林清霞, 杨军国, 王丽丽, 宋振硕, 陈林*

乌龙茶水提物的膜分离制备及其体外抗氧化活性评价

林清霞1, 杨军国2, 王丽丽1, 宋振硕1, 陈林1*

(1. 福建省农业科学院茶叶研究所，福州 350013；
2. 闽南师范大学生物科学与技术学院，福建 漳州 363000)

为探究乌龙茶水提液的不同膜分离工艺对产品品质、生化成分及体外抗氧化活性的影响，采用陶瓷膜(500 nm)和超滤膜(20、10、5、3.5 kD)对乌龙茶水提液进行分离，经喷雾干燥制得茶粉。通过感官品质、物理性质等方面评价不同膜分离工艺所制备的茶粉品质，并对茶粉的主要生化成分进行分析比较。同时，通过DPPH自由基清除力、FRAP氧化还原力、羟基自由基清除力、抗超氧阴离子活力方法评价茶粉的体外抗氧化活性。结果表明，陶瓷膜透过液的感官品质综合得分最高，体外抗氧化活性亦最高。500 nm陶瓷膜可有效分离与富集茶多酚(TPs)、游离氨基酸(FAAs)、咖啡碱(CAF)、可溶性糖(SPS)等物质，还可达到除杂效果，经陶瓷膜分离后的乌龙茶水提液再经超滤膜分离，对TPs、CAF、SPS、儿茶素组分无分离与富集效果。截留分子量小于10 kDa的超滤膜可有效分离与富集游离氨基酸。500 nm陶瓷膜截留液的SPS含量最高，但综合感官品质最差，抗氧化活性最低。基于品质、功效、节能3大要素考虑，500 nm陶瓷膜透过液制备的茶粉综合品质最优。

闽南；
乌龙茶；
水提物；
膜分离；
抗氧化活性

茶叶深加工是将茶叶资源的开发利用拓展到功能食品、保健品、医药品、日化用品等领域，不仅丰富了茶叶市场的产品形态，更为传统的茶产业带来了良好的发展机遇，解决中低档茶叶销路，提升了茶叶附加值，增加茶产业的经济效益。近年来，高品质、高功效、绿色节能这3大要素成为茶叶深加工行业的主旋律。膜分离技术具有高效、绿色、节能、不发生相变等优点，在茶叶精深加工领域已开展了广泛的应用。Subramanian等[1]指出茶提取液内的小颗粒悬浮物，儿茶素及其氧化产物的相互作用，咖啡碱、蛋白质、果胶和金属离子等络合形成絮状物是目前制约茶饮料发展的重要因素，需去除冷后浑或阻止冷后浑的形成，保障产品的澄清透彻。文中对红茶和绿茶提取物的膜澄清技术进行讨论，认为膜技术潜力巨大，对提高产品稳定性，减少冷后浑，保留茶提取液固有风味均有重要意义。Kumar等[2]采用两级水基萃取法并结合微滤、超滤技术从绿茶中提取了高纯度的表没食子儿茶素没食子酸酯。Chandini等[3]采用不同孔径的微滤膜和超滤膜对红茶提取物进行澄清，随着膜孔径的减小，茶叶澄清度增加，但截留分子量为500 kDa的超滤膜和微滤膜能更大程度地保留茶叶原有的颜色，固体回收率更高，包括澄清提取物中的多酚含量。萧力争等[4]比较了截留分子量为2 500、3 500和5 000 D的超滤膜对儿茶素渣料中茶氨酸得率与纯度的影响，结果表明3 500 D的超滤膜效果最佳, 可获得纯度为8.92%的茶氨酸料液。程文娟等[5]采用膜分离与大孔吸附树脂联用技术纯化茶皂素，茶皂素得率为55.3%，纯度可达95%。姜绍通等[6]以绿茶茶末为原料，水相浸提后，选用10万分子量超滤膜过滤再上吸附树脂吸附分离制得产品纯度达91.82%的茶多酚，比未超滤前茶多酚产品纯度提高了13.14%。然而，研究多聚焦于膜分离产品的澄清、得率、纯度，以及与其他技术的联用。茶叶提取物的膜分离产品的生物学活性变化评价尚缺乏系统性的研究。茶叶具有多种保健功效，尤以抗氧化活性成为众多学者关注的焦点[7–9]。因此，本研究以陶瓷膜、超滤膜对乌龙茶水提液进行分离, 比较不同膜分离对乌龙茶提取物的品质、生化成分及体外抗氧化活性的影响，从而为膜分离在茶叶深加工领域进一步应用奠定理论基础。

