（化学工程专业论文）茶多酚的制备、化学改性和脂溶性茶多酚抗氧化性能评价.pdf

摘要 茶多酚以其优异的生物、生理活性功能赢得了世人的瞩目与青睐。随着研 究的深入，它的应用领域不断扩展。茶多酚分子结构中含有众多的酚羟基，这 既是其具有优异抗氧化作用的原因，也是其易溶于水而难溶于油脂的原因。因 而，在不牺牲茶多酚分子优异的生理、生物活性功能的前提下，从分子结构的 层次上，通过化学改性来达到其在油脂性环境中具有较大溶解度的目的，为茶 多酚更广泛、有效地应用于油脂性领域提供可能。 研究表明，茶多酚单体的抗氧化性不及整体的抗氧化性，组合儿茶素清除 自由基的能力强于单体儿茶素，而且清除效率随儿茶素单体种类的增多而增加， 而天然儿茶素组合协同抗氧化效果最强。况且，要将茶多酚中几十种单体逐一 分开很不容易。因此，本研究采用酯化法对茶多酚进行了整体化学改性。 在预实验基础上，通过单因素实验和正交试验对脂溶性茶多酚的制备工艺 过程进行了系统研究。重点研究了物料配比、催化剂加量、反应温度对酯化反 应的影响。通过实验，提出了茶多酚整体化学改性的优惠工艺条件。该工艺路 线短，原子利用率高，不使用有毒有机溶剂，对环境友好。 通过物理、化学方法对脂溶性茶多酚进行了鉴别。结果表明，反应产物一 一脂溶性茶多酚在油脂中具有良好的溶解性能，且对油脂的色泽、光亮度等不 产生任何影响。采用溶解度参数法对其在油脂性环境中的溶解度作了理论分析， 实验结果与理论分析相吻合。通过傅里叶变换红外光谱，对其进行了化学结构 表征，明确了脂溶性茶多酚的化学结构。 采用强化实验法，对改性后的脂溶性茶多酚进行了抗氧化性能实验研究， 探讨了脂溶性茶多酚的抗氧化作用机理。结果表明，脂溶性茶多酚对油脂的自 动氧化酸败具有显著的抑制作用且存在明显的剂量效应关系。 通过实验，研究了茶多酚酯化反应在间歇釜式恒温积分反应器中的动力学 行为，建立了茶多酚整体酯化改性反应的动力学模型，关联出了各模型参数， 讨论了茶多酚酯化反应的动力学行为特征，并对该反应的工程化实现进行了初 步探讨，为进一步的放大研究提供了参考数据。 关键词：茶多酚i 脂溶性茶多酚；酯化；整体化学改性；抗氧化性能 p r e p a r a t i o n a n dc h e m i c a lm o d i f i c a t i o no nt e a p o l y p h e n o l s a n dt h es t u d yo nt h ea n t i o x i d a n t a c t i v i t y o ft h e l i p o s o l u b l e t e a p o l y p h e n o l s a b s t r a c t f o rt h en o v e lb i o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a la c t i v e f u n c t i o n s ，t h e t e a p o l y p h e n o l sd e r i v e df r o mn a t u r a lt e al e a v e sa r ea l w a y st h ef o c u so fw o r l d s a t t e n t i o n a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n tt ot h ed e p t h ，t h ef i e l d so f a p p l i c a t i o n s a r e b e c o m i n gl a r g e r a n d l a r g e r t e ap o l y p h e n o l s h a v e m a n yp h e n o l i c h y d r o x y l s i nt h e i rc h e m i c a ls t r u c t u r e s ，w h i c ha r en o to n l yt h er e a s o n sf o ri t s n o v e la n t i o x i d a n tf u n c t i o n ，b u ta l s ot h er e a s o n sf o ri t s h i g hw a t e r s o l u b i l i t y a n dp o o rl i p i d s o l u b i l i t y ，w h i c hl i m i tt h e i r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e r e f o r e am e t h o d i si n t r o d u c e dt oc o m et ot h ea i m o f h a v i n gq u i t eh i g h e rs o l u b i l i t yi nl i p i dt h r o u g ht h e c h a n g eo nt h ec h e m i c a lm o l e c u l el e v e