茶類生物堿的去除方法專利技術綜述

陸 晨 (國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215000)

生物堿是存在于自然界(主要為植物，但有的存在于動物)中的一類含氮的堿性有機化合物，有似堿的性質，所以過去又被稱為贗堿。大多數有復雜的環狀結構，有顯著的生物活性，按照生物堿的基本結構可分為60類左右［1］。

茶葉是由3．5% ～7．0%的無機物和93．0% ～96．5%的有機物組成的。有機化合物主要有蛋白質、生物堿、茶多酚等［2］。在茶樹體中，主要是嘌呤類生物堿，其次也有少量嘧啶類生物堿。茶葉中已發現的嘌呤堿有咖啡堿、可可堿、茶葉堿、腺嘌呤、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤、擬黃嘌呤等，嘧碇堿中有胞核嘧啶、尿嘧啶、5－甲基胞核嘧啶、胸腺嘧啶等，其結構特點均以嘌呤環為基本骨架。在茶葉生物堿中，最重要的是咖啡堿、可可堿、茶葉堿。茶中的生物堿一般為無色，多具苦味，有些味極苦而辛辣，還有些刺激唇舌的焦灼感。有別于其他生物堿，茶中的生物堿呈酸性，大多數生物堿均不溶或難溶于水，能溶于氯仿、乙醚、酒精、丙酮、苯等有機溶劑，也能溶于稀酸的水溶液而成鹽類，生物堿的鹽類大多溶于水。在常壓時絕大多數生物堿無揮發性，直接加熱先熔融，然后被分解，也可能在熔融的同時分解，只有在高度真空下才因加熱而有升華現象。生物堿大都被用于醫藥治療及研究，一般性質較穩定。在貯存上，除避光外，不需特殊貯存保管。

茶是我國的傳統飲料。茶葉也是我國農副產品出口中的重要物資。它不僅色、香、味俱全，更重要的是它具有祛病健身的功效。長期飲茶對抗菌、降低體內膽固醇、清除體內自由基、抗癌、抗動脈粥樣硬化、預防老年癡呆都有很好的療效。茶制品或茶萃出物也越來越受到消費者的歡迎。然而，這些茶類產品中生物堿特別是高含量咖啡堿的存在也限制了其在特定人群中的應用。對于神經衰弱者、動脈粥樣硬化、高血壓等人群，過多的食用高含量咖啡堿茶類制品會產生一定的副作用。因此，降低茶葉或茶萃出物制品中咖啡堿含量，生產適合于特定人群需要的茶制品具有很大的市場空間和經濟價值。同時，將被去除的生物堿這一有效成分應用于醫藥、食品等領域，也有利于實現資源、環境、經濟和社會效益的統一［3］。

1 茶類生物堿的典型去除方法

專利技術中茶類生物堿的去除方法主要有蒸餾以及有機溶劑萃取、發酵法去除、升華法去除、超臨界萃取、冰水萃取、超聲波萃取、微波萃取、樹脂吸附法、低碳醇等低毒有機溶劑法。研究領域甚至已逐漸發展至茶類生物堿專用去除設備等方面。各種方法同時適用于茶或茶萃出物制品中生物堿的去除。與此同時，在茶類生物堿的去除過程中存在一個不可避免的問題，即在茶類生物堿去除的同時，茶中香氣成分損失較多。如何有效去除茶及茶制品中的生物堿，又盡可能地避免茶類香氣成分的損失，是目前茶類生物堿去除方法發展中面臨的一個問題。

2 國內外主要專利技術發展脈絡

2．1 有機溶劑萃取 茶類生物堿的去除方法最初集中在用有機溶劑從茶葉中萃取生物堿，其原理在于利用生物堿能溶于氯仿、乙醚、酒精、丙酮、苯等有機溶劑的特性，通過有機溶劑萃取方式實現茶中生物堿的去除，并且最終將有機溶劑進行回收利用。這種方法的優點在于操作簡單、成本低。缺點在于其選擇性差，在去除茶葉中咖啡因的同時，茶葉中所含的一些重要香料由于極易溶于有機溶劑亦被除去。此外，在茶葉處理過程中，去除生物堿后要完全從茶葉中清除有機溶劑也是很困難的，從技術上幾乎是不可能達到的。對于茶葉，殘存的有機溶劑若有毒性，則會對產品飲用、藥用或者作為保健品原料使用造成影響［4］。

