他雪峰，許 軍

（中國民航大學理學院 天津 300300）

超聲波輔助綠茶提取物的制備及多壁碳納米管/綠茶提取物復合體系分散性能研究

他雪峰，許 軍

（中國民航大學理學院 天津 300300）

以干燥綠茶粉末為原料，食用酒精溶液為萃取液，采用超聲波輔助提取制備綠茶提取物?？刂戚腿∫簼舛取⒐?液比及超聲萃取時間，研究提取工藝，用紫外可見分光光度計對提取物中的茶多酚含量進行分析。結(jié)果表明，食用酒精溶液濃度為70%、固液比為1∶12、45℃下超聲萃取60min，提取物產(chǎn)率和茶多酚含量最高，分別達到42.22%和22.49%。將多壁碳納米管（MWNTs）分散到綠茶提取物水溶液中時，茶多酚的苯環(huán)與MWNTs產(chǎn)生π-π共軛效應并吸附在MWNTs表面，茶多酚的羥基伸向水相，使MWNTs均勻分散在水中。

綠茶提取物；超聲波；茶多酚；碳納米管

茶葉提取技術是將茶葉中的有效成分提取出來，茶葉提取物包括茶多酚、茶多糖、咖啡堿、茶黃素、茶氨酸等[1]。茶多酚（Tea Polyphenols，TP）占茶葉干質(zhì)量的18%~36%，是茶葉中與亞鐵離子反應的酚類化合物的總稱，它是茶葉中具有活性的多種化合物的混合物，其中兒茶素含量最高占茶多酚的80%左右。兒茶素主要包括表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）、表沒食子兒茶素（EGC）、表兒茶素沒食子酸酯（ECG）、表兒茶素（EC）等[2]。茶多酚對機體活性氧自由基和脂類自由基有清除作用，具有抗畸變、抗遺傳毒性、降血糖、抑制腫瘤發(fā)生和防治神經(jīng)退行性疾病等功效，廣泛應用在油脂、食品、醫(yī)藥、化妝品及飲料等領域[3]。茶葉提取技術和提取物應用研究備受國內(nèi)外學者關注。茶葉提取方法主要有樹脂吸附分離法、有機溶劑萃取法、膜滲透分離法、超臨界萃取法、超聲波輔助提取法等[4]。其中超聲波輔助提取法利用超聲波產(chǎn)生空化、振動、加速、乳化、擴散、擊碎和攪拌作用增加溶劑穿透能力，加速細胞內(nèi)物質(zhì)釋放、擴散及溶解，促進提取過程的進行[5]，具有提取溫度低、氧化損耗小、不改變提取物性狀和有效成分結(jié)構(gòu)、提取效率高等特點[6-8]。

碳納米管（CNTs）是石墨片形成的中空碳籠管，具有獨特的導電、導熱和電磁特性，具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性及輕質(zhì)性。其中多壁碳納米管（MWNTs）生產(chǎn)成本低，管徑和長度可在較寬范圍內(nèi)選擇，基于MWNTs的先進復合材料有望滿足產(chǎn)業(yè)化要求。CNTs具有大比表面積和長徑比，表面缺少活性基團，導致CNTs易聚集并相互纏結(jié)，當它與其它物質(zhì)復合時，其優(yōu)異性能難以發(fā)揮[9]，對CNTs進行表面修飾使其均勻分散成為研究重點。超聲波或高速剪切等機械分散法，操作簡單但會使CNTs斷裂，長徑比下降，進而導致其性能下降[10-11]。共價鍵化學修飾法把特定官能團或聚合物通過化學反應接枝到CNTs表面，可促進CNTs分散并增強與基體的界面結(jié)合，但破壞了CNTs的表面結(jié)構(gòu)也降低了它的性能[12-13]。非共價鍵化學修飾法是指CNTs側(cè)壁由石墨片層結(jié)構(gòu)組成，其碳原子sp2雜化形成高度離域π電子，這些π電子和含有π電子的其他化合物可通過π-π共軛作用相結(jié)合，將化合物以非共價鍵形式包覆在CNTs表面，這樣在既帶有活性基團、表面結(jié)構(gòu)又不被破壞的情況下，CNTs可從團簇中分散到溶劑中去[14-15]。