lu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o n s a c r i f i c eo ft h e o u t s t a n d i n gb i o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a la c t i v ea c t i v i t i e s ，a n dp r o v i d et h ep o s s i b i l i t y o f u s i n ge f f e c t i v e l yi nt h el i p i d i ce n v i r o n m e n t 、析t ht h et e ap o l y p h e n o l s r e c e n tr e s e a r c h e so nt h et e ap o l y p h e n o l sh a v ed e m o n s t r a t e ds i g n i f i c a n t l yt h a t m o n o m e r so ft h et e a p o l y p h e n o l s a r ci n f c r i o rt ot h ew h o l eo nt h e a n t i o x i d a n t a b i l i t y ；i t w a sf o u n dt h a ta s s o r t e dc a t e c h i n ss h o w s t r o n g e r a b i l i t yt os c a v e n g et h ef r e e r a d i c a l st h a nt h em o n o m e r so ft e ap o l y p h e n o l s a n dt h ee f f e c t sa r ee n h a n c e dw i t hm o r e m o n o m e r s ；m o r e o v e r ，t h et e a p o l y p h e n o l sd e r i v e df r o mn a t u r a lt e al e a v e ss h o wt h es t r o n g e s ts y n e r g i s t i c a n t i o x i d a t i o n a g a i n s tf r e er a d i c a l s a f t e ra l l ，i ti s n o te a s yt o s e p a r a t e t h e v a r i o u sm o n o m e r sf r o mt h em i x t u r e i nt h i s t h e s i s ，at h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l m e t h o do f i n t e g r a t e d c h e m i c a lm o d i f i c a t i o ni s i n t r o d u c e dt o m o d i f y t h et e a p o l y p h e n o l sb y e s t e r i f i c a t i o na n dt h e l i p o s o l u b l e t e a p o l y p h e n o l sa r ep r e p a r e d o nt h eb a s eo fp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s ，t h ee s t e r i f i c a t i o n p r o c e s s i s i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g h m o n o f a c t o ra n d o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s t h ek e yi n f i u e n t f a c t o r so fr e a c t i o n ，s u c ha st h er a t i o o f l l r e a c t a n t s ，q u a n t i t yo f t h ec a t a l y s ta n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r ea r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m u mt e c h n i c a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o ni s p u tf o r w a r d t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i