（市政工程专业论文）茶多酚在饮用水消毒过程中色度成因的试验研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文摘要 摘要 茶多酚无毒且对人体有保健功效，用于饮用水消毒不仅天然环保两且还有其 独特优势，是极具潜力的新型生态消毒剂。本研究针对茶多酚用于饮用水消毒中 尚存在的色度问题进行试验研究，分析水中茶多酚色度的影响因素和产生原因， 探讨降低方案。 本研究表明：( 1 ) 采用分光光度法测定饮用水中茶多酚浓度是切实可行的；( 2 ) 茶多酚投加量对消毒后水样色度起主要影响，投加量大，色度高；投量小，色度 相应低；( 3 ) 水样酸碱度是消毒后水样色度最敏感的影响因素。水样p h 值为2 o 4 0 时，产生的色度较低，随着p h 值增高，尤其是p h 7 时，色度增加明显。( 4 ) 水温 也是消毒后水样色度的重要影响因素。水温 4 0 c 时， 随着温度升高，色度值迅速升高，在l 一2 h 内达到稳定。( 5 ) 待消毒水样中细菌总数 对消毒后水样色度的影响主要有两方面，一是水中细菌总数大小决定茶多酚投加 量，从而影响水样色度。另一方面，对于细菌总数不同的水样投加等量茶多酚并 通过相同接触时间后，细菌总数高者色度较高。( 6 ) 本试验采用茶多酚t p 9 8 ，通 过色度试验与消毒效果试验，确定满足消毒要求的最佳投加量为o 1 9 l ，接触4 9 h 后水中细菌总数仍保持在低于2 0 c f u m l 。( 7 ) 采用分光光度法对水中茶多酚浓度 进行测定表明，随着接触时问的延长，茶多酚浓度在降低，其主体成分儿茶素量 在半小时内急剧下降到5 0 ，之后降低速率逐渐减小，2 4 h 时降低n 1 5 ，此后， 保持剩余量不变。( 8 ) 茶多酚投加后，水样色度产生的主要原因是：水中微生物体 内含有氧化还原酶，茶多酚投加后，在酶催化作用下，与水中溶解氧发生氧化反 应而使水的色度增加。( 9 ) 茶多酚与水接触2 d 后水样色度满足生活饮用水卫生标 准，即低于1 5 度时的投加量宜不超过2 5m g l 。q 0 ) 茶多酚投加前进行热处理钝化 茶多酚制品中残余酶，能使消毒后水样色度降低3 0 - 4 0 度，对控制色度有一定作 用。n d 茶多酚与抗坏血酸同时投加，与仅投加茶多酚相比，水样色度降低9 9 以 上，脱色效果明显，且可强化消毒效果。 关键字：茶多酚消毒色度影响因素原因饮用水 北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t e ap o l y - p h e n o la l ei n n o x i o u sa n ds a n i t a r i a nt op e r s o n s t h e ya r eb e i n g r e s e a r c h e di nd i s i n f e c t i o no f & i n k i n gw a t e rb yt i l e i rs p e c i a la d v a n t a g e sa n dt h e ym a y b e c o m ean e wt y p eo fd i s i n f e e t o r a i m i n ga tt h ee x i s t e n tq u e s t i o no fc h r o m ad u r i n g t e ap o l y - p h e n o ld i s i n f e c t i o no f d r i n k i n gw a t e r , w eh a v es t u d i e di n f l u e n c i n gf a c t o r so f w a t e rc h r o m a , f o re x a m p l e , t e m p e r a t u r e , p h e t c a n dh a v ea n a l y s e do n 伽s eo f w a t e r c h m m a t h e n , w ea l s od i s c u s s e dt h em e 蛐o f r e d u c i n gt h ec h r o m a o u rr e s e a r c hi n d i c a t e s ： ( 1 y r e ap o l y - p h e n o lc o n c e n t r a t i o ni nd r i n k i n gw a t e rc a nb ed e t e r m i n e db yt h e m e t h o do f s p e c t r o p h o t o m e t e r ( 2 ) t h ed o s a g eo ft e ap o l y - p h e n o la f f e c t si m p o r t e n f l yt h ec h r o m ao fw a t e r d i s i n f e c t e d t h em o r et e ap o l y - p h e n o ld o s e dt ow a t e