飲料茶清潔生產(chǎn)和廢棄物資源化利用研究進(jìn)展

張會均,歐陽晚秋

(1.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067；2.重慶工商大學(xué) 重慶市特色農(nóng)產(chǎn)品加工儲運(yùn)工程技術(shù)研究中心，重慶 400067)

由于資源和環(huán)境問題日益突出，節(jié)能減排已成社會發(fā)展所面臨的重要課題[1]。加快建成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會已成為我國的一項(xiàng)基本國策，節(jié)能環(huán)保不僅是輕工領(lǐng)域的重任，也是飲料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。新的行業(yè)競爭加劇形勢下，對飲料茶企業(yè)各方面提出了更高要求，清潔生產(chǎn)是必然的發(fā)展趨勢，需要通過技術(shù)改造和技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

同時，隨著茶的深加工發(fā)展，產(chǎn)生了大量的廢棄茶渣，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢[3]。速溶茶被利用的可溶性成分只占本身干重的30%～40%，廢棄的茶渣中還含有18%～20%粗蛋白，11%～13%粗纖維，粗脂肪0.5%～1%以及8%～9%的礦物質(zhì)，仍有較高的潛在利用價值[4]。因而開發(fā)飲料原材料殘?jiān)怪蔀橐环N新型資源加以利用，不僅有助于環(huán)境生態(tài)保護(hù)而且提高了資源利用率。

因此，如何在提高原材料利用率和保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時，通過在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上對關(guān)鍵能耗點(diǎn)加以創(chuàng)新改進(jìn)，并且開發(fā)末端廢棄物即殘?jiān)怪蔀橐环N資源加以利用，達(dá)到節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)的目的，不僅會支持和促進(jìn)飲料行業(yè)的發(fā)展，而且會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會效益。

1 飲料茶浸提技術(shù)及節(jié)能生產(chǎn)應(yīng)用特點(diǎn)

飲料茶的生產(chǎn)成本包括原料、包裝、人工、水、電、蒸汽消耗等諸方面。其中水電汽能源的消耗是生產(chǎn)成本中一個重要組成部分。在傳統(tǒng)的飲料茶生產(chǎn)工藝中，進(jìn)行浸提處理需要的能源消耗量是很巨大的，選取適應(yīng)的浸提方法是為清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵。以下介紹幾種飲料茶生產(chǎn)過程的浸提技術(shù)及能耗比較。

1.1 常規(guī)浸提法在飲料茶中的應(yīng)用

飲料茶常規(guī)提取方式主要包括單級浸泡式、多級澆滲式和連續(xù)逆流式。不同提取方式在產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量和設(shè)備的操作性、成本等方面都存在明顯的差異[5]。如表1所示，單級浸泡式提取是最初的傳統(tǒng)飲料茶浸提方式[6]，成本低但效果差。通過根據(jù)物料的提取特性和在對單級浸泡式缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和提升，形成了多級澆滲式提取方式[5]。浸提效果優(yōu)于單級浸泡設(shè)備價格較高。連續(xù)逆流式提取方式分為3個階段：初提、深提和滲洗，該法浸提效果較好，但設(shè)備機(jī)械化復(fù)雜，造價高的缺點(diǎn)[7]。

表1 常用浸提方法及特點(diǎn)

1.2 超聲波浸提法在飲料茶中的應(yīng)用

1952年，超聲波首次應(yīng)用于酒花浸提。超聲波浸提(UAE)是利用超聲波使溶劑產(chǎn)生氣泡，并隨氣泡生長、破裂，產(chǎn)生多微孔顆粒間的擾動、宏觀紊流及高速粒子碰撞，伴隨在瞬間與細(xì)微空間內(nèi)的高溫、高壓和迅速的溫度改變，從而加快渦流、基體的內(nèi)擴(kuò)散，這個過程為空化效應(yīng)?？稍诠桃航佑|面形成微射流，引起物料表面剝離、顆粒破裂，破壞細(xì)胞壁，促使提取液滲透到細(xì)胞內(nèi)[8-9]。影響超聲波浸提較為主要的因素為頻率，但也與浸提物特性、物料細(xì)胞壁形態(tài)有緊密聯(lián)系。溶劑和原料的物理特性，操作條件、超聲波設(shè)備參數(shù)等對浸提效果均有影響[10-11]。目前，對超聲波技術(shù)在浸提飲料茶上的應(yīng)用研究主要在國內(nèi)，如表2所示。

