利用秋、冬季茶叶提取茶多糖和咖啡因的方法
阅读说明：本技术 利用秋、冬季茶叶提取茶多糖和咖啡因的方法 (Method for extracting tea polysaccharide and caffeine from autumn and winter tea leaves ) 是由 赵昕梅 远凌威 乔春莲 饶本强 张苏锋 袁正仿 于 2020-07-04 设计创作，主要内容包括：本发明属于茶叶原料深加工技术领域,具体涉及利用秋、冬季茶叶提取茶多糖和咖啡因的方法。发明包括如下步骤：A.前处理阶段：(1)将新鲜茶叶原料风干为粗粉；(2)热水循环超声处理；(3)进行粗滤和精滤；(4)减压浓缩得滤液；(5)利用乙醇沉淀杂蛋白；B.茶多糖的提取：(6)离心/过滤,得粗多糖；(7)热水溶解沉淀,除蛋白和脱色；(8)离心/过滤,乙醇醇沉；(9)离心/过滤的精多糖；(10)减压干燥,得干茶多糖。C.咖啡因的提取：(11)将步骤(6)所得滤液,脱色,离心/过滤；(12)浓缩滤液得结晶；(13)洗晶、干燥；(14)减压升华,得纯咖啡因。本发明可提高秋、冬茶树资源利的综合利用率和利用价值。(The invention belongs to the technical field of deep processing of tea raw materials, and particularly relates to a method for extracting tea polysaccharide and caffeine from autumn and winter tea. The invention comprises the following steps: A. a pretreatment stage: (1) air-drying fresh tea raw materials into coarse powder; (2) hot water circulation ultrasonic treatment; (3) coarse filtration and fine filtration are carried out; (4) concentrating under reduced pressure to obtain filtrate; (5) precipitating the impure protein by using ethanol; B. extracting tea polysaccharide: (6) centrifuging/filtering to obtain crude polysaccharide; (7) dissolving the precipitate in hot water, removing protein and decolorizing; (8) centrifuging/filtering, and precipitating with ethanol; (9) (ii) centrifuged/filtered fine polysaccharide; (10) drying under reduced pressure to obtain dried tea polysaccharide. C. Extracting caffeine: (11) decoloring the filtrate obtained in the step (6), and centrifuging/filtering; (12) concentrating the filtrate to obtain crystals; (13) washing and drying the crystal; (14) decompressing and sublimating to obtain pure caffeine. The invention can improve the comprehensive utilization rate and the utilization value of the autumn and winter tea tree resource.)
