功能型速溶茶及其加工工艺探讨

2018-06-28杨军国

福建茶叶 2018年8期

杨军国

（福建省农业科学院茶叶研究所，福建福安 355015）

近二十多年来，我国茶叶深加工产业规模实现了高速发展，形成了以功能成分开发、有效组分开发和终端产品开发为主体的三大产品体系。中国茶叶产业“十三五”发展规划中明确提出，推动企业逐步实现由初级产品加工销售向精深加工的转变拓展，根据茶叶产品需求变化，开发方便、经济、保健型的茶类新产品，如袋泡茶、速溶茶、茶饮料等，并向食品加工、生物医药、日用化工等行业进行渗透，从茶副产品中的茶籽、茶末中提取茶油、茶多酚、茶色素等，深入研发茶叶中植物功能保健产品，形成多元化、系列化、品牌化的精深加工业，这要求茶叶深加工产业进一步的升级、创新和发展。

速溶茶（Instant tea powder），基本保持了茶叶原有的色、香、味，且兼具营养、卫生、方便、高雅等特点，在茶叶深加工领域扮演着越来越重要的角色。自上世纪40年代以来，速溶茶提制技术、产品种类、质量及销售等方面均取得了突破性进展。我国更是涌现出一批以大闽食品（漳州）有限公司、深圳华城实业有限公司、福建仙洋洋食品科技有限公司、浙江茗皇茶业有限公司等为首的速溶茶生产商，在国际发展中业已居于领先水平。目前，我国速溶茶年产量已超过2万吨，在以冰红茶及冰绿茶为代表的茶饮料、香飘飘为代表的奶茶和茶食品等产业快速发展中发挥了十分重要的作用，应用领域不断拓展。然而，随着社会和经济的发展，人们更加注重饮食的安全性和健康性，速溶茶产业发展面临机遇与挑战。速溶茶的功效成分含量较低，限制了其在药品、保健品、化妆品等领域的应用，这对速溶茶产业发展提出了新的挑战，“功能性”成为进一步的革新目标[1]。因此，本文在前期课题组研究的基础上，结合当前茶叶深加工产业的发展趋势，提出“功能型速溶茶”概念，并从乙醇的应用、酶工程技术、膜分离技术、吸附树脂技术等方面对其加工工艺作了进一步有益的探讨，以期为速溶茶产业的创新发展提供理论依据。

1 功能型速溶茶概述

QB/T 4067-2010将食品工业用速溶茶定义为，以茶叶或茶鲜叶为主要原料，经水提取或采用茶鲜叶榨汁，可在生产过程中加入食品添加剂和食品加工助剂，经加工制成的，作为食品、饮料等原辅料的固体产品。依据生产原料不同，可分为速溶红茶、速溶绿茶、速溶乌龙茶、速溶白茶、速溶黄茶、速溶黑茶、速溶花茶、速溶调配茶等，因其功能性成分含量低，已难以满足其在药品、保健品、化妆品等领域的应用需求。因此，茶叶功能成分高富集化的“功能型速溶茶”成为速溶茶产业进一步发展的必然趋势。

功能型速溶茶应具备以下特点：（1）茶叶某一功能成分或功能组分高富集化。现代药理研究表明[2-3]，茶叶富含多种功能性化学组分，诸如茶多酚/儿茶素类、茶色素（茶黄素、茶红素和茶褐素）、茶多糖、茶氨酸、咖啡碱、γ-氨基丁酸等，备受学者关注。与食品工业用速溶茶相比，功能型速溶茶应做到某一功能成分或功能组分的高含量。鉴于茶叶中不同功能成分含量不同，可划分出不同分级的功能型速溶茶产品。如以酯型儿茶素来说，可划分为50%和75%含量的高酯型儿茶素速溶茶，而茶多糖、茶氨酸、咖啡碱等低含量的功能成分，15%含量的速溶茶即可视为功能型的速溶茶产品。（2）注重茶叶成分的活性表达，弱化茶叶原有的色、香、味。功能型速溶茶一定程度上弱化茶叶原有的感官品质，更加注重茶叶某一类功能成分特有的生物学活性表达。儿茶素类的抗氧化、抗肿瘤[4-5]，茶多糖的降血糖、防治糖尿病作用[6-7]，茶氨酸的促进脑中区多巴胺的释放、改善记忆[8]，茶黄素的降血脂、预防心血管疾病[9-10]，γ-氨基丁酸的镇静神经、抗焦虑[11]，咖啡碱的提神醒脑、抗疲劳[12]，这些均可作为活性靶标开发相应的功能型速溶茶产品。