r , t h eg r e a t e re h r o m ao fw a t e r d i s i n f e c t e d ( 3 ) p ho f w a t e ri st h em o s ts e n s i t i v ef a c t o rt oc h r o m ao f w a t e rd i s i n f e c t e d w h e n p hi s2 - - 5 ，t h ec h r o m ao f w a t e rd i s i n f e c t e di sl o w a n dw h e nt h ed i s i n f e c t e dw a t e ri s a l k a l e s c e n t , e h r o m ai n c r e a s i n ge v i d e n t l y ( 4 ) t h et e m p e r a t u r ea l s oi m p a c t st h ec h r o m ao fw a t e rd i s i n f e c t e do b v i o u s l y t o t h es a m ew a t e r , a st h et e m p e r a t u r el e s st h a n4 0 x 3 ，t h em o r et h et e m p e r a t u r eo f w a t e r , t h ef a s t e rt h er e a c t i o ns p e e da n dt h em o r ee h r o m ao fw a t e rd i s i n f e c t e d $ v h e nt h e t e m p e r a t u r ei su p p e rt h a n4 0 t h ec h r o m ai n c r e a s e sr a p i d l ya n dt h er e a c t i o nf i n i s h e s a f t e rl 2h o u r s ( 5 ) t h ee f f e c to fq u a n t i t yo fb a c t e r i ai nt h ew a t e rm a i n l ye x h i b i t st w oa s p e c t s f i r s t l y , t h eq u a n t i t yo f b a c t e r i ai nt h ew a t e ri n d i c a t e st h ed o s a g eo f t e ap o l y - p h e n o i ，s o i n d i r e c t l ya f f e c t se h r o l a 乱s e c o n d l y , 丽t l it h es a m ed o s a g eo ft e ap o l y - p h e n 0 1 t h e m o l eq u a n t i t yo f b a c t e r i ai nt h er a ww a t e r , t h em o r ec h r o m ao f w a t e rd i s i n f e c t e d ( 6 ) f o rt p 9 8 ，d o s i n go 1 9i no n el i t r e ，t h eq u a n t i t yo fb a c t e r i ai nt h ew a t e r d i s i n f e c t e do r nb em a i n t a i n4 8h o u r sl e s st h a n2 0 c f u m lt h e d i s i n f e c t i n ge f f e c ti s b e t t e r ( 7 ) t h eq u a n t i t yo ft h e i n er a p i d l yd r o p s5 0 w i t h i nh a l f - h o u rd u r i n gt e a 北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 p o l y - p h e n o ld i s i n f e c t i o na n dt h e ni td r o p s t o1 5 a t2 4h o u r a r e r w a r d si ti ss t e a d y ( 8 ) t h ep r i m a r yc a u s eo nc h r o m ai nt e ap o l y - p h e n o ld i s i n f e c t i o ni st e a p o l y - p h e n o lr e a c t i n gw i t hd o i nw a t e ra tt h es p e e i f i e a le n z y l n ec a t a l y s i s ( 9 ) f o rt p 9 8 d o s i n g2 5 r