石駿，王東

（1.湖北宏源藥業(yè)科技股份有限公司武漢研發(fā)中心，湖北武漢430070；2.江漢大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢430056）

茶飲料自誕生以來就以極快的速度占領(lǐng)市場，成為廣大消費(fèi)者喜愛的飲料之一。最初的茶飲料由茶葉經(jīng)浸泡、抽提以及調(diào)制等工藝過程直接加工而成，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，市場上開始出現(xiàn)以茶葉和（或）其它植物提取物為原料調(diào)配而成的產(chǎn)品。由于使用了茶葉等植物提取物，茶飲料生產(chǎn)中所面臨的沉淀問題同樣困擾著調(diào)味飲料。沉淀問題不但使產(chǎn)品品相變差，而且使其貨架期內(nèi)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響[1-4]。為了解決植物飲料沉淀問題，科研工作者做了大量努力，使問題得到較好解決。本文的目的就在于以前人的研究為基礎(chǔ)，概述含茶提取物飲料產(chǎn)生沉淀的機(jī)制，探討當(dāng)前常用處理方法的可行性及其方法選擇的問題。

1 沉淀形成機(jī)制概述

1.1 沉淀的組成物質(zhì)

茶葉的有效化學(xué)成分主要包括茶多酚、氨基酸與蛋白質(zhì)、生物堿（主要是咖啡堿）、茶色素與茶多糖等[4-5]。因此，調(diào)味茶飲料的沉淀主要是由于上述化學(xué)物質(zhì)之間在溶液體系中相互作用而產(chǎn)生的。人們對于茶飲料沉淀的認(rèn)識經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的過程。

經(jīng)研究證實(shí)茶多酚、蛋白質(zhì)與生物堿這三者之間的相互作用是茶飲料沉淀的主要原因[6-8]。1962年Roberts[9]在對紅茶沉淀物進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，其主要成分是茶黃素、茶紅素和咖啡堿，隨后測定其比例為17∶66∶17（質(zhì)量比）。梁月榮[10]等開展了綠茶沉淀的相關(guān)研究，并指出沉淀的主要組成物質(zhì)包括咖啡堿與茶多酚的某些成分（沒食子兒茶素和表沒食子兒茶素沒食子酸酯）。許勇泉[11-13]等進(jìn)一步指出咖啡堿與酯型兒茶素是綠茶沉淀形成的關(guān)鍵物質(zhì)。茶飲料的沉淀不只包含小分子物質(zhì)，某些蛋白質(zhì)與果膠等大分子物質(zhì)在沉淀形成過程中也扮演了重要角色。趙育漳[14]等研究表明：茶飲料沉淀的主要成分包括茶多酚、咖啡堿、蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)，其中多酚含量30%，咖啡堿20%，蛋白質(zhì)16%，果膠2%。畢彩虹[15]，陸建良[16]也指出茶飲料沉淀主要由茶多酚、蛋白質(zhì)[17]和咖啡堿構(gòu)成。另外，茶飲料的沉淀還包括其它化學(xué)成分，比如：類黃酮、黃酮苷、類腐殖酸、葉綠素、金屬離子（Ca2＋）等[11，18-25]。

1.2 沉淀形成機(jī)制及影響因素

水溶液中的沉淀是由于溶質(zhì)的溶解度降低導(dǎo)致的。溶液中各種組分之間存在著復(fù)雜的相互作用，包括相同或不同溶質(zhì)之間的作用、溶質(zhì)與水分子之間的作用以及水分子之間的作用。在某些因素干擾下，溶質(zhì)分子之間的相互作用增加，導(dǎo)致其周圍的水分子減少，溶解度降低，從而由溶液中沉淀析出。溶質(zhì)分子之間形成氫鍵是物質(zhì)溶解度減小的關(guān)鍵原因。溶質(zhì)間形成氫鍵的部位往往是分子中極性較大的基團(tuán)，這些基團(tuán)也是溶質(zhì)與水分子形成氫鍵的關(guān)鍵。溶質(zhì)間氫鍵的形成導(dǎo)致極性基團(tuán)被屏蔽，從而將疏水部分暴露在水分子之間，造成溶質(zhì)間的疏水相互作用增加，溶質(zhì)聚集成大顆粒最后產(chǎn)生沉淀。

