林种玉　傅锦坤　杨茹　古萍英

摘要　用傅里叶变换红外光谱研究了室温下聚酰胺/硅胶吸附剂(PA/SiO2)对茶叶中茶多酚的分离提取原理.红外光谱表明，PA/SiO2中PA分子的酰胺基是通过氢键吸附茶多酚分子的活性基团，而酰胺基对咖啡因分子没有吸附作用.PA/SiO2中SiO2表面羟基OH是吸附咖啡因及茶多酚分子的活性基团.由于氢键的作用，茶多酚和咖啡因分子之间也能相互吸附.PA/SiO2对氨基酸类物质不起吸附作用，因而容易将其分离.
关键词　茶多酚，提取，红外光谱，咖啡因，聚酰胺，硅胶
中国图书分类号　O 657.33　Q 949.758.4

IR Absorption Spectra of Tea Polyphenol Extracted by PA/SiO2
Lin Zhongyu　Fu Jinkun　Yang Ru　Gu Pingying
(State Key Lab. for Phys. Chem. of Solid Surf., Inst. of Phys. Chem.,
Dept. of Chem., Xiamen Univ., Xiamen　361005)

Abstract　The principle of tea polyphenol extracted by polyamide on silica adsorbent (PA/SiO2) at room temperature was studied with FTIR Spectroscopy. The obtained IR spectra showed that the amide group CONH- of the PA molecule of PA/SiO2 adsorbed the active group of tea polyphenol molecule through hydrogen bonding and did not adsorb the caffeine molecule. The surface hydroxyl group on the SiO2 of PA/SiO2 was the reactive group which adsorbed caffeine and tea polyphend molecules, and the tea polyphenol and caffeine molecules can also adsorb each othe via hydrogen-bonding. Substances like amino acids were not adsorbed by PA/SiO2 and thus easily separated.
Key words　Tea polyphenol, Extraction, IR spectra, Caffeine, Polyamide, Silica

　　茶叶中含有茶多酚、咖啡因及多种氨基酸等生物活性物质［1］，其中茶多酚含量约占茶叶干重的22%.茶多酚是天然抗氧化剂，具有很强的清除自由基作用以及抑制癌变、脂质过氧化、抗衰老、抗辐射等多种生理功能［2］.有关茶叶中茶多酚的分离提取研究国内外已有大量的文献报道［3～5］.在这些研究基础上，我们开发研制了一种提取茶叶中茶多酚的PA/SiO2吸附剂［6］，茶多酚提取率高于90%，纯度可达80%～90%；工艺简单，吸附剂可反复使用，且无污染环境问题，具有应用前景.本文用红外、紫外可见光谱研究了室温下该吸附剂与茶多酚、咖啡因和氨基酸(L_胱氨酸)之间的相互作用本质.
1　实　验
1.1　试　剂
　　聚酰胺(尼龙-66，颗粒状，上海树脂厂)、扩孔硅胶(30～40目，r=12 nm，青岛化工厂)、茶多酚(自制品，纯度90.2%)、咖啡因、L-胱氨酸均为生化试剂.
1.2　PA/SiO2吸附剂制备
　　具体步骤同文献［6］.
1.3　红外光谱测定
　　样品制备：室温下用1～2 gPA/SiO2分别置于茶多酚、咖啡因、氨基酸的水溶液中，搅拌30 min,过滤；已吸附茶多酚、咖啡因等物质的PA/SiO2试样在80 ℃下抽真空干燥24 h，然后分别将其与干燥的KBr粉末混合(约1∶20)、研磨、压片(厚0.2 mm).
　　仪器条件：NIC 740 FTIR光谱仪、MCT-B检测器.分辨率4 cm-1，增益1，扫描次数32，平滑参数11，平滑次数1.KBr片(厚0.2 mm,增益1，扫描次数32)作参比.
1.4　紫外可见光谱测定
　　配制一组茶多酚和咖啡因含量分别为9.6%和2.4%的水溶液.各取5 mL流经不同PA负载量的PA/SiO2吸附剂［6］.用氯仿萃取流出液中的咖啡因，用岛津UV-240紫外可见分光光度计测定咖啡因含量.