茶多酚中存在鄰苯三酚和兒茶酚基團，具有良好的水溶性和還原性。大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的π電子可與CNTs或石墨烯片層的sp2雜化碳原子形成π-π共軛體系，茶葉提取物在CNTs分散及制備水溶性CNTs方面存在潛力。如Nakamura等[16]報道了綠茶水可以將 MWNTs分散溶解在水中。Wang Yan等[17]用茶多酚還原氧化石墨并獲得水溶性導電石墨烯。

本研究以干燥綠茶粉末為原料，食用酒精溶液為萃取液，采用超聲波輔助提取法制備綠茶提取物。用紫外可見分光光度計對茶多酚含量進行分析，通過改變萃取液濃度、固/液比及超聲時間，研究工藝參數(shù)對提取物產(chǎn)率和茶多酚含量的影響。采用傅利葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）對MWNTs/綠茶提取物復合體系的結(jié)構(gòu)、形貌進行研究。將MWNTs分散到綠茶提取物水溶液中時，茶多酚的苯環(huán)與MWNTs產(chǎn)生π-π共軛效應并吸附在MWNTs表面，使MWNTs均勻分散在水中。

1 實驗部分

1.1 超聲輔助綠茶提取物的制備及茶多酚含量測定

將市售綠茶于45℃干燥12h后置于F-80高速粉碎機中粉碎至0.175mm。準確稱取5.00g干燥綠茶粉末加入100mL圓底燒瓶中，加入食用酒精水溶液后置于KQ3200DB數(shù)控超聲波清洗器中，在45℃下超聲波輔助提取，超聲功率150W。提取結(jié)束后將提取液置于800離心機中離心5min，轉(zhuǎn)速4000 r·min-1。分離后的上層黃綠色透明溶液為提取物與食用酒精溶液的混合物，下層為綠茶殘渣，取清液棄殘渣。將提取液中的大部分食用酒精通過減壓蒸餾回收，剩余的高濃度提取液倒入表面皿中于80℃真空干燥2h得到綠茶提取物。改變食用酒精濃度、固/液比（即綠茶粉末質(zhì)量與食用酒精溶液體積之比）和超聲萃取時間，得到不同工藝參數(shù)條件下的綠茶提取物樣品，進行產(chǎn)率計算和茶多酚含量分析。提取物質(zhì)量占所用干燥綠茶粉末質(zhì)量的百分比為提取物產(chǎn)率。

茶多酚含量測定根據(jù)國標GB/T 8313-2002，采用WGZ-8雙光束紫外-可見分光光度計進行測定。將實驗制得的各綠茶提取物樣品取其質(zhì)量的1/10，用25mL質(zhì)量分數(shù)為70%的食用酒精溶液溶解制成提取液。稱取硫酸亞鐵1.000g和酒石酸鉀鈉5.000g加入1L容量瓶中，用蒸餾水溶解并定容得到酒石酸亞鐵溶液。準確稱取磷酸氫二鈉23.877g和磷酸二氫鉀9.078g分別置于1L容量瓶中，用蒸餾水溶解并定容，分別取磷酸氫二鈉溶液85mL和磷酸二氫鉀溶液15mL置于100mL容量瓶中，混合均勻即得pH=7.5的磷酸鹽緩沖液。量取1mL提取液、4mL水、5mL酒石酸鐵四水合物溶液和15mL緩沖液混合后倒入25mL容量瓶，以試劑空白溶液作參比，用10mm比色皿于540 nm處測定吸光度，計算茶多酚含量，其計算公式如式（1）所示：

式中，A為試樣吸光度；L1為試液量，25mL；L2為測定時用液量，1mL；M為干燥茶葉粉末質(zhì)量，500 mg；1.957為用10mm比色皿比色時吸光度等于0.50時每mL茶湯中TP含量，mg。