使用茶提取物的調(diào)味飲料產(chǎn)生沉淀的機(jī)制也是由于分子間氫鍵與疏水相互作用[26-27]。以茶黃素與咖啡堿相互作用為例，它們之間形成氫鍵的可能情況如圖1所示，以此闡明沉淀過程，大致如下。

圖1 茶黃素與咖啡堿形成氫鍵的可能情況示意圖Fig.1 Scheme of possible hydrogen bond between theaflavins and caffeine

咖啡堿是一種黃嘌呤生物堿，約占綠茶干重的2%～4%[28-29]，分子中含有兩個酮羰基，是結(jié)構(gòu)中的極性親水基團(tuán)，另外其嘌呤環(huán)氮原子上有3個甲基，是分子中的疏水基團(tuán)。茶黃素是一類具有苯駢卓酚酮結(jié)構(gòu)的酚性色素[30]，分子中具有多個酚羥基，是結(jié)構(gòu)中的極性親水基團(tuán)，苯環(huán)則構(gòu)成分子的疏水部分。從分子結(jié)構(gòu)來看，咖啡堿的酮羰基與茶黃素的酚羥基是形成氫鍵的部位。就單分子咖啡堿與茶黃素而言，它們之間至少可以形成兩對氫鍵，其結(jié)果是形成了更大的復(fù)合分子，最終導(dǎo)致4個極性親水基團(tuán)的掩蔽，同時該復(fù)合分子中引入3個疏水甲基[31-33]。隨著氫鍵締合度的不斷提高，分子中的極性基團(tuán)不斷減少，疏水基團(tuán)不斷增加，分子間的疏水作用就會介導(dǎo)更大復(fù)合物形成，以至于產(chǎn)生沉淀[34]。其它物質(zhì)參與的沉淀形成也經(jīng)歷了類似過程，比如蛋白質(zhì)與多酚之間、蛋白質(zhì)與咖啡堿之間。需要指出的是蛋白質(zhì)是大分子物質(zhì)，具有更多的氫鍵形成位點(diǎn)與疏水區(qū)域，其介導(dǎo)多分子復(fù)合物形成的能力似乎更強(qiáng)，但是沒有文獻(xiàn)報道蛋白質(zhì)是沉淀的最大組成部分。這可能與提取物中多酚、咖啡堿與蛋白質(zhì)比例有關(guān)。

1.3 沉淀形成的影響因素

對于使用茶提取物的調(diào)味飲料來說，沉淀產(chǎn)生除了受到茶提取物中固有組分的影響外，還受到使用環(huán)境的影響。這些影響因素包括：溶液pH值、提取物使用量（濃度）和其它添加物等[35]。

1.3.1 溶液pH值

溶液pH值是形成沉淀的關(guān)鍵因素。茶提取物中各種物質(zhì)的溶解度與溶液pH值密切相關(guān)，茶多酚本質(zhì)上是多元弱酸，咖啡堿是弱堿類物質(zhì)，蛋白質(zhì)的溶解度很大程度是取決于其等電點(diǎn)。溶液pH值不同，這些物質(zhì)的解離狀態(tài)也不同，因此，它們的溶解度以及分子間形成氫鍵的能力，甚至分子間的疏水作用都會隨著pH值的改變而發(fā)生明顯變化。

Smith等[36-38]研究表明，茶湯pH值顯著影響沉淀生成量，當(dāng)溶液pH值為4時紅茶茶湯沉淀生成量最多。筆者在做相關(guān)試驗(yàn)時也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)論，當(dāng)用熱水將茶提取物溶解完全后，向其中添加蘋果酸與維生素C等酸性組分使溶液pH值下降至3.4左右，然后冷卻，4℃過夜，并與未添加酸性組分的溶液對比。結(jié)果表明，pH3.4的溶液沉淀量明顯大于對照組。

