₂O₂，至混合反应液中的H₂O₂浓度达到1wt％-4wt％，而后过滤，收集滤液，得到茶渣半纤维素提取液；

(3)将步骤(2)所得茶渣半纤维素提取液pH值调节至5.0-7.0，并加入乙醇，至混合液中的乙醇浓度达到30wt％-50wt％，均匀混合后在静置8h以上，而后离心得到上层清液和下层沉淀；

(4)向步骤(3)所得上层清液中加入乙醇，直至混合液中的乙醇浓度达到60wt％-85wt％，均匀混合后于静置8h以上，而后离心得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀洗涤、干燥得到水溶性半纤维素。

进一步的，该方法包括以下具体步骤：

(1)将工业生产速溶绿茶饮料和茶多酚的剩余茶渣干燥、磨碎，形成粒径在0.3-0.4mm的茶渣粉末；

(2)将步骤(1)所得茶渣粉末用0.5wt％-1.25wt％的NaOH溶液在40-70°C提取2-8h，提取期间均匀加入H₂O₂，直至混合反应液中的H₂O₂浓度达到1wt％-4wt％，而后过滤，收集滤液，并用水洗涤滤渣，将洗涤液并入滤液中，得到茶渣半纤维素提取液；

(3)将步骤(2)所得茶渣半纤维素提取液的pH值调节至5.0-7.0，而后减压浓缩得到浓缩液，向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇浓度达到30wt％-50wt％，均匀混合后在4°C静置8-10h，而后离心得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用乙醇洗涤，干燥得到不溶性半纤维素；

(4)将步骤(3)所得上层清液加入无水乙醇直至乙醇浓度达到60wt％-85wt％，均匀混合后在4℃静置8-10h，离心得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀用乙醇洗涤，干燥得到水溶性半纤维素。

作为优选方案之一，步骤(2)中是将步骤(2)所得茶渣粉末用0.75wt％-1.0wt％的NaOH溶液在60-70°C提取2-4h，提取期间均匀加入H₂O₂，直至混合反应液中的H₂O₂浓度达到2wt％-3wt％，且使混合反应也中的反应液料比为20-40V/W，而后过滤。

作为优选方案之一，步骤(3)中是向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇浓度达到35wt％-40wt％，均匀混合后在4℃静置。

作为优选方案之一，步骤(4)中是向步骤(3)所得上层清液中加入无水乙醇至乙醇浓度达到70wt％-80wt％，均匀混合后在4°C静置。

作为优选方案之一，该方法还包括如下步骤：

(5)将步骤(4)所述水溶性半纤维素配制成半纤维素溶液，并以碱性大孔吸附树脂脱色。

进一步的，步骤(5)具体包括如下步骤：

I、将步骤(4)所得水溶性半纤维素配制成2-15mg/mL的半纤维素溶液；

II、将步骤I所得半纤维素溶液以1-3个柱床体积/小时的上样流速通过装有碱性大孔吸附树脂的层析柱脱色，当上样量为1-10个柱床体积时停止上样，并以2个以上柱床体积的水顶洗，合并饱和点以前的处理液和顶洗液，干燥得到水溶性的第一脱色半纤维素；

III、用3-9个柱床体积的0.1-0.5mol/L的NaCl溶液以1-3个柱床体积/小时的流速通过前述装有碱性大孔吸附树脂的层析柱，将吸附在层析柱内的半纤维素洗脱，将洗脱液减压浓缩后添加无水乙醇直至乙醇浓度达到60wt％-85wt％，均匀混合后于4°C静置8h以上，离心得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀洗涤，干燥得到水溶性的第二脱色半纤维素。

优选的，步骤I中半纤维素溶液的浓度为10-15mg/ml。

优选的，步骤II中上样量为5-8个柱床体积，上样流速为2-3个柱床体积/小时。

优选的，步骤III中是以3-6个柱床体积的0.1-0.3mol/L NaCl溶液以2-3个柱床体积/小时的流速通过前述装有碱性大孔吸附树脂的层析柱.

优选的，所述碱性大孔吸附树脂包括弱碱性大孔吸附树脂或强碱性大孔吸附树脂。

优选的，所述碱性大孔吸附树脂包括D301-F和/或D280。

本发明以绿茶茶渣为原料，根据原料色泽和质构特性，利用传统的碱性过氧化氢法，水溶性半纤维素得率可以达到20％-25％，纯度为32％-36％，提取初产物经大孔吸附树脂脱色纯化后得率为3.5％-5％，纯度达到70％-80％。本发明方法可以适当改善产物色泽，而且过氧化氢在反应过程中会增加半纤维素溶解性，并结合大孔吸附树脂脱色纯化方法，可以得到色泽良好，纯度较高的绿茶茶渣水溶性半纤维素。该发明充分利用了资源，工艺简单易行，适合工业化生产，所用的乙醇回收重复使用，具有良好的经济效益和生态效益。