2 功能型速溶茶的加工工艺

速溶茶的加工技术已较为成熟，其基本工艺流程主要包括浸提、粗分、过滤、浓缩、杀菌、干燥等。QB/T 4067-2010中可见，食品工业用速溶茶中功能成分含量要求较低，且仅对茶多酚和咖啡碱作了含量规定，已难以满足医药保健品等功能型领域的要求（见表1）。因此，引入酶工程、膜分离、吸附树脂等可产业化技术，实现速溶茶中功能成分的富集，对速溶茶产业升级显得尤为必要。

表1 速溶茶的功能成分含量标准

2.1 乙醇的应用

乙醇能显著提高茶叶中亲水亲脂成分的浸出，具有价格便宜、可回收反复使用及提取液不易发霉变质等优点，工业生产上可应用于功能型速溶茶靶标成分的有效浸出。据萧力争等[13]研究报道，以成品绿茶为原料，采用50%乙醇、温度80℃、料液比1:25、时间20min、提取次数2次等浸提参数下，茶叶各品质成分的浸出率最高，总浸出物、氨基酸、茶多酚、蛋白质、碳水化合物的浸出量较常规水提分别提高1.39、1.09、1.44、1.52、1.23倍。不同物质在乙醇中的溶解特性不同，茶叶中蛋白质、鞣质、多糖、大分子色素等物质易于高浓度乙醇时沉淀析出。由此，高浓度乙醇浸提茶叶时，茶叶成分及浸出物溶出率反而降低[14]，这就为加工制备茶叶中大分子活性物质的功能型速溶茶提供了新的思路。

茶多糖是一类茶叶中存在的天然大分子活性物质，可通过乙醇沉淀分级富集[15-18]。亦可通过乙醇辅助制备茶叶多糖，即先选取合适高浓度乙醇预提茶叶中的茶多酚、氨基酸、蛋白质等化学物质，再进一步通过水相浸提可实现茶叶多糖的富集制备。通过单因素实验和正交实验研究表明，乙醇预提茶叶最优工艺参数为乙醇浓度65%、料液比1:25、温度55℃、提取时间20 min，该工艺实施后再通过水提可制得含量达15%以上的茶叶多糖，且可溶性蛋白质含量低，兼具制备茶多酚提取物，成本低廉，易实现规模化生产[14，19-20]。

2.2 酶技术

酶技术在功能型速溶茶的加工制备中，可从两个方向加以应用。一方面，利用酶制剂辅助浸提，减少胞内成分向浸提介质溶解和扩散的传质阻力，实现茶叶功能成分更加有效的浸出。目前，用于茶叶功能成分提取研究较多的是纤维素酶、蛋白酶、水解酶、果胶酶及复合酶，可显著增加茶叶中茶多酚、氨基酸和茶多糖的浸出率，并能保留或提高原有活性物质的生物学功能[21-26]。赵文净等[23]研究发现，添加木瓜蛋白酶可极显著提高速溶绿茶中酯型儿茶素和EGCG的含量。尚楠[24]以安吉白茶片为原料，按步骤浸提（茶水比1:15，浸提温度50℃）→同时加入中性蛋白酶、果胶酶、纤维素酶酶解→浸提480min→冷却至25℃左右→离心过滤→浓缩至25%～30%→杀菌→喷雾干燥，制得氨基酸含量高达18.64%的速溶茶。贾亮亮等[25]研究发现，纤维素酶法制得的鄂产绿茶多糖对α-淀粉酶及蔗糖酶抑制活性强于热水浸提法和冷水提取法所得绿茶多糖。Baik等[26]研究也认为，果胶酶可通过水解反应改变茶叶多糖组成，并显著提高巨噬细胞白细胞介素IL-6的表达水平。相较于热水浸提法，酶法浸提茶叶反应条件温和（反应温度35℃～60℃），茶叶成分浸出率高，在功能型速溶茶加工中可作为一项非常有效的辅助浸提手段。