表2 超聲波浸提飲料茶應(yīng)用特點(diǎn)

由表2初步闡明了超聲波技術(shù)在提高有效成分浸出率，改善茶湯色澤和保留香氣以及滋味有積極意義。與傳統(tǒng)水煮浸提相比較，具有明顯優(yōu)勢。該方式不需要高溫、成本低、操作便利、使用范圍廣，溶劑適應(yīng)性廣，且適用于熱不穩(wěn)定成分的提取，但操作時間較長，對浸提物的性質(zhì)依賴性較強(qiáng)，且會導(dǎo)致溶劑產(chǎn)生自由基[17]。由于超聲具備的優(yōu)勢，也預(yù)示了應(yīng)用超聲波工藝加工高品質(zhì)型飲料茶的思路，使超聲波在有效成分提取上的應(yīng)用向工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的方向發(fā)展[18]。

1.3 微波浸提法在飲料茶中的應(yīng)用

微波浸提(MAE)是利用頻率在300 MHz～300千 MHz的電磁波(波長1 mm～1 m)加熱來加快溶劑對樣品中目標(biāo)浸出物的浸提過程[12]。 微波浸提技術(shù)能提高茶湯水溶性物質(zhì)的浸出率 ,如農(nóng)紹莊[19]等采用微波萃取茶湯生產(chǎn)速溶茶粉 ,浸提兩次提取率便可高達(dá)36%以上 。鄭玉芝[20]等采用微波提取產(chǎn)品的提取率為干茶葉的 25%～30% 。因此 ,微波萃取技術(shù)用于提取茶湯水溶性成分提取具有浸提效率高、溶劑消耗少、能耗低，易于工業(yè)化等特點(diǎn)，但易過熱。為解決浸提物中熱不穩(wěn)定成分轉(zhuǎn)化，需對浸提時間、設(shè)備功率等工藝條件展開基礎(chǔ)研究和優(yōu)化試驗(yàn)。

2 飲料茶加工殘?jiān)Y源化利用途徑

2.1 作為有效功能性成分提取

2.1.1 茶多酚提取利用

茶多酚(tea polyphenols)是茶中酚類物質(zhì)及其衍生物的統(tǒng)稱，主要成分為兒茶素，是目前最常見的茶葉深加工產(chǎn)品。茶鮮葉中茶多酚含量一般在18%～36%(干重)之間[21]。茶多酚對人體一系列重要的藥理功能[22]，因而，茶多酚的提取分離技術(shù)被廣泛深入研究。目前茶多酚提取分離方法主要有溶劑提取、樹脂吸附、超臨界流體浸提、微波浸提、超聲波輔助提取等。

魚亞楠[23]等研究表明采用二級浸提和二級柱分離方法純化后,茶多酚的得率為14. 62%,純度為84. 69%;熱提液中茶多酚的含量為1. 4740 g,純化后茶多酚的得率為10. 61%,純度為92. 02%。周曉晴[24]等分析了茶葉籽油中維生素E等含酚羥基的脂溶性物質(zhì)對福林酚法測定茶葉籽油中茶多酚含量的干擾,得出福林酚法不適用于測定油脂中茶多酚含量。李媛[25]等通過超聲波輔助水浴浸提法得到茶多酚提取液,所得提取液分別用離子沉淀法和大孔樹脂吸附法純化﹒離子沉淀法純化茶多酚的最佳條件茶多酚粗得率為89.99%。高海榮[26]對比熱水浸提、超聲波提取和微波提取3種提取工藝對茶多酚提取效率的影響，微波法提取茶樣中茶多酚含量最高,達(dá)到197.3 mg·g-1,分別比熱水浸提和超聲波提取率高出56.1%和28.2%，提出微波提取法將具有一定的工業(yè)推廣價值。

2.1.2 多糖類提取

茶多糖(tea polysaccharide)是指茶葉中具有特殊生物活性的一類與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起的酸性多糖或酸性糖蛋白[46]?，F(xiàn)有茶多糖提取分離方式有酶解提取、水浸提、超濾提取、超聲波輔助提取、微波輔助等。酶法提取對茶多糖的提取率較高，純度較好[47]。