多酚類物質(zhì)在溶液中存在著電離平衡（以兒茶素為例），如圖2所示。

圖2 多酚類物質(zhì)的解離平衡Fig.2 Dissociation equilibrium of polyphenols

根據(jù)兒茶素解離平衡，劉宗林[39]推導(dǎo)出茶多酚溶解度公式：lg[E-（兒茶素陰離子）]=pH-pKa，由此公式可以看出，當(dāng)pH＞=pKa時，兒茶素溶解度較大。因此，也可以推出一個可能的結(jié)論，隨著pH值降低，茶多酚直接從溶液中沉淀出來，而不是以多分子復(fù)合物的形式沉淀。茶多酚的解離可以消除與蛋白質(zhì)或咖啡堿羰基形成氫鍵的位點(diǎn)，反之pH值降低則易于形成分子間氫鍵，從而導(dǎo)致聚集沉淀。同理，溶液pH值對蛋白質(zhì)與咖啡堿的解離也會造成直接影響。

1.3.2 提取物用量

單位體積溶液中溶質(zhì)分子越多，相互碰撞的幾率越大，溶質(zhì)也越容易沉淀，這是非常容易理解的現(xiàn)象，但是到底達(dá)到什么濃度，溶液才是一個相對穩(wěn)定的體系，需要試驗(yàn)確定。馬夢君[28]等采用茶多酚和咖啡堿溶液體系模擬茶飲料沉淀成因，通過檢測溶液的透光率、多分子復(fù)合物粒徑、沉淀量、咖啡堿和兒茶素含量的變化等多個指標(biāo)，闡明沉淀與物質(zhì)濃度的依賴關(guān)系：隨茶多酚和咖啡堿質(zhì)量濃度的增加，溶液的透光率從95.5%降為24.7%：多分子復(fù)合物粒徑從198 nm增加到475 nm；沉淀量由8 mg/L增加到244 mg/L。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，筆者建議選用咖啡堿含量低于200 mg/L、茶多酚含量低于1 200 mg/L的綠茶原料。李雙[40]等以茶黃素和咖啡堿的相互作用來模擬茶乳酪的形成體系，得出類似結(jié)論。然而，對于調(diào)味茶飲料而言，體系中還可能加入其它植物提取物，沉淀組分更加復(fù)雜化。因此，實(shí)際使用時還要根據(jù)具體情況來確定茶提取物的使用量。

1.3.3 其它添加物

調(diào)味飲料講究功能多元化，不可避免的會添加其它植物提取物，比如短梗五加提取物。這些提取物都不是單一組分，有些組分與茶提取物重復(fù)，這會增加飲料中某些物質(zhì)的濃度，使之更容易產(chǎn)生沉淀，如多酚類物質(zhì)和蛋白質(zhì)；有些組分是該植物中特有的化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)增加了溶液體系的復(fù)雜性，也可能導(dǎo)致沉淀量增加，比如短梗五加中的刺五加苷，有可能通過疏水相互作用介導(dǎo)沉淀生成。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加五加提取物的飲料比單獨(dú)使用茶提取物的飲料沉淀更多；事實(shí)上，待添加的植物提取物本身會生成沉淀，這也是促使茶提取物調(diào)味飲料沉淀的原因。

為了提高口感，飲料中會使用調(diào)味劑；為了符合衛(wèi)生要求，也可能應(yīng)用防腐劑。這些物料對體系的影響主要是pH值。例如，添加檸檬酸或維生素C會降低飲料的pH值；使用山梨酸鉀作為防腐劑會升高飲料pH值。因此，不同添加物對沉淀形成有不同影響，使pH值降低的物質(zhì)增加沉淀量，使pH值升高的物質(zhì)沉淀量會減少，沉淀出現(xiàn)時間也會延長。