附图说明

下面通过若干较佳实施例和附图对本发明的技术方案作详细描述。

图1是本发明实施例4中D280树脂动态吸附曲线图；

图2是本发明实施例4中梯度NaCl溶液洗脱图；

图3是本发明实施例5中所得绿茶茶渣水溶性半纤维素的红外谱图。

具体实施方式

有鉴于现有技术中的不足，并考虑到当前工业生产速溶绿茶饮料和茶多酚的剩余茶渣被遗弃而可能造成的资源浪费和环境污染等问题，本案发明人旨在开发出一种从绿茶茶渣中制备色泽优良，纯度较高，溶解性好的水溶性半纤维素的方法。

进一步的，因绿茶茶渣中仍然残留大量的色素，导致茶渣半纤维素多糖颜色深红棕色，严重限制对茶渣半纤维素的应用，本案发明人还提出了利用大孔吸附树脂通过物理吸附去除其中色素的方案，其吸附作用条件温和，不会破坏待处理物质的物理化学性质。

本发明的方法不仅操作简单，易于工业化，且价格便宜，经过再生后可连续多次使用，非常适合绿茶茶渣水溶性半纤维脱色纯化。

作为本发明的一种典型实施方案，该从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法包括如下步骤：

(1)提取：取一定量的绿茶茶渣，按料液比1∶20-1∶50(w/v)加入0.5wt％-1.25wt％的NaOH溶液，在温度40℃-70℃条件下提取2-8h，提取过程中缓慢加入H₂O₂直至H₂O₂浓度达到1wt％-4wt％。离心转速3000-5000r/min，过滤孔径80-120μm。得到半纤维素提取液。

(2)浓缩：pH值调节剂为HCl；调半纤维素溶液pH值为5.0-7.0；减压浓缩温度45℃-55℃，真空度为0.08-0.09MPa；浓缩后体积为原体积的25％-35％。

(3)分离：第一步控制乙醇浓度在30wt％-50wt％，4℃静置8-10h，离心沉淀，干燥得到沉淀A。第二步取其上层清液，控制上层清液乙醇浓度至70wt％-85wt％，4℃静置8-10h。离心沉淀，干燥得沉淀B。

(4)大孔吸附树脂吸附：将沉淀B溶于水中配制成浓度为2-15mg/ml的溶液，在常温下以1-3个柱体积每小时的流速通过装有大孔吸附树脂的层析柱脱色，当处理量达到1-10个柱体积时停止上样，用1-3倍柱体积的去离子水顶洗，合并洗脱液，干燥得水溶性的第一脱色半纤维素。

(5)大孔吸附树脂解析：用3-9个柱床体积的0.1-0.5mol/L的NaCl溶液以1-3个柱床体积每小时的流速通过层析柱，收集解析液。解析液减压浓缩后用乙醇沉淀，将沉淀干燥得水溶性的第二脱色半纤维素。

实施例一：称取等量粉碎茶渣，控制反应时间2h，液固比为30，反应温度为50°C，NaOH浓度为0.03wt％的条件下，考察H₂O₂质量百分浓度的变化(0wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％)对绿茶半纤维素提取的影响。

将以上六种双氧水浓度的提取液浓缩醇沉，沉淀用蒸馏水溶解分别取样，经过3，5-二硝基水杨酸法测其总糖含量，得到六种不同浓度的半纤维素中多糖得率分别为：2.0％、2.3％、2.2％、2.2％、2.1％、2.1％。

将六种不同浓度的半纤维素提取物作进一步分析，将不同H₂O₂浓度提取的半纤维素加水溶胀后，各取5mL溶液，分别添加浓硫酸10mL，发现没有添加过氧化氢的样品颜色最深，呈黑色，添加1wt％H₂O₂和2wt％H₂O₂的样品颜色也是深棕色，直到H₂O₂浓度达到3wt％，反应液的色泽呈现淡黄色。

由实施例一可知不同双氧水浓度对半纤维素提取率没有显著性影响。但是随着双氧水浓度的提高，直至双氧水浓度达到3wt％-4wt％，可以有效降低半纤维素中的非糖杂质。

实施例二：称取等量粉碎茶渣，控制反应时间2h，液固比为30(V/W)，反应温度为50°C，H₂O₂浓度3wt％的条件下，考察NaOH浓度的变化(0.25wt％、0.5wt％、1.0wt％)对绿茶半纤维素提取的影响。三种碱浓度半纤维素多糖得率分别为：4.094％、5.838％、8.784％。

由实施例二可知，NaOH浓度在0.5wt％-1.25wt％范围内较合适。

实施例三：称取100g绿茶茶渣，添加3.6L0.75wt％NaOH溶液，在70℃条件下反应2h，反应过程中逐滴加入30wt％H₂O₂400mL。离心过滤，将滤液pH值调至5-7，真空浓缩至1.3L，缓慢匀速添加无水乙醇333mL保证乙醇质量浓度为20wt％，在4℃条件下静置8-10h，离心过滤，沉淀用70wt％乙醇洗涤干燥得到半纤维素A。