2．2 超臨界氣體萃取 針對有機溶劑去除的弊端，逐漸發展起來的是借助于超臨界氣體，特別是二氧化碳去除茶及茶制品中所含生物堿。代表性的專利申請有DE2127642A。該方法描述了一種去除茶葉中咖啡因的二步工藝方法。在該方法中，先用干燥的超臨界二氧化碳除去茶葉中的芳香物質，繼而用潮濕的超臨界二氧化碳提取咖啡因，將茶葉再次干燥后，把在第一個提取步驟中分離出的香料重新摻入茶葉中。這種方法在一定程度上解決在茶類生物堿去除的同時茶香氣物質損失的弊端，又避免有機溶劑殘留以及酸堿液用量大的問題。但是，在實際應用中，這樣的方法存在技術要求高、操作繁瑣、耗費成本高的缺陷。應用這一方法，去除茶類生物堿會大大增加茶類制品生產成本。此外，在茶類生物堿去除之后，在生物堿利用時通過減壓和降溫來分離咖啡因。在利用生物堿活性時，為了使二氧化碳再次達到超臨界范圍，必須耗費大量能量，生物堿的有效利用成本增加［5］。為了解決這個問題，代表性的專利申請DE2637197A對超臨界去除茶類生物堿的方法進行了改進。借助各種離子交換劑從處于超臨界范圍的二氧化碳中除去咖啡因，對于生物堿有效利用時的成本降低起一定作用。然而，采用這種方法亦無法避免分二步去除生物堿的提取過程，成本依然偏高，操作也非常復雜和繁瑣［6］。此后，在此基礎上，國外申請人對此方法繼續進行改進，用代表性的專利申請DE3415844A對其進行了改進，首次使采取一步法去除茶葉中的咖啡因成為可能。在260～350 Pa壓力及溫度最高不超過70℃的條件下，用潮濕二氧化碳對含水量按質量計為15% ～50%的茶進行萃取，再在同樣的壓力范圍內用活性炭從含有咖啡因的二氧化碳中除去咖啡因，然后回收萃取茶葉上方的不含咖啡因的二氧化碳，并且將茶葉與二氧化碳相分離，再把茶葉干燥，解決二步分離方法的成本偏高、操作繁瑣的技術問題，唯一缺點是提取時間較長，二氧化碳的用量較大［7］。鑒于這一方法的優點，基于超臨界技術的快速發展，代表性的專利申請CN86103112A對此方法做了進一步的改進，發明出一種去除茶葉中咖啡因的工藝方法，即在一個壓力為255～350 Pa、溫度為50～80℃的高壓釜中，用潮濕的二氧化碳對含水量按質量計為15%～50%的茶葉進行萃取，隨后利用一種吸收劑從二氧化碳中分離咖啡因，再回收被萃取過的茶葉上方的不含咖啡因的二氧化碳。這里所用的吸收劑，特別指活性炭，是以按質量(相對于茶葉的干重)計為5% ～40%的量分散于待提取的材料中。利用這樣的工藝，萃取時間可以大大縮短，使得投入的二氧化碳量明顯降低，而且利用這樣的方式進行操作，茶的味道、芳香氣味損失量較小［8］。