1.1 材料

铁观音品种制作的清香型乌龙茶(表1)，购自茶叶市场。主要试剂：1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH, 纯度>97.0%)、2,4,6-三吡啶基三嗪(TPTZ，纯度> 98%)、6-羟基-2,5,7,8-四甲基色烷-2-羧酸(Trolox, 纯度>98%)购自合肥博美生物科技有限责任公司；
六水合氯化铁、福林酚、蒽酮、茚三酮等均为分析纯试剂，购自上海国药；
羟基自由基试剂盒、超氧阴离子试剂盒，购自南京建成生物工程研究所；
标准品(纯度均大于98.0%)，购自美国Sigma公司。

表1 样品来源及编码

1.2 主要仪器设备

HWS.28电热恒温水浴锅(上海恒科公司); VARIO- SKAN LUX酶标仪(美国Thermo SCIENTIFIC公司);T6新世纪紫外可见分光光度计(北京普析通用); R- 100旋转蒸发仪(瑞士BUCHI公司)；
B-290喷雾干燥机(瑞士BUCHI公司)；
膜分离系统(济南博纳生物技术有限公司)：包括BONA-GM-22陶瓷膜小型实验机, BONA-GM-19反渗透膜小型试验机，陶瓷膜元件(长度30 cm，直径3 cm，孔径500 nm，过滤面积0.08 m2)，超滤膜元件(PES聚醚砜材质，长度30 cm, 直径5 cm, 过滤面积0.4 m2，选用截留分子量20、10、5、3.5 kD几种超滤膜元件进行试验)；
Agilent 1260型高效液相色谱系统(美国Agilent公司)：包括四元泵(G1311CVL)、标准自动进样器(G1329B)、柱温箱(G1316A)和二极管阵列检测器(G1315DVL)。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

茶样磨碎，过40目，按1∶25 (/)加入沸水，100 ℃浸提45 min[10–12]，每10 min振摇1次趁热抽滤；
过滤液灌入陶瓷膜过滤设备中微滤，维持操作压力0.15～0.2 MPa、全程冷凝水处理，平均温度约为25 ℃；
适时加水洗膜，收集陶瓷膜透过液和截留液。陶瓷膜透过液灌入超滤膜过滤设备中，适时加水洗膜，收集超滤膜透过液和截留液。样品制作工艺流程见图1。

图1 样品制作工艺流程

1.3.2 茶粉品质及主要生化成分检测

茶粉感官审评参照GB/T 23776—2018和GB/T 31740.1—2015[13–14]，茶多酚(tea polyphenols, TPs)含量参照GB/T 8313—2018 (福林酚比色法)[15]，游离氨基酸(free amino acids, FAAs)参照GB/T 8314— 2013 (茚三酮比色法)[16]，可溶性糖(soluble polysac- charide, SPS)含量测定参照傅博强等[17]的方法(硫酸-蒽酮比色法)，咖啡碱(caffeine, CAF)、没食子酸(gallic acid, GA)、儿茶素及氨基酸组分含量分别参照文献[18–19]中的HPLC方法测定。

1.3.3 茶粉体外抗氧化活性测定[10,20]

DPPH自由基清除力 精密称取100 mg茶粉,用蒸馏水定容至10 mL作为母液备用，取适量母液, 用蒸馏水梯度稀释至4、6、8、10、12g/mL。取2 mL溶液于试管中，加入0.1 mmol/L的DPPH 溶液2 mL，测定茶粉的DPPH自由基清除能力, 并计算IC50。

总抗氧化能力 采用FRAP (ferric ion reducing antioxidant power)法测定。取10 mg/mL的母液用蒸馏水稀释至200g/mL，分别取0.3 mL上述溶液于试管中，加入2.7 mL的FRAP工作液，混匀后37 ℃暗处静置40 min，593 nm下测吸光值。以Trolox梯度浓度绘制标准曲线，以1 g茶粉的毫摩尔Trolox当量(mmol TE/g)表示。

羟基自由基清除力、抗超氧阴离子能力 采用羟基自由基试剂盒、超氧阴离子试剂盒检测。羟基自由基清除试验系列梯度浓度为100、150、200、250、300g/mL，并计算IC50。抗超氧阴离子试验浓度为10 mg/mL，以维生素C为标准，1 mg维生素C所抑制的超氧阴离子自由基的值为1个活力单位。

1.4 数据统计分析

所有数据以平均值±标准差(=3)表示。采用ChemPattern 2017 Pro对供试样的氨基酸组分和儿茶素组分进行主成分分析；
采用Excel对数据进行处理和作图；
采用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析，显著性水平为0.05。