a gi no n el i t r e , t h ec h r o m ai nt h ew a t e rd i s i n f e c t e dc a l l m a i n t a i n4 8h o u r su n d e r1 5 0 0 ) b e f o ra d d e dt ot h ew a t c h s a m p l e , d i s s o l v e dt e ap o l y - p h e n o lw i t hh o t w a t e r ( 7 5 - - - 9 5 c ) c a l lr e d u c et h ec h r o m a o f w a t e rd i s i n f e c t e di n3 0 - 4 0d e g r e e s o d a d d i n gt e ap o l y - p h e n o la n dv ct ot h ew a t e rs a m p l ea tt h es a m et i m ec 锄m a k e t h ec h r o m ao fw a t e rd i s i n f e c t e dd r o p e dd o w nm a r k e d l y a n da sar e s u l t , t h e d i s i n f o e t i n ge f f e c ti sa l s os t r e n g t h e n e d k e yw o r d s ：t e ap o l y - p h e n o l d i s i n f e c t i o nc h r o m ae f f e c tc a l i s ed r i n k i n gw a t e r 北京建筑工程学院硕士学位论文 声明 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张耗毋匙 日期：2 0 0 7 年1 2 月 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 绪论 1 1 饮用水消毒工艺的现状及发展 消毒是给水处理工艺中的重要组成部分。1 9 世纪中叶，人类历史第一次将水质与人体 健康直接联系起来，正式认识到严重危害生命的霍乱、伤寒、痢疾等传染病是微生物通过 饮用水传播的【l 】。根据联合国的有关调查，人类约8 0 的疾病和微生物感染有关，其“e 6 0 以上的疾病是通过饮用水传播。饮用水中主要的病原体包括细菌、病毒以及寄生型原生动 物和蠕虫【2 】。2 0 世纪初发现氯可以灭活水传致病微生物后，氯消毒在给水处理中得到广泛 应用，成为本世纪保护人体健康的重要技术进步之一。但f 1 2 0 世纪7 0 年代发现氯消毒产 生有“三致”作用的消毒副产物以后，对氯消毒的再评价成为一个热点。另一方面，饮用 水中不断发现新的病原微生物，如微小病毒、贾第虫、军团菌和隐孢子虫等。其中部分新 型致病微生物( 如隐孢子虫等) 不能被氯杀死脚。第三个方面是如果出厂水含有足够多的 生物可降解的有机物时，即使维持足够多的余氯，细菌仍然会在给水管网内再繁殖【4 】。这 些问题对饮用水的安全性构成了严重威胁，促使人们优化消毒技术和采用其他方式的消毒 技术，因此探求新型无毒消毒剂和消毒技术，开发安全可靠、消毒效果又好的新的消毒工 艺显得十分重要。 ( 1 ) 传统氯消毒技术优化 7 0 年代发现氯消毒遇到的问题对人体健康有较大不利影响。但由于氯消毒是目前国 内外最主要的消毒技术。美国自来水厂中约有9 4 5 采用氯消掣习，据估计我国9 9 5 以 上自来水厂采用氯消毒，因此氯消毒优化将是给水处理行业近期面临的主要任务。优化氯 消毒技术被不断研究开发，主要优化方式包括：投加氯胺到出厂水中。采用氯胺消毒能 够减少消毒过程中的t h m s 的产生，并且氯胺在管网中的持续时间更长，控制管网中细菌 的再次繁殖和生物膜也比氯更为有效。然而氯胺消毒对水中的贾第虫和隐孢子囊的去除效 果却不能够令人满意悯。低氯预处理，即在满足控制微生物生长的前提下，尽量减少预 氯化的投氯量或取消预氯化。降低游离氯的接触时间网。为了彻底控制氯消毒产生的问 题，则必须采用其他新型消毒剂，如二氧化氯、臭氧、紫外线等。 ( 2 ) 二氧化氯消毒技术 二氧化氯是一种黄色、强烈刺激性有毒气体，极不稳定，属易燃易爆品。二氧化氯是 一种氧化剂，不是氯化剂。对细菌的细胞壁有较好的吸附和穿透性能，可以有效地氧化细 胞酶系统，快速地控制细胞酶蛋白的合成，二氧化氯杀灭病菌和病毒的效果，远比氯高， 北京建筑工程学院硕士学位论文 有时还超过臭氧，是一种较理想的消毒剂。但二氧化氯的使用还存在一些缺点，二氧化氯 消毒的主要缺点：二氧化氯消毒产生无机消毒副产物亚氯酸盐和氯酸盐，加入到水中的二 氧化氯有5 0 7 0 转变为c i o f 、c 1 0 3 。二氧化氯及其副产物对红血细胞等有影响，当亚 氯酸盐的浓度 3 5 ) 时，氧化反应进行得更快，从而消耗环境 中的氧嗍。酚类结构使其对活性氧等自由基具有很强的捕捉能力，如能与氧化反应产生的 脂质自由基等结合，减少或阻止组织中氧化反应过程的进行，这使多酚具有较强的抗氧化 性以及清除自由基的能力。 