茶多酚用于飲用水消 的研究探索
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馮萃敏1， 謝寒1， 王曉彤1， 楊童童1， 黃華2
（1．北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2．中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司，北京100010）
摘要：消毒是保證飲用水安全的關(guān)鍵措施，當(dāng)今常用的氯化消毒方法存在消毒副產(chǎn)物等局限性，為了確保水質(zhì)安全滿足人民健康 需求，有必要尋找一種性能優(yōu)越、環(huán)境友好的綠色消毒劑。茶多酚作為一類(lèi)儲(chǔ)量豐富、可再生的綠色資源，生理功能多樣且具有廣泛的抑菌活性。基于茶多酚的廣譜抑菌性，將茶多酚用于飲用水消毒，分析了茶多酚對(duì)應(yīng)急飲用水源、常規(guī)飲用水的消毒效果，探討了茶多酚的輔助消毒持續(xù)性效果，并對(duì)茶多酚的毒理安全性進(jìn)行闡述，初步分析和展望了茶多酚用于飲用水消毒的前景。
關(guān)鍵詞：茶多酚；飲用水；消毒；安全
中圖分類(lèi)號(hào)：X52 doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.04.013 文章編號(hào)：1003-6504(2016)04-0063-05
茶多酚是茶葉中含有的一類(lèi)多羥基酚類(lèi)化合物的總稱(chēng)，主要分布于植株的嫩葉和芽中。它由黃烷醇類(lèi)（兒茶素類(lèi)）、花色素類(lèi)（花白素和花青素）、花黃素類(lèi)（黃酮及黃酮醇類(lèi)）、縮酸及縮酚酸類(lèi)組成。其中黃烷醇類(lèi)化合物親水性較強(qiáng)，而類(lèi)黃酮化合物的溶解度因結(jié)構(gòu)不同有很大差異，茶多酚作為復(fù)合物，易溶于水、乙醇、乙酸乙酯等溶劑，促進(jìn)了其應(yīng)用研究。茶多酚的抗氧化性、廣譜抑菌性加之“綠色”本質(zhì)，使其倍受食品業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)藥保健等行業(yè)的關(guān)注。隨著飲用水安全問(wèn)題的日益突出和人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)天然物質(zhì)茶多酚消毒性能的研究也隨之成為熱點(diǎn)。
1茶多酚抑菌性能
大量研究顯示，茶多酚有很好的抑菌效果，對(duì)自然界中幾乎所有病原微生物都有一定的抑制能力，包括革蘭氏陰性、陽(yáng)性菌、真菌、病毒及其分泌的毒素�？咕鷮�(shí)驗(yàn)顯示，茶多酚及其單體對(duì)口腔致病菌、食品病原菌，對(duì)人體多種皮膚病原真菌、流感病毒、輪狀病毒都有一定的殺滅和抑制作用，同時(shí)能抑制腸道有害菌生長(zhǎng)、促進(jìn)腸道有益菌生長(zhǎng)。茶多酚的廣譜抑菌性是其消毒的前提，兒茶素作為茶多酚的主體成分，約占茶多酚總量的65%～80%，其結(jié)構(gòu)中具有連苯酚基或鄰苯酚基，茶多酚的許多生物活性都是由兒茶素體現(xiàn)的。其中EGCG和ECG是茶多酚中2種主要兒茶素，含量分別為36%和24%，是使茶多酚具有抑菌作用的主要成分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
茶多酚對(duì)細(xì)菌的抑制作用與細(xì)菌種類(lèi)有密切關(guān)系，研究顯示，茶多酚對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑制作用強(qiáng)于革蘭氏陰性菌，且茶多酚中不同結(jié)構(gòu)兒茶素的抑菌活性也不盡相同，可能與兒茶素對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌細(xì)胞膜結(jié)合能力不同有關(guān)。目前，關(guān)于茶多酚的抑菌機(jī)理尚不完全清楚，研究主要集中在茶多酚對(duì)微生物細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)（酶）、遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的影響。Nakayama等對(duì)EGCG和大腸桿菌細(xì)胞膜表面蛋白的隔離與識(shí)別作用機(jī)制研究表明，EGCG結(jié)構(gòu)中的羥基通過(guò)氫鍵和堿性氨基酸側(cè)鏈的氮原子相互作用，抑制了細(xì)菌細(xì)胞膜孔蛋白的主要功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。茶多酚結(jié)構(gòu)上的酚羥基與菌體內(nèi)的二氫葉酸合成酶肽鍵上的氨基酸殘基作用，使二氫葉酸合成酶失活，從而影響細(xì)菌的核酸合成，使細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖受到抑制。EGCG在有氧條件下會(huì)產(chǎn)生H2O2、超氧陰離子自由基等活性氧分子，對(duì)細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生毒效應(yīng)，進(jìn)而引起細(xì)菌死亡。