另一方面，酶反应效率高、专一性强，可在茶黄素合成及速溶茶品质修饰方面发挥着重要作用。红茶的不同发酵程度导致茶黄素含量仅占红茶干物质的0.3%～1.5%，而茶黄素的提取得率又低，导致茶黄素的市场难以满足需求。因此，利用多酚氧化酶的特性氧化儿茶素制取，成为高茶黄素速溶茶的常用制备方法。龚志华等[27]通过对不同季节、不同采摘标准的20个茶树品种鲜叶的多酚氧化酶活性及其同工酶分析，筛选出3种多酚氧化酶活性较高的茶鲜叶来催化速溶绿茶酶促合成茶黄素，研究发现，参加酶促反应合成茶黄素的儿茶素主要为EC、ECGC和ECG，添加速溶绿茶作为底物合成茶黄素的量远高于茶鲜叶自身酶促合成量，其中政和大白茶反应体系中茶黄素的质量浓度达212.01 mg/L，高出自身酶促合成量5.43倍。李丽霞等[28]进一步研究表明，酶促反应体系中茶叶复合酶浓度为2.0%、速溶绿茶浓度为0.5%、反应体系pH值3.5、温度45℃、反应时间2.5h，此工艺参数下儿茶素转化率为34.79%，茶黄素含量高达14.86%，显著高于红茶提取物。此外，单宁酶可专一性断裂酯型儿茶素中儿茶素与没食子酸的酯键生成简单儿茶素，从而减少红茶提取物或速溶茶生产中茶乳酪的形成，并降低速溶茶中的苦涩口感，使得速溶茶品质更加趋于稳定[29-31]。

2.3 膜分离技术

膜分离是20世纪60年代迅速发展起来的一门分离新技术，通过借助外界能量或化学位差的推动实现不同组分气体或液体进行分离、分级和富集，具有高效、节能、工艺简单、污染少且不发生相变等优点，因而在医药、食品、环保、水处理等领域得到了广泛的应用，成为当今分离学科中最重要的手段之一。鉴于其是指在分子水平上不同粒径分子的混合物通过半透膜时的选择性分离，因而分子量相差越大，越易于实现膜分离富集，比如天然大分子活性物质茶叶多糖。

尹军峰[32]等采用截留分子量为100KD、50KD、25kD和10KD的超滤膜分离茶汤，研究表明50KD膜孔径参数的截留液中茶叶总糖及多糖含量最高，多糖可达16.89%，实现大分子多糖与小分子茶多酚、咖啡碱等活性物质的初步分离。寇小红等[33]以炒青绿茶为原料，经水提取和0.2 μm孔径膜过滤后，滤液依次经过150 kD、20 kD和6 kD的膜组件进行分级和浓缩，分别对各部分截留液和透过液中的总糖、多糖、糖醛酸、蛋白质、茶多酚、咖啡碱等化学成分含量进行检测，结果表明，茶汤中50%以上的干物质能够透过20 kD孔径膜。就茶叶多糖来说，20 kD孔径膜截留液中含量最高，占干物质比重的36.86%，而150 kD和6 kD膜截留液中多糖含量分别为27.13%和21.16%，6 kD膜透析液中含量仅为1.09%，揭示膜分离对于茶叶多糖的分离纯化效果明显。张艳和杜先锋[34]进一步研究确立膜集成联用技术对粗制茶多糖纯化的最佳工艺条件为：以0.05 μm的膜孔径、0.2 MPa的操作压力、pH值为8.0、1%的料液浓度为工艺条件微滤后，再经30 kD超滤膜二次纯化，多糖含量从原有的50%提高至81%。另外，膜分离技术也可用于高咖啡碱速溶茶粉的加工制备，茶叶浸提澄清液经15000分子量过滤除杂后，采用1000分子量微孔滤膜分离富集制得咖啡碱含量14.23%的速溶茶粉[35]。膜分离依据孔径的不同或称为截留分子量，可实现茶叶不同组分的分离、纯化和浓缩，无相变发生、无有机溶剂污染、能耗低，易实现规模化生产，在大分子类速溶茶（如茶多糖）加工制备中具有广阔的应用前景。

