茶多酚超低溫濃縮設(shè)備研究

帥 濤

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)械工程學(xué)院，浙江 溫州325003）

0 前言

我國是茶葉起源地，茶區(qū)遼闊，茶類眾多，茶資源豐富，茶葉成了國民的首選飲料?，F(xiàn)代科學(xué)研究還發(fā)現(xiàn)，茶葉除了具有解渴功效以外，還含有一種目前尚不能人工合成的富含多經(jīng)基的酚性化合物，俗稱茶多酚。茶多酚是一種高效、多功能的天然抗氧化劑，具有抗癌、抗衰老、抗輻射、清除人體自由基、降血糖血脂等多種藥理和保健功能[1]，主要是由于茶多酚具有多種生物活性成分，如茶多酚結(jié)構(gòu)中所含酚羥基可以有效清除人體內(nèi)過剩的活性氧自由基，抑制脂質(zhì)過氧化，起到延緩人體衰老的作用；茶多酚中所含的α-苯并吡喃的苯基骨架，具有很強(qiáng)的廣譜抑菌和殺菌功能，用于食品添加劑，延長了食品的儲存期；茶多酚具有抗突變作用，可以阻斷多種致癌物質(zhì)在體內(nèi)合成，或直接殺傷癌細(xì)胞及提高機(jī)體免疫能力的功效。目前，茶多酚在食品、醫(yī)藥、日化、輕化、保健等諸多方面被廣泛應(yīng)用，并被譽(yù)為21世紀(jì)將對人類健康產(chǎn)生巨大影響的化合物。但提取茶多酚的原料卻是粗老茶葉或茶葉加工后的下腳料等低檔茶葉，經(jīng)純水或有機(jī)溶劑萃取、濃縮等工藝提取得到，屬于高附加值產(chǎn)品，其市場需求很大，價格也不菲。但國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)茶多酚的企業(yè)卻只有三十多家，年產(chǎn)量也只有幾萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場的需求。究其原因是茶多酚在提取產(chǎn)過程中必須進(jìn)行高溫濃縮處理，而我國現(xiàn)階段對茶多酚的濃縮分離基本上還是沿用中藥濃縮裝置，濃縮溫度過高導(dǎo)致茶多酚中部分有效成分被破壞，使所提取的茶多酚純度低、品質(zhì)差、得率不高，降低了茶多酚的藥用價值和品質(zhì)，濃縮已成為茶多酚生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。

1 茶多酚的提取方法及濃縮工藝分析

茶葉中的除了以兒茶素類為主體的多酚類化合物以外，還有黃烷酮類、黃烷醇類、酚酸類和花色苷及其苷元等多種物質(zhì)，其中茶多酚含量最多、用途最廣，約占15%～30%。我國從20世紀(jì)90年代開始就關(guān)注和研究茶多酚的提取，經(jīng)過20多年的發(fā)展，茶多酚的提取方法和工藝已趨向成熟，目前的主要提取方法有溶劑萃取法、沉淀法、樹脂法等三類[2-5]。

1.1 溶劑萃取法

溶劑萃取法利用了茶葉中所含的多酚物質(zhì)與咖啡堿等有機(jī)物質(zhì)對不同溶劑的溶解度不同而進(jìn)行分離的一種萃取方法，是國內(nèi)外提取茶多酚最普遍的一種方法，目前常用的溶劑有水或有機(jī)溶劑，其提取工藝流程為：茶葉→滲提→過濾→有機(jī)溶劑脫色、脫咖啡堿等→乙酸乙酯萃取→濃縮→干燥→茶多酚。用該方法提取的茶多酚工藝簡單、穩(wěn)定，但所提取的茶多酚中含有大量的咖啡因、色素、有機(jī)酸、酯質(zhì)、膠質(zhì)、糖類、蛋白質(zhì)及懸浮物等雜質(zhì)，難以滿足對純度要求較高的醫(yī)藥和日化行業(yè)，該方法提取的茶多酚只應(yīng)用于要求不高的普通行業(yè)，其應(yīng)用范圍受到一定限制。

