聚乙烯聚吡咯烷酮（PVPP）在茶飲料沉淀控制中應用研究進展

孫慶磊 孔俊豪 陳小強 涂云飛 楊秀芳

（中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016）

聚乙烯聚吡咯烷酮（PVPP）在茶飲料沉淀控制中應用研究進展

孫慶磊 孔俊豪 陳小強 涂云飛 楊秀芳*

（中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016）

PVPP可吸附茶飲料中的部分茶多酚，延緩茶飲料冷后渾的發(fā)生，可以提高茶飲料的穩(wěn)定性，延長貯藏期。本文綜述了聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)的結(jié)構(gòu)和性能，并闡述了PVPP在茶飲料冷后渾的影響因素。

聚乙烯聚吡咯烷酮 茶多酚 沉淀 茶飲料

聚乙烯聚吡咯烷酮 (Polyvinyl polypyrrolidone，簡稱PVPP)是乙烯基吡咯烷酮(Vinylpyrrolidone)在特定條件下聚合而成的一種不溶于水、強酸、強堿以及一般有機溶劑的交聯(lián)聚合物[1-2]。在結(jié)構(gòu)上，PVPP可以看作是具有線形分子結(jié)構(gòu)的PVP分子鏈通過物理方法或者化學方法相互交聯(lián)而成，故又可將PVPP稱作交聯(lián)的PVP或不溶性PVP。因此，PVPP除了具有PVP所具有的吸附絡合性、生理相容性等優(yōu)良特性外，還具有水不溶性、吸水保水性等性能，已被收載于美國藥典、德國藥典和歐洲藥典，也被世界各地批準用做啤酒澄清劑等[3-4]，這些優(yōu)良性能使PVPP在化妝品、食品、醫(yī)藥等領域有廣泛的應用前景。

PVP具有顯著的結(jié)合能力，吸附在許多物質(zhì)的界面并在一定程度上降低界面表面張力，可與許多不同的化合物生成絡合物。目前應用的PVPP有兩類：一類是單一的PVPP，它是由具有很高比表面積的白色物質(zhì)研磨而成，其表面很容易吸附多酚，同時也可與助濾劑結(jié)合使用；第二類是可再生PVPP，它使用一段時間后，經(jīng)過1%～2%堿液的浸泡，再用冷水和熱水洗滌，然后用二氧化碳或者0.3%的硝酸中和，可再次使用，此類只能應用于特定的過濾系統(tǒng)。聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)作為一種有效的多酚吸附劑被越來越多的企業(yè)所青睞，現(xiàn)已應用于飲料的澄清劑，藥物的崩解劑，分散體系的增稠劑和絮凝劑、吸附劑等。廣州生力啤酒、深圳金威啤酒等廠家使用PVPP作為啤酒澄清劑[5-6]。史清龍等[7]研究表明澄清劑PVPP（聚乙烯聚吡咯烷酮）對桑葚果汁的最佳澄清工藝為：PVPP的最適量為20g/L，溫度控制在30℃左右，pH為3.0～3.5，澄清時間不低于24h，經(jīng)PVPP處理后桑葚汁的總糖、總酸、pH及口味等指標沒有明顯的變化。

1 PVPP在茶飲料中的應用

1.1 PVPP控制沉淀機理

沉淀問題一直是茶飲料貨架期的突出問題，這是由于茶飲料中茶多酚被氧化成醌類或者茶多酚直接與生物堿、氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)形成大分子絡合物進而沉淀，影響了茶飲料的品質(zhì)[9]。雖然研究人員對茶湯冷后渾現(xiàn)象進行深入研究[10-12]，但沉淀問題仍是茶飲料開發(fā)和生產(chǎn)過程中面臨的主要技術(shù)障礙之一[13-15]。PVPP能夠特異性的吸附敏感多酚類物質(zhì)[16]，因此可以去除茶飲料中的部分茶多酚，吸附原理為：合成PVPP單體NVP是一種內(nèi)酰胺，分子結(jié)構(gòu)類似于氨基酸，含有可形成氫鍵的氧原子，而茶多酚分子中含有活性氫，由于PVPP不溶于水，茶多酚分子就通過氫鍵不斷沉積到PVPP上而被除去；另一方面，PVPP與茶多酚分子形成氫鍵的過程是一個可逆過程，茶多酚分子以氫鍵被PVPP吸附的同時，從PVPP上解吸，結(jié)果是除去部分的茶多酚，這正好滿足既要提高茶飲料的穩(wěn)定性，又要保留茶飲料的保健功能的要求，黎新明等[17]采用自制交聯(lián)PVP處理水，在交聯(lián)度為0.5%，用量為7g/L，溫度30℃下處理30min，茶多酚的吸附率為66.83%。分析吸附機理認為，交聯(lián)PVP上的活性吸附中心可以與茶多酚形成氫鍵吸附（圖1）[18]。