2.4 吸附树脂技术

吸附树脂法是以大孔吸附树脂、离子交换树脂和聚酰胺等作为载体，利用其对不同成分的选择性吸附及筛选作用分离纯化植物的天然成分，具有能耗低、易再生、无环境污染等优点，现已广泛应用于环境保护、合成化学及生物医药等领域。

研究表明，吸附树脂对茶叶中茶多酚/儿茶素类[36-38]、茶多糖[39-40]、茶氨酸[41-43]、茶黄素[44-45]、咖啡碱[46-47]等功能成分皆具有良好的吸附性能和解吸效果，且高程度拟合吸附等温线方程，揭示吸附树脂技术可用于功能型速溶茶的加工制备。吸附树脂法纯化富集儿茶素的研究较多，张盛等[36]选用12种大孔吸附树脂为吸附剂开展了高纯度儿茶素的制备研究，结果表明AB-8大孔吸附树脂可分离得到含量高达95%的儿茶素产品，其中EGCG含量大于55%；黄磊等[38]研究表明，大孔吸附树脂LX-16对酯型儿茶素具有良好的吸附选择性，通过梯度洗脱，酯型儿茶素产品纯度可从7.3%提高到65.2%。吸附树脂技术亦可用于茶多糖的富集分级、脱色和脱蛋白，王元凤和金征宇[39]对大孔弱碱性阴离子交换树脂D315分离纯化茶多糖的工艺进行了研究，结果表明，通过收集上柱吸附的流出液和去离子水洗脱液得到中性糖为主的茶多糖NTPS，该多糖总糖质量分数为82.7%，糖醛酸质量分数为7.9%，而后采用0.5 mol·L-1的NaCl溶液洗脱，得到酸性糖ATPS，该多糖总糖质量分数为85.5%，糖醛酸质量分数为35.2%，揭示吸附树脂法实现了茶叶多糖的分级富集；杨新河等[40]研究发现D101树脂适合对普洱茶多糖同时脱色和蛋白质去除，当普洱茶多糖溶液体积为50 mL时，在pH值4.0、温度50℃、料液质量浓度3.8 mg·mL-1、树脂用量11 mL的条件下，普洱茶多糖的脱色率为82.33%，蛋白质去除率为70.89%，远高于过氧化氢的脱色率45.20%和Sevage法5次蛋白质去除率36.83%。郁军等[45]研究发现，采用NKA-9大孔吸附树脂对茶黄素具有较高的吸附和解吸能力，pH值为3.0，上样速度2 BV/h吸附饱和后，先用1 BV 15%乙醇洗脱除杂，再用3 BV 90%乙醇洗脱，回收浓缩后得到纯度为44.1%的茶黄素。与其他功能成分相比，茶氨酸属酰酸类化合物，分子量小，极易溶于热水。因此，可从生产速溶茶后的反渗透水中通过离子交换树脂吸附分离制得高茶氨酸的速溶茶粉，成本低廉。综上所述，吸附树脂技法可实现茶叶功能成分的富集纯化，具有设备与工艺过程简单、节能减排、无环境污染，且易再生、可反复使用等优点，可进行工业化、规模化生产，在功能型速溶茶加工中具有广阔的应用前景。