2茶多酚消毒效果
目前，茶多酚用于飲用水消毒的研究已取得初步進(jìn)展。北京建筑大學(xué)的研究者將茶多酚用于天然水體消毒、自來(lái)水廠濾池出水消毒，并將茶多酚作為輔助消毒劑，探討其消毒效果。
2.1應(yīng)急飲用水源消毒
當(dāng)遇突發(fā)事故需應(yīng)急供水時(shí)，應(yīng)急飲用水源在一定的人為干預(yù)模式下，應(yīng)能短時(shí)間內(nèi)提供相當(dāng)數(shù)量的水，最大程度滿足居民生存、生活用水。消毒是保證應(yīng)急供水安全的關(guān)鍵措施，簡(jiǎn)便、高效的消毒技術(shù)對(duì)整個(gè)應(yīng)急供水系統(tǒng)有著重要意義。
研究者通過(guò)向純凈水中加入化糞池上清液配制細(xì)菌總數(shù)與江河水相當(dāng)?shù)脑?6xl03 CFU/m L)，模擬應(yīng)急飲用水源，采用純度為98%的茶多酚進(jìn)行消毒試驗(yàn)。結(jié)果顯示對(duì)于細(xì)菌總數(shù)近江河水的原水，茶多酚有一定的消毒效果。茶多酚與水接觸20 min后，水中剩余細(xì)菌總數(shù)較原水有大幅度下降，且茶多酚投加量越大，剩余細(xì)菌總數(shù)越低，消毒效果越好。接觸8h后，水中剩余細(xì)菌總數(shù)從103的數(shù)量級(jí)降到10～102數(shù)量級(jí)，其中茶多酚投加量為0.3 g/L時(shí)，剩余細(xì)菌總數(shù)為65 CFU/m L，滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 206-2005)中80 CFU/m L的限值要求。且茶多酚投加量為0.3 g/L時(shí)，消毒接觸時(shí)間延長(zhǎng)至1d，剩余細(xì)菌總數(shù)基本穩(wěn)定，仍滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 206-2005)的要求。
對(duì)北方某水庫(kù)水（細(xì)菌總數(shù)為750 CFU/m L）的茶多酚（純度為98%）消毒效果試驗(yàn)結(jié)果分析顯示，由于原水水質(zhì)較好，茶多酚消毒接觸時(shí)間短，僅需30 min。茶多酚投加量0.05 g/L可維持1d內(nèi)剩余細(xì)菌總數(shù)滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 206-2005)的要求，投加量0.1 g/L可維持2d內(nèi)剩余細(xì)菌總數(shù)滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》( CJ/T 206-2005)的要求。若采用此水庫(kù)水作為應(yīng)急供水水源，可根據(jù)應(yīng)急時(shí)間需求，減少茶多酚消毒劑的投加量，并縮短消毒接觸時(shí)間至30 min，如表1所示。
2.2常規(guī)飲用水消毒
自來(lái)水廠的消毒工藝，一般指出廠水的消毒，即濾后水消毒。為研究茶多酚對(duì)濾池出水的消毒效果，研究者取用北方某自來(lái)水廠濾池出水(細(xì)菌總數(shù)為195 CFU/m L)，投加純度為98%的茶多酚進(jìn)行消毒試驗(yàn)，結(jié)果顯示茶多酚投加量≥0.1 g/L時(shí)，與水接觸20min后可使剩余細(xì)菌總數(shù)滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 206-2005）的要求，且2d內(nèi)消毒持續(xù)性效果一
直較好。當(dāng)降低茶多酚投加量至0.05 g/L時(shí)，剩余細(xì)菌總數(shù)明顯升高，20 min～2 d內(nèi)的剩余細(xì)菌總數(shù)均在80 CFU/m L左右，接近《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T206-2005)中細(xì)菌總數(shù)限值。對(duì)于常規(guī)飲用水消毒，茶多酚顯示出良好的消毒持續(xù)性，且水力停留時(shí)間較短，適用性較強(qiáng)。