s s h o r t ，s i m p l e ，p r a c t i c a l a n d f r i e n d l yt oe n v i r o n m e n t ；n o t o x i c r e a g e n t s a r eu s e da n dw i t hh i g h e ra t o m u t i l i t y t h e l i p o s o l u b l e t e a p o l y p h e n o l s a r et e s t e d b y b o t h p h y s i c a l a n d c h e m i c a lm e t h o d s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tm o d i f i e dp r o d u c t s ， n a m e l yl i p o s o l u b l et e ap o l y p h e n o l sr e p r e s e n tg o o ds o l u b i l i t yi nl i p i d a n d h a v en os i d ee f f e c t st ot h ec o l o u r ，l u s t e ra n dt r a n s p a r e n c ee t c t h et h e o r yo f s o l u b i l i t yp a r a m e t e r si si n t r o d u c e di na n a l y z i n g t h es o l u b i l i t yo f l i p o s o l u b l e t e ap o l y p h e n o l si n l i p i d i c e n v i r o n m e n ta n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r y i nt h i sr e s e a r c ht h ef o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d s p e c t r u m i s a p p l i e d t oc h a r a c t e r i z et h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so ft h e l i p o s o l u b l e t e a p o l y p h e n o l s ，a n d t h em o d i f i e d p r o d u c t s c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n n r m e d t h r o u g h i n t e n s i f i c a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h e a n t i o x i d a n t a c t i v i t y o f l i p o s o l u b l e t e a p o l y p h e n o l s i s i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t l i p o s o l u b l e t e a p o l y p h e n o l s h a v er e m a r k a b l ei n h i b i t i o no nt h e l i p i d p e r o x i d a t i o n t h er e a c t i o nk i n e t i c so ft h et e ap o l y p h e n o l s e s t e r i f i c a t i o na r es t u d i e d i nt h ei n t e g r a lb a t c h t y p er e a c t o rw h i c hi s o p e r a t e du n d e rt h et h e r m o s t a t i c c o n d i t i o n t h ek i n e t i cm o d e lo ft e ap o l y p h e n o l s e s t e r i f i c a t i o ni ss e tu pa n d t h ep a r a m e t e r si nt h em o d e la r eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ek i n e t i c sa n dt h ee n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e d p r e l i m i n a r i l y ，a n d t h ew