丁世環(huán)[27]等探討了茶渣中茶多糖超聲波提取的優(yōu)化工藝及茶多糖的抗氧化性，當(dāng)茶多糖濃度為3.2 mg·m L-1時,茶多糖對羥基自由基的清除率達(dá)到最高,為60.37%;當(dāng)茶多糖濃度為2.4 mg·m L-1時,茶多糖對羥基自由基的清除率達(dá)到最高,為53.91%。 周宇波[28]等首次使用水熱法對茶多糖進(jìn)行提取,并對此方法的提取條件進(jìn)行了研究和優(yōu)化，表明茶多糖的最佳提取工藝條件為提取時間90 min,提取溫度120℃，料液比1∶25 g·mL-1。此條件下,茶多糖的得率為110.23 mg·g-1。劉新月[29]等采用水提醇沉法,研究了浸提溫度、浸提時間、浸提次數(shù)、乙醇濃度4個因素對普洱茶中茶多糖提取率的影響,結(jié)果表明普洱茶中茶多糖的最佳提取工藝為∶浸提溫度90℃,浸提時間40 min,浸提次數(shù)3次,乙醇濃度80%。韓艷麗[30]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明果膠酶-微波法對茶樹花多糖的提取率有明顯提高。

2.2 作為生物吸附劑原料

茶葉因具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，且富含O，S，P和硫功能的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)，是一種良好的生物吸附劑原料。但茶葉直接作為吸附劑原料成本過高。目前研究結(jié)果顯示茶渣的吸附效果要優(yōu)于原茶[31]，茶渣中的茶葉膳食纖維尤其是水不溶性成分可能是茶渣作為生物吸附劑原料的主要活性成分。目前結(jié)果表明，茶渣制備的活性炭對吸附清除廢水中的重金屬、放射性元素、有機(jī)染料等污染物的研究報(bào)道較多[32]。

2.3 茶渣作為活性炭的原料

活性炭作為常用的吸附材料，具有使用簡便、環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于廢水凈化、氣體過濾等環(huán)境和生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域。農(nóng)林固體廢棄物如茶廢棄物含有豐富木質(zhì)素、纖維素以及水不溶性膳食纖維，可作為制備活性炭的原料。近年來，以茶渣為原料制備活性炭及其應(yīng)用的研究成為熱點(diǎn)，研究結(jié)果表明其可用于吸附水中污染物、凈化空氣、作電極材料等。

制備活性炭的主要有兩個步驟：1)炭化。傳統(tǒng)加熱方法為電爐加熱，加熱時間長，使得制備成本增加，并且原料受熱不均勻，影響活性炭質(zhì)量、微波加熱可解決上述問題，但還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。2)活化。利用理化手段對炭化產(chǎn)物進(jìn)行活化包括物理活化、化學(xué)活化。常見的化學(xué)活化劑有 ZnCl2,H3PO4,KOH,K2CO3等，影響活化效果的因素主要有：原料性質(zhì)、炭化條件、活化條件(活化劑種類、溫度、時間、劑料比)，選取適宜條件對制備優(yōu)質(zhì)活性非常重要[33]。Gundogdu[34]等采用紅茶茶渣為原料，以ZnCl2為活化劑制備了3種活性炭，研究結(jié)果表明，活性炭的孔隙度與表面積隨著ZnCl2與茶渣的比例的增大而增大，且當(dāng)該比例為2時，孔隙度與表面積分別達(dá)到 77.7%與1141 m2·g-1。Gurten[35]等以紅茶茶渣為原料，用K2CO3為活化劑，制備的活性炭表面積達(dá)1722 m2·g-1。

2.4 茶渣作為厭氧消化發(fā)酵原料

木質(zhì)纖維素類原料的厭氧發(fā)酵過程復(fù)雜，包括水解階段、發(fā)酵(酸化)階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和甲烷化階段，并需要多種微生物互相影響作用，形成一個有機(jī)的生態(tài)系統(tǒng)。提高厭氧消化產(chǎn)氣量的有兩種方法：一是對發(fā)酵底物進(jìn)行預(yù)處理，二是改變發(fā)酵外部因素[36]。對底物進(jìn)行預(yù)處理可以使原料的酶解率增高、酶解成本減少、目標(biāo)產(chǎn)物的收率提高、副產(chǎn)物的生成減少。但同時用在資源浪費(fèi)，污染環(huán)境的問題；改變發(fā)酵外部因素較對發(fā)酵底物預(yù)處理環(huán)保，但無法解決木質(zhì)纖維素類底物產(chǎn)氣率低、消化率低的問題，這兩種方式均需要進(jìn)一步的提高改進(jìn)[37]。

