IR Study on Tea Polyphenol Extracted by Polyamide/SiO₂

Fu Jinkun, Lin Zhongyu, Gu Pingying, Yang Ru, Zeng Jinlong
(Department of Chemistry, Institute of Physical Chemistry, Xiamen University, Xiamen 361005)

Abstract The main components of tea were extracted by the adsorbent of supported polyamide/SiO₂ at room temperature. IR spectroscopy has been adopted to examine the interaction of polyamide with SiO₂ as well as tea polyphenol with polyamide/SiO₂. The result indicated that after polyamide adsorbed on SiO₂, the vibration of O-H on the surface of SiO₂ decreased from 3446cm^-1 to 3426cm^-1. The Si-O vibration decreased from 1101cm^-1 to 1094cm^-1. The C=O vibration at 1641cm^-1 remained unchanged. After adsorption of tea polyphenol in a water solution with PA/ SiO₂, the peak of C=O in polyamide molecular decreased from 1641cm^-1 to 1630cm^-1, and the band of O-H in tea polyphenol reduced from 3362cm^-1 to 3344cm^-1. On the other hand, no change was observed by IR Spectra in adsorption of coffeine or aminoacid with PA/ SiO₂.
Key words Polyamide/Silica, tea polyphenol, adsorption extraction, IR
摘要 IR谱表明：聚酰胺/硅胶吸附剂中，聚酰胺的N-H和硅胶表面OH以氢键结合，n_C=O无位移；室温下该吸附剂中C=O和茶多酚中O-H作用后，n_C=O和n_O-H分别红移了11cm^-1和18cm^-1；而与咖啡因及氨基酸作用后n_C=O无位移。
关键词 聚酰胺/硅胶 茶多酚 吸附提取 红外光谱

聚酰胺/硅胶吸附茶多酚的红外光谱研究^*

傅锦坤 林种玉 古萍英 杨如 曾金龙
(厦门大学化学系，物理化学研究所 厦门 361005)

        茶多酚是天然无毒食品添加剂。 国内外已有大量关于从茶叶中提取茶多酚的报道^[1-3]。借鉴前人的研究，我们制备了一种负载型聚酰胺/硅胶吸咐剂(PA/SiO₂)^[4]。该吸附剂用于提取茶多酚，其特点是工艺简单、效率高、无污染，具有应用前景。本文用IR谱方法表征该吸附剂分别对茶叶中主要组份—茶多酚、咖啡因、氨基酸(以谷氨酸和胱氨酸为例)吸附作用的红外光谱变化规律，从理论上解释该吸附剂吸附提取茶多酚的原理。
1 实验部分
1.1 仪器和试剂
    SORP-1990表面积及孔径分布测定仪，Nicolet 740傅立叶变换红外光谱仪。扩孔硅胶(30~40目, =12nm)系青岛化工厂生产的硅胶经扩孔处理制成。聚酰胺(尼龙-66，颗粒状，上海树脂厂)、茶多酚为自制品，纯度90.2%(用高锰酸钾滴定法测定^[5])。儿茶素[(±)-Catechin, AG, Switzerland]、咖啡因、胱氨酸、谷氨酸均为生化试剂，实验用水为去离子水。
1.2 PA/SiO₂的制备见文献[4]
1.3 红外样品的制作
    室温下，把1~2g PA/SiO₂分别置于茶多酚(儿茶素)、咖啡因、氨基酸饱和溶液中，搅拌30min, 过滤，将吸附上述各种组份的PA/SiO₂在80°C下真空干燥4h，得到吸附样品。分别取上述样品约100mg,  加KBr研磨，压片成型。
2 结果与讨论
2.1 聚酰胺和硅胶吸附作用的红外光谱

