真空微波脫除紅茶中咖啡堿的工藝研究

馬圣洲++趙飛++吳琴燕

摘要：將真空微波技術(shù)應(yīng)用到脫除紅茶中咖啡堿的研究中，考察了不同溫度、時間、含水率及超聲預(yù)處理等因素對咖啡堿脫除效果的影響。結(jié)果表明，微波真空處理具有高效、快速的特點，在-0.1 MPa、 120 ℃條件下處理3 h，干燥紅茶中的咖啡堿脫除率可達21.31%，其他品質(zhì)成分損失均在10%以內(nèi)；感官品質(zhì)除香氣略帶高火香、滋味稍淡之外，無其他明顯不良變化。以2倍質(zhì)量的水浸潤并超聲處理后，咖啡堿脫除率可提升至29.62%，但感官品質(zhì)開始明顯下降。

關(guān)鍵詞：真空微波；紅茶；脫咖啡堿；工藝

中圖分類號： TS272.5+2文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0349-03

咖啡堿在茶葉中的含量約2%～5%，是茶葉的特征風(fēng)味成分和重要品質(zhì)成分，具有一定的保健功效[1]。然而攝入過量的咖啡堿后往往會產(chǎn)生不利影響，尤其是對老人、孕婦、兒童、心臟功能不全及神經(jīng)衰弱患者等敏感人群[2-4]。因此，低咖啡因茶和茶制品，受到特定消費者的歡迎。

目前脫除茶葉中咖啡因的常用方法主要有溶劑萃取法[5]、沉淀法[6]、離子交換吸附法[7]、超臨界CO2萃取法[8]等，這些方法要么容易造成化學(xué)溶劑或添加物的殘留，要么投入大、成本高，而且生產(chǎn)效率低；茶鮮葉熱水浸漬法[9]，只適用于綠茶而不適于紅茶；減壓升華法在國內(nèi)已經(jīng)有少量報道，但是研究僅針對于綠茶展開，而且均采用傳統(tǒng)加熱方式[10-12]。在真空條件下，熱量主要靠輻射和料盤接觸傳遞，由表及里加熱茶葉，因此茶葉中不可避免地存在溫度梯度，表面的水分和咖啡堿首先受熱散失，其散失速率遠大于茶葉內(nèi)部的遷移速率，于是就形成了茶葉外干內(nèi)濕的現(xiàn)象；同時由于茶葉表面干燥后形成一層相對致密的干結(jié)層，進一步阻礙了內(nèi)部水分和咖啡堿向外遷移的速率。所以該方法存在升溫速度慢、處理時間長、效率低下的問題。

微波加熱則是通過茶葉內(nèi)部偶極分子高頻往復(fù)運動，產(chǎn)生“內(nèi)摩擦熱”而使其內(nèi)外部同時、快速、均勻加熱，這種運動可以破壞分子間的氫鍵，利于咖啡堿的脫除[13-14]。而且微波加熱不需任何熱傳導(dǎo)過程，所以更適合在真空條件下使用。本試驗采用真空微波技術(shù)，研究了不同溫度、時間、水浸潤處理及超聲預(yù)處理等條件下脫除紅茶中咖啡堿的效果，旨在為脫咖啡堿紅茶的研究和生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

紅茶由江蘇省句容市張廟茶場提供。

1.2主要試劑和儀器

1.2.1主要試劑冰乙酸、EDTA鈉、維生素C、碳酸鈉、福林酚、茚三酮、蒽酮、濃硫酸等均為分析純，甲醇、乙腈為色譜純，娃哈哈飲用純凈水。

1.2.2主要設(shè)備全自動真空微波干燥箱GW-WZ-3D（南京國威干燥機械設(shè)備有限公司定制），基本構(gòu)造如圖1所示；超聲波清洗器Biosafer SB25-12DT（南京賽飛生物科技有限公司）紫外分光光度計T6新世紀(jì)（普析通用）、LC-15 HPLC（日本島津），檢測器為SPD-15C UV-VIS Spectrophotometric Detector （190-700 nm），色譜柱為Wondasil C18（4.6 mm×250 mm）。

1.3方法

1.3.1不同溫度及時間對咖啡堿脫除率的影響將1 kg茶葉均勻平鋪在干燥機料盤上，處理溫度分別設(shè)定為90、100、110、120、130、140 ℃，在-0.1 MPa條件下真空干燥處理，處理時間分別為1、2、3、4、5 h，處理結(jié)束后取樣待測。