分子量较大的多酚其抗氧化性远较茶多酚、没食子酸等小分子多酚强，多酚的抗氧化 性也较常用的抗氧化剂v e 、v c 强，并且多酚与v e 、v c 同时存在时，具有协同抗氧化效应。 植物多酚的抗氧化、清除自由基的性质，是其具有某些生理活性的基础。作为天然的抗氧 化剂，植物多酚在医药、食品、化妆品等很多领域被广泛应用【1 9 】。 3 ) 植物多酚金属离子的络合 与金属的络合能力也来自于酚羟基结构。植物多酚与金属离子形成稳定的五元环螯合 物例。与其他小分子的酚相比，植物多酚对金属离子的络合行为有显著的不同，其配位基 团多、络合能力强、络合物稳定，大部分金属离子与多酚络合后都形成沉淀。在碱性条件 下，多酚与金属离子易形成多配络合物。多酚与某些高价金属离子如c r 6 + 、f 矿等作用时， 络合的同时把金属离子从高价态还原至低价态。 此络合作用是其多种应用的化学基础。在农业和环境方面，植物多酚与c u 2 + 、z n 2 + 等 金属离子的络合，可使含这些离子的金属酶活性受到抑制，这可能也是多酚具有抑制酶活 5 北京建筑工程学院硕士学位论文 性、抗病毒、抗微生物等生物活性的原因之一至于水处理化学和金属防腐化学中，植物 多酚对金属的抗蚀性，更是建立在多酚与金属离子络合作用的基础之上f 2 2 j 。 4 ) 植物多酚的抑菌性【1 9 】，【2 3 】 以单宁为主体的植物多酚对微生物具有广谱抗性，有资料显示，植物多酚对细菌、丝 状真菌、酵母菌都有一定的抑制作用。 目前，植物多酚对微生物的抑制机理尚未确定，它可能是多种因素共同作用的结果。 主要有：多酚与蛋白质的高度结合能力，可以改变微生物细胞酶的活性和减少微生物对外 源蛋白质的利用，很多事实证实了多酚对蛋白质结合能力大者，其抑菌性就强；单宁对细 胞膜的作用，通过与细胞膜结合改变微生物的代谢；与对金属离子的络合作用有关，可以 剥夺铁等离子形成沉淀，从而破坏菌类的正常新陈代谢，多酚与金属离子的络合特性可以 使某些金属酶失去活性，并且降低细胞对环境中某些金属离子的高度依赖性。另外，植物 多酚的生物活性无疑与其精细结构有密切关系，但其分子量的大小也是重要影响因素。 可见，植物多酚的特性集中体现了酚类化合物的化学性质，而分子中多个邻位酚羟基 的协同作用，使多酚具备了一般酚类没有的能力。值得注意的是，在这些性质间皆具有相 关性，它们都源于酚羟基，如与蛋白质结合能力强的多酚往往也具有较强的金属络合能力 和抗氧化性，而且通常以综合的形式体现。 ( 2 ) 植物多酚研究利用现状 人类对植物多酚的认识和利用具有悠久的历史。从远古时代人们就有意识地将之用于 鞣革、治病和染色，近代则大量用于石油开采( 稀释剂和堵剂) 渊、木材加工( 胶粘剂) 【2 5 j 、 采矿( 浮选抑制剂) 【2 6 1 、水处理( 除垢剂) f 2 】、金属防腐( 涂料) 等。然而，随着2 0 世纪5 0 7 0 年代合成材料的兴起，天然产物度被置于次要地位，甚至被忽视，多酚也不例外。从上 世纪8 0 年代后期开始，随着对天然产物开发利用的重新兴起，植物多酚的研究再次成为 天然产物和有机化学研究的热点之一，国内外从多个领域、多种角度对植物多酚进行了广 泛的研究工作，进一步揭示了这类天然产物广阔的应用前景。 植物多酚的应用领域目前大致可分为两类，类是以精细化应用为目的的领域，如医 药、食品、功能高分子材料、生化、化妆品等；第二类是以粗放式应用为目的的领域，如 制革、石油开采、木材胶粘剂、金属防腐等。基于植物多酚的化学特性，目前国内外研究 者也在探索植物多酚新的应用领域，如植物抗虫、食品保鲜及在水处理中的应用2 8 1 。 植物多酚在水处理中的应用研究主要是两个方面：一方面，多酚因其独特的物理化学 性质，本身或其化学改性产品可用于配制锅炉、冷却系统水稳剂，具有防垢、除垢、分散、 6 北京建筑工程学院硕士学位论文 除氧、缓蚀、抑菌等多重功效。植物多酚用于水稳定剂有相当长的历史，栲胶在本世纪初 就开始用于锅炉水处理中，在英国、日本、前苏联都广泛使用【2 9 】。水解类单宁和缩合类单 宁都具有防垢效果，除坚木栲胶常被采用外，单宁酸、栗木、黑荆树皮、松树皮栲胶，甚 至茶叶、柿子、葡萄籽提取物皆有相关报道。单宁防垢用于锅炉水的炉内处理，适用于中 小型锅炉，并且主要适用于以暂时硬度为主或永久硬度不大的水质，不能消除水中永久硬 度【明；另一方面，也可用为絮凝剂，适用于各种类型水质的沉淀 3 0 1 , 3 ”。还可用于制备功 能型高分子树脂以充分利用其离子交换和吸附特性，单宁醛树脂由于在结构中保留了大量 单宁的活性基团，能与多种金属离子螯合，决定了它在有机离子交换中独特的作用和地位， 此类树脂还可用作氧化还原树脂f 3 l j 。 植物多酚的应用研究在国内外正处于方兴未艾的阶段，但有关植物多酚用于水的消毒 的研究较少，植物多酚用于水处理有其特色，作为一种天然水处理剂，除性能温和外，且 还兼有分散、防垢、除垢、软化、缓蚀、抑菌等多种功效，这种独特特性是其它水处理剂 所不具备的，也使其具有广阔的应用前景。 1 2 2 茶多酚的组成及理化性质 茶多酚是目前市场上大量生产且已有售的植物多酚，是从茶叶中提取出来的相对分子 质量低的多酚【3 2 】，占绿茶干重的3 0 。