	图1 吸附剂的IR谱, a. SiO2; b. PA; c. PA/SiO2

        图1是扩孔硅胶(便于茶多酚分离中的传质及反复使用)、聚酰胺和PA/SiO₂的红外光谱。在硅胶表面有一个强而宽的O-H吸附峰(3446cm^-1)(图1a)；图1b显示了聚酰胺分子中的N-H(3299 cm^-1)及C=O(1641 cm^-1)吸收峰。图1c表明，当聚酰胺负载于硅胶后，IR谱发生了明显的变化，SiO₂的O-H的吸收峰由3446 cm^-1红移至3426 cm^-1；聚酰胺的N-H的吸收峰3299 cm^-1增至3309 cm^-1；而聚酰胺分子中的C=O吸收峰(1641 cm^-1)无位移。SiO₂的Si-O的吸收峰由1101 cm^-1红移至1094 cm^-1，说明聚酰胺分子中的N-H和硅胶表面的O-H形成了O-H···N氢键^[6]。由于聚酰胺的N-H呈弱碱性；而硅胶的O-H呈弱酸性，所以它们之间通过氢键结合的作用力较强，使O-H吸附峰红移20cm^-1，Si-O的吸收峰红移7cm^-1。因聚酰胺能生成分子内氢键，所以部分未与硅胶O-H作用的N-H，由于解除了原分子内的N-H···N 氢键，使3299cm^-1峰增至3309cm^-1。聚酰胺中的C=O键固然也可能与SiO₂表面的O-H形成O-H···O氢键，但因为N-H呈弱碱性，所以O-H···N比O-H···O氢键强得多，以致于PA中C=O吸收峰无位移(见图1)。即PA是通过N-H和SiO₂的O-H相互作用而“锚定”在SiO₂表面。改变SiO₂处理条件及调节PA负载量，可封闭SiO₂上的大部分O-H基团，增加单位面积SiO₂上C=O的浓度。
    综上所述，PA/SiO₂表面的C=O活性基团可与茶多酚分子中的O-H通过分子间氢键结合而选择吸附，这是PA/SiO₂分离提取茶多酚的理论依据。
2.2 PA/SiO₂吸附茶多酚的红外光谱

	图2  吸附剂与茶多酚作用的IR谱，a. 茶多酚; b. 茶多酚 + PA/SiO2; c. PA/SiO2

        自制茶多酚(以儿茶素为主的多酚类混合物)的红外光谱(图2a)和文献[1]所报导的没食子儿茶素及没食子儿茶素没食子酸酯的红外光谱相类似。其中3362cm^-1宽峰为茶多酚分子间缔合的O-H和芳香环中C-H两种伸缩振动的重叠吸收峰，前者占主要成份。由于茶多酚中酚羟基数目多，在分子内所处的环境不同，当形成分子间氢键时，引起O-H吸收谱带强而宽。茶多酚和PA/SiO₂相互吸附作用的结果，引起该谱带由3362cm^-1降至3344cm^-1；相应地PA/SiO₂中C=O的吸收峰也由1641cm^-1 降至1630cm^-1。说明茶多酚的O-H和PA的C=O形成O-H···O氢键。PA/SiO₂吸附儿茶素后，红外光谱变化规律与自制茶多酚类似。以上结果表明，茶多酚和PA/SiO₂易于形成氢键而选择吸附；由于氢键属于弱键，便于用酒精溶液洗脱茶多酚。

	图3 吸附剂与咖啡因作用的IR谱，a. PA/SiO2; b. 咖啡因 + PA/SiO2; c. 咖啡因

        茶多酚作为食品添加剂等，要求含低限量的咖啡因。因此在提取茶多酚中，须分离并去除主要副产物咖啡因以及各种氨基酸等。我们也检测了PA/SiO₂对咖啡因(图3)、谷氨酸(茶叶中含量高的一种氨基酸)(图4)、胱氨酸(图略)作用的IR谱。结果表明PA/SiO₂上的C=O吸收峰(1641cm^-1)均无位移。说明PA/SiO₂对咖啡因和氨基酸均不通过C=O的氢键吸附。咖啡因不存在和PA中C=O形成分子间氢键的基团，而氨基酸本身易形成分子内盐。
    PA/SiO₂用于反复吸附提取和洗脱茶多酚10次以上后，其红外光谱保持不变。用PA/SiO₂提取茶多酚，提取率大于90%，纯度可达80~90%^[4]。

	图4 吸附剂与谷氨酸作用的IR谱，a. PA/SiO2; b. 谷氨酸+ PA/SiO2; c. 谷氨酸

3 参考文献
[1] 原征彦．茶叶儿茶素的制备方法．日本公开特许公报，昭60-13780,1985
[2] 杨贤强，叶立扬，贾之慎等．一种从茶叶中提取天然抗氧化剂的方法．CN 1043730A, 1990
[3] 葛宜掌，赵本钧．茶叶天然抗氧化剂—茶多酚的提取方法．CN 1071660A, 1993
[4] 傅锦坤，刘金波，许金来等．负载型吸附剂及其用于从茶叶中提取茶多酚的方法．CN1186717A, 1998
[5] 中国农业科学院茶叶研究所编．茶树生理及茶叶生化实验手册．北京：农业出版社，1983：161-163
[6] L. 鲍林著，卢嘉锡，黄耀曾，曾广植等译校．化学键的本质．上海：科学技术出版社，1966:442-443

傅锦坤 男, 59岁，副教授，从事物理化学的研究。 *厦门市自然科学基金资助项目(Z93704)