1.3.2不同含水率對咖啡堿脫除率的影響取1 kg茶葉分別噴灑0、1、2、3倍于茶樣質(zhì)量的水，混勻靜置2 h后置于 120 ℃，在-0.1 MPa條件下真空處理3 h，處理結(jié)束后取樣待測。

1.3.3超聲前處理對咖啡堿脫除率的影響將1 kg 茶葉噴灑2 kg水，混勻后靜置2 h后，利用800 W超聲波處理5、 10、 15、20、25、30 min，然后在-0.1 MPa 、130 ℃條件下處理3 h，處理結(jié)束后取樣待測。

1.3.4檢測方法咖啡堿及茶黃素測定參照GB/T 30483—2013《茶葉中茶黃素的測定高效液相色譜法》；茶多酚總量測定參照GB/T 8313—2008《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》；游離氨基酸總量測定GB/T 8314—2013《茶游離氨基酸總量的測定 》；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法。

1.3.5數(shù)據(jù)處理采用DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

2結(jié)果與分析

2.1不同溫度及時間對咖啡堿脫除效果的影響

2.1.1升華溫度的影響常壓下咖啡堿在120 ℃以上開始升華，至180 ℃可大量升華[15]。茶葉中的咖啡堿以氫鍵或疏水鍵與茶多酚及其他成分結(jié)合形成復(fù)合物，以混合態(tài)伴存于茶葉組織結(jié)構(gòu)中，所以其升華溫度較純品更高[16]。因此，如果在常壓下利用升華方法脫除茶葉中的咖啡堿，將會導(dǎo)致茶葉炭化，失去飲用價值。而在真空條件下，咖啡堿的升華點會比常壓下降低。

由圖2可見，在真空狀態(tài)下，90 ℃處理3 h以上即有大量咖啡堿脫除，說明茶葉中咖啡堿的升華溫度已明顯下降?？Х葔A的脫除率隨著處理溫度的升高而升高，以處理3 h為例（圖3），100 ℃處理的咖啡堿脫除率較90 ℃處理小幅上升；100～120 ℃之間咖啡堿脫除率迅速從5.23%上升至2131%；130 ℃處理時咖啡堿脫除率雖進一步小幅升高至23.81%，但是茶葉開始出現(xiàn)不良變化，顏色變暗，并出現(xiàn)焦糊味；140 ℃處理30 min即出現(xiàn)明顯焦糊現(xiàn)象，失去飲用價值。因此，最適溫度確定為120 ℃，這與趙卉等[11，17]、爾朝娟等[10]的報道不同，可能是因為紅茶中茶色素等物質(zhì)與咖啡堿結(jié)合更為牢固，或者茶葉條索緊結(jié)度、細胞破碎率等原因造成。

2.1.2不同處理時間對咖啡堿脫除效果的影響茶葉內(nèi)部的咖啡堿從復(fù)合態(tài)解離出來，并從茶條內(nèi)部遷移至表面，再進一步升華，這是一個緩慢的過程。因此處理時間也是影響咖啡堿脫除率的重要因素之一。由圖2可見，隨著真空微波處理時間的延長，不同溫度處理的咖啡堿脫除率均呈逐漸升高趨勢。其中100～120 ℃處理的咖啡堿脫除率，分別在1～2 h和3～4 h 2個時間段內(nèi)迅速上升，處理4 h后脫除率增幅放緩。前者可能是茶葉表層的咖啡堿大量升華，后者則是茶葉內(nèi)部的咖啡堿大量升華，中間平緩階段是咖啡堿從茶葉內(nèi)部解離并轉(zhuǎn)移到表面的過程。隨著溫度升高到120 ℃以后這個過程時間變短，所以120～130 ℃處理的前3 h咖啡堿脫除率迅速升高，然后放緩。

綜上，咖啡堿的脫除率隨著處理溫度的升高和時間的延長而升高，但與此同時，茶葉的感官品質(zhì)卻隨之下降，甚至失去飲用價值。在本試驗中以-0.1 MPa、120 ℃條件下處理3 h 為宜，真空升華處理后的茶樣色、香、味基本正常。

