浓缩技术在茶叶中的应用及研究进展

陈晓维，余元善*，邹 波，胡腾根，方广平，黄通余

（1.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，农业农村部功能食品重点实验室，广东省农产品加工重点实验室，广东广州 510610；2.东源县仙湖山农业发展有限公司，广东河源 517583；3.河源市吉龙翔生物科技有限公司，广东河源 517149）

随着现代化进程的加快和快节奏生活的到来，营养、健康、方便的食品越来越受到人们的青睐，其中茶因具有丰富的营养价值、保健功效以及独特的风味而深受人们的喜爱。特别是茶饮料，其自身的特性符合当今饮料行业追求“天然、健康、营养、功能性”的趋势，且优于调味茶，已成为健康时尚的消费品[1]。

浓缩是茶饮料行业的一种常见技术，可以减少茶汁的体积，从而降低运输、储存和包装的成本。此外，由于水分活度降低，浓缩茶汁比原茶汁更稳定，且更耐微生物腐蚀。茶浓缩汁是以茶叶为原料，水为溶剂，经提取、冷却、过滤、浓缩、杀菌、灌装等工艺加工而成的茶深加工产品[2]。其中浓缩是茶浓缩汁加工过程中非常重要的操作单元，也是影响茶浓缩汁的得率、风味、稳定性及加工成分的主要因素之一。为了最大限度地保留原茶的风味、获得较高的浓缩比和浓缩效率，浓缩技术在茶浓缩汁生产中得到了发展[3]。本文对目前常用的茶叶浓缩技术（真空浓缩、冷冻浓缩、膜分离浓缩等）的原理、特点进行了综述，并展望了不同浓缩技术的发展前景与趋势，以期为茶叶浓缩新技术的研究与开发提供一定的理论依据。

1 茶叶浓缩的方法

1.1 真空浓缩技术

真空浓缩又称减压浓缩，是指利用水的沸点降低，在较低的真空度下将水分或其他溶剂蒸发掉的一项技术[4]；即在减压条件下加热，降低茶提取液的沸点，使提取液中的水分迅速蒸发的一种浓缩方法。传统的多效真空浓缩是在真空条件下蒸发水分，与常压条件相比，能缩短浓缩时间，是目前茶浓缩汁生产中使用最广泛的浓缩方法。但由于此方法在浓缩过程中要加热和抽真空，在此过程中，热敏性物质、芳香物质、色素等成分容易发生氧化，使茶浓缩汁的香气、色泽、滋味都发生劣变，导致茶浓缩汁的品质下降，继而导致用茶浓缩汁生产的茶饮料产品质量下降。余炼等[5]研究了真空浓缩过程中芒果汁香气成分的变化，发现随着芒果汁浓度的不断提高，各组分含量降低，而且浓缩芒果汁的糖度越高，香气物质含量减少越多。

为了更好地克服这些缺点及保存新鲜茶汤中的营养成分，新的真空浓缩技术被开发出来，如低温真空浓缩技术和常温真空浓缩技术。低温真空浓缩技术是指将物料放置在一定真空度条件下，物料中的水分被蒸发掉的浓缩。由于在蒸发室中水分蒸发的同时带走了大部分的热量，使得产品的温度下降，这时产品温度过低，不利于蒸发的进行，因此需要用设备自带的热泵，产生40 ℃的热水对产品进行循环加热，保证产品控制在一个适当的温度，而且全部加工过程中可以通过触摸屏控制，自动化程度极高[6]。将低温真空浓缩技术应用在浓缩茶汁中能很好地保留茶汤的色泽，但由于没有香气回收装置，对茶汤的香气影响较大，从而使茶浓缩汁的品质下降。常温真空浓缩技术原理是先将整个系统抽成真空，蒸发室的真空度为0.003 MPa，在此条件下水的蒸发温度在22 ℃左右。此时无需用泵，利用系统的负压将物料吸进蒸发室，喷成雾状，同时水分被蒸发掉，产品通过离心泵再次打回蒸发室进行循环，达到要求的浓度后出料[7]。与传统的真空浓缩和低温真空浓缩相比，不同之处是能在室温条件下进行浓缩。常温真空浓缩技术能够很好地保护产品中的热敏性成分，同时通过较长的换热管路，可以将水蒸气释放的热量进行回收利用，冷凝温度为10℃左右，无需大功率制冷设备，浓缩过程能耗少、效率高。但常温真空浓缩对蒸发室气密性、真空泵的要求较高，目前国内设备水平还难以实现。我国茶叶资源丰富，人们对于天然健康茶饮料的需求增加，常温真空浓缩作为新型浓缩技术，具有广阔的应用前景。

1.2 冷冻浓缩技术

冷冻浓缩被认为是一种有可能替代蒸发浓缩的方法，它是利用冰与水溶液之间的固液平衡原理，通过冷却将温度降到溶液的冰点以下，使溶液中的水分以固态冰的形式去除，达到浓缩的效果[8]。目前冷冻浓缩主要有悬浮结晶冷冻浓缩技术和界面渐进冷冻浓缩技术。