2.1 不同膜分离部分对茶粉品质的影响

从表2、3可见，乌龙茶提取液经过陶瓷膜、不同孔径的超滤膜进行分离，茶汤透过液的透光率、吸光度、冷溶性均得到明显改善，感官品质佳。S0 保持茶汤原有的纯正香气和醇厚滋味，观音特征明显，然而其溶液透明度欠佳(图2)，冷溶性较差。S1的铁观音特征稍有减弱，其花香清高，滋味浓厚甘甜，并且其透光性、吸光度、冷溶性均明显优于S0。S3、S4、S5鲜味明显增加，同时其收敛性也加强；
S6综合感官品质最差；
S7、S8、S9、S10得率较低。

2.2 膜分离对茶粉主要化学成分的影响

2.2.1 茶粉的TPs、FAAs、CAF、SPS

TPs是茶汤中苦涩味的主体成分，亦是茶叶抗氧化的主要活性成分；
FAAs、SPS分别是茶汤中鲜爽味和甜味的主体成分；
CAF是茶叶中含量最高的嘌呤碱，呈苦味[21–22]。鲜、甘、苦、涩是茶汤的主味，因此，考察茶粉的TPs、FAAs、SPS和CAF含量对评价其感官品质具有重要意义。从表4可见, S1的TPs、FAAs、CAF含量均显著高于S0和S6，S6的SPS含量显著高于S0和S1，这说明500 nm孔径的陶瓷膜过滤乌龙茶提取液可有效分离与富集TPs、FAAs、CAF、SPS等物质；
结合表2和3, 孔径为500 nm陶瓷膜可有效去除茶浸提液中的细微颗粒、悬浮杂质等大分子物质，这从另一方面说明，陶瓷膜过滤不仅可以分离与富集茶汤中的主要活性物质，还可达到除杂效果，进而大大提高茶粉品质。S1的TPs、CAF、SPS含量显著高于S2、S3、S4、S5；
除S2的CAF含量显著低于S7，其他各膜透过液的TPs、CAF、SPS与截留液均无显著性差异。综上所述，经陶瓷膜过滤后的乌龙茶提取液再经截留分子量为20、10、5、3.5 kDa的超滤膜过滤，对TPs、CAF、SPS无分离与富集效果。S3、S4、S5的FAAs含量显著高于S0、S1、S2，S2、S3、S4、S5的FAAs含量均显著高于S7、S8、S9、S10，这说明分离与富集游离氨基酸适合选择截留分子量小于10 kDa的超滤膜。

表2 不同茶粉的感官品质

S0～S10见表1。以下图表同。

S0-S10 see Table 1. The same is following Tables and Figures.

表3 不同茶粉的物理性质

同列数据后不同字母表示差异显著(<0.05)。下表同。

Data followed different letters within column indicate significant differences at 0.05 level. The same is following Tables.

图2 0.6 g茶粉加入150 mL蒸馏水得到的水溶液

表4 茶粉的主要化学成分含量(%)

2.2.2 不同茶粉的儿茶素组分

儿茶素类是茶多酚的主体成分，占多酚类总量的60%～80%，主要包括表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)、表儿茶素没食子酸酯(epicatechin gallate, ECG)、表没食子儿茶素(epi-gallocatechin, EGC)和表儿茶素(epicatechin, EC)[7]。对茶粉的主要儿茶素组分和没食子酸进行主成分分析(principal component analysis, PCA)，以茶粉在第1、2主成分(PC1、PC2)上的得分作图，数据预处理采用基于变量的单位方差标度(unit variance scaling, UV-scaling)。由图3可见，各茶粉主要儿茶素组分的PC1和PC2分别为78.64%和14.37%，累积方差贡献率达93.01%，各茶粉有3个明显的类群区分。结合多重比较结果(表5)分析，乌龙茶提取液经陶瓷膜过滤后，儿茶素组分以及没食子酸含量均显著提高，即经膜分离，各茶粉均向右偏移，以S1的偏移幅度最大。S1中的儿茶素组分及没食子酸含量均显著高于S0和S6，由此可见，孔径为500 nm的陶瓷膜可有效分离与富集没食子酸及儿茶素组分。以S0为参照，S1和S9向上偏移，其他向下偏移，S3向下偏移幅度最大。S3的EGCG和ECG的含量显著低于其他茶粉，而这2个组分含量占儿茶素总量50%以上。除S0和S3外，其他茶粉间不存在明显的类群区分，这说明乌龙茶提取液经500 nm孔径的陶瓷膜过滤后，其体系中的没食子酸以及儿茶素组分不适合再选用截留分子量为10、5、3.5 kDa的超滤膜进一步分离与富集。这与肖文军[23]的研究结果不一致, 可能是由于3.5 kDa的超滤膜对儿茶素组分具有一定的富集效果，但其含量的增加收效甚微，而每增加一道工艺环节均会增加儿茶素组分的损失，从而最终未表现出儿茶素组分含量的富集效果。