2.2不同含水率對咖啡堿脫除效果的影響

原始茶樣含水率5.24%，按照不同倍數(shù)加水后再進行真空微波脫除處理，咖啡堿脫除率呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢（圖4）。茶水比在1 ∶1時咖啡堿脫除率最低，只有14.27%；隨后上升，至茶水比1 ∶2.5時，咖啡堿脫除率繼續(xù)上升達到27.22%。原因可能是隨著水分的增加，處理過程中需要更多的時間和能量蒸干水分，造成咖啡堿的脫除效率降低；但是當(dāng)水分進一步升高，特別是茶葉吸水“飽和”后，茶葉內(nèi)部的咖啡堿被“浸泡”到茶葉表面的茶湯中，進而容易升華脫除。但是隨著加水比例的升高，對茶葉感官品質(zhì)帶來的不良影響也愈加明顯，至茶水比1 ∶2時，茶葉吸水已達到“飽和”，處理后的茶葉條索開始變松，顏色變暗；茶水比1 ∶2.5時料盤底部開始出現(xiàn)液態(tài)茶汁，處理后的茶葉條索松張，表面干結(jié)成塊，感官品質(zhì)嚴(yán)重劣變。因此，若對茶葉外形和感官品質(zhì)要求更高，應(yīng)以含水率較低的干茶直接脫除咖啡堿為宜；若以咖啡堿含量更低為要求，則可采用2倍體積的水浸潤后再進行脫除處理。

2.3超聲處理對咖啡堿脫除效果的影響

超聲波會使液體微粒間及液固界面發(fā)生猛烈的空化作用，也能使固體介質(zhì)產(chǎn)生強烈的機械作用[18]。這些作用有可能破壞咖啡堿與茶葉中其他物質(zhì)的結(jié)合，使其從復(fù)合態(tài)解離出來或溶解到水中，從而更容易升華。但是過多的水會導(dǎo)致茶葉感官品質(zhì)的劣變（如“2.2”節(jié)所述），所以本試驗采用添加2倍質(zhì)量的水，使茶葉處于吸水“飽和”，又未出現(xiàn)液態(tài)茶汁的狀態(tài)，然后進行真空微波脫除處理。

由圖5可見，茶葉中咖啡堿的脫除率隨著超聲預(yù)處理時間的延長而升高。超聲預(yù)處理40 min后再經(jīng)真空微波脫除處理，咖啡堿脫除率從22.68%提高到29.62%，但此后咖啡堿脫除率增長趨勢變緩。說明超聲預(yù)處理有助于咖啡堿的解離和溶出，但是因為茶條之間無多余的水分作為超聲傳播的液體介質(zhì)，而結(jié)構(gòu)松散的茶葉作為固體介質(zhì)的傳播效率又大為降低，從而影響了咖啡堿脫效果的進一步提升。

2.4真空微波脫除咖啡堿對茶葉品質(zhì)的影響

以未經(jīng)處理的紅茶作為對照，對比不同處理方式對茶葉內(nèi)含物質(zhì)的影響，如圖6、表1所示。干茶直接在-0.1 MPa、120 ℃條件下微波處理3 h后，氨基酸和茶黃素含量與對照相比并無顯著變化，其他品質(zhì)成分中茶多酚總量損失4.29%，可溶性糖含量損失9.48%；感官品質(zhì)香氣略帶高火香，滋味較對照稍淡。經(jīng)2倍質(zhì)量的水浸潤預(yù)處理后，咖啡堿脫除率并未顯著升高，但除可溶性糖外的其他各品質(zhì)成分含量卻顯著下降；進一步經(jīng)超聲40 min預(yù)處理后，所有檢測成分均顯著下降，其中茶多酚總量損失13.86%，氨基酸損失21.14%，茶黃素損失15.14%，可溶性糖損失17.68%。而且后2種預(yù)處理因為水的浸漬，對感官品質(zhì)帶來的負面影響較為顯著，茶葉經(jīng)過真空微波處理后，色澤變枯暗，香氣變低帶焦味，滋味粗淡苦澀。

3討論與結(jié)論

在真空微波條件下，升高溫度、延長時間、水浸潤處理和超聲波預(yù)處理等均能提高咖啡堿的脫除率，但同時也會造成品質(zhì)成分的損失和感官品質(zhì)的劣變。在本試驗中，紅茶在-0.1 MPa、120 ℃條件下處理3 h，其咖啡堿脫除率可達2131%，其他品質(zhì)成分損失較少，且感官品質(zhì)變化不大，是最優(yōu)工藝。雖然其最適溫度高于前人報道，但是處理時間大大縮短。

本試驗中茶葉經(jīng)2倍質(zhì)量水浸潤處理后咖啡堿脫除效果較好，這與爾朝娟等的報道[10]相似，但與其不同的是，咖啡堿的脫除率并非隨著含水率的升高而升高，而是呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，具體原因有待于進一步研究。趙卉等利用某食用溶劑將茶葉浸潤后，發(fā)現(xiàn)可明顯提升咖啡堿脫除率[17]，可能是因為該溶劑對咖啡堿的溶解性更好，且沸點比水更低，更容易蒸發(fā)散失。