结合黄磊等人[38]及本课题组的研究表明[48]，采用两级大孔吸附树脂法可实现高酯型儿茶素速溶茶、高简单儿茶素速溶茶和高咖啡碱速溶茶的综合分离制备。研究表明，以速溶绿茶粉为原料，采用LX-16大孔吸附树脂树脂吸附分离制得高酯型儿茶素（含量≥50%）速溶茶粉后，进一步研究发现该大孔吸附树脂对咖啡碱弱吸附，过柱液从第2个BV开始，咖啡碱的吸附量骤降，其过柱液中含有大量的咖啡碱和简单儿茶素EGC。然后，再次选取LS-303大孔吸附树脂用于吸附分离过柱液中的咖啡碱和简单儿茶素，从而制得高咖啡碱速溶茶粉和高简单儿茶素速溶茶粉。综合来看，该两级大孔吸附树脂法工艺路线简单可行、绿色环保，实现了酯型儿茶素、简单儿茶素和咖啡碱的综合分离富集。

3 结语

进入二十一世纪，人们对健康的诉求与日俱增，功能性食品（保健品）成为当今社会发展的主流趋势。速溶茶因其茶叶功能成分的低富集化，限制了其进一步在医药及功能性食品领域的拓展应用。整个速溶茶产业面临升级需求，丞待引入乙醇、酶制剂、膜分离、吸附树脂等新型的提取纯化技术，实现速溶茶中功能成分的富集，从而拓展在医药保健品领域的应用。因此，“功能型速溶茶”成为速溶茶产业创新发展的必然趋势。借鉴QB/T 4067-2010，功能型速溶茶定义为，以茶叶、茶鲜叶或速溶茶为原料，经水提取、乙醇提取、茶鲜叶榨汁或速溶茶重溶，再经醇沉、酶解、膜分离或吸附树脂法纯化加工制成的茶叶某一功能成分或一类功能组分高富集的固体产品，可作为食品、功能性饮料、医药、保健品、日用化妆品等领域产品的原辅料。

相较于食品工业用速溶茶的加工制备，具有绿色环保、条件稳定、提出率高、生物活性强等优点的新型提取纯化技术，将为速溶茶产业的发展注入新的活力。结合本课题组前期的研究结，以及近年来的相关文献报道，功能型速溶茶加工工艺总结如下：①高儿茶素类速溶茶和高咖啡碱速溶茶。采用两级大孔吸附树脂法，实现高酯型儿茶素速溶茶、高简单儿茶素速溶茶和高咖啡碱速溶茶的综合分离制备；②高茶多糖速溶茶。茶多糖在茶叶中含量较低，单独开发具有相当大的难度，可结合醇提、酶制剂、膜分离技术，实现茶多酚与茶多糖的综合分离制备；③高茶黄素速溶茶。茶黄素系茶叶中多酚类及其衍生物氧化缩合而来，其制备方法可采用酶法合成，绿茶或速溶绿茶粉→多酚氧化酶→酶促反应→高茶黄素速溶茶粉；③高茶氨酸速溶茶。茶氨酸溶于热水，易在速溶茶生产反渗透浓缩时损失掉，可以此为原料采用离子交换树脂法实现高茶氨酸速溶茶的制备，且成本低廉。就其他新型的纯化技术来说，诸如超临界流体萃取、柱色谱技术、高速逆流色谱技术，设备高昂，得率小，尚难用于功能型速溶茶的加工制备。

综上所述，速溶茶产业面临机遇与挑战，功能性成为其进一步发展的必然趋势。结合当前茶产业的发展趋势及本课题组的前期研究，提出一套多种功能型速溶茶的综合加工工艺（见图1），该工艺引入乙醇、大孔吸附树脂、酶技术、膜分离等新型的茶叶提取分离技术，工艺简单可行，绿色环保，可实现高酯型儿茶素速溶茶、高简单儿茶素速溶茶、高咖啡碱速溶茶、高多糖速溶茶、高茶氨酸速溶茶等多种功能型速溶茶的综合分离制备，这对促进速溶茶产业转型升级提供重要的参考依据。

图1 功能型速溶茶的综合加工工艺

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