2.3飲用水輔助消毒
為防止供水管道系統(tǒng)內(nèi)微生物大量滋生與繁殖，控制水廠出廠水到達(dá)管網(wǎng)末梢時(shí)仍滿足《標(biāo)準(zhǔn)》中微生物學(xué)指標(biāo)的要求，需要在出廠水中投加一定量的輔助消毒劑，水廠一般采用氯作為輔助消毒劑，通過(guò)補(bǔ)氯實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)中微生物的控制。研究者為探究茶多酚的輔助消毒效果，以去除余氯的自來(lái)水為原水（細(xì)菌總數(shù)為67 CFU/m L），采用純度為98%的茶多酚進(jìn)行輔助消毒試驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著茶多酚投加量的增加，剩余細(xì)菌總數(shù)逐漸減少，茶多酚投加量≥3 mg/L時(shí)，可維持水中剩余細(xì)菌總數(shù)在48 h內(nèi)始終滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 206-2005）的要求，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)菌數(shù)穩(wěn)定并有所降低，如圖2所示。在茶多酚與臭氧（紫外線）聯(lián)合消毒工藝中，經(jīng)過(guò)臭氧消毒后，茶多酚的投加量為16 mg/L便能維持48 h水中剩余細(xì)菌總數(shù)在80 CFU/m L以內(nèi)；經(jīng)過(guò)紫外線消毒后，茶多酚的投加量為80 mg/L時(shí)能夠維持48 h水中剩余細(xì)菌總數(shù)在80 CFU/m L以內(nèi)。茶多酚作為飲用水輔助消毒劑，投加量小，且有良好的消毒持續(xù)作用，能有效控制管網(wǎng)中微生物的滋生與繁殖，保證出廠水到達(dá)用戶的安全性。
2.4茶多酚色度
茶多酚消毒持續(xù)性試驗(yàn)中，隨著消毒時(shí)間的延長(zhǎng)，肉眼能觀察到水中色度的變化。由于色度是飲用水水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T206-2005)對(duì)生活飲用水的色度也有明確規(guī)定（不得超過(guò)15度），故研究者對(duì)茶多酚消毒中水樣的色度進(jìn)行了測(cè)定。將茶多酚投加至無(wú)菌水中，水樣色度有所增加，茶多酚投量為0.05 g/L時(shí)，在60 min內(nèi)水樣色度一直滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》( CJ/T 206-2005)的要求，其他投量條件下色度均超標(biāo)。張艷秋對(duì)茶多酚消毒（待消毒水樣為濾池出水，色度為6度，細(xì)菌總數(shù)為720 CFU/m L）后水中色度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)投加茶多酚后水中色度明顯增加，影響感觀性狀，且隨著茶多酚投量的增加、接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，色度也有所增加，如表2所示。
對(duì)比結(jié)果可知，含有細(xì)菌的水樣投加茶多酚后色度明顯高于不含細(xì)菌的水樣，表明茶多酚與細(xì)菌的相互作用是影響水樣色度的主要因素。目前茶多酚消毒過(guò)程中色度的產(chǎn)生機(jī)制尚不清楚，可能受多種因素的影響，消毒過(guò)程中生成的茶黃素、茶紅素和茶褐素與色度的產(chǎn)生有密切關(guān)系。研究顯示，茶多酚作為輔助消毒劑與氯聯(lián)合使用，能有效控制出水色度，3 mg/L為既滿足殺菌要求又不破壞出水色度的茶多酚最佳輔助消毒投加量。對(duì)茶多酚進(jìn)行熱溶、投
加維生素C（抗壞血酸）也能在一定程度上降低消毒后水樣色度。
3茶多酚安全性
合格優(yōu)質(zhì)的消毒劑不僅應(yīng)滿足消毒效果要求且應(yīng)有較高的安全性，對(duì)人體無(wú)毒害作用。毒理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明氯消毒副產(chǎn)物具有致癌性、內(nèi)分泌干擾等毒性，且其具有較高的親水性，常規(guī)的水處理技術(shù)去除率較低，大量殘留在飲用水里，對(duì)人體有潛在的危害。因此，將茶多酚作為消毒劑時(shí)，有必要對(duì)其毒理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確保對(duì)人體的安全性。