圖1 PVPP吸附多酚類物質(zhì)機理[18]Fig.1 The mechanism of polyphenol adsorption treated with PVPP[18]

1.2 PVPP在茶飲料中的應用效果

茶飲料沉淀物的主要成分為兒茶素及其氧化物、咖啡堿、蛋白質(zhì)、果膠、氨基酸等[19]。從渾濁形成的機理來看，要防止渾濁的形成與發(fā)展，就必需除去產(chǎn)生非生物渾濁的前驅(qū)體——茶多酚、蛋白質(zhì)和咖啡堿等成分的絡合物，使其與茶飲料分離。除去部分茶多酚可在一定程度上避免或延緩茶多酚和咖啡堿等成分絡合，減少沉淀的發(fā)生，進而改善茶飲料的品質(zhì)。在茶飲料生產(chǎn)過程中，為了提高茶飲料的穩(wěn)定性，人為添加一些物質(zhì)，如氧化劑、沉淀劑、穩(wěn)定劑、酶制劑等處理茶飲料改善其穩(wěn)定性[20]，這些物質(zhì)對改善茶飲料的品質(zhì)，減少茶乳酪的生成都有一定的積極作用。易國斌等[21]采用PVPP對烏龍茶飲料實驗證明，用PVPP處理茶浸出液，在適當?shù)臈l件下，可定量吸附其中的部分茶多酚，增加茶飲料的穩(wěn)定性。同時研究了PVPP對綠茶飲料中茶多酚的吸附性能，研究表明，PVPP對茶多酚的去除率達到50%以上，使茶飲料的貯存穩(wěn)定性得到明顯改善，且不影響其口味，對人體無毒、副作用，不殘留于茶飲料中[22]。通過實驗得到最佳的處理條件為：PVPP交聯(lián)度0.4%～0.6%，用量4～5g/L，處理溫度30～50℃。研究還表明，PVPP與VC處理茶飲料具有協(xié)同作用，同時使用可明顯減少兩者的用量，對茶飲料的開發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量的改善具有積極的意義。

2 PVPP吸附多酚的影響因素

2.1 蛋白質(zhì)對PVPP吸附多酚的影響

茶多酚(TP)包埋蛋白質(zhì)后使分子表面的親水基形成水化物，結(jié)構(gòu)遭破壞而形成單質(zhì)點沉淀，不同質(zhì)點帶相異電荷而互相吸引，被不同的茶多酚包埋的蛋白質(zhì)分子之間形成氫鍵而破壞質(zhì)點的水化層，使體系不斷增大，最終會形成茶乳酪。兒茶素可能以氫鍵作用方式與蛋白相互配位而破壞蛋白膠體結(jié)構(gòu)，并由蛋白、氨基酸側(cè)鏈或者游離兒茶素酚羥基將蛋白-兒茶素復合物相互交聯(lián)而使膠體微粒增大，形成多點交聯(lián)而成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。陸建良等[23]研究認為，茶飲料渾濁沉淀主要取決于酯型兒茶素和蛋白質(zhì)的互作。對于混濁的前處理，一般有三種可行的方法：除去多酚，除去蛋白質(zhì)或同時除去一定比例的多酚和蛋白質(zhì)。黎新明等[24]為了比較PVPP對啤酒中多酚類物質(zhì)和蛋白質(zhì)的吸附作用，以牛血清蛋白為例，采用PVPP分別處理原啤酒、牛血清蛋白(BSA)溶液以及BSA原啤酒混合溶液。在相同條件下，盡管PVPP對牛血清蛋白具有較強的吸附作用，但對啤酒中多酚類物質(zhì)的吸附作用更強；而在BSA原啤酒混合溶液中，多酚類物質(zhì)被吸附量遠遠大于牛血清蛋白。結(jié)果表明，多酚類物質(zhì)通過競爭吸附占據(jù)PVPP的吸附活性點。由于兒茶素和蛋白互作存在濃度和比例關(guān)系，在應用的過程中，可以通過添加PVPP吸附茶多酚來改變兩者的比例來降低蛋白質(zhì)對茶飲料混濁所產(chǎn)生的影響。當反應體系中多酚的濃度恒定時，在一定的范圍內(nèi)，沉淀物質(zhì)隨著蛋白質(zhì)濃度的增加而增加，但是當沉淀量達到最大時，再增加蛋白質(zhì)的量，沉淀反而會減少；若反應體系中蛋白質(zhì)的濃度恒定時，改變多酚的濃度，也表現(xiàn)出同樣的趨勢。PVPP在茶湯中主要吸附茶多酚，對蛋白質(zhì)的吸附很少，體系中茶多酚的量減少相對較多，由于有足夠多的蛋白質(zhì)，所以茶多酚的多個羥基就有足夠的機會全與其它的蛋白質(zhì)結(jié)合，這樣多酚和蛋白質(zhì)的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就受到破壞，從而使混濁沉淀重新溶解，茶湯中的沉淀減少。