o r ki s p r e f e r a b l e f o r t h ef u r t h e r a m p l i f i c a t o r y i n v e s t i g a t i o n z h a n gx i n q i a n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r z h a n g x i a o l i n k e yw o r d s ：t e ap o l y p h e n o l s ；l i p o s o l u b l e t e ap o l y p h e n o l s ； e s t e r i f i c a t i o n ： i n t e g r a t e dc h e m i c a lm o d i f i c a t i o n a n t i o x i d a n ta c t i v i t y 1 1 1 独创性声明 y 6 2 3 8 5 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得 亘j ! 盔堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示谢意。 学位论文作者签名：放堑殇签字日期：纫缉岁月声日 第一章引言帚一早j ii 1 1 茶多酚概述 茶作为中华民族的传统保健饮品已有四五千年的历史，茶文化的发展源远流 长，而且其文化底韵愈发沉积浓厚。随着全球化的迅猛发展，越来越受到世界各 国人民的认可与喜爱，现已发展成为风靡全球的世界三大饮品之一。 茶叶的功效远在上古时代就得到了印证：“神农尝百草，日遇七十= 毒，得 茶而解之”；唐代陈藏器撰写的本草拾遗中就有“诸药为各病之药，茶为万 病之药”的论述；明代的顾元庆在茶谱中记载“饮真茶能止渴、消食、除痰、 少唾、利尿道、明目益思、除烦、去腻，人故不可一日无茶”。近代的科学研究 表明经常饮茶能有效地起到抗肿瘤、抗辐射、抗衰老、预防癌症、增强微血管韧 性、预防肝脏及冠状动脉粥样硬化、杀菌和抑菌等作用。 二十世纪六十年代初，日本科学家发现茶叶提取物中含有一种抗氧化活性成 分，将其首先应用于食品抗氧化剂领域。之后，各国科学家相继投入广泛而深入 地研究，证明它是一种多酚类活性化合物。命名为茶多酚，又名抗氧灵、防哈灵、 维多灵。 随着全球倡导绿色工业、绿色食品的兴起和发展，人们陆续发现从天然茶叶 中提取的茶多酚类物质具有优异的抗氧化、抗辐射、抗诱变、抗癌、抗衰老、抗 菌、杀菌、清除自由型1 等多种药理、保健功效，而被广泛应用，越来越受到 世人的瞩目与青睐。 迅猛发展的食品业及医药、保健品更是刺激了对茶多酚的深入研究与开发， 茶多酚及其衍生物的开发和利用，已引起国内外茶学、医药学及食品业等研究领 域人士的极大关注，有关茶多酚的研究已成为该领域研究的一大热点。日本、美 国、英国、法国等积极研究茶多酚的提取与制备技术，并投入商品化生产，广泛 应用于食品、化妆品、药品等领域。 1 2 茶多酚的化学组成与结构、性质及应用 1 2 1 茶多酚的化学组成与结构【4 7 1 茶多酚( t e ap o l y p h e n o l s ，简称t p ) 是茶叶中三十几种酚类化台物的总称， 为茶叶中特有的主要成分，约占茶叶干基含量的1 5 2 8 ，它是决定茶叶风味、 品质的主要物质。茶多酚主要包含黄烷醇类( f l a v a n o l s ) 、黄烷酮类( f l a v a n o n e s ) 、 酚酸类( p h e n o l i a e i d s ) 、花色甙及其甙元( g l y e o s i d sa n dt h e i ra g l y e o n so fp l a n t p i g m e n t s ) 等。这些化合物都具有2 - 苯基苯并吡喃的基本结构，赦通称为类黄酮 物质。茶多酚各组分中以黄烷醇类为主，黄烷醇类又以儿茶素类( c a t e c h i n s ) 为主 体，如儿茶素( c ) 、没食子儿茶素( g c ) 、没食子儿茶素没食子酸b j ( g c g ) 、儿茶 素没食子酸酯( c g ) 等，约占到茶多酚总量的6 0 8 0 左右。总之，茶多酚是一 类组成复杂、分子量各异、空间结构差异较大的一大类化合物的混合物的总称。 在以绿茶及其副产物为原料提取的多酚类物质中，茶多酚含量大于9 5 时， 儿茶素占7 0 8 0 ，是茶多酚的主体成分。另外，黄酮化合物占4 1 0 ，没食 子酸占o 3 o 5 ，氨基酸占o 2 0 5 ，总糖量占o 5 l 。 茶多酚一般为含有两个以上互为邻位的羟基多元酚，其化学结构是以2 苯基 苯并吡喃为骨干母核的一大类衍生物，其中主体成分儿茶素的结构通式为可表示 为： h h o h 图1 - 1 儿茶素类化合物的结构通式 茶多酚中各主体儿茶素的结构式： 三一表儿茶素三e cf e p i c a t e c h i n ) ： h 2 h 三一表没食子儿茶素l - e g c ( e p i g a l l o c a t e e h i n ) ： h o h o h 三一表儿茶素没食子酸酯l - e c g ( e p i c a t e e h i ng a l l a t e 、： h o h o h 三一表没食子基儿茶素没食子酸酯l - e g c g ( e p i g a u o c a t e c h i ng a l l a t e 、 o h h o h 0 h 图1 - 2 各主体儿茶素的分子结构 1 2 2 茶多酚的性质砌 茶多酚一般为淡黄色至茶褐色的无定型粉末或结晶，具有涩味，易溶于水、 乙醇、甲醇、乙酸乙酯，微溶于油脂，不溶于氯仿。