2．3 樹脂或木質纖維素吸附、溶劑洗脫去除法 針對有機溶劑萃取時溶劑難以回收、超臨界萃取時操作復雜且設備投資大的弊端，逐漸發展起來的是通過樹脂或木質纖維素去除生物堿的方法。這種方法通過酸堿處理顆粒狀的木質纖維素后，以木質纖維素作為吸附劑，將含有生物堿的茶制品通過吸附柱，其中的咖啡堿隨流過液排出柱外，采用極性溶劑洗脫，干燥洗脫液，即可得到去除生物堿的茶提取物。這種方式的優點在于以木質纖維素為分離咖啡堿的吸附劑，原料價廉，來源極廣。由于吸附劑是天然植物，無毒，且分離效果好，得到的茶提取物產品中生物堿含量低、不含氯化物，成為真正的綠色產品。代表性的專利技術有JP特開平5-153910、JP 特開平 8-109178、CN1729822A［9－11］。此外，還有采用大孔吸附樹脂進行處理的專利申請如南開大學申請的CN102120790A，但是在茶中生物堿去除的同時茶中香氣物質一同被吸附除去，造成香氣物質的較大損失。在解決上述問題的過程中，發展出選擇特定的吸附劑選擇性地吸附除去生物堿，如JP特開昭53－18772采用活性白土與酸性白土作為吸附劑，將含有生物堿的水溶液與其接觸，由此選擇性地除去咖啡因［12］。不過，這種方式也存在色調、風味惡化的問題。此外，在此類眾多的吸附法去除生物堿的專利申請中，有一種方法值得借鑒。CN102870926A公開了一種采用非對稱層析理念，雙柱上樣，高壓層析，剔除茶中咖啡因和茶堿等興奮作用的成分，獲得保留茶中茶多酚或茶黃素等功能性保健成分的速溶茶產品，既剔除咖啡因和茶堿等成分，又保留綠茶中的茶多酚等或紅茶中的茶黃素等功能保健養生成分［13］。

2．4 酶解脫除法 單寧酶是作用于兒茶酚與沒食子酸間的酯鍵，使得苦澀味的酯型兒茶素水解，釋放出的沒食子酸陰離子又能與茶黃素、茶紅素競爭咖啡堿，形成分子量較小的水溶性短鏈物質。酶解脫除生物堿的方法是將含咖啡因茶類提取物用單寧酶進行處理之后，使得非酯型兒茶素類和咖啡因的混合物析出，將其分離除去，由此不使茶本來的香味發生顯著變化，而且高效地除去咖啡因。CN101664092A公開了一種酶解去除生物堿的方法，不僅去除茶中的生物堿，而且對于茶飲料中的冷后渾處理效果較好，冷后渾英文譯為cream down，意思是沉淀生成，是茶制品中存在咖啡堿時的一種不利現象，由于酯型兒茶素(與沒食子酸酯型兒茶素的含義相同)和咖啡因等形成復合物而產生。通過對茶制品進行單寧酶處理，去除其中的生物堿，并且將酯型兒茶素分解成非酯型兒茶素，達到不能與咖啡因形成復合物，有效防止上述復合物形成的效果，去除不利的生物堿，保留茶中的有效成分，解決吸附法去除生物堿時茶提取物風味惡化的問題［14］。類似的方法還有 US2010055243A1 等［15］。這一方法在茶處理領域得以推廣的可能性非常大。

2．5 負壓低溫脫除法 負壓低溫法主要利用在負壓低溫體系中咖啡堿與茶多酚的溶解度不同，又由于咖啡堿和茶多酚與茶葉組織的結合力存在差異，二者能夠達到一定的分離的原理。代表性的專利申請CN1843144A［16］充分利用這一原理，介紹了一種采用負壓低溫方法把咖啡堿與茶多酚進行分離，在pH 3．0～4．0時利用咖啡堿基本上是以鹽的形式存在，在冰水中的溶解度加大，而茶多酚在此時主要以分子狀態存在，在冰水中的溶解度較小，且性質比較穩定，去除生物堿，效果較好，避免化學法去除的弊端。根據產品的用途，可以選擇是否用酸調pH，調pH用的酸可以是鹽酸、醋酸或檸檬酸，安全性高;此外，這種方法的優點還在于操作簡單、方便，成本低，投資少，無污染，產品綠色安全，易于工業化，與其他處理工藝相比，它不僅無需大量使用對環境污染和對人體有害的生產試劑如氯化物、乙酸乙酯、金屬鹽離子等，而且可以獲得低成本的綠色天然高純度生物堿產品，有效緩解綠茶飲料中因咖啡堿與茶多酚絡合而出現不溶物的難題。分離得到的綠色安全咖啡堿適用于食品、藥品、保健品的生產應用，對于生物堿的后續應用極為有利。