技术领域
本发明属于茶叶深加工技术领域，具体涉及一种利用秋、冬季茶叶(原料)提取茶多糖和咖啡因的方法。
背景技术
信阳毛尖是河南省信阳地区茶叶名特优产品，该产品的原材料主要利用当地生产茶树的新鲜芽尖，但是整个茶树生长过程中，芽尖产量低，采摘期限短，原材料供不应求。同时新生茶树叶片尤其是秋、冬季在修枝整型的茶树叶片会大量被遗留在茶园中，造成资源浪费，严重制约了茶树资源的永续利用。
茶叶主要生物活性成分为茶多糖，据报道茶多糖在降血糖、抗疲劳、抗氧化和抵抗肿瘤细胞等方面发挥着独特作用，可用于功能性食品的开发。从茶叶中提取的咖啡因，适量饮用具有祛除疲劳、兴奋神经的作用，在临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏，可用于原料药的开发。入秋后至大雪期间茶叶内含物种类和含量具有显著不同于其他时节的特点，如这个季节的茶叶中多糖含量约占茶叶干重的16％～21％，咖啡因含量约占茶叶干重的2％～3％，而茶多酚、氨基酸、茶碱和可可碱等含量降低，不利于制作高档饮用茶，但有利于茶多糖和咖啡因的提取。秋、冬季茶叶无虫害，不使用农药，残留低。可实现机械修剪和叶片的采收，且有利于次年春茶发芽，发芽一致，也有利于春茶的采摘。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用秋、冬季茶叶提取茶多糖和咖啡因的方法，以解决现有的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：以信阳地区秋、冬季未加工的茶树叶为原料，通过前处理阶段的循环超声辅助热水浸提法，提高溶出物溶出率，缩短提取时间。在茶多糖提取工艺中，有机溶剂只涉及乙醇，而且在提取工艺中增加了乙醇和水的循环利用。在咖啡因提取工艺中，本发明采用纳滤浓缩串联反渗透技术，取代了传统的减压浓缩工艺，实现了节能高效，所得RO水可为整个生产工艺提供高纯度用水。
具体地，本发明的技术方案如下所述：
一种利用秋冬、季茶叶原料(为方便叙述本发明统称为茶叶，实质上是指未加工的茶树叶，即茶叶原料，下同)中提取茶多糖和咖啡因的方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)前处理：将采自10月中旬至12月上旬的新鲜秋、冬季茶叶，经风干后粉碎至0.1-5mm大小的原料，按液固比为15-20:1加入温度为90-100℃的水，滤出茶叶渣，得到滤液1，利用循环超声方法提取茶叶粗粉中茶多糖和咖啡因，所述循环超声方法中的超声频率为45-70kHz，输出功率为60-90％，超声处理时间为20-70min；采用板框式压滤进行固液分离，将所得滤液1在40-50℃，0.09—0.1MPa条件下减压浓缩，再加入95-100％的乙醇至浓缩液1中，使乙醇终浓度至75-80％；采用离心或过滤方式对醇沉后的液体进行固液分离，所得沉淀物或截留物即为粗茶多糖。
(2)高纯度茶多糖的制备：用温度为95-100℃热水溶解步骤(1)所得的粗茶多糖，加入20％三氯乙酸至6％沉淀杂蛋白，用粒度为4-6目的颗粒活性炭脱色，过滤，得滤液4，在滤液4中加入无水乙醇至乙醇浓度为75-80％；再次沉淀茶多糖，过滤，减压干燥得含量为≥90％的高纯度茶多糖。
(3)咖啡因的提取：采用离心或过滤方式对步骤(1)中醇沉后液体进行固液分离，得滤液2；减压蒸馏回收乙醇，向所得余液中加入20％三氯乙酸至其浓度为6％以沉淀蛋白杂质，再用颗粒活性炭脱色后通过分级膜过滤得滤液3，纳滤浓缩得浓缩液2，滤出的清液经反渗透装置(常规，商购设备)获得高纯度RO水；将浓缩液2冷却至结晶，得咖啡因粗晶；再在温度为100-105℃条件下减压升华，得≥99％纯度的咖啡因纯品。