略有吸潮性，其水溶液d h 3 4 。在p h 2 7 范围内十分稳定，而在大于p h 8 以上碱性条件和光照下易氧化褐 变。 茶多酚属于多酚类物质，其具有酚类物质的通性【9 】： ( 1 ) 酚羟基上的反应 a 酸性 从结构上看，酚羟基直接与芳环上s p 2 杂化的碳原予相连，氧原子上未共用 的p 电子与苯环上的兀电子云形成p - n 共扼体系，使p 电子向苯环方向偏移，这 样c o 键的强度增强，o h 键上电子云密度有所降低，强度削弱，极性增大， 使酚羟基中氢原子的解离倾向增大，所以酚具有弱酸性。 对于多酚类物质，由于其含有多个酚羟基，多p - x 共扼体系的形成使电子离 域的程度更为增大，苯环上的电子云密度急剧增高，苯环高度活化，酸性有所加 强。 b 酯化反应及傅瑞斯( k f r i e s ) 重排 酚类化合物一般不能与酸反应生成酯，而需要反应活性较强的酸酐、酰氯才 能发生酯化反应。加入酸、碱可催化该反应。生成的酚酯在三氯化铝等路易斯酸 存在下加热，会发生傅瑞斯( k f r i e s ) 重排，酰基可重排至羟基的邻位或对位， 可得到酚酮。 c 酚醚的形成与c l a i s e n 重排 在碱性条件下，酚分子间脱水可以生成酚醚。在高温下，可发生c l a i s e n 重 排反应，生成酚的邻位或对位产物。 d 与三氯化铁的显色反应 绝大多数酚类化合物能与三氯化铁水溶液作用，生成从紫到蓝、绿等的深色 络合物，反应如下： 6 a r o h + f e c l 3 叫 【f e ( o a r ) 6 。 + 3 h + 3 h c i 不同结构及不同p l 值下的酚类物质所呈现出来的颜色不同，此反应可作为 酚类物质的定性鉴别。 ( 2 ) 苯环上的取代反应 a 卤代反应 苯环上的氢可被卤素取代，发生卤代反应。 b 磺化反应 酚类物质与浓硫酸作用，发生磺化反应，可在苯环上引入磺酸基。 e 硝化反应 于室温下，酚类就可与硝酸作用生成硝基酚。 d f r i e d e l c r a f t s 反应 4 在无水三氯化铝的催化下，酚类物质可发生f r i e d e l c r a f t s 反应 e 瑞穆尔蒂曼( r e i m e r - t i m a n n ) 反应 酚的碱性水溶液与氯仿共热，可发生瑞穆尔蒂曼( r e i m e r - t i m a r m ) 反应， 在苯环上引入醛基。 结构决定性质，独特的结构必然具有独特的物理、化学性质。茶多酚由于其 结构与组成上的特性，表现出优异的物理、化学性质和生理、生物活性，简述如 下： ( i ) 抗氧化性 茶多酚中的儿茶素类化合物的基本结构均为2 连( 或邻) 苯酚基苯并毗喃的衍 生物，正是这种结构中具有连或邻苯酚基，其抗氧化活性高于一般非酚类或单酚 羟基类抗氧化剂。据报道，茶多酚的抗氧化效价约为生育酚的1 0 2 0 倍，为b h t 的2 5 倍。茶多酚能够提高人体的抗氧化能力，保护抗氧化酶的活性，降低人 体脂质过氧化物水平，抑制生物膜脂质的过氧化，并能减轻d n a 氧化损伤的程 度，促进d n a 损伤的修复。许多欧美国家认为长期饮茶能延缓衰老过程，预防 肿瘤、动脉硬化等疾病的发生。 并且茶多酚的抗氧化作用与用量成正相关性，柠檬酸、酒石酸、抗坏血酸、 氨基酸( 如精氨酸、蛋氨酸) 、b h a 、b h t 、p g 、v e 与其有协同作用【1 0 川，若 与两种以上增效剂联用则效果更为显著。协同抗氧化剂的联用，会更有效的起到 抗氧化的作用，这是因为不同的抗氧化剂在油脂自动氧化过程中的不同阶段可以 分别终止自由基氧化反应，它们互为补充、协同作用。 ( i i ) 无毒性： 动物毒性实验b 2 表明茶多酚对小白鼠的口服半数致死量( l d 5 0 ) 为l o g k g 体重，属实际无毒级，且无蓄积毒性。而b h a 为2 9 9 k g 体重，b h t 为1 7 1 9 9 k g 体重。饮料中加入l g k g 茶多酚对照实验表明，实验组与对照组小白鼠血液中的 白血球数、红血球数、血浆蛋白、血清无差异；肝脏、心脏、脾、大脑无差异： 生育的小白鼠数、大小、重量也无差异。茶多酚以o 1 的加量加入饲料中，连 续喂养2 8 天，证明对小白鼠无毒性。大鼠口服【7 1 l d 5 0 为2 4 9 6 _ _ 3 2 6 m g k g ( b w ) 。 a m e s 试验、骨髓微核实验和骨髓细胞染色体畸变试验表明，在1 2 0 l d 5 0 浓度范 围内均无不良影响，无任何副作用。果蝇终生饲养和小白鼠喂养试验表明，茶多 酚在适当范围内添加到饲料和饮料中，对果蝇的生长、发育和寿命及对小白鼠的 血红蛋白、红细胞数、白细胞数、胸腺、脾脏细胞、肝脏量及体重无不良影响。 