2 常用處理方法可行性討論

茶飲料市場前景廣闊，然而，其面臨的儲存期內(nèi)沉淀的問題使產(chǎn)品發(fā)展受到巨大挑戰(zhàn)。為此，國內(nèi)外展開了廣泛研究，隨著工藝技術(shù)的發(fā)展以及沉淀機(jī)制的闡明，茶飲料的澄清技術(shù)也在不斷進(jìn)步與完善。目前，茶飲料澄清技術(shù)可以分為物理法、化學(xué)法和生物法（酶處理法）三大類。調(diào)味茶飲料使用的是茶提取物，而不是直接以茶葉為原料生產(chǎn)，因此在處理沉淀問題上可以借鑒上述方法，但不能照搬。比如，生物澄清法在調(diào)味飲料的應(yīng)用中會受到生產(chǎn)條件制約，使用不便。

2.1 物理法

物理法通常不涉及化學(xué)鍵的斷裂與生成，按照處理方式不同可細(xì)分為低溫法、吸附法、包埋法。

2.1.1 低溫法

溫度是影響沉淀生成的重要因素，但它不是獨(dú)立因素，需要在其它因素調(diào)控下發(fā)揮作用。茶飲料沉淀產(chǎn)生的原因是分子間氫鍵與疏水作用，低溫有利于氫鍵形成，但是，體系產(chǎn)生沉淀還需要適宜的pH值與濃度。通過調(diào)整飲料pH值與初始調(diào)配濃度，然后低溫靜置，使沉淀提前析出是當(dāng)前常用的低溫澄清法。

調(diào)味茶飲料在pH值低于4的情況下易產(chǎn)生沉淀。筆者將調(diào)配好的飲料在4℃冷藏過夜，然后過濾，可以得到澄明的產(chǎn)品。但是，產(chǎn)品若繼續(xù)在冷藏條件下放置，隨著時間延長仍然可產(chǎn)生少量沉淀。為了進(jìn)一步澄清產(chǎn)品，筆者采用濃配法調(diào)配樣品。以配置量20%體積（相當(dāng)于5倍濃配）的純化水調(diào)味飲料，調(diào)低pH值，冷藏，過濾，可以得到儲存期延長的產(chǎn)品。

茶多酚與咖啡堿是茶飲料有效成分的主要組成部分，采用低溫法會造成有效成分流失，影響飲料口感。低溫法也會降低其它植物添加物的組分，因此，在使用這類方法的時候應(yīng)該采取相應(yīng)檢測措施，保證添加物的特征有效組分符合飲品要求。

2.1.2 吸附法

吸附法解決沉淀問題的思路與低溫法類似，基本原理都是促進(jìn)茶飲料沉淀提前產(chǎn)生，然后過濾去除。但是，吸附法也有低溫法不具備的優(yōu)點(diǎn)。在低溫法中需要冷卻設(shè)備使半成品溫度降到較低水平，附法則無需降溫設(shè)備。吸附法通過向飲料中加入吸附劑，選擇性吸附茶多酚等多元弱酸類物質(zhì)而減少沉淀的形成。文獻(xiàn)報道的吸附劑種類較多，包括Ca2+和Al3+等金屬離子、硅藻土和活性炭等吸附劑，明膠和殼聚糖[41]等天然高分子化合物以及聚乙烯聚吡咯烷酮（Polyvinyl polypyrrolidone，PVPP）[42]等化學(xué)合成的高分子聚合物。其中，PVPP是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

PVPP是乙烯吡咯烷酮聚合而成的一種交聯(lián)聚合物，不溶于水、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及一般有機(jī)溶劑[43-44]。PVPP具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在水中溶脹形成水凝膠，凝膠表面及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部因氫鍵作用結(jié)合大量水分子。除此之外，PVPP具有類似蛋白質(zhì)肽鍵的內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)，羰基氧原子能夠與茶多酚活性氫形成氫鍵。調(diào)味茶飲料中的茶多酚能夠置換PVPP凝膠結(jié)合的水分子，形成更穩(wěn)定的大分子復(fù)合物，經(jīng)過濾，吸附的茶多酚隨PVPP一起被清除，從而保證飲料澄清。