本发明在提取茶多糖和咖啡因后的下脚料如茶叶滤渣可以采用微生物固体发酵方法生产动物饲料或有机肥料。
本发明的有益效果：
(1)我国秋冬季茶叶制作饮用茶叶产品的利用率低，其主要原因就是这个时期茶叶中作为饮用茶的主要成分含量比较低，不适合制作高档饮用茶。但是这个时期中的茶树中的原料茶叶中的茶多糖和咖啡因含量显著高于其它时期。现实生产中，这个时期的茶叶主要作为清园修剪烂在茶园里了。信阳是我国重点茶区，秋、冬季茶叶资源很丰富，本发明的工艺可以为秋、冬茶叶资源的永续利用，特别是从中提取茶多糖和咖啡因奠定了技术基础。
(2)本发明的工艺采用了膜分离技术，具有节能环保和高效生产特点。
(3)本发明的工艺中建立了2个循环利用环节，一个是乙醇的回收利用，另一个是纳滤浓缩后的排除液，经反渗透装置后能够制备得到高纯度的RO水，这种新工艺既降低了溶剂的成本，又可降低废水处理压力，在大规模茶叶有效成分的提取中具有明显的优势。
附图说明
图1：本发明的技术路线图。
具体实施方式
实施例1
(1)前处理阶段：利用北京弘祥隆生物技术股份有限公司生产的型号为TGCXN-2.5B聚能式超声循环提取机进行浸提。取95℃左右热水灌进1.5L的提取罐中，开启搅拌循环系统后，在搅拌条件下加入茶叶粗粉(粒径为0.1-5mm)100g，混合均匀后启动聚能式超声循环提取机温度控制系统，使提取罐内的温度不低于90℃。开启超声波发生器，在超声功率为60％，超声工作时间为4s，工作间隔时间为3s，全程时间为20min，温度为95℃条件下进行超声浸提。超声浸提结束后，出料，用6-8层纱布粗滤，粗滤液再用慢速滤纸抽滤得滤液1，滤渣用1.0L 95℃左右热水悬浮，放入提取罐，重复按照前述的超声提取条件和步骤提取10min后，再次进行固液分离，经粗滤、精滤，将所得的精滤液合并至滤液1中。所得滤液1通过减压浓缩至原体积10-15％，再加入95％乙醇或无水乙醇至乙醇终浓度为75-80％，对醇沉后液体进行固液分离，所得沉淀物或截留物即为粗茶多糖。
(2)高纯度茶多糖的制备：采用离心或过滤方式对步骤(1)所得100mL粗茶多糖用95-℃100℃热水溶解，在搅拌条件下加入三氯乙酸至6％以沉淀蛋白，15min后加入适量4-6目颗粒活性炭，缓慢搅拌使颗粒活性炭充分悬浮于液体后再静置20-30min，再次进行固液分离，将所得滤液4加入无水乙醇浓缩至乙醇体积比浓度的75-80％，沉淀茶多糖，过滤分离后，减压干燥截留物，得高纯度茶多糖干品。
(3)咖啡因制备：采用离心或过滤方式对步骤(1)中醇沉后液体进行固液分离，得滤液2，减压蒸馏条件下回收乙醇，滤液2脱除乙醇后得余液，在搅拌条件下加入三氯乙酸至其终浓度达6％以沉淀余液中蛋白杂质，15min后加入适量4-6目颗粒活性炭，缓慢搅拌使颗粒活性炭充分悬浮于余液，再静置20-30min，采用不同过滤级(如尼龙膜，Φ5μm/Φ2μm)膜分离技术进行固液分离，得滤液3，纳滤浓缩得浓缩液2，滤出清液经反渗透装置制备高纯度RO水，可循环利用。将浓缩液2再进行冷却结晶，洗晶，干燥后，在100-105℃条件下减压升华，获得高纯度咖啡因(≥99％)。
实施例2
具体工艺流程如下所述：
(1)前处理阶段：利用北京弘祥隆生物技术股份有限公司型号为TGCXN-20B聚能式超声循环提取机进行浸提。取95℃左右热水15L加入提取罐中，开启搅拌循环系统后，在搅拌条件下加入粉碎后的茶叶粗粉(粒径为0.1-5mm)原料1.0kg，混合均匀后启动温度控制系统，保持提取罐内的温度不低于90℃。开启超声波发生器，在超声功率70％，超声工作时间4s，工作间隔时间3s，全程时间35min，在温度95℃条件下超声浸提。超声提取结束后，出料，采用100目无纺滤布进行粗过滤后所得液体再用陶瓷膜(Φ60-120μm)过滤，得滤液1；滤渣用10L 95℃左右热水悬浮后放入提取罐，以前述的超声处理标准重复超声提取10min后，再次进行固液分离，粗滤、精滤后液体合并至滤液1。将所得滤液1进行减压浓缩至原体积10-15％，得浓缩液1，再加入95％乙醇或无水乙醇至乙醇体积比终浓度达75-80％，采用离心或过滤方式对醇沉后浓缩液1进行固液分离，所得沉淀物或截留物即为粗茶多糖。