图1　SiO2(a)、PA(b)和PA/SiO2(c)的红外光谱
Fig.1　IR spectra of (a) SiO2、(b) polymide and (c) PA/SiO2

2　结果与讨论
2.1　吸附前PA/SiO2的红外光谱
　　图1为扩孔SiO2、PA及PA/SiO2的红外光谱.图1a出现的3 446 cm-1吸收带可指认为SiO2表面由于吸附水蒸气形成二聚的O-H…O-H的υO-H［7］.1 102 cm-1谱带指认为υSi-O.图1b中3 299 cm-1、3 060 cm-1二谱带分别归属于PA分子NH基二聚及多聚的υN-H［7,8］.1 642　cm-1来自C=O基的υC=O，当PA负载于SiO2之后，红外光谱(图1c)发生了变化.SiO2表面二聚的羟基υO-H(3 446 cm-1)和υSi-O(1 102 cm-1)两谱带分别向低频位移至3 426 cm-1和1 094 cm-1.而PA二聚及多聚的υN-H(3 299 cm-1、3 060 cm-1)分别蓝移至3 309 cm-1及3 106 cm-1，υC=O(1 642 cm-1)没有位移.上述现象表明PA分子的NH基同SiO2表面二聚的OH及SiO基相互作用形成多聚的分子间氢键，削弱了O-H及Si-O键，导致υO-H及υSi-O红移.负载于SiO2上的PA分子起了堵塞硅胶表面OH基吸附活性位的作用.载体SiO2经扩孔处理过，复盖在扩孔硅胶表面的PA在SiO2分子的分散作用下，相当一部分PA分子削弱或解除了分子间氢键，而导致υN-H蓝移.PA的υC=O谱带位置保持不变，说明该分子的C=O键没有同硅胶的OH基作用形成氢键.载体SiO2是酸性氧化物，其表面活性基团极易同PA分子中基团略呈碱性的NH基相互作用形成氢键，保留PA分子中略呈酸性的C=O基团的吸附活性位.
2.2　PA/SiO2吸附茶多酚的红外光谱

图2　茶多酚(a)和PA/SiO2吸附茶多酚(b)的红外光谱
Fig.2　IR spectra of (a) tea polyphenol and (b) tea polyphenol adsorbed by PA/SiO2

　　图2示出自制茶多酚(以儿茶素为主的多酚类混合物)以及PA/SiO2吸附茶多酚的红外光谱.图2a中3 362 cm-1谱峰来自茶多酚分子中OH基的υO-H.茶多酚同PA/SiO2相互作用的结果引起该υO-H谱带(3 362 cm-1)蓝移至3 396 cm-1(图2b).而PA/SiO2吸附剂中PA分子υC=O谱带由1 642 cm-1(图1c)降至1 630 cm-1，说明PA分子C=O基端氧同茶多酚分子OH基氢原子相互吸引形成氢键，导致υC=O红移.但茶多酚分子的υO-H谱带由3 362 cm-1蓝移至3 396 cm-1，这是由于复盖在扩孔硅胶表面的PA分子的C=O基对茶多酚分子OH基的吸附起了分散茶多酚分子的作用，从而削弱或消除了茶多酚部分分子内及分子间氢键的缘故.上述结果表明PA对茶多酚有吸附作用.
2.3　PA/SiO2吸附咖啡因的红外光谱

图3　咖啡因(a)和PA/SiO2吸附咖啡因(b)的红外光谱
Fig.3　IR spectra of (a) caffeine and (b) caffeine adsorbed by PA/SiO2