再向上清液中添加无水乙醇556mL保证乙醇质量浓度为40wt％，在4°C条件下静置8-10h，离心过滤，沉淀用70wt％乙醇洗涤干燥得到半纤维素B。

再向上清液中添加无水乙醇1.1L保证乙醇质量浓度为60wt％，在4°C条件下静置8-10h，离心过滤，沉淀用70wt％乙醇洗涤干燥得到半纤维素C。

再向上清液中添加无水乙醇3.33L保证乙醇质量浓度为80wt％，在4°C条件下静置8-10h，离心过滤，沉淀用70wt％乙醇洗涤干燥得到半纤维素D。

A、B、C、D四种半纤维素得率分别为6.3g、8.0g、14.8g、7.066g。其中A不溶于水，B不完全溶于水，C和D有良好的溶解于水的能力。说明低浓度乙醇沉淀的半纤维素不溶于水，高浓度的乙醇沉淀的半纤维素是水溶性的。而临界点在30wt％-50wt％。

实施例四：将经过预处理的D280树脂在湿态条件下装入

的玻璃交换柱。将配置好的2mg/mL半纤维素溶液以流速2BV/h上柱。上样量为39个柱体积，绘制出树脂的动态吸附曲线见图1.从图中可以看出，在上样量在10-15个柱体积的时候，树脂的吸附基本饱和，所以在柱体积10-15(上样量达到1.6g-2.5g)就可以停止上样。

分别用0.1mol/L-0.9mol/L的NaCl溶液洗脱柱，每个浓度的洗脱体积为两个柱体积，洗脱速度为2个柱体积每小时。发现低浓度的NaCl溶液可以洗脱半纤维素，高浓度的NaCl可以洗脱色素，所以NaCl溶液可以很好的分离半纤维素和色素，洗脱见图3。实验表明，1-8个柱体积的0.1-0.5mol/L的NaCl溶液可以很好的将树脂柱中的饱和半纤维素洗脱出来。

实施例五：将经过预处理的D280树脂在湿态条件下装入的玻璃交换柱。将配置好的10mg/mL半纤维素溶液以流速2BV/h上柱，上样体积为3个柱体积，停止上样。用1-8个柱体积的0.1mol/L的NaCl以流速2BV/h上柱洗脱。收集洗脱液，浓缩后用四倍无水乙醇沉淀，将沉淀干燥得到脱色后半纤维素(即，绿茶茶渣水溶性半纤维素)，得率为上样量的16％-17％，纯度为70％-85％，其红外图谱参阅图3。

最后需要指出的是，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(2)将步骤(1)所得茶渣粉末用0.5wt％-1.25wt％NaOH溶液在40-70°C提取2h以上，提取期间加入H₂O₂，至混合反应液中的H₂O₂浓度达到1wt％-4wt％，而后过滤，收集滤液，得到茶渣半纤维素提取液；

2.根据权利要求1所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，它包括以下具体步骤：

3.根据权利要求1或2所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，步骤(2)中是将步骤(1)所得茶渣粉末用0.75wt％-1.0wt％的NaOH溶液在60-70°C提取2-4h，提取期间均匀加入H₂O₂，直至混合反应液中的H₂O₂浓度达到2wt％-3wt％，且使混合反应也中的反应液料比为20-40V/W，而后过滤。

4.根据权利要求1或2所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于：

步骤(3)中是向浓缩液中加入无水乙醇至乙醇浓度达到35wt％-40wt％，均匀混合后静置；

步骤(4)中是向步骤(3)所得上层清液中加入无水乙醇至乙醇浓度达到70wt％-80wt％，均匀混合后静置。

5.根据权利要求1或2所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，它还包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，步骤(5)具体包括如下步骤：

III、用3-9个柱床体积的0.1-0.5mol/L的NaCl溶液以1-3个柱床体积/小时的流速通过前述装有碱性大孔吸附树脂的层析柱，将吸附在层析柱内的半纤维素洗脱，将洗脱液减压浓缩后添加无水乙醇直至乙醇浓度达到60wt％-85wt％，均匀混合后于4℃静置8h以上，离心得到上层清液和下层沉淀，取下层沉淀洗涤，干燥得到水溶性的第二脱色半纤维素。

7.根据权利要求6所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，步骤II中上样量为5-8个柱床体积，上样流速为2-3个柱床体积/小时。

8.根据权利要求6所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，步骤III中是以3-6个柱床体积的0.1-0.3mol/L NaCl溶液以2-3个柱床体积/小时的流速通过前述装有碱性大孔吸附树脂的层析柱.

9.根据权利要求5所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，所述碱性大孔吸附树脂包括弱碱性大孔吸附树脂或强碱性大孔吸附树脂。

10.根据权利要求5所述从绿茶茶渣中制备水溶性半纤维素的方法，其特征在于，所述碱性大孔吸附树脂包括D301-F和/或D280。