2.5 茶廢棄物作為生物有機(jī)肥的原料

茶渣因殘有茶多酚含量高對土壤有改良修復(fù)效果。Mangwandi[38]等利用茶渣為原料與石灰按照一定比例混合制備出性能優(yōu)良的土壤改良劑。夏會龍[39]研究發(fā)現(xiàn)，茶園土壤層在施用茶渣有機(jī)肥后，生態(tài)特性得到明顯改善，與傳統(tǒng)的市售適用于茶園土壤層的肥料相比，茶渣肥明在提高土壤質(zhì)量以及微生物總量和使脲酶活性降低上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)肥料。國外研究表明，茶渣也是一種可用于堆肥的優(yōu)質(zhì)原料。Pant[40]等在相同工藝生產(chǎn)茶以廢棄物為原料，結(jié)果顯示以茶渣為原料的堆肥在綜合指標(biāo)明顯高于常規(guī)堆肥。

2.6 茶廢棄物作為動物飼料的原料

茶渣中蛋白質(zhì)含量較高，粗蛋白總量達(dá)20%左右，可添加到動物飼料中。研究結(jié)果表明[41]，在動物飼料中添加一定比例的將經(jīng)微生物固體發(fā)酵后的茶渣，對動物的產(chǎn)品產(chǎn)品以及抗病能力有明顯改善。舒慶玲[42]等人將經(jīng)糖化處理后的茶葉殘余物按一定比例添加到動物飼料中，飼養(yǎng)的動物體重增長變化顯著高于對照組。劉姝[43]等利用茶渣作為原料經(jīng)微生物發(fā)酵制作的飼料，粗蛋白含量可達(dá)到23%以上，這種安全性可靠的飼料可以用于仔豬配合飼料的制備。

2.7 茶廢棄物在其他方面的應(yīng)用

茶廢棄物還可用作生物能源、食用菌培養(yǎng)料等的原料，在建筑和環(huán)保家具上也有使用。茶廢棄物本身可作為一種性能良好的木屑板原料及重要的聚合物填充材料。另外，茶?？勺鳛楣虘B(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基質(zhì)的原料生產(chǎn)單寧酶。除此之外，茶渣還可作為固態(tài)發(fā)酵的良好載體[44]以及建筑用粘土磚的原料，有研究顯示[45]添加一定量的茶渣的粘土磚在抗壓強(qiáng)度與保溫性能上有明顯加強(qiáng)。

3 結(jié)論與展望

清潔生產(chǎn)對生產(chǎn)過程而言，清潔生產(chǎn)包括節(jié)約原材料與能源，盡可能在生產(chǎn)過程中就減少它們的數(shù)量；對產(chǎn)品而言，則是從原材料獲取到產(chǎn)品最終處置過程中，盡可能將對環(huán)境的影響減少到最低。一方面，隨著飲料茶的種類增加，飲料茶加工也研發(fā)出許多新技術(shù)，如膜分離技術(shù)、微波技術(shù)等這些技術(shù)有望部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)。新工藝研發(fā)應(yīng)用往往過分關(guān)注解決一些技術(shù)難題(如營養(yǎng)損失、保鮮效果等)，而忽略所需的耗能量大多會大于傳統(tǒng)工藝耗能量，新工藝的節(jié)能效果應(yīng)與生產(chǎn)性能同時考慮。

另外，食品加工生產(chǎn)中排放的三廢，有機(jī)物含量高，不加處理會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。如何提高資源利用率、降低資源能源的消耗、污染物的排放以及對加工后的殘余物回收再利用，是食品企業(yè)和環(huán)保行業(yè)需要解決的重要問題。目前諸多研究可知茶渣可進(jìn)行多用途開發(fā)，但還沒有在工業(yè)生產(chǎn)中成熟地應(yīng)用。如茶渣用生物發(fā)酵后用作飼料，其微生物的選擇、方法工藝的確定，飼料營養(yǎng)成分等一系列問題還需進(jìn)一步明確。作土壤肥料的研究較早方法也比較完善，其施用效果也較明顯，但目前的生產(chǎn)實(shí)踐推廣還需加強(qiáng)。多芬多糖等提取方法為提高其提取率的工藝還有待改進(jìn)。諸如上述茶渣的多途徑利用技術(shù)還有待提高，但值得肯定的是開發(fā)茶渣資源化利用具有廣闊的發(fā)展前景。