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超聲波在茶葉提取中的應用

本文摘自：孫慶磊　梁月榮　陸建良
（1.浙江大學茶葉研究所杭州310029；2.山東省日照市日照276800）

天然植物有效成分大多為細胞內產物，在提取時往往需要將植物細胞破碎。現有的機械破碎法難于將細胞有效破碎，而化學破碎方法又容易造成被提取物結構的改變，從而使之失去活性。上世紀20年代，人們發現了超聲波可以加速化學反應。隨后產生了研究在超聲波作用下物質進行化學反應的一門新興交叉學科——聲化學。超聲波是一種特殊形式的能量，其在溶液中形成的沖擊波和微射流可以快速地激活反應分子，從而能較大幅度地提高反應活性。將超聲波應用于提取植物的有效成分，操作簡便快捷、無需加熱、提取率高、速度快、提取物的結構未被破壞、效果好，顯示出明顯的優勢。隨著超聲清洗器的逐漸普及，以超聲波作為反應的催化方式已成為熱點。近年來，中、美、日、英等20多個國家的學者在這方面進行了卓有成效的研究工作，取得了重要的進展。超聲波應用于提取植物中的生物堿、苷類、生物活性物質、動物組織漿的毒質等研究已有報道，研究表明：超聲波提取可以強化水浸提法，具有能耗低、效率高、省時、不破壞有效成分、避免高溫對提取成分的影響等特點，具有廣闊的應用前景。
 
1 超聲波強化提取的作用機理
超聲提取法是對提取過程進行超聲波強化處理，超聲在生化提取中的應用用于粉碎細胞壁，以釋放出其內容物。近年來在中藥研究中有較多的應用。超聲波提取的作用機理是因為超聲波是一種彈性波，其振動能產生強大的能量，給與媒質點以很大的速度和加速度，使浸提劑和提取物不斷震蕩，有助于溶質擴散。超聲波在植物組織細胞里，比電磁波穿透更深，停留時間也較長。大能量的超聲波作用于液體使其被撕裂成很多小空穴，小空穴閉合時產生高達幾千個大氣壓的瞬時壓力，作用于葉肉組織，稱為空化。空化可加速植物中的有效成分進入溶劑，增加有效成分的提取率。
超聲波在物質介質中的相互作用效應可分為熱效應、空化效應和機械傳質效應。超聲波的熱效應、機械傳質作用及空化作用成為超聲技術在提取應用中的三大理論依據。
1.1 超聲波的熱效應
超聲波通過介質傳播時，在介質的微粒間和分界面上的摩擦以及介質的吸收等使超聲能量轉化為熱能，從而引起生物體的某種變化的現象稱超聲熱效應。在一定的聲強下，其產生的熱量和升溫作用是很有限的，對浸提的意義不大。
1.2 超聲波的機械效應
超聲在媒質中傳播時，引起媒質質元的振動，其位移、速度、加速度、壓強等力學量所引起的效應，稱為超聲的機械效應。雖然質點的振動位移、速度變化不大，但其加速度卻相當大，如此大的加速度，能顯著增大溶劑進入提取物細胞的滲透性，加強傳質作用，從而強化了萃取過程。
1.3 超聲波的空化效應
超聲波輻射時，在一定聲強下造成氣泡的產生、膨脹以及崩潰的效應，稱為超聲的空化效應。空化效應是指液體中的微小液胞在聲波作用下被激活，表現為液胞的振蕩、伸長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。根據不同的表現，空化可分為穩態空化和瞬態空化。穩態空化產生在較低的聲強作用下，空化泡以非線性的形式在介質中振蕩若干個周期，在振蕩過程中，空化泡周圍的微流對溶液中其它粒子產生較大的切向力，有利于溶劑滲透到細胞。瞬態空化發生在較強的聲強作用下，氣泡在一個聲波周期內迅速的生成、長大、壓縮、崩潰。隨著高壓的釋放，在液體中形成較大的沖擊波或高速射流。在萃取中，這種強大的沖擊流能夠有效的減小、消除溶劑與水相之間的阻滯層，從而加大了傳質速率。同時，沖擊流對植物細胞組織產生一種物理剪切力，使之變形、破裂，并釋放出內含物，這大大加速了萃取過程。空化效應往往使生物組織受到嚴重的損傷，造成較大的破壞作用。超聲波能提高提取率的最主要原因是由于超聲波產生的空化效應。
 
