质量与安全课题组研究构建茶叶中咖啡因高效富集新方法

      近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所质量与安全课题组在磁性三维多孔吸附材料制备及其咖啡因富集去除技术研发方面取得新进展，相关研究成果以“Engineering of zeolitic imidazolate frameworks based on magnetic three-dimensional graphene as effective and reusable adsorbent to enhance the adsorption and removal of caffeine from tea samples”发表于Food Chemistry上（IF=8.8 Q1）。

      咖啡因是一种富含于茶叶中的黄嘌呤生物碱，作为中枢神经兴奋剂，具有减轻疲劳，改善运动表现和情绪，促进新陈代谢的作用。然而，过量摄入会导致睡眠障碍、紧张焦虑和血压升高，并可增加中风和心脏病的患病风险，低咖啡因茶饮产品越来越受到消费者的欢迎。传统的脱咖啡因技术如超临界流体法、离子沉淀法、水提法、微生物降解法等仍存在脱除效率低、活性成分损失、适用范围窄等局限性。

图1 Fe₃O₄@3DGA@ZIF-8的制备流程

图2 Fe₃O₄@3DGA@ZIF-8的咖啡因吸附性能

      本研究以磁性纳米粒子（Fe₃O₄）和3DGA为纳米载体，利用3DGA柔性表面引导ZIF-8的定向自组装技术成功制备了Fe₃O₄@3DGA@ZIF-8复合材料。结果表明Fe₃O₄@3DGA@ZIF-8具有较大比表面积（162.98 m2/g），高孔隙体积(0.35 cm3/g)、超顺磁性(40.8 emu/g)、高咖啡因去除率（＞99%）和良好的重复利用性。最优实验条件下，发现复合材料对咖啡因的最大吸附量为19.57 mg/g。利用静态、动态吸附模型计算深入探究了咖啡因在复合材料上的吸附传质过程，揭示了静态吸附符合Langmuir模型，主要由单分子吸附主导；动力学拟合符合拟二阶模型，主要由化学吸附控制吸附过程。最后，该复合材料成功用于绿茶、乌龙茶、黑茶、白茶等茶汤样品中咖啡因的吸附去除。本研究解决了茶叶样品中咖啡因富集效率低和吸附剂不易回收等问题，为新型三维多孔吸附材料的设计制备提供了新的研究路径，并为茶叶中咖啡因的控制去除提供了新思路。

      中国农业科学院蔬菜花卉研究所为论文第一完成单位，蔬菜花卉所硕士研究生花雨薇和刘广洋研究员为共同第一作者，刘广洋研究员和徐东辉研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助和蔬菜生物育种全国重点实验室、农业农村部蔬菜质量安全控制重点实验室的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0308814623017612