2.2 PVPP添加量和吸附時間對茶多酚吸附的影響

PVPP用量越大，吸附效果越顯著。這是因為PVPP濃度增大，吸附平衡正向移動，即被吸附茶多酚的量增多，相應地，原液經(jīng)PVPP處理后，茶多酚的殘留量減少。PVPP用量為5g/L時，茶多酚的去除率達到40%以上；處理時間對吸附效果的影響容易理解，時間越長，PVPP吸附茶多酚的量越多，但時間過長，變化不明顯，從經(jīng)濟的角度而言，處理時間80～90min較好[19]。

2.3 茶湯pH值對PVPP吸附多酚的影響

pH值是影響茶乳酪形成的重要因素之一。趙育漳[25]以不同pH值的水萃取包種茶，結(jié)果顯示當pH值為3.22時茶乳酪量最高，而pH值在5.50～6.86之間時茶乳酪量較??；單虹麗[26]通過在茶湯中加酸與不加酸的對比試驗，發(fā)現(xiàn)加酸的茶湯沉淀出現(xiàn)快且量多，說明pH值偏低有利于沉淀的產(chǎn)生。同樣，反應體系的pH值對PVPP吸附茶多酚也有顯著影響，每一種蛋白質(zhì)都有其最適合的多酚沉淀點，此時多酚和蛋白質(zhì)反應程度更為劇烈，所以在等電點附近的pH值范圍內(nèi)沉淀出的多酚的量最大；SIEBERT等[27]研究發(fā)現(xiàn)：pH值主要影響茶多酚和蛋白質(zhì)的交聯(lián)，當pH在4.0～4.2時產(chǎn)生的混濁是pH為3.0的7倍。這是由于在這個范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)的靜電斥力最小，此時多酚和蛋白質(zhì)之間交聯(lián)的拉力大于蛋白質(zhì)分子間存在的斥力，從而生成的沉淀量最大。PVPP與茶多酚的吸附方式與蛋白質(zhì)和茶多酚的反應模式有一定的相似性，PVPP吸附茶多酚的效果隨著pH的增加先增加，當pH達到4左右時開始呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為蛋白質(zhì)在不同的pH條件下會帶不同電量的電荷，當?shù)鞍踪|(zhì)所帶電荷較多的時候，蛋白質(zhì)之間會產(chǎn)生排斥力，阻止其他和蛋白質(zhì)結(jié)合的茶多酚物質(zhì)和PVPP發(fā)生結(jié)合，當pH在4左右時，剛好是易于和茶多酚結(jié)合的敏感蛋白的等電點，蛋白質(zhì)所帶的電荷最低，能夠使更多的茶多酚被PVPP所吸附。

2.4 吸附溫度對PVPP吸附茶多酚的影響

在一定的溫度下，吸附與解吸會達到動態(tài)平衡。PVPP對茶多酚的吸附量隨溫度的升高先增大后減少，升高溫度，分子熱運動變快，增加了PVPP與茶多酚分子間的碰撞幾率，吸附速率的增大速度比解吸速率的增大速度快，茶多酚的吸附率增大；但溫度過高時，不利于吸附，而有利于解吸，茶多酚的吸附率降低。易國斌等[22]通過處理溫度對PVPP吸附茶多酚效果的影響實驗表明，綠茶飲料合適的溫度為30～50℃。烏龍茶飲料比較合適的處理溫度為25～35℃之間[19]。