悬浮结晶冷冻浓缩技术的作用原理是不断排除在母液中悬浮的自由小冰晶，从而使母液的浓度增加而达到浓缩的目的。此法浓缩终点较大，能够迅速形成纯净的冰晶，浓缩效率高。但由于此法冰晶的生成、成长、分离三个过程是在不同的装置中完成的，系统复杂、操作要求较高，且成本高、投资较大，未能在更大的范围推广。为改善悬浮结晶冷冻浓缩的不足，学者研究开发出了界面渐进冷冻浓缩技术，这是一种沿冷却面形成并成长为整体冰晶的新型冻结技术。界面渐进冷冻浓缩法的作用原理与悬浮结晶冷冻浓缩法完全不同，是利用随着冰层在容器冷却面上生成并成长，在固液相界面，溶质从固相侧被排除到液相侧的现象进行浓缩的方法。与悬浮结晶冷冻浓缩法相比，界面渐进冷冻浓缩技术的优点是通过冷冻结晶出整体冰面，物料与结晶面接触面小，易于物料的分离，整个结晶生成、分离及除冰过程均在一套装置中进行，装置简单、操作方便。茶汤中的色素和功能成分等因低温得到了保护，避免了传统浓缩过程中物料因加热发生的各种聚合反应；对于多种溶质的溶液，浓缩过程温和，不易引起茶汤中成分组成的变化。

冷冻浓缩工业化生产技术被欧美等发达国家垄断，进口设备昂贵，技术复杂，且大多仅适用于橙汁加工[9]。目前国内冷冻浓缩技术不成熟，且应用于茶浓缩汁方面的报道较少，关于悬浮式和渐进冷冻浓缩设备的报道大多处于中试和小试阶段。国内对界面渐进冷冻浓缩技术非常关注，如何控制浓缩终点、提高浓缩效率、降低能耗、界面渐进冷冻浓缩装置的开发和应用已成为学者们的研究热点。整体来看，随着人们生活水平的提高，高品质的茶饮料产品需求巨大，冷冻浓缩是在低温下运行，可将热敏性成分和易挥发成分的损失控制在较低水平，能最大限度地保护茶叶中的有效成分，同时可以浓缩到较高浓度，固形物浓度可达50%，在茶浓缩方面具有广阔的应用前景。

1.3 膜浓缩技术

膜是指在一种流体相内或是在两种流体相之间存在的一层薄的凝聚相。膜浓缩是利用天然或人工合成的具有选择透过性的薄膜，以化学位差或外界能量为推动力，使膜两侧的物质能够按照预定的方向进行移动，从而达到浓缩的效果。膜浓缩技术始于20 世纪70 年代，首先应用于果汁的加工，主要有反渗透膜浓缩、纳滤膜浓缩等。

1.3.1 反渗透膜浓缩

反渗透膜浓缩是利用反渗透膜只能选择性透过溶剂的性质，在膜的一侧施加压力以克服溶液的自然渗透压，使溶剂逆着自然渗透的方向从溶液中分离出来，从而使得溶质一侧浓度增加，产品得到浓缩[10－11]。随着膜技术的推广应用，反渗透浓缩技术目前已经应用于茶叶深加工，如用于生产茶饮料、速溶茶等。采用反渗透膜浓缩茶叶浸提液，证实了反渗透膜浓缩茶汁的可行性[12]；张远志等[13]利用反渗透膜浓缩绿茶汁，研究发现反渗透膜低温浓缩绿茶汁对物理护色，减弱熟汤味有明显的效果；胡建农等[14]运用反渗透膜分离技术生产浓缩乌龙茶饮料，极大地提高了产品的质量；Schreier 等[15]利用反渗透膜浓缩红茶提取液，结果发现浓缩后干燥制得的速溶红茶具有原茶香味和冷溶性。

1.3.2 纳滤浓缩

纳滤浓缩技术是膜孔径介于超滤膜和反渗透膜之间的一种以压力作为驱动力的膜分离技术[16]。纳滤的操作压力相对于反渗透技术较低，一般在0.4～2.0 MPa 之间，因此又被称为“超低压反渗透”或“疏松型反渗透”。肖文军等[17]以茶叶深加工制品浓缩前的料液为原料，系统研究了不同截留分子量膜的浓缩效果，结果发现采用300 Da 纳滤膜进行浓缩的工效较高；杨继往等[18]采用纳滤浓缩金花茶提取液，浓缩液中茶多酚、总黄酮和茶多糖等有效成分均有一定程度的富集，且色、香、味等均得到了很好的保留；顾正荣等[19]在操作压力为0.4～0.8MPa 下对绿茶提取液进行纳滤浓缩实验，结果表明，纳滤对茶多酚的平均截留率为97.3%。纳滤浓缩技术显著的优点在于膜孔径小、操作压力低、膜通量较高，对以离子形式存在的盐和一些有机分子的去除能力相对较高，而设备投资成本和运行保养的费用却很低。