2 超聲波在茶葉深加工中的應用
目前，茶葉有效成分提取的方法主要有水浸提法、有機溶劑提取法和超臨界CO2提取法等。其中超臨界CO2提取法只適用少數成分的提取，并且成本很高。有機溶劑提取法雖然提取效率高，但有機溶劑往往難以從終產品中去除，易形成有機溶劑污染。因此水浸提法仍然是和常用的茶葉有效成分制備方法。通常情況下，采用高溫≥90℃水浸提法，有效成分提取效率高，但茶葉有效成分容量在溫熱條件下發生氧化聚合、裂解以及構型轉換等造成有效成分破壞、風味劣變。采用低溫≤50℃水浸提法，可以有效保持茶葉原有風味，減少茶葉成分在提取過程中的破壞，但是提取效率低。
茶葉中的主要的成分茶多酚和香氣物質等在醫藥、食品方面有較大的前景，利用超聲波作用，在低溫條件下就可以高效提取茶葉有效成分。該技術不僅可以很好保持茶葉的原有風味，減少有效成分的破壞，同時又可以獲得很高的提取效率。由于超聲波萃取技術在萃取方面有很多優點，近年來許多研究人員也把超聲波萃取技術應用于茶葉深加工方面，以下分別作簡要介紹。
2.1 超聲波提取在茶飲料品質中的應用
浸提工藝是茶飲料生產的關鍵環節之一，由于茶葉成分復雜，在用水浸提時，各種水溶性物質均會不同程度地進入水相中，這些成分對茶茶湯的色澤、滋味的影響有決定意義，浸提效果的好壞直接影響到后續生產過程。因而確定浸提條件就成為茶飲料的關鍵技術。目前的生產多采用高溫浸提方式，高溫雖然有利于茶葉內含成分的浸出量，但會造成茶黃素及茶紅素分解，類胡蘿卜素和葉綠素等結構會發生變化，對茶湯色澤有不利的影響。而低溫浸提茶湯的香氣保持性較好，但內含物浸出量低。在茶汁浸提過程中，茶葉的可溶性成分及主要化學成分的萃取率隨時間的增加而增加，浸提時間短，水量偏少，不利于茶葉風味物質的溶出。提取時間較長，易造成茶湯成分氧化，茶葉中的單寧極易過多溶出，產生苦澀味，湯色褐變，不利于工業化生產應用。而從萃取條件對茶飲料成分、飲用溫度和感官嗜好性的影響而言，日本學者研究認為高溫萃取品在高溫飲用時感官品質較好，低溫萃取品在低溫飲用時感官品質較好。張文文等對綠茶飲料浸提溫度進行了研究，提出采取冷浸方式能保持茶湯原有風味。超聲波提取不但能加速茶葉中的有效成分進入溶劑，而且有利于溶劑滲入茶葉組織細胞中，增加有效成分在溶劑中的溶解度，縮短提取時間、提高提取率。因此采用超聲波和低溫浸提相結合的方法，在保證原料利用的基礎上，可有效提高茶飲料的品質。
2.2 超聲波在茶葉香氣物質提取中的應用
茶飲料以天然、健康、解渴、提神等特點，受到廣大消費者的歡迎。茶飲料在浸提過程中香氣的損失是生產過程中的一個重要問題。香氣是茶飲料極為重要的品質特征，茶葉中的香氣具有量微、常溫常壓下易揮發、性質不穩定等特征。受當前加工工藝水平限制，茶葉香氣在茶飲料制造過程中會大量揮發損失和受熱發生轉化，致使茶飲料普遍存在香氣淡薄或香味失真等問題。大多數茶飲料不得不通過添加香精來彌補香氣不足的問題，造成茶飲料缺少原茶香味，無法發揮純茶的香氣特點。造成茶飲料香氣淡薄的原因，一方面是生產廠家多以中低檔茶為原料，香氣品質不佳；另一方面是茶葉香氣成分對熱不穩定，易受熱氧化降解，產生不良氣味。而通過改進提取工藝可以解決香氣揮發問題。夏濤等通過常規浸提法、微波浸提法和超聲波浸提法三種不同浸提方式對茶湯香氣影響的研究發現，超聲波浸提法可以有效促進茶葉糖苷類香氣前體物質的浸出。楊海燕等使用超聲波提取寬葉纈草中的纈草精油，結果表明提取率明顯提高。王錚敏研究報道，超聲波對糖苷類物質的浸出有促進作用。