与植物多酚结构一样，含有酚羟基结构，具有强 抗氧化性、清除自由基能力以及广谱抑茵性、与蛋白质金属离子络合等性质，已在各个领 域方面被广泛应用，如在医药方面有抗肿瘤、抗突变、抗衰老、防治心脑血管疾病等诸多 作用；在化妆品、食品方面还有保健美容、保鲜及除臭等作用。本课题将其用于饮用水消 毒处理中，因此下面对茶多酚的组成及其理化性质进行简单介绍。 ( 1 ) 茶多酚的组成鲫 茶多酚是茶叶中的一类主要的化学成分，是一群分子结构中都含有多个酚羟基的复合 体，总称为茶叶的多酚类物质，筒称为茶多酚。目前已十分清楚，茶叶中的多酚物质主要 属缩合单宁( 具有良好的防癌抗肿瘤作用) ，并不含鞣革作用的单宁( 即水解单宁，有一 定的致癌作用) 。 茶叶中的多酚类物质大多属于缩合单宁，因其大部分溶解于水，所以又称为水溶性单 宁。它是由黄烷醇类( 儿茶素类) ，花色素类( 花白素和花青素) 、花黄素类( 黄酮及黄酮 醇类) 、缩酸及缩酚酸类组成。除缩酸及缩酚酸类以外，其他几类化合物由于都具有2 苯 基苯并吡喃的基本结构，所以可以统称为类黄酮化合物。 黄烷醇类：茶叶中的黄烷- 3 醇衍生物，俗称儿茶素类，是茶多酚的主体成分，约占茶 7 北京建筑工程学院硕士学位论文 多酚总量的9 0 左右，为茶叶中多酚类总量的7 0 0 一8 0 。儿茶素类的主要成分是表儿茶 素( e c ) 、儿茶素( c ) 、表儿茶素没食子酸酯( e c g ) 、儿茶素没食子酸酯( c g ) 、表没食 予儿茶素( e g c ) 、没食子儿茶素( c - c ) 、表没食子儿茶素没食子酸酯( e g c g ) 、没食子儿 茶素没食子酸酯( c , c g ) 等，其中主要单体只有六种，且以酯型儿茶素( e g c g 和g c g ) 最 为重要。它们的结构至少包括a 、b 、c 三个环核，酯化后，还有d 环，是2 苯基苯并吡 哺的衍生物。其基本结构如图1 - 1 所示。 o h h o o h r l = r 2 = h ，几茶素( 简称c ) x = s o r i - - o h ，r 2 = h ，没食子儿茶素( 简称g c ) r l = h ，r 2 = x ，儿茶素没食子酸酯( 简称c g ) r l = o h ，r 2 = x ，没食子儿茶素没食子酸酯( 简称g c g ) 图1 - 1 儿茶素结构 花色素类：花色素分为显形的花青素和隐性的花白素，花青素是使植物的花果叶茎等 呈现蓝、紫、红等色的色素。花色素的基本结构花色素苷元是羟基4 黄烷醇，也是2 苯基 苯并吡哺，环上的氢可被羟基或甲氧基取代，从两形成各种不同的花青素。花青素与盐酸 共热生成无色花色素，又叫花白素，其基本结构是黄烷3 ，禾二醇，在适当条件下，花白素 可以转交为相应的花青素。 花黄素类：黄酮、黄酮醇及其衍生物统称为花黄素类，是广泛分布于植物组织细胞中 的一类水溶性色素。常为浅黄至无色，偶为鲜明橙黄色。其母核结构是2 苯基苯并吡喃酮。 茶叶中主要是黄酮醇及其营类，由于其结合的糖的种类不同，连接位置的差异，因而形成 各种各样的黄酮醇苷。 酚酸类：酚酸及缩酚酸类总量占茶鲜叶干物的5 左右。 茶多酚除了上述组分外，还有许多儿茶素氧化缩聚产物，如茶黄素类、茶红素类和多 种二聚、三聚、四聚等低聚合寡聚体，甚至还存在一些高聚合儿茶素。不过，不能认为茶 多酚制品中化学成分和含量完全等同于茶叶中多酚类物质。茶多酚制品的主体成分为儿茶 素，茶多酚品质好坏主要由制品中茶多酚含量、儿茶素含量、儿茶素单体e g c g 含量指标 8 北京建筑工程学院硕士学位论文 限定，所以茶多酚中起主要作用成分是儿茶素，对茶多酚的研究主要是针对其中儿茶素进 行研究。 ( 2 ) 茶多酚的理化特性 茶多酚中含有多羟基结构，使其表现出一系列理化性质。多羟基结构使其易溶于水， 又因分子中的大量酚羟基和苯环使其以氢键和疏水键发生分子缔合，这是一种不引起化学 性质改变的分子问可逆聚集作用，因此，茶多酚在水溶液中实际上是以半胶体状态存在， 即茶多酚水溶液为亲水性胶体。由于酚羟基可游离出l r ，故溶液显酸性，所以儿茶素也称 儿茶酸。 酚羟基与口腔黏膜上蛋白质的氨基结合沉淀形成一不透层使儿茶素具有一定的涩味。 各种儿茶素的滋味有所不同，简单儿茶素收敛性较弱，为爽口不苦涩；复杂几茶素收敛性 较强，在高含量下有苦涩味。 儿茶素本无色，但极易被氧化。酶催化氧化生成茶黄素、茶红素和茶褐素而呈棕红色； 非酶催化反应多生成寡聚体，发生红移现象使颜色加深，所以茶多酚的提取过程中或多或 少总会有儿茶素的氧化而使产品呈浅棕黄色或棕红色。 茶多酚能与些试剂进行反应产生颜色，茶多酚的多种特征显色反应常被用于定性检 验和定量分析。茶多酚部分显色特征见表1 1 。 表1 - 1茶多酚的特征显色反应【蚓 试剂显色特征 酒石酸铁 p h 7 5 时，茶多酚呈蓝紫色 三氯化铁酚羟基呈蓝紫到蓝黑色( 酚性反应) 三氯化铝黄酮类化合物呈黄色，茶黄素呈红色 硝酸银儿茶素显褐黑色 苦味酸儿茶素呈稳定的红色+ 苯酚试剂多酚类化合物呈蓝色 重氮化对氨基苯磺酸多酚类化合物呈黄色 硼酸柠檬酸黄酮类化合物呈柠橡黄 酸性乙醇花青素呈刚果红色 茶多酚还具有光谱特性，因其分子中所含有的苯环结构，在紫外光区有很强的吸收。 这一特性用以进行结构鉴定和多酚类的定性定量分析，具有重要意义。