1.2 沉淀法

在一定介質(zhì)條件下，茶多酚可以與某些無機(jī)堿或鹽形成絡(luò)合物沉淀，然后將沉淀物從溶劑中分離出來并在酸的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)溶，即可得到茶多酚的一種提取方法，提取茶多酚常見的沉淀劑有Se4+、Al3+、Zn2+、Ca2+、Fe3+、Ba2+、Mg2+等離子，其提取工藝流程為：茶葉→滲提→過濾→沉淀→酸溶→萃取→濃縮→干燥→茶多酚。采用沉淀法所提取的茶多酚產(chǎn)品純度高、提取率大、產(chǎn)品色澤好，但工藝條件控制的要求比較嚴(yán)格，生產(chǎn)設(shè)備條件要求苛刻，廢渣、廢液處理量大，部分金屬離子殘留在茶多酚中，限制了其產(chǎn)品在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1.3 離子交換樹脂法

離子交換樹脂法是利用不同離子交換樹脂對茶多酚和咖啡堿的不同吸附性能來分離制備茶多酚的一種提取方法，極性多酚易與極性樹脂以氫鍵等方式進(jìn)行締合，再將吸附了茶多酚的樹脂用合適的有機(jī)溶劑進(jìn)行洗脫，然后用乙酸乙酯等將洗脫液進(jìn)行萃取，從而有選擇性地將茶多酚從其浸提液中分離，其提取工藝流程為：茶葉→滲取→樹脂吸附→解吸附→濃縮→干燥→茶多酚。采用該方法提取茶多酚具有工藝路線簡單，能耗相對較低、提取效率高、不使用有機(jī)溶劑、產(chǎn)品質(zhì)量高以及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

茶多酚提取方法遠(yuǎn)不止三種，無論采用哪種提取方法，都離不開濃縮工藝。因為，萃取后的茶多酚溶液都很稀，為了得到粉末狀的茶多酚，必須進(jìn)行濃縮和干燥處理。目前所用的濃縮方法就是利用加熱蒸發(fā)原理把溶劑蒸發(fā)掉，但茶多酚含有幾百種有效成分，大部分對溫度非常敏感，高溫濃縮過程會對茶多酚中的各種有效成分造成破壞，影響了茶多酚藥效，因此，如何有效降低濃縮溫度，減少高溫對茶多酚有效成分的破壞是目前茶多酚濃縮設(shè)備開發(fā)人員研究的重點(diǎn)。

2 茶多酚超低溫濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理

2.1 茶多酚超低溫濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及作用

茶多酚濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備由送料系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)、溶劑回收系統(tǒng)、介質(zhì)加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等組成。其中送料系統(tǒng)由儲液缸1、螺桿泵2、流量計3等組成，負(fù)責(zé)把茶多酚溶液源源不斷地輸送給蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的濃縮液均分器；蒸發(fā)系統(tǒng)由蒸發(fā)器4、濃縮液均分器、刮板推進(jìn)器等組成，該系統(tǒng)是整個設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵，負(fù)責(zé)把茶多酚溶液均勻地刮涂到反應(yīng)釜內(nèi)壁，形成較薄的涂層，以實現(xiàn)低溫快速蒸發(fā)地目的；介質(zhì)加熱系統(tǒng)由加熱器5、能量收集器7以及反應(yīng)釜隔層等組成，給反應(yīng)釜內(nèi)壁進(jìn)行均勻加熱；溶劑回收系統(tǒng)由冷凝器6、真空排放裝置8等組成，負(fù)責(zé)收集蒸發(fā)后的溶劑蒸汽，進(jìn)行回收重復(fù)利用；真空系統(tǒng)由真空羅茨泵9以及系統(tǒng)所有參與濃縮的件等組成，使整個系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行。

圖1 茶多酚超低溫濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.2 茶多酚超低溫濃縮設(shè)備的工作原理及技術(shù)參數(shù)