楊曉慧[45]等研究了自制PVPP對綠茶水提取液中茶多酚的吸附情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示：室溫下，吸附時間60 min，PVPP對茶多酚的去除率達(dá)到50%以上，但試驗(yàn)結(jié)果也指出，當(dāng)吸附時間為35 min的時候吸附效率不再增加。黎新明[46]研究了自制PVPP對鐵觀音茶水中茶多酚的吸附情況：在30℃條件下，使用交聯(lián)度0.5%的PVPP，用量為7 g/L，吸附30 min，茶多酚吸附率為66.83%。孫慶磊等[47]指出PVPP的吸附效率還與溶液pH值有關(guān)，pH值在4左右有利于提升吸附效果。

吸附法同低溫法一樣也有可能造成有效組分降低，劉曉輝[48]等研究了PVPP吸附對茶飲料風(fēng)味品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)PVPP添加量較少時吸附的主要是聚多酚，對單體吸附較少；而添加量增加后對單體的吸附就明顯增加，這時品質(zhì)或風(fēng)味就會受到影響。作者指出，對茶多酚的去除應(yīng)當(dāng)把握合適尺度。

2.1.3 包埋法

調(diào)味茶飲料多使用熱水溶解茶與其它植物提取物，在較高溫度下，各組分之間難以形成穩(wěn)定氫鍵，隨著溫度降低，氫鍵逐漸形成，沉淀開始產(chǎn)生。沉淀生成同時具有濃度依賴性，如果游離溶質(zhì)的濃度降低則可減少沉淀形成。包埋法就是通過減少游離組分濃度的方法來抑制沉淀產(chǎn)生。該方法多使用環(huán)狀糊精來實(shí)現(xiàn)，環(huán)狀糊精是由D-葡萄糖殘基以α-1，4糖苷鍵連接而成的低聚物，其分子呈上寬下窄、兩端開口、中空的筒狀物，腔內(nèi)部呈相對疏水性，而所有羥基則在分子外部。因此，疏水性小分子或具有疏水基團(tuán)的物質(zhì)可以全部或部分進(jìn)入環(huán)狀糊精的疏水空腔，形成包合物，其中，以β-環(huán)狀糊精（β-CD）應(yīng)用最廣。在茶飲料中，β-CD可以有選擇地包埋茶多酚、茶黃素、茶紅素、咖啡堿、蛋白質(zhì)等參與形成沉淀的物質(zhì)[49-51]，如圖3。

圖3 β-環(huán)糊精對茶飲料組分的包合作用Fig.3 Inclusion effects of β-CD on components of tea beverage

張國宏等使用β-CD處理茉莉花茶、紅茶和綠茶等水提取液，確定了最佳工藝條件；β-CD用量為1.0%～2.5%，包合溫度為50℃，低速攪拌20 min。通過試驗(yàn)確證了β-CD的有效性，在使用量為1%的情況下，4℃存儲，復(fù)合調(diào)味茶飲料穩(wěn)定性可以達(dá)到12 d。然而，飲料穩(wěn)定性還與工藝過程相關(guān)，如果采取煮沸30 min的方式滅菌，則導(dǎo)致穩(wěn)定期嚴(yán)重縮短，相同條件下，穩(wěn)定期只有4 d。所以，在使用β-CD處理茶飲料時應(yīng)該注意滅菌條件的選擇。盡管該方法還處于探索階段，但它可以避免有效組分損失，這是其它方法無法具備的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法多是通過添加堿性物質(zhì)來阻止沉淀產(chǎn)生。氫鍵是茶飲料存儲期間產(chǎn)生沉淀的關(guān)鍵作用。堿性物質(zhì)能與茶多酚活潑氫反應(yīng)，最終產(chǎn)生三方面結(jié)果，一方面，堿性物質(zhì)使茶多酚活性氫減少，從而減少了與蛋白質(zhì)或咖啡堿形成氫鍵的位點(diǎn)；另一方面，堿性物質(zhì)與茶多酚形成強(qiáng)水溶性的鹽，增加了溶解度：最后，堿性物質(zhì)提高茶飲料pH值，使茶多酚解離度增加，從而使溶解度增加。綜合三方面的作用，堿性物質(zhì)轉(zhuǎn)溶法效果比較明顯。目前，常用的物質(zhì)有氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化銨等[52]。但是，堿轉(zhuǎn)溶法的缺點(diǎn)也是相當(dāng)明顯的。堿性環(huán)境加速茶多酚氧化，不但影響飲料色澤，使滋味變澀，而且會產(chǎn)生副產(chǎn)物。