(2)高纯度茶多糖的制备：用95℃-100℃的热水1.0L溶解粗茶多糖，在搅拌条件下加入三氯乙酸至其浓度为6％以沉淀蛋白杂质，15min后加入适量4-6目颗粒活性炭，缓慢搅拌使颗粒活性炭充分悬浮，静置25-35min后进行固液分离，所得滤液4加入无水乙醇至乙醇体积比浓度为75％-80％，沉淀茶多糖，过滤分离后，减压干燥沉淀物，得高纯度干茶多糖。
(3)咖啡因提取：采用离心或过滤方式对步骤(1)中醇沉后浓缩液1进行固液分离，得滤液2，减压蒸馏滤液2回收乙醇后得余液，在搅拌条件下加入三氯乙酸至其浓度为6％以沉淀蛋白杂质，15min后加入适量4-6目颗粒活性炭对余液进行脱色，缓慢搅拌使颗粒活性炭充分悬浮于余液，静置25-35min，采用100目无纺滤布进行粗过滤后再用陶瓷膜(Φ60-120μm)进行二次过滤得滤液3，纳滤浓缩滤液3得浓缩液2，滤出清液经反渗透装置制备高纯度RO水，循环利用。浓缩液2再进行冷却结晶，洗晶，干燥，在100-105℃条件下减压升华，获得高纯度咖啡因(≥99％)。
实施例3
(1)前处理阶段：利用北京弘祥隆生物技术股份有限公司生产的型号为TGCXN-200B聚能式超声循环提取机进行浸提。取95℃左右热水150L加入提取罐，开启搅拌循环系统后，在搅拌条件下加入茶叶粗粉(粒径为0.1-5mm)10kg，混合均匀后启动温度控制系统，使提取罐内的温度不低于90℃。开启超声波发生器(是否就是上面提到的TGCXN-200B聚能式超声循环提取机，该机器是否携带超声波发生器，还是需要另外配制超声波发生器设备自带)，在超声功率85％，超声工作时间4s，工作间隔时间3s，全程工作时间为70min，在95℃条件下超声浸提。超声提取结束后排出料液，采用板框式压滤机(过100目筛)进行粗过滤，粗滤液再用陶瓷膜(Φ60-120μm)过滤得滤液1；滤渣用100L 95℃左右热水悬浮后放入提取罐，重复超声提取40min后，再次固液分离，粗滤、精滤后液体合并至滤液1。减压浓缩滤液1至原体积15-20％，得浓缩液1，加入95％乙醇或无水乙醇至浓缩液1中乙醇体积比终浓度75-80％，采用离心或过滤方式对醇沉后浓缩液1进行固液分离，所得沉淀物或截留物即为粗茶多糖。
(2)高纯度茶多糖的制备：采用离心或过滤方式对步骤(1)中醇沉后液体进行固液分离，所得沉淀物或截留物即为粗茶多糖。取10L 95-100℃热水溶解粗茶多糖，在搅拌条件下加入三氯乙酸至其浓度为6％以沉淀蛋白杂质，20min后将粗茶多糖溶加入颗粒活性炭过滤器(4-6目)进行脱色，静置25-35min，脱色后液体进行陶瓷膜(Φ60-120μm)过滤，所得滤液4中加入无水乙醇至乙醇体积比浓度为75％-80％，沉淀即为茶多糖，离心或过滤分离沉淀物，通过减压干燥沉淀物，得高纯度茶多糖干品。
(3)咖啡因的提取：采用离心或过滤方式对步骤(1)中醇沉后浓缩液1进行固液分离，得滤液2，减压蒸馏滤液2回收乙醇后得余液，在搅拌条件下加入三氯乙酸至其浓度为6％以沉淀蛋白杂质，20min后将沉淀蛋白杂质后的余液加入颗粒活性炭过滤器(4-6目)进行脱色，静置25-35min，脱色后液体进行陶瓷膜(Φ60-120μm)过滤，得滤液3，纳滤浓缩滤液3得浓缩液2，滤出清液经反渗透装置制备高纯度RO水，循环利用。浓缩液2再进行冷却结晶，洗晶，干燥，在100-105℃条件下减压升华，获得高纯度咖啡因(≥99％)。