1.2 MWNTs/綠茶提取物復合體系的制備與表征

取10mg綠茶提取物溶解在10mL水中后加入10mg的MWNTs超聲分散5min，得到MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液。取少量MWNTs、綠茶提取物、MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液真空干燥后經(jīng)KBr研磨壓片，用Nicolet Avata 330傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）測量紅外光譜。取少量MWNTs和MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液置于蓋玻片上干燥后噴金，用FEI Nano SEM 430場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 綠茶提取物的產(chǎn)率與茶多酚含量

干燥的綠茶粉末5g在45℃下制備提取物時，改變食用酒精溶液濃度、固/液比和超聲萃取時間得到不同工藝參數(shù)條件下的提取物樣品，各提取物樣品的產(chǎn)率和茶多酚含量如表1和圖1所示。

從表1和圖1實驗數(shù)據(jù)看出，干燥綠茶粉末5g在45℃下用60mL濃度為70%的食用酒精溶液溶解、固液比為1∶12、超聲萃取60min后，綠茶提取物的產(chǎn)率最高，達到42.22%，同時在此工藝條件下茶多酚含量最高，達到22.49%。

2.2 紅外光譜分析

MWNTs、綠茶提取物、MWNTs/綠茶提取物復合體系的FTIR光譜如圖2所示。從圖2看出，在MWNTs的FTIR譜圖中，1400cm-1處的峰是聲子模式振動引起的，這是MWNTs紅外光譜特征峰[18]。在綠茶提取物的FTIR譜圖中，3387cm-1處的峰對應提取物中茶多酚的C-OH鍵伸縮振動，1036cm-1處的峰對應茶多酚的C-O鍵伸縮振動，1607cm-1處的峰對應茶多酚的C=C鍵伸縮振動[19]。在MWNTs/綠茶提取物復合體系的FTIR光譜中，1370cm-1和1597cm-1處的峰分別對應MWNTs聲子振動和茶多酚C=C鍵的特征吸收。由于茶多酚的苯環(huán)與MWNTs發(fā)生了π-π共軛效應共軛，使MWNTs和綠茶提取物的特征峰發(fā)生了紅移[20]。

表1 不同工藝參數(shù)條件下綠茶提取物產(chǎn)率和茶多酚含量Tab. 1 Yield of green tea extract and tea polyphenol content with different process parameters

圖1 不同工藝參數(shù)條件下綠茶提取物的產(chǎn)率（a）和茶多酚含量（b）Fig. 1 Yield of green tea extract (a) and tea polyphenol content (b) with different process parameters

圖2 MWNTs（a）、綠茶提取物（b）和MWNTs/綠茶提取物復合體系（c）的FTIR光譜Fig. 2 FTIR spectra of MWNTs (a), green tea extract (b) and MWNTs/green tea extract composite system (c)

2.3 MWNTs/綠茶提取物復合體系的溶解分散穩(wěn)定性

MWNTs分散在水中、綠茶提取物水溶液、MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液常溫下靜置24h后的數(shù)碼照片如圖3所示。從圖3（a）看出，MWNTs分散在水中靜置24h后沉淀到底部，說明MWNTs在水中不穩(wěn)，容易發(fā)生沉淀。從圖3（b）看出，綠茶提取物溶解在水中靜置24h后沒有沉淀發(fā)生，說明綠茶提取物能在水中溶解并保持穩(wěn)定。從圖3（c）看出，將MWNTs分散在綠茶提取物水溶液中形成MWNTs/綠茶提取物復合體系的懸浮液，靜置24h后沒有沉淀發(fā)生，說明借助與綠茶提取物間的復合效應，MWNTs能均勻地分散在懸浮液中并保持穩(wěn)定。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：綠茶提取物中含有茶多酚結(jié)構(gòu)（圖4），茶多酚中的苯環(huán)與MWNTs形成π-π共軛效應，使其被吸附在MWNTs表面，同時茶多酚的羥基伸向水相，阻止了MWNTs之間的聚集，同時使MWNTs穩(wěn)定地分散在水中[19]。

