茶多酚用于饮用水消 的研究探索

 冯萃敏1，  谢寒1，  王晓彤1，  杨童童1，  黄华2

（1．北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044；2．中国民航机场建设集团公司，北京100010）

摘要：消毒是保证饮用水安全的关键措施，当今常用的氯化消毒方法存在消毒副产物等局限性，为了确保水质安全满足人民健康 需求，有必要寻找一种性能优越、环境友好的绿色消毒剂。茶多酚作为一类储量丰富、可再生的绿色资源，生理功能多样且具有广泛的抑菌活性。基于茶多酚的广谱抑菌性，将茶多酚用于饮用水消毒，分析了茶多酚对应急饮用水源、常规饮用水的消毒效果，探讨了茶多酚的辅助消毒持续性效果，并对茶多酚的毒理安全性进行阐述，初步分析和展望了茶多酚用于饮用水消毒的前景。

 关键词：茶多酚；饮用水；消毒；安全

 中图分类号：X52  doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.04.013 文章编号：1003-6504(2016)04-0063-05

 茶多酚是茶叶中含有的一类多羟基酚类化合物的总称，主要分布于植株的嫩叶和芽中。它由黄烷醇类（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。其中黄烷醇类化合物亲水性较强，而类黄酮化合物的溶解度因结构不同有很大差异，茶多酚作为复合物，易溶于水、乙醇、乙酸乙酯等溶剂，促进了其应用研究。茶多酚的抗氧化性、广谱抑菌性加之“绿色”本质，使其倍受食品业、养殖业、畜牧业、医药保健等行业的关注。随着饮用水安全问题的日益突出和人们对生活质量要求的不断提高，对天然物质茶多酚消毒性能的研究也随之成为热点。

1茶多酚抑菌性能

 大量研究显示，茶多酚有很好的抑菌效果，对自然界中几乎所有病原微生物都有一定的抑制能力，包括革兰氏阴性、阳性菌、真菌、病毒及其分泌的毒素。抗菌实验显示，茶多酚及其单体对口腔致病菌、食品病原菌，对人体多种皮肤病原真菌、流感病毒、轮状病毒都有一定的杀灭和抑制作用，同时能抑制肠道有害菌生长、促进肠道有益菌生长。茶多酚的广谱抑菌性是其消毒的前提，儿茶素作为茶多酚的主体成分，约占茶多酚总量的65%～80%，其结构中具有连苯酚基或邻苯酚基，茶多酚的许多生物活性都是由儿茶素体现的。其中EGCG和ECG是茶多酚中2种主要儿茶素，含量分别为36%和24%，是使茶多酚具有抑菌作用的主要成分，其结构如图1所示。

  茶多酚对细菌的抑制作用与细菌种类有密切关系，研究显示，茶多酚对革兰氏阳性菌的抑制作用强于革兰氏阴性菌，且茶多酚中不同结构儿茶素的抑菌活性也不尽相同，可能与儿茶素对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞膜结合能力不同有关。目前，关于茶多酚的抑菌机理尚不完全清楚，研究主要集中在茶多酚对微生物细胞膜、蛋白质（酶）、遗传物质转录与复制的影响。Nakayama等对EGCG和大肠杆菌细胞膜表面蛋白的隔离与识别作用机制研究表明，EGCG结构中的羟基通过氢键和碱性氨基酸侧链的氮原子相互作用，抑制了细菌细胞膜孔蛋白的主要功能，最终导致细胞死亡。茶多酚结构上的酚羟基与菌体内的二氢叶酸合成酶肽键上的氨基酸残基作用，使二氢叶酸合成酶失活，从而影响细菌的核酸合成，使细菌的生长繁殖受到抑制。EGCG在有氧条件下会产生H2O2、超氧阴离子自由基等活性氧分子，对细菌细胞产生毒效应，进而引起细菌死亡。

2茶多酚消毒效果

 目前，茶多酚用于饮用水消毒的研究已取得初步进展。北京建筑大学的研究者将茶多酚用于天然水体消毒、自来水厂滤池出水消毒，并将茶多酚作为辅助消毒剂，探讨其消毒效果。

2.1应急饮用水源消毒

 当遇突发事故需应急供水时，应急饮用水源在一定的人为干预模式下，应能短时间内提供相当数量的水，最大程度满足居民生存、生活用水。消毒是保证应急供水安全的关键措施，简便、高效的消毒技术对整个应急供水系统有着重要意义。