同一物质的紫外吸 9 北京建筑工程学院硕士学位论文 收光谱应完全一致。但相同吸收光谱的化合物其结构不一定完全相同，故需要与其它方法 配合起来进行辨剐。茶多酚组成中主要是儿茶素( 黄烷醇类) ，其紫外吸收主要出现在a 环、b 环中苯环的b 带吸收。 茶多酚的分子结构中具有多个反应活性基团和活性部位，使其可发生多种化学反应。 酚羟基是最具特征的活性基团，可使其发生酚类反应；醇羟基和羧基等基团，又可使其发 生醇、酸的反应；吡喃环中的醚键也属于相对不稳定的化学键，易于酸、碱的介质发生反 应；此外，在结构单元中a 环的6 、8 位为亲核中心，而吡喃环的4 位在强酸性条件下生 成亲电中心。因此，茶多酚分子中同时存在两种中心，又可将反应分为亲核和亲电两类。 1 ) 氧化还原性：与植物多酚抗氧化性相同，茶多酚很易被空气中的氧所氧化，特别 在水溶液和多酚氧化酶存在时，酚羟基通过离解，生成氧负离子，再进一步失去电子，生 成邻醌，邻醌可夺取其他物质的氢还原为酚，也可发生聚合，生成红棕色聚合物。在光照 条件下，儿茶素及其聚合物a 环也能氧化生成醌，反复重复进行，直至生成共轭醌发色团， 就会使颜色变深，红色成分增加。 2 ) 聚合反应；茶多酚发生聚合反应可能有三种反应：酸、碱催化自聚合、氧化偶合。 酸、碱催化自聚合：茶多酚中的儿茶素在强酸的催化作用下发生自聚合生成儿茶素二 聚体，二聚体仍具有亲电和亲核中心，可持续缩聚下去，生成的多聚体就是缩合单宁，进 一步缩合就合成更大分子的红粉。多聚体的化学组成与单体的黄烷3 醇相同，因为所生成 的聚合物分子中仍存在亲电和亲核中心，具有更多的活泼氢，更易形成自由基，它的活性 甚至比其构成单元的活性更大，这就是儿茶素经充分氧化生成的茶色素还具有良好的生物 活性的原因。茶多酚在碱性条件下也可发生氧化聚合。不管用酸性氧化还是用碱性氧化等 化学氧化法，均可使茶多酚氧化聚合，产物中含有一定量的茶黄素和茶红素p 5 1 。 氧化偶合：在多酚氧化酶催化、在酸性氧化剂或铁氰化钾一碳酸氢钠水溶液中，b 环 羟基被氧化成邻醌，然后没食子儿茶素型与儿茶素型阔配对偶合生成茶黄素类。 3 ) 茶多酚与无机离子的作用 多酚对无机盐是高度敏感的，其作用有两个方面，一是静电作用，另一是络合作用。 前者是通过脱水与盐析促进多酚的沉淀，这是一个物理过程，后者则是通过酚羟基与金属 离子形成螯合物，可能还同时发生氧化还原和水解配聚等反应，因此是一个化学过程。 静电作用：主要有两种反应，即脱水和盐析。脱水是指多数中性盐通过静电作用降低 了多酚在水中的溶解性，促进多酚的沉淀。这是一个共性，一般金属活性越强、离子强度 越大，多酚分子中的疏水基团( 如没食子酰基) 在水中的溶解越困难，促使整个多酚分子 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文 更易沉淀下来，这是因为无机离子的强烈水化作用，使原来高度水合的多酚分子发生脱水 而易产生聚集沉淀。盐析是指中性盐使多酚溶液发生盐析而沉淀。这主要是因电解质的加 入使多酚胶体发生去电荷、去溶剂化作用，即感胶化作用。茶多酚采用n a c l 分级盐析法 进行分级分离提取就是根据这一原型捌。 络合作用：茶多酚与金属盐类、咖啡碱、蛋白质、氨基酸等都可发生络合反应。茶 多酚与金属盐类的络合反应：多酚中大量的酚羟基可使其与大多数三价的金属离子和过渡 金属离子发生络合，这是酚类化合物的共性。这一特性不仅可用于茶多酚的定性定量检测， 还可在水处理、营养与生物化学和颜料等方面加以应用。虽然络合主要发生在多酚分子两 个相邻的酚羟基上，茶多酚中含黄烷醇类、黄酎及黄酮醇类、花色素类，还有酚酸类，它 们的酚羟基数目与位置都会影响对金属离子的络合。络合反应的发生由于释放出旷，使体 系p h 降低。根据茶多酚与金属离子络合沉淀的原理，提出以钙离子分离提纯茶多酚的专 利工艺：另一方面，多酚与金属离子络合后还可降低金属的毒性，天然酚类作为抗氧化剂 ( 如茶几茶素) 是高效低毒的自由基清除剂、良好的免疫功能调节剂，且具有络合、吸附 及还原重金属的功能，这些性质使其缓解重金属离子的毒害作用成为可能。茶多酚与咖 啡碱的络合：植物多酚可与生物碱生成沉淀，这反应既是多酚的一种定性方法，而且由 于反应是可逆的，利用生物碱可有效地同蛋白质竞争对多酚的络合，用生物碱解析多种蛋 白质一多酚沉淀络合物，使蛋白质保持活性的条件再生。茶多酚与蛋白质、氨基酸的络 合：茶多酚的游离酚羟基，可与蛋白质和氨基酸结合，使蛋白质沉淀，这是茶多酚杀菌抗 病毒作用的基础。另外，茶多酚与口腔黏膜上皮组织的蛋白质相结合，凝固成一不透水层， 这是味觉的涩味。多酚与蛋白质发生结合大多是可逆结合。 l 3 课题研究的目的和意义 目前虽然有多种消毒剂和消毒方法可供供水厂应用，但都有其弊端，因此而倍受质疑。 植物多酚作为一种天然环保型水处理剂，虽然其用量较大，不过性能比较温和，且兼有分 散、防垢、除垢、软化、缓蚀、抑菌等多种功效，这是其它水处理剂所不具备的，同时还 符合可持续发展理念。茶最早起源于我国，是我国传统饮料，具有悠久茶文化。茶多酚安 全、健康且对人体有保健功效，用于饮用水消毒上不仅天然环保而且还有其独特的优势。 目前国内外对植物多酚杀菌性能的试验研究较少。