圖3 MWNTs分散在水中（a）茶葉提取物溶解在水中（b）和MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液（c）常溫下靜置24小時后的數(shù)碼照片F(xiàn)ig. 3 DC photos of MWNTs in water (a), green tea extract dissloved in water (b) and MWNTs/green tea extract composite system suspension (c)

圖4 茶多酚的結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Chemical structure of tea polyphenol

為進一步說明MWNTs在MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液中的分散狀態(tài)，MWNTs和MWNTs/綠茶提取物復合體系懸浮液干燥后的SEM照片如圖5所示。從圖5（a）看出，原始MWNTs相互纏結(jié)并聚集在一起。當MWNT s加入到綠茶提取物的水溶液中后，由于π-π共軛效應，提取物中的茶多酚被吸附在MWNTs表面，從而阻止MWNTs之間的聚集，使MWNTs發(fā)生了解纏結(jié)并且碳管彼此之間分散開，如圖5（b）所示。

3 結(jié)論

圖5 MWNTs（a）和MWNTs/綠茶提取物復合體系（b）的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of MWNTs (a), MWNTs/green tea extract composite system (b)

以干燥綠茶粉末為原料，食用酒精溶液為萃取液，采用超聲波輔助提取法制備了綠茶提取物。通過改變食用酒精溶液濃度、固液比及超聲萃取時間，研究了綠茶提取工藝，用紫外分光光度法對茶多酚含量進行分析。研究結(jié)果表明，食用酒精溶液濃度為70%、固液比為1∶12、45℃下超聲萃取60min時，提取物產(chǎn)率和茶多酚含量最高，分別達到42.22%和22.49%。將MWNTs加入到提取物的水溶液中時，茶葉提取物的苯環(huán)與MWNTs之間通過π-π共軛效應，吸附在MWNTs表面，提取物的羥基伸向水相，使MWNTS均勻穩(wěn)定地分散在水中。

[1] 施玲，陳惠衡，李適.不同綠茶原料對茶葉提取物品質(zhì)的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2008，34(2)：229-231.

[2] 宋傳奎，肖斌，王艷麗，李瑞，宋紅霞.超聲波輔助提取茶多酚工藝條件的優(yōu)化[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2011，39(5)：133-146.

[3] KHAN N, MUKHTAR H. Tea polyphenols for health promotion[J]. Life Sciences, 2007, 81: 519.

[4] 戴群晶.用茶末及廢茶枝葉提取高純茶多酚的研究[J].現(xiàn)代食品科技，2007，22(1)：45-47.

[5] 嚴偉，李淑芬，田松江.超聲波協(xié)助提取技術[J].化工進展，2002，21(9)：649-651.

[6] 郭樹琴，吳勝舉，牛春玲，等.超聲提取綠茶茶多酚研究[J].陜西師范大學學報(自然科學版)，2009，36(1)：36-38.

[7] 陸愛霞，姚開，賈冬英，等.超聲輔助法提取茶多酚和兒茶素的研究[J].中國油脂，2005，30(5)：48-50.

[8] 肖文軍，唐和平，龔志華，等.茶葉超聲波輔助浸提研究[J].茶葉科學，2006，26(1)：54-58.

[9] TASIS D,TAGMATARCHIS N, BIANCO A,et al. Chemistry of carbon nanotubes[J]. Chemical Reviews, 2006, 106: 1105-1136.

[10] PENG B, LOCASCIO M, ZAPOL P, Li S,MIELKE S L,SCHATZ G C, et al. Measurements of near-ultimate strength for multiwalled carbon nanotubes and irradiationinduced crosslinking improvements [J]. Nature Nano technol, 2008(3): 626-631.

[11] YI W, MALKOVSHIY A, CHU Q, SOKOLOV A P, COLON M L, MEADOR M, et al. Wrapping of single-walled carbon nanotubes by a π-controlled size selectivity.[J] Journal of Physical Chemistry B, 2008, 39: 12263-12269.