多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家為探討茶多酚的安全性進(jìn)行了大量毒理學(xué)試驗(yàn)。王岳飛等檢測(cè)了茶多酚抗輻射制劑的安全性，Ames試驗(yàn)、小鼠骨髓微核試驗(yàn)、小鼠精子畸形試驗(yàn)等遺傳毒性試驗(yàn)結(jié)果均為陰性，顯示無(wú)致突變性；30 d喂養(yǎng)試驗(yàn)(5.00 g/kg)未見(jiàn)動(dòng)物出現(xiàn)中毒癥狀，表明茶多酚抗輻射制劑急性毒性分級(jí)屬無(wú)毒級(jí)、無(wú)遺傳毒性，安全性較高。Isbrucker等分
別從基因毒性和致畸發(fā)育毒性角度通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)分析EGCG毒性，結(jié)果顯示小鼠體液分析未見(jiàn)任何基因毒性效應(yīng)，致畸和發(fā)育毒性實(shí)驗(yàn)也表明沒(méi)有導(dǎo)致畸形形成的跡象，說(shuō)明茶多酚具有很高的安全性。Chow等對(duì)茶多酚的急性毒性、亞急性毒性、亞慢性毒性、Ames試驗(yàn)、抗突變與抗癌變?cè)囼?yàn)、微核試驗(yàn)等毒理學(xué)試驗(yàn)也得出了一致的結(jié)論，表明茶多酚毒性很低、無(wú)副作用。在毒理安全性基礎(chǔ)上，研究顯示茶多酚具有多種生物活性，能有效清除體內(nèi)的自由基，抑制和殺滅病原微生物，調(diào)血脂、抗腫瘤、防治心血管疾病等。
4結(jié)論與展望
(1)茶多酚生理功能多樣，抑菌譜廣，消毒持續(xù)性效果良好。用于江河應(yīng)急飲用水源消毒時(shí)，投加量宜為0.3 g/L，接觸時(shí)間宜控制在8h及以上；用于水庫(kù)應(yīng)急飲用水源消毒時(shí)，投加量宜為0.05 g/L，接觸時(shí)間宜控制在30 min及以上。對(duì)于常規(guī)飲用水消毒，茶多酚投加量宜為0.1 g/L，與水接觸20 min即可使剩余細(xì)菌總數(shù)滿足《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》( CJ/T 206-2005)要求，且有較強(qiáng)的消毒持續(xù)性。茶多酚作為輔助消毒劑，適宜投加量為3 mg/L，可考慮與臭氧／紫外線消毒或超濾膜過(guò)濾聯(lián)用。
(2)色度是茶多酚作為消毒劑應(yīng)用存在的一個(gè)問(wèn)題，將茶多酚用作輔助消毒劑，能有效避免出水色度的超標(biāo)。深入研究茶多酚消毒過(guò)程中色度生成機(jī)理，探究消毒后水中色度降低方法，對(duì)茶多酚的實(shí)際應(yīng)用有很大意義。維生素C是生物體所需要的微量營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)也是良好的抑菌劑，維生素C的投加能降低茶多酚消毒后水中的色度，研究茶多酚和維生素C等其他天然抑菌物質(zhì)的協(xié)同作用，并制成復(fù)合消毒劑用于水廠或家庭是將來(lái)的研究方向。
(3)水廠消毒過(guò)程中，影響因素復(fù)雜，檢測(cè)實(shí)際水廠消毒時(shí)溫度、硬度、懸浮物、pH等對(duì)茶多酚消毒效果的影響，對(duì)于茶多酚的實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。分析復(fù)雜水質(zhì)條件下茶多酚的消毒機(jī)理，對(duì)茶多酚的改性研究及應(yīng)用時(shí)消毒條件控制意義深遠(yuǎn)。復(fù)雜水質(zhì)條件下，按照飲用水的安全性毒理評(píng)價(jià)要求，對(duì)茶多酚進(jìn)行系統(tǒng)的飲用水消毒劑毒性試驗(yàn)研究，給出科學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果，有益于大眾對(duì)茶多酚消毒劑的接受。
(4)茶多酚的大規(guī)模應(yīng)用還需首先解決系列問(wèn)題，包括茶樹(shù)培植、茶多酚提取、消毒設(shè)備的配套、茶多酚消毒劑生產(chǎn)應(yīng)用的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等，需要相關(guān)多學(xué)科的綜合研究。隨著技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，茶多酚這種綠色消毒劑將有廣闊的發(fā)展前景。
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