2．6 負壓加熱去除法 負壓加熱法是利用在真空下加溫使得咖啡堿升華，從而使咖啡堿含量降低的原理，去除茶中生物堿。利用這一原理，代表性的專利申請CN103549090A公開了一種降低茶多酚中咖啡堿含量的方法。具體操作為:將茶多酚原料置于升華瓶中，抽真空下用油浴加熱茶多酚原料到120～130℃，數個小時后冷卻到常溫，收集升華后的殘留物，即為去除了生物堿的茶多酚產品。這一物理去除生物堿的方法也能夠避免采取有機溶劑萃取法的溶劑殘留，且不存在超臨界方法的操作繁瑣、設備投資大的問題，但由于該法在處理茶葉時溫度較高，對茶葉中的揮發性風味成分會有影響，因而目前研究應用較少［17］。

2．7 低毒有機溶劑萃取 有機溶劑去除生物堿溶劑有毒性，易殘留;超臨界設備要求高，成本太大，大規模工業化生產困難;采用吸附分離脫除法樹脂價格高，易殘留;微生物降解、酶解成本相對較高，負壓制造環境要求嚴格，高溫對茶葉有效成分影響較大，造成茶葉品質劣化等諸多去除方法具有局限性的問題，低毒有機溶劑萃取的方式提供一種適應大生產，脫除效率高的制備脫生物堿類茶制品的方法。采用一種溶劑，在不影響茶制品品質的情況下，把生物堿從茶制品中提取分離出來，在整個脫除過程工藝簡單，生物堿脫除率高，溶劑可以回收重復利用，分離出來的生物堿也可進行開發利用。而且，在對低毒有機溶劑萃取方法的研究中，意外發現采用本技術脫除生物堿后茶制品的農藥殘留也大大降低。用到的低毒有機溶劑有低碳醇或極性類似的低毒有機試劑，如甲醇、乙醇、丙二醇、丙三醇的水溶液或各種比例低碳醇混合物的水溶液;優選低碳醇為濃度80% ～100%乙醇，最優選濃度95%乙醇。所述極性類似的低毒有機試劑為丙酮、乙酸乙酯等。處理方法是將溶劑加入茶葉或其提取物中進行提取，分離出茶葉或其提取物中的生物堿和農藥殘留，回收溶劑后得到去除生物堿和農藥殘留的茶制品。可采用的輔助處理方式有冷浸提取、超聲提取、微波提取、溫浸提取、優選加熱回流提取。利用溶劑與香氣成分沸點的差別，低溫揮干溶劑，將香氣成分重新回填到茶葉提取物中，真正實現生物堿的有效去除以及有效利用的雙重技術效果［18］。

3 結語

通過對茶類制品中生物堿典型去除方法的分析，可以看出茶類制品中生物堿的去除方法有很多。在早期的研究中，主要有有機溶劑萃取法、超臨界二氧化碳去除法。它們雖然對生物堿有較好的去除效果，但普遍存在一些問題，如有機溶劑殘留，后續應用難以大規模推廣，茶中香氣成分損失嚴重等弊端。因此，在近年來的專利申請中，茶中生物堿的去除方法正向著既能有效去除茶中生物堿又不破壞茶中香氣成分的方向發展，向著既能有效去除又能夠控制成本和操作的方向發展。隨著研究的深入，操作簡便、去除效率高、生產成本低、工業化應用廣泛的技術應運而生，逐漸發展起來的樹脂或木質纖維素吸附、溶劑洗脫、酶解法脫除、負壓低溫法、負壓加熱法、低毒有機溶劑法等，取得豐碩的成果。我國茶資源的深入開發以及國際交流的日益深入必將為茶類制品生物堿的技術發展以及有效利用提供廣闊的發展契機。相關先進技術的出現也必將促進此項課題技術的理論研究和應用發展。

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