[12] SINGH P, CAMPIDELLI S, GIORDANI S, BONIFAZI D, BIANCO A, PRATO M. Organic functionalization and characterization of single-walled carbon nanotubes [J]. Chemical Society reviews, 2009, 38: 2214-2230.

[13] ZDENKO S, DIMITRIOS T, KONSTANTINOS P, COSTAS G. Carbon nanotube-polymer composites: chemistry, processing, mechanical and electrical properties[J]. Progress in Polymer Science, 2010, 35: 357-401.

[14] AZMI M, ARGO K A, SURIANI A B, TRETYA A, WAN M W. Z, SOFIAN I, MASANOBU S, PAUL B, JULIAN E. Enhanced dispersion of multiwall carbon nanotubes in natural rubber latex nanocomposites by surfactants bearing phenyl groups [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 455: 179-187.

[15] LINGLING L, WENJUN H, JUN S, JIANJUN W, CHUANXIANG Q, LIXING D. Preparation of poly (vinyl alcohol)fibers strengthened by multi-walled carbon nanotubes functionalized with tea polyphenols [J]. Journal of Materials Science, 2014, 49: 3322-3330.

[16] NAKAMURA G, NARIMATSU K, NIIDOME Y, NAKASHIMA N. Green tea solution individually solubilizes single-walled carbon nanotubes [J].Chemistry Letters, 2007, 36: 1140-1141.

[17] YAN W, ZIXING S, JIE Y. Facile synthesis of soluble graphene via a green reduction of graphene oxide in tea solution and its biocomposites[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011(3): 1127-1133.

[18] TUNG T T, YEON J H, et al. Synthesis and characterization of the carbon nanotube-based composite with poly(3,4-ethylenedioxythiophene)[J]. Synthetic Metals, 2010, 160: 1266-1272.

[19] MOHD N M Z, AHMAD B, SALIM N K，MISNI M, RUSHDAN I, AHMAD A, RAD S. Exploration of the environmentally benign and highly effective approach for improving carbon nanotube homogeneity in aqueous system[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2016, 124: 815-825.

[20] XU J, LI J G, WU Y, BAI S. Preparation and characterization of water soluble and conducting poly(sodium 4-styrenesulfonate)doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/multi-walled carbon nanotubes coreshell nanocomposites by in situ polymerization[J]. Journal of Materials Science:Materials in Electronics, 2014, 25(7): 3233-3241.

Preparation of Green Tea Extract Assisted by Ultrasonic Wave and Dispersion of Multi-walled Carbon Nanotubes/Green Tea Extract Composite System

TA Xuefeng, XU Jun
(College of Science, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Green tea extract was obtained by ultrasonic assisted extraction, in which edible alcohol solution was used as extract liquid and dried green tea powder as raw materials. Extracting process of green tea extract was studied by using different edible alcohol concentration, ratio of solid to liquid and ultrasonic extraction time. Contents of tea polyphenol in the green tea extract were determined by UV-Vis spectrophotometer. The results showed that when temperature was 45℃, concentration of edible alcohol was 70%, ratio of solid to liquid was 1:12 and ultrasonic extraction time was 60min，the most yield of green tea extract and content of tea polyphenol were obtained, and reached 42.22% and 22.49%, respectively. When multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) were dispersed in the tea extract water solution, phenylring moieties of tea polyphenol were adsorbed on the surfaces of MWNTs via π-π conjugated interaction and hydroxy groups of tea polyphenol were exposed to water phase. As a result, MWNTs dispersed homogeneously in water.

green tea extract; ultrasonic wave; tea polyphenols; caffeine; multi-walled carbon nanotubes

TB 553；TS 272.5+1

A

1671-9905(2017)02-0009-05

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目（IECAUC2016011）

許軍（1972-），男，天津河西人，中國民航大學理學院材料化學專業(yè)副教授，博士，主要從事材料化學及納米復合材料研究

2016-12-20