1.3.3 渗透蒸馏

渗透蒸馏又称为等温膜蒸馏、渗透蒸发、膜渗透浓缩，是基于渗透和蒸馏概念而开发的一种新型膜分离技术，是在两个水溶液之间进行浓缩的过程。依靠微孔疏水膜两侧溶液表观渗透压的不同，两种溶液中的同一种可挥发性组分如水蒸气从表观渗透压高的溶液穿过膜孔进入表观渗透压低的溶液，从而使前者达到浓缩的目的[19]。与传统的真空浓缩和反渗透浓缩相比，渗透蒸馏浓缩的优点在于能在常温常压下操作，即对溶质能以最小的热损失和机械损失，达到分离或富集的目的。用于茶汤浓缩，可避免茶汤受高温或高压的影响，较好地保留茶汤原有的色香味，还能大大减少膜污染的程度，克服反渗透浓缩的缺点[20]。由于渗透蒸馏是新型的膜浓缩技术，其用于茶汤浓缩国内报道的较少，国外的研究始于澳大利亚，目前国外已在工业上应用此法，且拥有渗透蒸馏浓缩方法的专利。

1.3.4 集成膜技术

单一膜浓缩技术有其各自的特点，它们的应用存在很多问题，有一定的局限性。在解决某一具体分离目标时，往往要综合利用几个膜，使之各尽所长，这种过程称之为集成膜技术。集成膜技术可以根据各种膜自身的特点，利用集成的协同作用，突破单一膜的局限性，达到优化、高效、低成本、低能耗及无污染的要求[21]。应用于茶叶浓缩汁，可以突破传统加工营养损耗大、能耗大等瓶颈问题，从而提高产品质量。目前集成膜技术已被应用于果汁浓缩，如Alfredo 等[22]研究出了一种澄清和浓缩石榴汁的集成膜技术，结果发现，先经过超滤澄清再进行反渗透浓缩的集成膜技术可以用来加工具有高抗氧化活性的果汁。徐贞贞等[23]研究了无机陶瓷膜超滤结合纳滤膜组件、无机陶瓷膜超滤结合反渗透膜组件两种集成膜处理工艺对花青素水粗提液的处理效果，结果表明，两种逐级膜过滤技术均可用于天然活性成分水提物的非热澄清及浓缩。随着集成膜技术商品化应用的推广，集成膜应用于茶浓缩汁的前景非常广阔。

2 小结与展望

真空浓缩过程中需加热、减压，会对茶浓缩汁的香气、滋味均产生不利影响，目前通过采用新型的真空浓缩设备，降低浓缩过程的温度，同时采用香气回收装置减少香气物质的损失。如真空微波蒸发技术发展为一种新型的浓缩方法，微波加热和真空蒸发体系相结合，可以在低温条件下快速地实现质量和能量的传递。使用真空微波蒸发浓缩，由于产品的快速加热，在合适的功率和真空状态下，可以从产品中分离出更多的水分，能有效地保留茶叶浓缩汁的香气、滋味等，提高茶浓缩汁的质量。

在众多加工茶叶水提取液的方法中，冷冻浓缩在保留茶汁中的色、香、味等方面是最为有效的，但成本高、设备较为复杂、易产生冷后浑的缺陷，限制了其在茶浓缩汁上的应用。目前，冷冻浓缩过程中存在着冰晶与溶质的分离困难，悬浮式冷冻浓缩和渐进式冷冻浓缩这两种浓缩方法都会造成不同程度的溶质损失和冰晶的纯度低、冷冻浓缩设备复杂、成本高等问题，这些问题都需要进一步研究解决。

膜浓缩在产品的得率、冷溶性、澄清度、风味等方面均有较好的表现，但也存在小分子的溶质流失、膜的浓差极化难以浓缩到较高浓度等缺陷。现阶段，膜污染是使用膜浓缩的最大问题，主要表现为随着运行时间的加长，膜通量和通透性逐渐降低。膜污染的程度决定了清洗的频率、膜的寿命、所需的膜面积以及成本、工厂的设计和运行。开发新型膜组件、膜设备以及在分离工艺中实现更高的选择性和渗透性，提高工艺强度和降低成本是膜浓缩技术未来的发展方向。此外，单一膜浓缩受到膜孔径的限制，膜浓缩的溶质损失率、浓缩倍数以及浓缩成本都较低，可以使用不同膜组合进行浓缩，发挥不同膜过程的优点。

以上几种浓缩方法各有优缺点，目前茶浓缩汁的浓缩工艺常采用单独一种浓缩方法，今后，几种浓缩方法相结合，利用一种浓缩方法的优点弥补另一种浓缩方式的缺点将是茶叶浓缩技术的一种发展趋势，如膜浓缩和真空浓缩技术结合；同时新的浓缩方法和新的浓缩设备将会越来越多地被应用，如超高压结合膜浓缩、复合酶法处理茶浓缩汁、高压脉冲电场结合冷冻浓缩、超声浓缩、气体水合物浓缩技术等。