2.3 生物法（酶處理法）

分子間氫鍵作用導(dǎo)致茶飲料各種組分形成大分子復(fù)合物，最后聚集形成沉淀。通過酶的水解作用使較大分子變?yōu)樾》肿右兹芙M分的方法，可以有效調(diào)控沉淀生成[53-54]。文獻(xiàn)報道：酯型兒茶素比游離型更容易介導(dǎo)沉淀產(chǎn)生。所以，選擇適宜的單寧酶水解酯型兒茶素可以起到澄清作用。寧井銘等[55]采用單寧酶處理綠茶茶湯，并指出單寧酶的最佳作用時間為2 h，隨著作用時間的延長，茶湯中酯型兒茶素的總量不斷減少，茶湯透光率不斷增大。

水解茶飲料中其它大分子也可以起到澄清作用。蛋白酶、果膠酶和纖維素酶等其它水解酶也被用作茶飲料的澄清技術(shù)。不同水解酶配合使用可以起到協(xié)同作用，水解酶與其它技術(shù)合用也可以起到良好澄清作用。寧井銘等[56]近一步研究了單寧酶及協(xié)同物質(zhì)（β-環(huán)糊精、果膠酶、木瓜蛋白酶等）聯(lián)用在處理綠茶飲料沉淀中的增效作用。結(jié)果表明，這些物質(zhì)都不同程度的提高了單寧酶抗沉淀能力。然而并非兩種酶合用就可起到協(xié)同作用，鐘艷梅等[57]利用外源木瓜蛋白酶和α-淀粉酶對紅茶茶湯進(jìn)行沉淀澄清研究，沒有觀察到強(qiáng)化的澄清效果。

3 總結(jié)

工藝技術(shù)的進(jìn)步為處理茶飲料沉淀提供了多種多樣的方法，然而沒有一種單獨(dú)的方法可以徹底抑制沉淀再次產(chǎn)生。復(fù)合調(diào)味茶飲料多使用茶提取物（速溶茶粉），這些中間體的品質(zhì)對調(diào)味飲料的最終質(zhì)量起關(guān)鍵作用。目前市場上茶提取物來源不一，所采用的澄清方法不同，所以提取物的質(zhì)量也有很大差別。很多產(chǎn)品在調(diào)配成復(fù)合飲料后繼續(xù)產(chǎn)生沉淀，這就要求對調(diào)味飲料進(jìn)行二次澄清。當(dāng)前的澄清技術(shù)主要針對以茶葉為原料直接進(jìn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品，而調(diào)味茶飲料組分更加復(fù)雜，尤其是使用了其它植物提取物。所以，實(shí)際生產(chǎn)中可以大量借鑒，但是不能照搬這些方法，還要根據(jù)具體情況具體解決。比如，PVPP吸附的方法比酶處理法更適用于調(diào)味飲料；低溫處理法效果較好，但是需要冷卻設(shè)備，增加成本；低溫與濃配處理搭配效果更優(yōu)，在沒有冷卻設(shè)備的情況下，濃配法與PVPP配合使用可以是更好的選擇；β-環(huán)糊精可以有效提高產(chǎn)品澄明度，然而高溫滅菌會減弱其效果。

沉淀處理不但增加工藝復(fù)雜度，增加生產(chǎn)成本，而且影響茶飲料原有物質(zhì)組成與組分含量。因此，選擇處理方法的標(biāo)準(zhǔn)除了考慮工藝可行性與生產(chǎn)成本外，還要特別注意提取物有效組分的檢測，保證有效組分合格的前提下去除沉淀。總之，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)綜合利用處理方法是解決沉淀問題的合理選擇。

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