　　由图3示出的咖啡因及PA/SiO2吸附咖啡因的红外光谱看出，当加入咖啡因后，PA/SiO2中SiO2表面羟基的υO-H谱峰由3 426 cm-1(图1c)降至3 412　cm-1(图3b).咖啡因的两个υC=O谱峰(1 702cm-1、1 663　cm-1)在与吸附剂相互作用之后，其中基的υC=O谱带由1 663　cm-1降至1 653　cm-1，说明咖啡因分子的基端氧同吸附剂中SiO2表面羟基形成氢键，而导致谱带红移.咖啡因分子的另一个基团的υC=O谱带(1 702　cm-1)由于其羰基端氧的电负性小于基，加上空间位阻的缘故，其羰基没同吸附剂上的羟基形成氢键，因此谱峰位置保持不变.比较图1c与图3b看出，加入咖啡因之后，吸附剂中PA分子的υN-H谱带位置(3 310　cm-1)基本保持不变，说明PA分子的NH基并没同咖啡因分子C=O基形成氢键.上述结果表明SiO2表面OH基对咖啡因有吸附作用，PA对咖啡因没有吸附作用而对茶多酚有吸附作用.负载型PA/SiO2吸附剂是将载体SiO2经高温扩孔处理过，这样一方面减少其表面吸附水蒸汽形成的OH基数量，另一方面提高PA在SiO2表面的复盖度，使硅胶表面残余的OH基减少到最低限度，使其吸附咖啡因的量降至最低水平，提高茶多酚与咖啡因的分离效果.
2.4　PA/SiO2同时吸附茶多酚和咖啡因的红外光谱

图4　PA/SiO2吸附茶多酚和咖啡因的红外光谱
Fig.4　IR spectra of tea polyphenol and caffeine adsorbed by PA/SiO2

　　图4为PA/SiO2同时吸附茶多酚和咖啡因的红外光谱.比较吸附剂只吸附茶多酚的红外光谱(图2b)发现，当多加入咖啡因之后，已和PA分子C=O基作用的茶多酚分子的υO-H吸收谱带由3 396　cm-1降至3 344　cm-1，咖啡因的基团的υC=O由1 663　cm-1降至1 647 cm-1，说明咖啡因分子基团端氧能吸引茶多酚分子的OH基形成氢键.比较吸附剂只吸附咖啡因的红外光谱(图3b)看出，当多加入茶多酚之后，茶多酚及已和PA作用的硅胶表面羟基υO-H吸收谱带分别由3 362 cm-1及3 412　cm-1降至3 344　cm-1，已和硅胶OH基作用的咖啡因分子CNNO基的υC=O，由1 653 cm-1再次降至1 647　cm-1.说明茶多酚与咖啡因分子的活性基团之间的相互吸附作用，也说明茶多酚分子同硅胶表面羟基形成了多聚的分子间氢键，吸附剂中硅胶对茶多酚也有吸附作用.氨基酸(L_胱氨酸)的红外光谱表明，可归属于胱氨酸NH3+基υN-H的3 026　cm-1、COO-基υC=O的1 585　cm-1和基υC=O的1 622　cm-13个谱峰，在胱氨酸同PA/SiO2作用之后，上述活性基团的谱峰位置均保持不变，说明PA/SiO2吸附剂未能由于氢键作用而吸附氨基酸.IR谱还表明，氨基酸与茶多酚及咖啡因之间没有吸附作用，因此容易将其同茶多酚及咖啡因分离.
2.5　PA/SiO2吸附咖啡因的紫外可见光谱测定
　　选取273 nm峰作为咖啡因的定量峰，测流出液中咖啡因的含量.结果表明当含有9.6%茶多酚和2.4%咖啡因的混合水溶液流经PA/SiO2之后，已经分离出其中2/3的咖啡因，还有1/3留在茶多酚里.经过几次反复，茶多酚中咖啡因含量逐次可减少约2/3.实际上茶叶中咖啡因的含量只有2%～5%，若经过如此多次吸附，必能有效地分离出咖啡因，使其残留量降至最低水平，提高茶多酚的纯度.咖啡因对茶多酚的吸附作用会影响两者的分离效果.实际上吸附剂与咖啡因对茶多酚的分子之间存在着竞争吸附过程.从结构上看，吸附剂PA分子含有大量的活性基团，比咖啡因分子单个基更容易吸附茶多酚分子的羟基氢，竞争结果绝大多数茶多酚分子的活性基团选择性地吸附在PA/SiO2中PA分子上，而达到吸附平衡，从而分离出其中的咖啡因.

作者单位：固体表面物理化学国家重点实验室　厦门大学物理化学研究所　厦门大学化学系　厦门　361005

参考文献

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