真空羅茨泵9工作時抽出系統(tǒng)內(nèi)的空氣，通過管道使整個蒸發(fā)系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，一般系統(tǒng)內(nèi)的壓力要小于9kPa才能保證達(dá)到蒸發(fā)量大、蒸發(fā)溫度低的目的。其次是供料和蒸發(fā)，在螺桿泵2的作用下把進(jìn)料缸1里較稀的茶多酚溶液經(jīng)流量計3輸送給蒸發(fā)器4內(nèi)部的濃縮液均分器；如圖2所示，利用離心力使料液沿著均分器的螺旋形導(dǎo)流槽以較高地速度沖向反應(yīng)釜內(nèi)壁，使茶多酚料液配均勻地噴涂在蒸發(fā)面上，同時在料液自重及旋轉(zhuǎn)的刮板推力作用下，自上而下成螺旋形軌跡移動，在蒸發(fā)面上形成一層均勻的、厚度只有80～100μm左右的薄膜，如此薄膜的濃縮液在真空環(huán)境下得以快速蒸發(fā)，這種結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器使茶多酚料液在蒸發(fā)面上的流速和傳熱系數(shù)都能提高，使茶多酚料液在加熱面上停留時間只有15～30s，單位液滴可在瞬間完成蒸發(fā)，大大提高了蒸發(fā)能力，一次蒸發(fā)就能獲得極高的濃度。因此，降低了蒸發(fā)溫度，提升了蒸發(fā)效果，其他濃縮系統(tǒng)需要多次完成的高濃度產(chǎn)品，茶多酚超低溫濃縮設(shè)備能夠一次即可完成，這是其他濃縮系統(tǒng)無法達(dá)到的。茶多酚超低溫濃縮設(shè)備最低蒸發(fā)溫度可控制在25～30℃，正真做好了常溫濃縮，在濃縮過程中對茶多酚有效成分做到了零破壞，保證了提取后的茶多酚主體色澤、品質(zhì)等關(guān)鍵性物質(zhì)的活性。另外，采用茶多酚超低溫濃縮設(shè)備的蒸發(fā)出來的溶劑蒸汽在冷凝系統(tǒng)內(nèi)凝結(jié)成液態(tài)，通過真空排放裝置排放出，可以得到重新利用。統(tǒng)茶多酚超低溫濃縮設(shè)備充分利用了冷凝過程中溶劑所產(chǎn)生的余熱來補(bǔ)充加熱介質(zhì)熱量，所以通過能量收集器7補(bǔ)充熱量后的加熱介質(zhì)只要經(jīng)過加熱器5略微加熱就可以輸送給反應(yīng)釜，達(dá)到了節(jié)能的目的。

圖2 螺旋形分配器

3 結(jié)論

茶茶多酚超低溫濃縮設(shè)備采用自動推進(jìn)式刮板薄膜成形技術(shù)和低負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了超低溫加熱、超低溫蒸發(fā)，降低蒸發(fā)溫度，增加蒸發(fā)效果，保證了茶多酚活性成分免受高溫破壞，提高了產(chǎn)品品質(zhì)；設(shè)備還采用了專用能量轉(zhuǎn)換器，使整個設(shè)備處于封閉環(huán)境中，能量損失較小，在正常工作中，加熱、冷凝所需要的能量基本能保持能量的平衡，電能只提供能量轉(zhuǎn)換過程的能量損失，達(dá)到了節(jié)能的目的；利用液封和壓力平衡保持自動排水，簡化了出渣門轉(zhuǎn)軸的復(fù)雜程度，避免了使用過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)泄漏、意外卡死等現(xiàn)象。

［1］董文賓,胡英.茶多酚的制備工藝及應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2002(4)：18-23.

［2］束魯燕,湯一.茶多酚提取和純化技術(shù)研究進(jìn)展[J].茶葉,2009,35(2)：74-79.

［3］周建,等.茶多酚的提取和應(yīng)用研究進(jìn)展[J].湖南化工,2000,12,30(6)：16-18.

［4］王玉春.茶多酚的提取方法及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報,2008,5,22(3)：51-55.

［5］李大剛,袁淑芳,吳鴻庚.茶多酚提取純化工藝比較分析[J].黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,6(2)：44-49.