中国茶叶科学研究所对从茶叶中提取的茶多酚经急毒性测定和微核试验，证明其 属无毒级。 天然茶多酚从急毒性试验、亚急毒性、蓄积性试验、致突变试验及慢性毒性 试验【1 3 】均证实，茶多酚作为食品添加剂和医药制品是完全可靠的。各项理化指标 均符合食品卫生标准，对人体无任何毒副作用，具有安全、高效等特点，不仅对 食品具有抗氧化保鲜作用，对人体还有多项保健功能。 1 2 3 茶多酚的应用 随着对茶多酚研究的深入，人们发现茶多酚不仅可用作抗氧化剂，而且其在 食品工业、生物医学、卫生保健、日用化工、轻化、生物农药等领域都有用武之 地，其经济价值和应用前景十分乐观。 1 在食品工业中的应用 随着社会的进步和人们生活水平的提高，对食用油及油脂性食品的消费逐年 大幅攀升。目前，食用油年消费总量约为8 6 0 - - 9 0 0 万吨，另外还有一定数量的特 种食用油。食品工业得到了迅猛发展，与之相伴的食品抗氧化剂也在不断刺激性 需求中发展壮大，用量也逐年呈上升的趋势。目前，全球食品行业正向天然、营 养、保健、精细方向发展，人们对抗氧化剂的效能及安全性等方面的要求也不断 提升。 茶多酚是一种新型的天然高效抗氧化剂，其抗氧化作用在于儿茶素分子结构 中b 环和c 环上的酚羟基具有较强的供氢体活性，具有相当强的还原能力 1 4 , 1 5 ， 能与在自动氧化过程中产生的游离自由基结合，中断氧化连锁反应，抑制氢过氧 化物的形成，达到抗氧保鲜的目的。而且茶多酚的抗氧化性能比目前使用的人工 合成抗氧化剂b h a 、b h t 高3 9 倍，且安全无毒。由于茶多酚是多羟基的强极 性化合物，它极易溶于水、酸等极性溶液中，因此使用上极为方便。 在饮料工业中，茶多酚不仅可配制果味茶、柠檬茶、茶酒等饮料，还能抑制 豆奶、汽水、果汁等饮料中的v a 、v c 等多种维生素的降解破坏，从而保证饮料 中的各种营养成份。 茶多酚对a _ 淀粉酶【l6 1 、蔗糖酶均有良好的抑制能力，可以减缓采摘后的水 6 果、蔬菜等的腐败、变味，是理想的保鲜剂；而且茶多酚具有强还原性，可防止 上述物质中色素的氧化褪色，保持其色泽鲜艳稳定。在新鲜水果和蔬菜上喷洒低 浓度的茶多酚溶液，就可抑制细菌繁殖，保持水果、蔬菜原有的颜色，达到保鲜、 防腐的目的。 用于畜肉、水产制品，茶多酚对肉类及其腌制品如香肠【1 7 1 、肉食罐头、腊肉 等，具有良好的保质抗损效果，尤其是对罐头类食品中耐热的芽胞菌等具有显著 的抑制和杀灭作用，并有消除臭味、腥味，防止氧化变色的作用。 茶多酚用作功能性食品添加剂，既抗氧化又能抑菌、防腐，还能有效去除异 味1 9 1 ，抑制食品中色素的降解破坏，并且添加量在百分之零点几效果就很明 显，真是不可多得的天然抗氧化剂。 总之，茶多酚可广泛应用于动物性油脂、油炸食品、焙烤食品、糕点、乳制 品、肉制品、水产品、饮料、调味品、功能性食品等产品中，起到抗氧化、保鲜 防腐、防褐变、防退色、消除异味等作用，可以提高食品的货架保质期，还可使 甜味“酸尾”消失，味感甘爽。一些国家正试图用茶多酚替代b h a 、b h t 、t b h q 等合成抗氧化剂。1 9 9 1 年7 月我国食品添加剂标准化技术委员会批准将茶多酚 正式列为食品添加剂，而且是唯一的一种天然抗氧化剂。 2 在医药保健中的应用 茶多酚除了在食品方面具有抗氧化作用外，其对于人体脂质也具有预防和抗 氧化作用。现代医学研究认为，人体疾病的发生与自由基损伤有密切关系，自由 基攻击生物膜、d n a 等生物大分子，引发脂质的过氧化，从而对机体组织、细 胞产生损伤作用。人体内产生的过剩自由基是引起人体衰老、致病、致癌的重要 因素之一，而茶多酚能够清除人体内过剩的活性自由基，调整癌症引发物的代谢 过程，抑制乌氨酸脱羧酶( o d c ) 和脂质氧化酶的活性，抑制致癌基因和d n a 的共价结合。可有效地预防、阻断和终止活性氧自由基引发的脂质过氧化链式反 应，从各个不同方面抑制自由基对人体的损伤作用，从而产生了强大的抗衰老作 用和对各种疾病的预防和治疗作用。 茶多酚含有弘苯并吡喃的苯基骨架，具有很强的广普抑菌、杀菌性能，对 自然界中1 9 类群的近百种细菌如金色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草菌、芽胞杆菌、 变形链球菌1 2 0 增均有优异的抑茵和杀菌活性，显示出抗菌的广普性；可有效抑制 7 口腔中引起龋齿的口腔变异链球菌。预防龋齿效果比氟化物好。将茶多酚添加到 牙膏中使用，制成抗龋齿牙膏或做成漱口水能起到杀灭、抑制口腔细菌的作用。 将茶多酚添加到口香糖、清凉糖中使用，具有去除口臭功能。且效果明显。 临床医学研究表明茶多酚具有提高人体抗辐射、抗肿瘤、抗癌、抗突变、降 血压、降血糖、抗过敏的能力 2 1 2 3 1 等功能。实验研究表明，茶多酚中儿茶素类 化合物对过氧自由基和羟基自由基的清除率达到了9 8 以上，对活细胞( p m m 产生的氧自由基的综合清除效果优于维生素e 和维生素c 1 2 4 1 。茶多酚还有去脂 减肥、降低胆固醇、血糖和血脂、预防心血管疾病、防止动脉粥样硬化【2 5 】等病症 的预防和治疗上有明显药理疗效。通过对日本广岛受核辐射影响地区幸存者的调 查研究表明，凡长期饮茶的放射性伤害一般表现较轻，存活率也较高。