2.3 超聲波在速溶茶生產中的應用
在速溶茶的生產過程中，道的工序就是將茶葉中有價值的固體成分提取出來。傳統方法是把茶葉放在l00℃的高溫中浸提，持續15min，通過噴霧干燥除去純茶汁的水分，以獲得提取物。這會導致大量芳香物質的揮發，從而改變茶葉的特定風味。如果使用超聲技術，則可以使原料提純率提高大約20％。超聲提取法不但比普通加熱法的效果好，而且耗時更短，10分鐘之內就能將大部分物質提取出來。Mason等用20kHz的超聲波處理，大部分物質在min即被提取，且提取率提高20％。如果超聲波處理后再升溫至100℃浸提30s，提取率可提高40％。
2.4 超聲波在茶多酚提取中的應用
傳統的茶多酚提取方法主要有溶劑提取法和沉淀法兩大類。由于沉淀法中的沉淀劑價格較貴，故國內外的研究報道多著重于溶劑提取法。但該法的缺點在于提取過程中容易造成茶多酚的氧化損耗，使回收率下降，產品色澤加深，且大多偏重于兒茶素的分離，對茶多酚的提取研究較少。超聲波提取茶多酚具有提取溫度低、回收率高、氧化損耗小等優點。鄭尚珍等研究了在超聲波條件下提取茶多酚，采用超聲法萃取茶葉中茶多酚與常規溶劑抽提法相比，超聲波萃取法不僅能顯著提高提取率，而且還能顯著改善品質。常規溶劑提取法提取率為35％～40％，粗產品為墨綠色。使用超聲波輻射技術時產品回收率明顯提高，達到50％～52％，粗產品為淡綠色粉末狀固體，經純化后可得白色粉末狀茶多酚。該研究初步確定了較為理想的提取工藝條件：即在超聲波輻射條件下，輻射時間40～60min，用pH值為1～2的80％乙醇溶液提取，提取劑用量為茶葉干重的7～8倍。王丹用正交實驗對提取茶多酚的浸提條件做了研究，得到浸提條件為：溫度80℃，乙醇濃度60％，浸提時間45min，浸提次數為1次。尹蓮等用20KHz超聲波處理茶葉10min，茶多酚及兒茶素的總量均比水提法提取30min的提高40％以上，所得茶多酚樣品的性狀無差異、也不改變茶多酚及兒茶素各組分的結構。
 
3 超聲波在茶葉深加工的應用前景
超聲提取法與傳統的提取方法相比較，確實顯示出其獨到的便利之處，能提高有效成分的溶出速度和溶出次數、縮短提取時間，節省溶劑的消耗、提出率高，因而在小型實驗室里可以廣為用之，但因所采用的超聲波儀器的種類和指標各異、提取瓶厚薄和放置隨意等原因，某一成分的超聲提取效果無法統一衡量；另外，目前國內外研究的超聲波提取，基本上是應用超聲波強化提取過程中的某一環節，而未對整個提取過程進行強化。對超聲波的作用機制、功率、頻率、提取時間、溫度等進一步開展基礎研究，建立一套較為通用的模型，為不同提取對象的操作條件提供依據，使超聲波在茶葉有效成分提取中的應用向著有利于工業化大規模生產的方向發展，以促使人們在茶葉深加工方面廣泛地應用超聲技術，使這一物理技術在茶葉深加工領域中發揮它應有的作用。