图3 不同茶粉的没食子酸和主要儿茶素主成分分析

2.2.3 不同茶粉的氨基酸组分

采用基于变量的UV-scaling预处理，对茶粉的游离氨基酸组分进行主成分分析，以茶粉在第1、2主成分(PC1、PC2)上的得分作图。由图4可见，各茶粉游离氨基酸组分的PC1和PC2分别为75.68%和8.77%，累积方差贡献率达84.45%，各茶粉有3个明显的类群区分。以S0为参照，S3向右偏移幅度最大。多重比较分析结果(表6)表明，16种氨基酸组分中，茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸3种约占FAAs的70%，主要表现为鲜爽味，其中代表性氨基酸-茶氨酸约占FAAs的40%～60%。S3的Thea、Glu、ASP的含量显著高于S0和S6，而S3、S4、S5间无显著性差异；
S3、S4、S5的Thea、Glu、ASP含量显著高于S7、S8、S9、S10，这与FAAs的变化趋势是一致的，说明截留分子量小于10 kDa的超滤膜能有效分离与富集Thea、Glu、ASP。Tyr、Val、Leu、Phe、Lys为芳香味氨基酸，其变化趋势与Thea、Glu、ASP等氨基酸基本一致。Ser与Ala为甜味氨基酸，S1的Ser和Ala含量显著高于S0，但显著低于S3、S4、S5。Ile、Leu、Phe为苦味氨基酸，S1的含量显著低于S3、S4、S5。

表5 茶粉的没食子酸、儿茶素组分含量

EGC: 表没食子儿茶素; C: 儿茶素; EGCG: 表没食子儿茶素没食子酸酯; EC: 表儿茶素; ECG: 表儿茶素没食子酸酯; TC: 儿茶素总量。

EGC: Epigallocatechin; C: Catechin; EGCG: Epigallocatechin gallate; EC: Epicatechin; ECG: Epicatechin gallate; TC: Total catechin.

图4 不同茶粉的游离氨基酸组分主成分分析

2.3 不同茶粉的体外抗氧化活性分析

体外抗氧化能力测定方法具有快速、简便、稳定等特点，但其反应是在非生理条件下进行的，且不同方法中的自由基或离子反应不同，单用某一方法缺乏说服力[24–25]。因此，本研究综合多种抗氧化能力测定方法以考察其活性的高低。由图5可以看出，DPPH清除能力、羟自由基清除能力、FRAP还原力3种抗氧化活性的变化趋势基本一致，S1的抗氧化活性显著高于S0, S6的活性最低，即500 nm陶瓷膜分离可显著提高茶粉的抗氧化活性。S2、S3、S4、S5间的DPPH清除能力、羟自由基清除能力、FRAP还原力无显著差异，S7、S8、S9、S10间亦无显著差异，这说明不同孔径的超滤膜分离对茶粉抗氧化活性影响不大。抗超氧阴离子的变化趋势与上述3种抗氧化活性的变化趋势略有不同，S1亦显著高于S0和S6，然而S8的抗超氧阴离子活力最高, 显著高于S7、S9、S10，S5的抗超氧阴离子活力显著低于S2、S3、S4。推测某种高抗超氧阴离子的物质能透过分子量为20 kD的超滤膜，却被分子量为10 kD超滤膜截留,即高抗超氧阴离子的物质在该部分富集。

表6 茶粉的氨基酸组分含量(%)

续表(Continued)

同行数据后不同字母表示差异显著(<0.05)。

Data followed different letters within a row indicate significant differences at 0.05 level.