饮茶的抗 辐射损伤与含茶多酚有密切关系，因而茶被誉为“原子时代的饮料”。目前，国 内外正研究将茶多酚制成医疗保健药品，以提高人体的抗衰老、增强人体免疫能 力和新陈代谢作用。 对茶多酚抗病毒作用的深入研究表明，它能够有效地阻止轮状病毒对肾脏的 损害，预防婴幼儿因轮状病毒感染而发生腹泻；防止流感病毒的感染，具有抗菌 消炎之作用2 6 】：增强人体免疫功能、治疗糖尿病【2 8 】等生理、药理疗效。另外， 对艾滋病病毒及胃病也有一定的疗效。 3 在日用化学品方面的应用 茶多酚是安全无毒的天然制成品，在常温、低浓度下( o 0 2 0 0 5 ) 即有 效。因此具有用量小，作用强的特点。添加少量的茶多酚即可防止化妆品的变质。 茶多酚分子量小，因此极易被人体皮肤吸收，具有较好的透皮吸收性能；活性极 为稳定，浊度对其活性的变化影响甚微，在酸性和避光条件下，活性能长期保持 不变。因此，茶多酚在日用化学品，尤其在保健化妆品、洗浴品中具有重要的应 用。 茶多酚具有抗紫外线、抗辐射功能，并对辐射损伤有一定的修复、治疗作用1 。 茶多酚中的黄烷醇类化合物在2 0 0 - - 3 0 0 n t o 处有较强的吸收峰。从而，茶多酚在化 妆品领域获得了“紫外线过滤器”的美称，被广泛用作防紫外线化妆品p o ，可有效 预防和减轻紫外线照射对皮肤的损伤，对皮肤细胞有保护作用；在化妆品中还具有 抗衰老、防晒消斑、解除重金属毒害、抗菌消炎和促进皮肤微循环等作用。 8 此外，利用茶多酚的强还原性和消除自由基的作用，可以使烟碱和烟雾发生 降解，且不影响香烟口味和兴奋作用。国外已有将茶多酚加入香烟过滤嘴中作为 解毒剂的报道。 4 在其他方面的应用 利用茶多酚具有很强的广普抑茵、杀菌性能，将其用于农业方面开发可开发 含茶多酚的新型生物农药。 随着茶多酚研究的深入，其应用领域必将进一步扩大，开发出的新用途、新 特性必将造福全人类。 1 3 茶多酚的国内外发展状况 人们对茶多酚的研究始于2 0 世纪6 0 年代，进入9 0 年代达到高潮，成为热 门研究课题。茶多酚就像一颗耀眼的明珠，吸引着无数科技工作者对它进行更深 入地理论和应用研究，其药用价值与食用价值方面的研究己全面展开，应用领域 得到迸一步拓展。目前，国外对以茶多酚为主体成分的保健品需求量非常大，美 国年消耗量高达5 0 0 t ，日本年消耗量3 0 0 5 0 0 t ，北美、欧洲等国家的消耗量也逐 年上升 3 l 】。 我国对茶多酚的研究始于5 0 、6 0 年代。到7 0 年代初开始进行专项研究。1 9 8 4 年起中国农业科学院茶叶研究所承担国家级攻关课题，对茶多酚进行了较为详细 的专项研究。我国在1 9 9 1 年已将茶多酚列入食品添加剂国家标准【3 2 1 ，1 9 9 4 年制 定了茶多酚质量的部颁标准。 由于茶多酚成分很复杂，众多的化学科技工作者力图对其进行深入研究。如 采用h p l c 、离心分离色谱( c p c ) 、胶束电动毛细管色谱( m e k c ) 和高速逆流 色谱( h s c c c ) 等方法分离纯化茶多酚中的各个单体成分：用量子化学计算茶 多酚中的儿茶素的最佳分子构象；利用波谱、电磁技术解析抗氧化作用的机理。 中国科学院赵保路【3 3 1 等采用电子自旋捕捉技术发现茶多酚具有极强的防止脂肪 酸过氧化作用，比维生素c 和维生素e 高得多。医学界也甚为关注茶多酚的药 用价值，进行了大量的基础和临床应用研究工作，并取得了一定的成效，在近年 茶多酚研究领域中占有相当大的份额。目前，国内外对茶多酚的深入研究与开发 仍处于方兴未艾的阶段。 茶多酚较强的抗氧化活性以及抗癌、抗肿瘤、抗动脉粥样硬化、抗龋齿、抗 9 衰老、清除人体自由基、抑菌等生物、生理活性、保健、药理作用已被近年来的 诸多研究所证樊3 8 】。但受自身分子结构限制，茶多酚易溶于水，难溶于油。 对油脂性体系，茶多酚中的儿茶素类物质的溶解度很小，直接加入影响产品的外 观，致使其浑浊。冷却、静置、离心均会发生分子凝聚，产生沉淀。这样就难于 使溶解于油脂性体系中的茶多酚达到有效浓度，其优异的生物、生理活性等难以 发挥作用。 因而，茶多酚的改性研究已经成为当前该研究领域一个新热点。从目前研究 资料来看，由水溶性茶多酚制备脂溶性茶多酚的方法大体可归纳为以下三种：溶 剂法、乳化法、分子修饰法等。 ( 1 ) 溶剂法 溶剂法是先选用强溶解性的溶剂溶解茶多酚，再将其添加到油脂性体系中。 此法关键在于寻求对茶多酚溶解度大且不改变油脂品质的溶剂，常用于油脂的抗 氧化。李清禄1 3 9 1 等采用表面活性剂制得了复配型增效脂溶性茶多酚，其在植物油 中的抗氧化性能显著优于合成抗氧化剂。此种方法，从短期、实用、简单及研究 的角度来看，效果还比较满意，但对于大宗油品及需要长期贮存的油品而言。就 不得不考虑添加后油品的稳定性和烟点等问题。 ( 2 ) 乳化法 乳化法是将水溶性的茶多酚制成w o 型的油溶剂型乳剂，添加到色拉酱、 火腿肠、冰淇淋、乳酪、方便面及其汤料中等。乳化法生产的油溶性茶多酚多用 于猪油、鸡油、牛羊油等室温凝固性的动物油脂。此种方法制得的油溶剂型茶多 酚，虽也能溶于油脂中，起到一定的抗氧化作用。但温度变化或长时间存放，会 产生破乳，使茶多酚以沉淀形式析出，影响油脂的外观质量。