根据已有茶多酚用于饮用水中进行 杀菌性能试验的研究发现：茶多酚的投加量是影响消毒效果的重要因素。总体来说茶多 酚的投加量越大，杀菌效果越好。茶多酚溶解于水后短时间内即可杀死大量细菌，与水接 触3 0 m i n 后的消毒效果趋于平缓。茶多酚具有较强的持续杀菌能力0 6 。将茶多酚与消 1 l 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 毒效果好但没有持续消毒能力的臭氧( 紫外线) 结合起来，开发一种消毒新工掣朔。 茶多酚用于饮用水消毒仍存在问题而使其尚不能推广使用，主要原因是其投加后会增 加水的色度使水质色度超标。对茶多酚的色度成因进行试验分析是十分必要的，因此本课 题的目的就是通过试验分析水中茶多酚色度的产生原因，分析探讨降低色度的方案，从而 为茶多酚作为水处理消毒剂的推广利用起到推进作用。 1 2 北京建筑工程学院硕士学位论文研究内容与方法 2 课题研究的内容和方法 2 1 研究内容 根据课题研究目的确定主要研究内容为： 1 ) 试验研究应用分光光度法测定水中茶多酚浓度的可行性； 2 ) 研究茶多酚不同投加量、不同纯度、不同接触时间、不同投加形态对消毒后水样 色度的影响，并检测茶多酚消毒效果； 3 ) 研究消毒水样细菌总数、酸碱度、温度等环境因素对消毒后水样色度的影响，并 检测茶多酚消毒效果； 4 ) 研究消毒过程中水中茶多酚浓度变化和儿茶素变化； 5 ) 根据试验结果和儿茶素变化分析色度产生的原因： 6 ) 探讨色度降低的方案，并进行初步试验分析。 2 2 研究方法 2 2 1 课题研究的技术路线 本研究主要采用静态试验。 具体技术路线如下： 1 ) 应用分光光度法测定水中茶多酚浓度，通过精密度、稳定性、回收率试验进行方 法评价。 2 ) 水厂取水样投加茶多酚消毒，静置检测消毒后水样色度、p h 值、 温度、细菌总数、水中茶多酚浓度 对采用不同投加量、不同投加形态、不同纯度茶多酚消毒的水样进行色度、消毒效果 测定，确定茶多酚药剂的规格及其投加形态。 根据试验目的，改变p h 、温度等参数，分析水样色度的影响因素。 2 2 2 试验测试指标及其分析方法 ( 1 ) 依据生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的要求和本试验的研究内容，本 试验所采用的水质检测项目及检验方法见表2 1 。 北京建筑工程学院硕士学位论文研究内容与方法 表2 1 水质检测项目及分析方法 检测项目取样点分析方法 温度 温度计 p hp n 计 色度待消毒水样和消毒后水样袖珍色度仪 浊度 低浊度仪 细菌总数平皿计数法 茶多酚含量消毒后永样分光光度法 ( 2 ) 平皿计数法测试细菌总数 对于饮用水消毒，其首要目的就是杀灭水中有害微生物，消毒后水样细菌总数是衡量 消毒效果的主要依据。因此在茶多酚消毒过程中也要对消毒效果的好坏进行检测，测定消 毒前后水样中细菌总数。 1 ) 准备工作 细菌学指标的检测在我院微生物试验室的无菌室进行。 每次试验前先将操作要用的平皿、刻度吸管、试管、培养基、无菌水放于高压灭菌器 中1 2 1 灭菌2 0 r a i n ；将操作服、口罩、酒精灯、试管架、标签等试验用物品放入无菌室， 同时打开无菌操作台和无菌室的紫外线灯管，对物品、操作台、空气进行紫外线消毒3 0 m i n 。 进入试验室前用酒精擦拭双手，进入试验室后带口罩、穿操作服，并关闭试验室门， 尽量减少水样外其它细菌的干扰。 2 ) 细菌总数的测试方法【3 s 】 细菌总数的测试采用平皿计数法，该方法适用于测试生活饮用水及其水源水中的细菌 总数。 测试原理 细菌总数是指水样在一定条件下( 营养琼脂培养基中，于3 7 c 培养2 4 h 后) 培养后所 得l m l 水样所含菌落的总数。按本方法培养、计数所得结果只包括一群能在营养琼脂上发 育的嗜中温的需氧的活细菌菌落总数。 营养琼脂的配制 成分：蛋白胨l o g 、牛肉膏3 9 、氯化钠5 9 、琼脂l o 2 0 9 、蒸馏水1 0 0 0 m l 。 制法：将上述成分混合后，加热溶解，调整d h 为7 4 7 6 ，分装于玻璃容器中，经 1 4 北京建筑工程学院硕士学位论文研究内容与方法 1 2 1 1 2 灭菌2 0 m i n ，储存于冷暗处备用。 试验用仪器和设备 高压蒸汽灭菌器、干热灭菌箱、培养箱( 3 6 l ) 、电炉、分析天平、冰箱、放大镜、 p h 计及精密p h 试纸、灭菌试管、平皿( 直径9 e r a ) 、刻度吸管、采样瓶等。 测试步骤 以无菌操作方法吸取l m l 充分混匀的水样，注入盛有9 m l 灭菌生理盐水的试管中， 混匀成1 ：1 0 稀释液。 吸取l ：1 0 的稀释液l m l 注入盛有9 m l 灭菌生理盐水的试管中，混匀成1 ：1 0 0 稀释 液。按同法依次稀释成l ：1 0 0 0 ，l ：1 0 0 0 0 等备用。如此递增稀释次，必须更换一支i m l 灭菌吸管。 用灭菌吸管取2 3 个适宜稀释度的水样各l m l ，分别注入灭菌平皿内，倾注约1 5 m l 已融化并冷却到4 56 c 左右的营养琼脂培养基，并立即旋摇平皿，使水样与培养基充分混匀。 每次测试时应做一平行接种，同时另用一个平皿只倾注营养琼脂作为空白对照。 