图5 茶粉的抗氧化活性。不同字母表示差异显著(P<0.05)。

膜分离是20世纪60年代迅速发展起来的一门分离新技术，通过借助外界能量或化学位差的推动实现不同组分气体或液体进行分离、分级和富集, 具有高效、节能、工艺简单、污染少且不发生相变等优点，因而在医药、食品、环保、水处理等领域得到了广泛的应用，成为当今分离学科中最重要的手段之一[26]。茶叶浸提过程中，提取有效成分的同时也会浸出蛋白质、果胶、纤维素等杂质，直接影响茶叶的感官品质、溶解性和澄清度。膜技术的引进可以达到理想的除杂效果，并能有效解决因高温操作引起茶叶理化性质改变、高能耗和三废等问题[27]。本研究采用陶瓷膜、超滤膜对乌龙茶水提液进行分离，结果表明经陶瓷膜、超滤膜分离的乌龙茶提取液，其透过液的透光率、吸光度、冷溶性均得到明显改善，感官品质佳；
以陶瓷膜透过液制备的茶粉感官品质综合得分最高，抗氧化活性亦最高，各生化成分含量均处于较高水平。陶瓷膜透过液再经截留分子量为20、10、5、3.5 kDa的超滤膜分离，会提升其透过液的吸光度、透光率，但对TPs、CAF、SPS、儿茶素组分等无显著富集效果；
截留分子量小于10 kDa的超滤膜对游离氨基酸及其组分具有分离与富集效果。综合品质、功效、节能等因素, 今后乌龙茶水提物的功能性产品的开发，可以考虑500 nm陶瓷膜进行分离富集。

肖文军等[23]认为超滤膜可分离纯化EGCG、EGC等有效成分，通过多级或组合膜工艺能够提高膜功效，这与本研究结果不一致。这一方面可能是由于料液体系成分复杂，各成分间相互作用，各种膜对茶叶功能性成分的分离并不是严格按照各化学成分的分子大小、形状或电荷等特性进行分离；
另一方面可能是由于选择的膜产品的品种、规格不适合本实验膜技术处理要求，今后需系统性地探究膜材、膜孔径及操作技术等对膜分离功效的影响, 并针对具体的茶叶料液体系设计筛选高效膜及其工艺。

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Preparation of Oolong Tea Water Extract by Membrane Separation and Evaluation of Antioxidant Activity

LIN Qingxia1, YANG Junguo2, WANG Lili1, SONG Zhenshuo1, CHEN Lin1*

(1. Tea Research Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou 350013, China; 2. School of Biological Science and Biotechnology, Minnan Normal University,Zhangzhou 363000, Fujian, China)

In order to investigate the effects of different membrane separation processes on product quality, biochemical components and antioxidant activity, the water extract of Oolong tea was separated by ceramic membrane (500 nm) and ultrafiltration membrane (20, 10, 5, 3.5 kD), and tea powder was prepared by spray drying. The quality of tea powder prepared by different membrane separation processes was evaluated through sensory quality and physical properties, and the main biochemical components of tea powder were analyzed and compared. Meanwhile, the antioxidant activity of tea powderwas evaluated by DPPH radical scavenging capacity, the ferric ion reducing antioxidant power (FRAP), hydroxyl radical scavenging capacity and anti- superoxide anion activity. The results showed that the sensory quality and antioxidant activity of ceramic membrane were the highest. The 500 nm ceramic membrane can effectively separate and enrich tea polyphenols (TPs), free amino acids (FAAs), caffeine (CAF), soluble sugar (SPS) and other substances, but also achieve the effect of impurity removal. The water extract of Oolong tea separated by ceramic membrane and then separated by ultrafiltration membrane, TPs, CAF, SPS, catechin components have no separation and enrichment effect. Ultra- filtration membranes with molecular weight less than 10 kDa can effectively separate and enrich free amino acids. The 500 nm ceramic membrane interception solution had the highest SPS content, but the worst sensory quality and the lowest antioxidant activity. Therefore, considering the three factors of quality, efficiency and energy saving, the comprehensive quality of tea powder prepared by 500 nm ceramic membrane through liquid is the best.

Southern Fujian; Oolong; Water extract; Membrane separation; Antioxidant activity

10.11926/jtsb.4514

2021-09-02

2021-11-18

福建省自然科学基金项目(2020J011367)；
福建省属公益类科研院所专项(2019R1029-3, 2022R1029006)；
福建省农业科学院科技创新团队项目(CXTD2021004-2)资助

This work was supported by the Project for Natural Science in Fujian (Grant No. 2020J011367), the Special Project for Public Welfare Research Institutes in Fujian (Grant No. 2019R1029-3, 2022R1029006), and the Project for Science and Technology Innovation Team of Fujian Academy of Agricultural Sciences (Grant No. CXTD2021004-2).

林清霞(1989生)，女，助理研究员，从事茶叶精深加工。E-mail: 735801309@qq.com

. E-mail: chenlin_xy@163.com

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