而且应用于植物油 脂中，不仅会由于水分的介入会加速油脂的酸败，也会造成植物油脂中水分和挥 发性物质的含量、透明度、粘度等的理化指标不合格。 ( 3 ) 分子修饰法 分子修饰法是利用生物或化学合成的方法，从物质结构的层次上，对茶多酚 进行改性，在分子结构中引入亲油性基团，将其转化成它的脂溶性衍生物。该方 法从茶多酚自身化学结构与化学性质上解决了其难溶于油脂的难题，可以完全符 合体内、体外脂肪系统的抗氧化效果。 l o 目前分子修饰法可分为酶法和化学修饰法两种： ( i ) 酶法 据报道，日本采用转移酶的方法将多聚葡糖苷引入儿茶素的b 环，制得了具 有温和抗氧化作用的脂溶性茶多酚。日本采用羧基酯化酶【4 0 l 的酯基转移作用使茶 多酚中单体儿茶素或没食子儿茶素的醇羟基酯化，得到具有一定油溶性及抗氧化 作用的酯化产物。酶法具有较强的专一性，产物比较定向。但该方法事先得将茶 多酚进行分离、纯化，制得儿茶素单体，筛选出具有酪化特异性的脂肪酶。此种 方法工序繁多，开发成本较高，仅限于实验研究阶段。国外仅有t e a g r e e n 、日本 三共、三井、太阳等公司研究。 ( i i ) 化学修饰法 目前，化学修饰法主要指酰化法。酰化反应是有机化学中一个重要而常见的 反应，在有机合成中具有重要的意义。在一些药物的分子结构中，酰基是药物的 药效部分，有时可以增加药物的脂溶性，以改善体内吸收，延长疗效l 。 沈生荣等f 4 习研究了将茶多酚中的儿茶素单体e g c g 进行酰化改性，得到了 性能优异的脂溶性茶多酚。唐安斌【4 如等以脂肪酰氯作为酰化试剂，用a 1 c 1 3 作催 化剂，与酚发生f r i e d e l - c 斌s 酰基化亲电取代反应，生成的酚酯在a i c l 3 等路易 斯酸存在的条件下加热发生f r i e s 重排反应，酰基重排至羟基的邻位和对位， 得酚酮的混合物1 4 4 】，然后采用还原反应制备出了茶多酚的脂溶性衍生物。高汩等 4 5 1 采用豆油脂肪酸酐将茶多酚改性成油溶型茶多酚，用于猪油、豆油的脂质抗氧 化作用中，作用显著，溶解性好，性能稳定，且不影响油脂的色、香、味。 1 4 本课题的研究价值 近年来食品行业异军突起，发展非常迅猛。而脂溶性抗氧化剂作为一种重要 的食品添加剂，主要用于抑制或延缓油脂的自动氧化酸败【4 6 l ，还可用于防止由油 脂性食品的氧化所引起的褪色、褐变，以及维生索等营养成分遭到破坏、丢失。 而目前食品业主要使用人工合成的脂溶性抗氧化剂，如b h a ( 丁基羟基茴香醚) 、 b h t ( 丁基羟基甲苯) 、p g ( 没食予酸丙脂) 、v i t a m i ne 和t b h q ( 特丁基对苯 二酚) 等。近年来的研究表明：这些合成抗氧化剂多多少少都具有一定的直接或 潜在毒性和致癌、致畸作 4 7 , 4 8 ，而被限制使用。美国f a d 在1 9 9 7 年就取消了 b h t 的认可使用，日本于1 9 8 2 年限制b h a 只能用于棕榈油和棕榈仁油，而不 能用于其它食品。再加之人们对合成抗氧化剂持怀疑、排斥心理及价格等因素， 而使其在食品行业中的推广、应用受到一定的限制。因此，开发和利用天然抗氧 化剂已经成为当今世界食品科技发展的方向，也顺应了当代人们追求回归自然的 潮流。脂溶性茶多酚的出现有望替代目前油脂工业中广泛使用的人工合成抗氧化 剂。 我国是世界上主要的茶叶生产国之一，茶叶资源非常丰富，而目前茶叶市场 低迷，每年有大量茶叶滞销，再加上茶叶加工过程中产生的大量下脚料和茶树修 剪的粗老茶树叶无法利用，造成资源的巨大浪费。茶多酚的深度开发利用既可为 茶叶加工开辟一条新路，又可为我国许多行业提供一种新的天然原料，创造更多 的经济效益和社会效益。因此开发茶叶的新用途，开展茶叶的深加工及综合利用， 尤其是利用低档茶叶或茶叶加工的下脚料来生产高附加值的精细化学品，是一个 具有重要意义的研究课题，响应了国家科教兴农的号召，是利国利民的一件好事。 因此，本课题受到了陕西省科技攻关委的资助。 1 5 本文完成的工作 本研究利用大孔吸附树脂从茶叶中提取、分离出茶多酚原料，并对其进行了 精制：采用酯化法对茶多酚进行了整体化学改性，重点研究了物料配比、反应温 度、催化剂用量对反应各主要考核指标的影响，并对酯化反应过程进行了优化： 研究了脂溶性茶多酚的抗氧化性能及其量效关系，并用溶解度参数法对其在油脂 性环境中的溶解性作了理论分析；对改性产物的化学结构进行了红外结构表征； 对茶多酚酯化反应动力学进行初步探讨，建立了茶多酚整体化学改性反应的动力 学模型。 本研究的创新点 ( 1 ) 采用酯化法对茶多酚进行了整体化学改性，制备出了脂溶性好、抗氧 化性能显著的脂溶性茶多酚。 ( 2 ) 原料及制各出的脂溶性茶多酚不必进行各单体的分离纯化。总体工艺 简单，流程短，生产成本低，具有较强的工业适应性等优点。 ( 3 ) 采用基团贡献法计算了脂溶性茶多酚的溶解度参数，从理论上对其在 油脂性环境中的溶解度作了分析，并且理论分析与实验相吻合。 1 2 第二章茶多酚的制备 2 1 茶多酚的制备 作为化学改性的原料一茶多酚的制备及纯化对后继化学改性反应、分离及 应用等有着重要的影响。 2 1 1 实验仪器与试剂 植物细胞粉碎机 z f