待冷却凝固后，翻转平皿，使底面向上，置于3 6 + 1 1 2 培养箱内培养2 4 h ，进行菌落计 数，即为水样l m l 中的细菌总数。 菌落计数及报告方法 a 、菌落数的计定 作平皿菌落计数时，可用眼睛直接观察，必要时用放大镜检验，以防遗漏。在记下各 平皿的菌落数后，应求出同稀释度的平均菌落数，供下一步计算时应用。在求同稀释度的 平均数时，若其中一个平皿有较大片状菌落生长时，则不宜采用，而应以无片状菌落生长 的平皿作为该稀释度的平均菌落数。若片状菌落不到平皿的一半，而其余一半中菌落数分 布又很均匀，则可将此半皿计数后乘2 以代表全皿菌落数。然后再求该稀释度的平均菌落 数。 b 、不同稀释度的选择及报告方法 首先选择平均菌落数在3 0 3 0 0 之间者进行计算，若只有一个稀释度的平均菌落数符 合此范围时，则将该菌落数乘以稀释倍数报告之。 若有两个稀释度，其生长的菌落数均在3 0 3 0 0 之间，则视二者之比值来决定，若其 比值小于2 应报告两者的平均数。若大于2 则报告其中稀释度较小的菌落总数。若等于2 亦报告其中稀释度较小的菌落数。 若所有稀释度的平均菌落数均大于3 0 0 ，则应按稀释度最高的乎均菌落数乘以稀释倍 1 5 北京建筑工程学院硕士学位论文研究内容与方法 数报告之 若所有稀释度的平均菌落数均小于3 0 ，则应以稀释度最低的平均菌落数乘以稀释倍数 报告之。 若所有稀释度的平均菌落数均不在3 0 3 0 0 之间，则应以最接近3 0 或3 0 0 的平均菌 落数乘以稀释倍数报告之。 若所有稀释度的平皿均无菌落生长，则以 7 的碱性时，随着p h 值的升高，反应速率加大，达 到稳定时所需时间变短。 由图4 - 1 1 可知，对p h 1 0 的水样，在投加后的初始l h 内，其p h 会略有降低，其后 会增加，p h = 6 和p h = 8 两种水样较为明显，它们反应过程中水样的p h 随时间都增加，7 2 h 时原水p h = 8 的水样再次达到8 ，由于p h = 6 的水样尚未达到平衡状态，所以其反应过程正 在进行，p h 正在升高。对于p h = l o 的水样，其反应中水样p h 随时间而降低，7 2 h 时降到 p h = 8 。上述分析表明，虽然反应开始时已对水样的酸碱度进行调整，但随着反应的进行、 色度的增加，各水样的p h 将趋向于p h = 8 ，因而说明p h = 8 是反应最有利的p h 值，可能 是反应的平衡状态。 以上分析表明碱性环境，尤其在p h = 7 8 时，对色度的生成最为有利，而酸性环境中 产生色度很小。这可能是由于环境中的h + 或o h + 对茶多酚的氧化反应有抑制或促进作用， 因为茶多酚结构中含有多酚羟基结构，在水中容易游离出 r ，同时也发生氧化反应产生色 度，因此，若在酸性环境中，旷浓度大，这就抑制了多酚羟基的离解，从而产生的色度低， 溶液p i t 值越低，抑制性越强，色度也越低。相反，若在碱性环境中，o h 司以中和旷， 促使茶多酚离解，从而促进色度的产生。 另外，由表4 - 1 6 可知，各p r 值水样4 8 h 的细菌总数均保持在很低水平，说明无论酸 碱环境，茶多酚消毒效果都很好，这就拓宽了茶多酚的应用条件。在茶多酚消毒应用中， 茶多酚满足消毒效果的情况下，应尽可能在酸性环境中完成以使色度减少，避免出水色度 的超标。 4 2 5 水温对水样色度的影响 对于化学反应，水温同样是其重要影响因素。由4 2 4 试验中的两组不同水样不同温 度下的数据也表明，温度对水样色度有影响。因此，进一步对水样不同温度时水样色度的 变化进行试验，确定温度对色度的影响程度。 本试验包括两组，分别对两种待消毒水样进行不同温度影响试验。对于每种待消毒水 样都调整了六种温度：1 5 5 c 、1 8 t c 、2 2 5 c 、3 1 5 、4 5 c 、6 0 。其中1 5 5 、1 8 7 、2 2 5 、3 1 5 c 的温度通过温控保温箱实现并保持，4 5 、6 0 通过水浴锅保持。 北京建筑工程学院硕士学位论文 茶多酚消毒后水样色度的影响因素试验及分析 ( 1 ) 第一组试验： 试验条件：待消毒水样为炭吸附池出水，p h 为7 6 ，水温t - 1 3 ，细菌总数为 5 3 0 c f u m l ，色度为3 度。均投加茶多酚t p 9 8o 1 9 l ，投加后水样按设定温度保存，静置， 检测不同接触时间的色度，结果见表4 - 1 7 。 表4 - 1 7 不同温度水样消毒后色度变化试验数据表( 炭吸附池出水) 不同接触时间水样色度( 度) 水温( ) t = - l ht = 2 ht = 2 4 h t - - 4 8 h 1 5 56 51 0 0 2 7 63 5 3 1 8 78 6 1 2 63 2 43 6 9 2 2 51 1 6 1 5 63 5 03 7 3 3 1 51 8 02 0 53 6 63 6 0 4 53 0 53 2 43 7 0 3 6 6 6 02 9 83 4 0 3 7 93 8 4 由表4 - 1 7 可绘制出各温度水样消毒后色度随时间的变化曲线和各温度水样消毒后2 4 h 水样色度变化曲线，分别见图4 - 1 2 ( 1 ) 、图4 - 1