現(xiàn)有關(guān)于微波干燥或脫除咖啡因的報道，多是在固定功率和一定時間條件下的研究，由于物料數(shù)量、鋪放厚度及均勻程度均會顯著影響物料的實際溫度和處理效果，可控性差。本研究中所用的真空微波干燥機，采用紅外感應(yīng)的溫控系統(tǒng)，根據(jù)茶葉的實時溫度控制微波的啟停和功率，確保茶葉是在設(shè)定溫度下處理，可控性大大提高；而且設(shè)備投入低，生產(chǎn)效率高，易應(yīng)用于實際生產(chǎn)。但是真空室內(nèi)缺乏冷凝裝置，試驗中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)茶葉表面凝結(jié)灰白色咖啡堿的現(xiàn)象，這也影響了最終脫除率的提高。

此外，茶葉的種類、形狀、緊結(jié)度及浸潤溶劑的性質(zhì)等均會影響咖啡堿的脫除效果，在后續(xù)研究中將針對以上因素改進和繼續(xù)深入，以期獲得能應(yīng)用于實際生產(chǎn)的低咖啡堿紅茶生產(chǎn)工藝。

參考文獻：

[1]Ashihara H，Shimizu H，Takeda Y，et al. Caffeine matabolism in high and low caffeine containing cultivars of camellia scientist[J]. Zeitschrift Fur Naturforschung，1995，50：602-607.

[2]Hindmarch I，Rigney U，Stanley N，et al. A naturalistic investigation of the effects of day-long consumption of tea，coffee and water on alertness，sleep onset and sleep quality[J]. Psychopharmacology，2000，149（3）：203-216.

[3]Hsu C W，Chen C Y，Wang C S，et al. Caffeine and a selective adenosine A2A receptor antagonist induce reward and sensitization behavior associated with increased phospho-Thr75-DARPP-32 in mice[J]. Psychopharmacology，2009，204（2）：313-325.

[4]Masdrakis V G，Markianos M，Vaidakis N，et al. Caffeine challenge and breath-holding duration in patients with panic disorder[J]. Progress in Neuro-Psychopharmacology & Biological Psychiatry，2009，33（1）：41-44.

[5]Onami T，Kanazawa H. A simple method for isolation of caffeine from black tea leaves—Use of a dichloromethane-alkaline water mixture as an extractant[J]. Journal of Chemical Education，1996，73（6）：556-557.

[6]陸導(dǎo)仁，裵慶云，單達先，等. 一種脫咖啡堿的茶多酚的生產(chǎn)方法：中國，CN94105114.5 [P]. 1995-01-18.

[7]王重，史作清. 酚醛型吸附樹脂吸附咖啡因的熱力學(xué)研究[J]. 離子交換與吸附，2003，19（1）：23-30.

[8]Lee S，Park M K，Kim K H，et al. Effect of supercritical carbon dioxide decaffeination on volatile components of green teas[J]. Journal of Food Science，2007，72（7）：497-502.

[9]Liang，L H，Liang，et al. Decaffeination of fresh green tea leaf（Camellia sinensis） by hot water treatment[J]. Food Chemistry，2007，101（4）：1451-1456.

[10]爾朝娟，王洪新，金循，等. 真空升華法脫除綠茶中咖啡堿工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技，2012，33（17）：223-226，230.

[11]趙卉，杜曉. 減壓升華脫除綠茶中的咖啡堿[J]. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，26（1）：53-58.

[12]Lou Zaixiang，Er Chaojuan，Li Jing，et al. Removal of caffeine from green tea by microwave-enhanced vacuum ice water extraction[J]. Analytica Chimica Acta，2012，716：49-53.

[13]祝圣遠，王國恒.微波干燥原理及其應(yīng)用[J]. 工業(yè)爐，2003，25（3）：42-45.

[14]張蕾，吳華勇，鄧丹雯，等. 微波輔助干燥荷葉茶的新工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技，2011，32（4）：295-298.

[15]宛曉春. 茶葉生物化學(xué)[M]. 3版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007：37.

[16]安徽農(nóng)學(xué)院. 茶葉生物化學(xué)[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1984：72.

[17]趙卉. 綠茶咖啡堿的減壓升華脫除技術(shù)基礎(chǔ)研究[D]. 雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[18]李婷，侯曉東，陳文學(xué)，等. 超聲波萃取技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（13）：3188-3190.王桂楨，郭淼. 甜味劑對不同乳品感官品質(zhì)和穩(wěn)定性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（5）：352-354.