2.5 PVPP交聯(lián)度對多酚類物質(zhì)吸附性能的影響

PVPP的交聯(lián)度對多酚類物質(zhì)吸附性能有很大的影響，交聯(lián)度增大，PVPP分子趨向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成氫鍵的空間位阻增大，平均每個PVPP分子吸附茶多酚分子的個數(shù)減小，造成PVPP對茶多酚的吸附性能下降；反之，PVPP交聯(lián)度降低，分子趨向自由鏈狀結(jié)構(gòu)，形成氫鍵的空間位阻減小，平均每個PVPP分子吸附茶多酚分子的個數(shù)增加，使得PVPP吸附茶多酚的能力增強；另一方面，PVPP的溶解度和粘度隨交聯(lián)度的增大而減小，并不是交聯(lián)度越低越好，因為交聯(lián)度太低，PVPP會由不溶性變?yōu)榭扇?，溶解到茶湯中影響人們對茶飲料的消費心理。易國斌等[22]采用PVPP吸附綠茶飲料中的茶多酚，結(jié)果表明，PVPP對茶多酚去除率隨交聯(lián)度增大先升高后降低，交聯(lián)度為0.4%～0.6%時，PVPP對綠茶浸出液中茶多酚吸附率達到50%左右，而自身基本上不殘留于茶飲料中，認為PVPP交聯(lián)度選擇0.4%～0.6%時，對綠茶浸出液處理效果較理想。而對烏龍茶飲料的結(jié)果則表明，交聯(lián)度為0.9%時，PVPP對烏龍茶飲料中茶多酚吸附率達到40%左右，而PVPP基本上不殘留于烏龍茶飲料中[19]。

3 結(jié)束語

茶飲料的穩(wěn)定性是一個復雜的問題，茶飲料在貯存期產(chǎn)生沉淀的原因主要有兩個方面：一是茶多酚被氧化成醌類或者茶多酚直接與生物堿、氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)形成大分子絡合物而產(chǎn)生沉淀；二是飲料中的單寧與蛋白質(zhì)或單寧自身聚合產(chǎn)生沉淀。PVPP的作用就是澄清與去除茶飲料中引起混濁的多酚類物質(zhì)，PVPP通過氫鍵作用大量可逆吸附多酚物質(zhì)，而對其他營養(yǎng)物質(zhì)吸附率很低，且不影響茶飲料的口味，不殘留于茶飲料中，對人體無毒、副作用。對茶飲料的冷后渾的改善和產(chǎn)品開發(fā)具有一定的參考價值。因此，利用PVPP去除茶飲料中由多酚引起的沉淀具有選擇性高、吸附效果好、無害和經(jīng)濟等優(yōu)點，增加茶飲料貯存期的穩(wěn)定性，顯著延長了貨架期。

由于茶多酚是茶飲料的主要功能成分，在茶飲料中必須達到一定的含量才能體現(xiàn)其保健功能，由于PVPP對茶多酚表現(xiàn)出極強的吸附性，加入過多，茶飲料的有效營養(yǎng)成分會損失過多，加入過少，起不到澄清沉淀的效果。PVPP的加入方式也是可以選擇的，比如可以借鑒色譜吸附的原理，利用PVPP開發(fā)一種參數(shù)合適的吸附柱，將茶提取液過柱，選擇性的吸附其中的部分多酚和蛋白，也能起到控制茶飲料沉淀的目的?？傊?，只有操作簡單，費用低的PVPP澄清工藝才能在實際生產(chǎn)中得到廣泛應用。因此，如何選擇合適的PVPP澄清工藝，準確控制茶飲料中的茶多酚被PVPP吸附的數(shù)量便成為一個很重要的指標，對PVPP的作用機制、交聯(lián)度、吸附時間和吸附溫度等因素在茶飲料澄清中進一步開展基礎研究，建立一套更為適用的標準，為茶飲料澄清穩(wěn)定提供更為科學的依據(jù)。隨著技術(shù)工藝的不斷改進與完善，PVPP在茶飲料品質(zhì)控制方面將會發(fā)揮越來越重要的作用。

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Application of Polyvinyl Polypyrrolidone(PVPP)in Deposition Control of Tea Beverage

SUN Qing-lei,KONG Jun-hao,CHEN Xiao-qiang,YANG Xiu-fang*
(Hangzhou Tea Research Institute，CHINA COOP,Hangzhou 310016,China)

Tea polyphenol in tea beverage could be absorbed by Polyvinyl polypyrrolidone (PVPP),on its quality.it can improve the stability of tea beverage and extend the storage period.This paper comprehensively summed up the absorption mechanism and influencing factors of PVPP in tea beverage.

PVPP Tea-polyphenols Deposition Tea beverage

2011-01-26

孫慶磊(1978-)，男，山東鄄城人，助理研究員，主要從事茶資源高效利用方面的研究。

*通訊作者：teatesting@sina.com