 研究者通过向纯净水中加入化粪池上清液配制细菌总数与江河水相当的原水(6xl03 CFU/m L)，模拟应急饮用水源，采用纯度为98%的茶多酚进行消毒试验。结果显示对于细菌总数近江河水的原水，茶多酚有一定的消毒效果。茶多酚与水接触20 min后，水中剩余细菌总数较原水有大幅度下降，且茶多酚投加量越大，剩余细菌总数越低，消毒效果越好。接触8h后，水中剩余细菌总数从103的数量级降到10～102数量级，其中茶多酚投加量为0.3 g/L时，剩余细菌总数为65 CFU/m L，满足《城市供水水质标准》(CJ/T  206-2005)中80 CFU/m L的限值要求。且茶多酚投加量为0.3 g/L时，消毒接触时间延长至1d，剩余细菌总数基本稳定，仍满足《城市供水水质标准》(CJ/T 206-2005)的要求。

 对北方某水库水（细菌总数为750 CFU/m L）的茶多酚（纯度为98%）消毒效果试验结果分析显示，由于原水水质较好，茶多酚消毒接触时间短，仅需30 min。茶多酚投加量0.05 g/L可维持1d内剩余细菌总数满足《城市供水水质标准》(CJ/T 206-2005)的要求，投加量0.1 g/L可维持2d内剩余细菌总数满足《城市供水水质标准》( CJ/T  206-2005)的要求。若采用此水库水作为应急供水水源，可根据应急时间需求，减少茶多酚消毒剂的投加量，并缩短消毒接触时间至30 min，如表1所示。

2.2常规饮用水消毒

 自来水厂的消毒工艺，一般指出厂水的消毒，即滤后水消毒。为研究茶多酚对滤池出水的消毒效果，研究者取用北方某自来水厂滤池出水(细菌总数为195 CFU/m L)，投加纯度为98%的茶多酚进行消毒试验，结果显示茶多酚投加量≥0.1 g/L时，与水接触20min后可使剩余细菌总数满足《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）的要求，且2d内消毒持续性效果一

直较好。当降低茶多酚投加量至0.05 g/L时，剩余细菌总数明显升高，20 min～2 d内的剩余细菌总数均在80 CFU/m L左右，接近《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)中细菌总数限值。对于常规饮用水消毒，茶多酚显示出良好的消毒持续性，且水力停留时间较短，适用性较强。

2.3饮用水辅助消毒

 为防止供水管道系统内微生物大量滋生与繁殖，控制水厂出厂水到达管网末梢时仍满足《标准》中微生物学指标的要求，需要在出厂水中投加一定量的辅助消毒剂，水厂一般采用氯作为辅助消毒剂，通过补氯实现管网中微生物的控制。研究者为探究茶多酚的辅助消毒效果，以去除余氯的自来水为原水（细菌总数为67 CFU/m L），采用纯度为98%的茶多酚进行辅助消毒试验，结果显示随着茶多酚投加量的增加，剩余细菌总数逐渐减少，茶多酚投加量≥3 mg/L时，可维持水中剩余细菌总数在48 h内始终满足《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）的要求，且随着时间的延长，细菌数稳定并有所降低，如图2所示。在茶多酚与臭氧（紫外线）联合消毒工艺中，经过臭氧消毒后，茶多酚的投加量为16 mg/L便能维持48 h水中剩余细菌总数在80 CFU/m L以内；经过紫外线消毒后，茶多酚的投加量为80 mg/L时能够维持48 h水中剩余细菌总数在80 CFU/m L以内。茶多酚作为饮用水辅助消毒剂，投加量小，且有良好的消毒持续作用，能有效控制管网中微生物的滋生与繁殖，保证出厂水到达用户的安全性。

2.4茶多酚色度

 茶多酚消毒持续性试验中，随着消毒时间的延长，肉眼能观察到水中色度的变化。由于色度是饮用水水质的重要指标之一，《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)对生活饮用水的色度也有明确规定（不得超过15度），故研究者对茶多酚消毒中水样的色度进行了测定。将茶多酚投加至无菌水中，水样色度有所增加，茶多酚投量为0.05 g/L时，在60 min内水样色度一直满足《城市供水水质标准》( CJ/T  206-2005)的要求，其他投量条件下色度均超标。张艳秋对茶多酚消毒（待消毒水样为滤池出水，色度为6度，细菌总数为720 CFU/m L）后水中色度进行检测，发现投加茶多酚后水中色度明显增加，影响感观性状，且随着茶多酚投量的增加、接触时间的延长，色度也有所增加，如表2所示。

 对比结果可知，含有细菌的水样投加茶多酚后色度明显高于不含细菌的水样，表明茶多酚与细菌的相互作用是影响水样色度的主要因素。目前茶多酚消毒过程中色度的产生机制尚不清楚，可能受多种因素的影响，消毒过程中生成的茶黄素、茶红素和茶褐素与色度的产生有密切关系。研究显示，茶多酚作为辅助消毒剂与氯联合使用，能有效控制出水色度，3 mg/L为既满足杀菌要求又不破坏出水色度的茶多酚最佳辅助消毒投加量。对茶多酚进行热溶、投

加维生素C（抗坏血酸）也能在一定程度上降低消毒后水样色度。

3茶多酚安全性

 合格优质的消毒剂不仅应满足消毒效果要求且应有较高的安全性，对人体无毒害作用。毒理实验已经证明氯消毒副产物具有致癌性、内分泌干扰等毒性，且其具有较高的亲水性，常规的水处理技术去除率较低，大量残留在饮用水里，对人体有潜在的危害。因此，将茶多酚作为消毒剂时，有必要对其毒理性能进行评价，以确保对人体的安全性。

 多年来，国内外科学家为探讨茶多酚的安全性进行了大量毒理学试验。王岳飞等检测了茶多酚抗辐射制剂的安全性，Ames试验、小鼠骨髓微核试验、小鼠精子畸形试验等遗传毒性试验结果均为阴性，显示无致突变性；30 d喂养试验(5.00 g/kg)未见动物出现中毒症状，表明茶多酚抗辐射制剂急性毒性分级属无毒级、无遗传毒性，安全性较高。Isbrucker等分

别从基因毒性和致畸发育毒性角度通过动物实验分析EGCG毒性，结果显示小鼠体液分析未见任何基因毒性效应，致畸和发育毒性实验也表明没有导致畸形形成的迹象，说明茶多酚具有很高的安全性。Chow等对茶多酚的急性毒性、亚急性毒性、亚慢性毒性、Ames试验、抗突变与抗癌变试验、微核试验等毒理学试验也得出了一致的结论，表明茶多酚毒性很低、无副作用。在毒理安全性基础上，研究显示茶多酚具有多种生物活性，能有效清除体内的自由基，抑制和杀灭病原微生物，调血脂、抗肿瘤、防治心血管疾病等。

4结论与展望

 (1)茶多酚生理功能多样，抑菌谱广，消毒持续性效果良好。用于江河应急饮用水源消毒时，投加量宜为0.3 g/L，接触时间宜控制在8h及以上；用于水库应急饮用水源消毒时，投加量宜为0.05 g/L，接触时间宜控制在30 min及以上。对于常规饮用水消毒，茶多酚投加量宜为0.1 g/L，与水接触20 min即可使剩余细菌总数满足《城市供水水质标准》( CJ/T  206-2005)要求，且有较强的消毒持续性。茶多酚作为辅助消毒剂，适宜投加量为3 mg/L，可考虑与臭氧／紫外线消毒或超滤膜过滤联用。

 (2)色度是茶多酚作为消毒剂应用存在的一个问题，将茶多酚用作辅助消毒剂，能有效避免出水色度的超标。深入研究茶多酚消毒过程中色度生成机理，探究消毒后水中色度降低方法，对茶多酚的实际应用有很大意义。维生素C是生物体所需要的微量营养成分，同时也是良好的抑菌剂，维生素C的投加能降低茶多酚消毒后水中的色度，研究茶多酚和维生素C等其他天然抑菌物质的协同作用，并制成复合消毒剂用于水厂或家庭是将来的研究方向。

 (3)水厂消毒过程中，影响因素复杂，检测实际水厂消毒时温度、硬度、悬浮物、pH等对茶多酚消毒效果的影响，对于茶多酚的实际应用有一定的指导意义。分析复杂水质条件下茶多酚的消毒机理，对茶多酚的改性研究及应用时消毒条件控制意义深远。复杂水质条件下，按照饮用水的安全性毒理评价要求，对茶多酚进行系统的饮用水消毒剂毒性试验研究，给出科学的试验结果，有益于大众对茶多酚消毒剂的接受。

 (4)茶多酚的大规模应用还需首先解决系列问题，包括茶树培植、茶多酚提取、消毒设备的配套、茶多酚消毒剂生产应用的规范化与标准化、系统的经济性评估等，需要相关多学科的综合研究。随着技术的发展和人类对生活品质要求的提高，茶多酚这种绿色消毒剂将有广阔的发展前景。