周紹遷
(福建仙洋洋生物科技有限公司,福建寧德 352106)
據(jù)估計,植物每年通過光合作用產(chǎn)生的干物質(zhì)高達(dá)1500~2000億噸,是地球上唯一可超大規(guī)模再生的實物性資源[1]。茶葉是一種全球性飲料,茶葉浸泡后的茶渣中含有大量的蛋白質(zhì)、多肽和微量元素等,除可作為一種新型的非常規(guī)飼料資源外,還可作為新型有機肥、廢水處理劑、活性炭制備原料等。我國是傳統(tǒng)的產(chǎn)茶和茶葉消費大國,據(jù)中國茶葉流通協(xié)會的統(tǒng)計,2018年我國茶葉產(chǎn)量為261.6萬噸,比2017年增加12.0萬噸,預(yù)計2019年產(chǎn)量還將平穩(wěn)上漲。茶葉用于生產(chǎn)與消費所產(chǎn)生的副產(chǎn)物茶渣的產(chǎn)量非常大,據(jù)不完全統(tǒng)計我國僅生產(chǎn)茶飲料的企業(yè)每年產(chǎn)生的茶渣就達(dá)18~20萬噸。面對如此巨量的茶葉加工副產(chǎn)物,作為普通垃圾進(jìn)行填埋必定對環(huán)境造成相當(dāng)大的負(fù)面影響,同時也會造成資源浪費。茶渣的綜合利用勢在必行,這也成為近年來可再生生物質(zhì)研究和發(fā)展的熱門。
茶葉中最重要的活性成分是茶多酚,這是茶葉中多羥基酚類化合物的通稱,具有清除自由基、抗氧化、抗腫瘤、抗突變、抗炎等功效[2]。茶多酚易溶于水和甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等有機溶劑,微溶于脂質(zhì),不溶于苯、氯仿和石油醚。茶多酚具有良好的耐酸性和耐熱性,在pH為2~7時,茶多酚在1 h內(nèi)可以保持穩(wěn)定;在100℃環(huán)境下存放1 h,其活性仍可保持100%。茶多酚的抗氧化效果是VE的4~7倍。此外,茶多酚與蘋果酸、檸檬酸和酒石酸有較好的協(xié)同作用,其中與檸檬酸協(xié)同作用最好,與抗壞血酸、維生素E也有很好的協(xié)同作用。茶飲料工業(yè)產(chǎn)生的茶渣中也存在著未完全提取的殘余茶多酚。茶葉和茶渣中茶多酚的含量分別約占干重的18%~36%和5%~15%,主要包括兒茶素黃烷醇、黃酮醇、酚酸、縮酚酸類及其它多酚類物質(zhì)[2-3]。目前茶葉在飲料工業(yè)中的提取方法,主要有罐式水浸提取、罐式滲漉提取、間歇式逆流提取、槽式連續(xù)逆流提取等,在選擇采用哪種提取方法時,既要追求提取率,同時還要兼顧對風(fēng)味的影響。而對于茶渣,則可采用連續(xù)逆流提取工藝,提取前將茶渣進(jìn)一步粉碎,便可將殘存在茶渣細(xì)胞內(nèi)的多酚較為徹底的提取出來。
茶葉中蛋白質(zhì)含量約占茶葉干物質(zhì)總量的20%~30%,其中絕大多數(shù)是非水溶性蛋白質(zhì),只有1%~2%的蛋白質(zhì)為水溶性蛋白質(zhì)。茶蛋白可分為單純蛋白和結(jié)合蛋白兩大類,單純蛋白中非水溶性主要包含谷蛋白、醇溶蛋白和球蛋白,其所占總蛋白的比例分別為80.05%、13.60%和0.87%[4]。
茶蛋白屬于不含膽固醇的植物蛋白,具有很高的食用價值。茶蛋白中氨基酸組成豐富,其中苯丙氨酸、酪氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、組氨酸的含量都明顯高于FAO/WHO/UNU 1985年的推薦值。按照WHO制定的以雞蛋蛋白所含有的氨基酸比例為參考,茶蛋白的氨基酸評分比牛奶和母乳蛋白質(zhì)的氨基酸評分稍低,高于大豆蛋白質(zhì)的氨基酸評價分?jǐn)?shù)[5]。由于茶葉中水溶性的蛋白含量極低,所以無論是民用茶還是用于工業(yè)提取的粗老茶,蛋白質(zhì)的利用率極低。速溶茶加工與茶葉沏泡,只能利用大約1%的茶葉蛋白。因此人們每天通過飲茶攝取的茶葉蛋白質(zhì)不超過70 mg,其余大量的茶葉蛋白連同茶渣一起被丟棄,造成很大的浪費。因此茶渣中的茶蛋白具有很高的利用價值,亟待二次開發(fā)利用。
茶蛋白在抗氧化、降血脂、抗腫瘤及預(yù)防輻射方面等具有積極的作用,但是有關(guān)茶蛋白的生物功能的機理還有待深入研究。華煒[6]對茶蛋白的降血脂及抗氧化作用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明茶蛋白能提高老齡小鼠紅細(xì)胞中SOD的活力,降低老齡小鼠血漿脂質(zhì)過氧化物丙二醛含量,說明茶蛋白可減輕機體脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、降低生物膜的過氧化程度,減輕機體代謝過程中氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的自由基對機體的損害,從而起到預(yù)防和延緩機體衰老的抗氧化作用。靳偉剛等[7]對茶蛋白的酶解產(chǎn)物進(jìn)行研究,結(jié)果表明茶蛋白的抗氧化作用強;對羥自由基和超氧陰離子自由基的清除率高;抗凝血作用好,3 mg/mL的茶葉蛋白肽溶液的抗凝血作用明顯優(yōu)于抗凝劑檸檬酸鈉;能夠提高機體的免疫力,當(dāng)茶葉蛋白肽的劑量為0.75 g/kg時,可顯著增強機體的非特異性免疫。李春方[8]對富硒茶蛋白的抗腫瘤活性進(jìn)行研究,結(jié)果表明其腫瘤抑制率為61.82%,遠(yuǎn)高于陽性對照環(huán)磷酰胺(CTX)的腫瘤抑制率55.32%。
目前茶蛋白的提取方法主要有堿溶法提取、酶法提取、堿溶酶法復(fù)合提取,此外還有超聲輔助堿溶法提取、擠壓膨化預(yù)處理輔助堿法等。堿溶法提取是目前主流的茶蛋白的提取方法,其原理是茶葉蛋白易溶于稀堿液。堿法提取的優(yōu)點是工藝簡單,效率高,不足點是茶葉中多糖、多酚等化學(xué)成分會一并浸出,同時在堿性條件下,多糖和蛋白發(fā)生美拉德反應(yīng),生成褐色的副產(chǎn)物[9],多酚也會和蛋白結(jié)合,阻礙了茶蛋白質(zhì)的獲得并降低了蛋白質(zhì)的提取率[10],從而改變茶蛋白的營養(yǎng)學(xué)特性。酶法提取茶蛋白的原理有兩種,一種是利用蛋白酶能對茶蛋白進(jìn)行修飾和降解的功能,使茶蛋白部分降解,肽鏈變短,分子量變小。蛋白酶在水解蛋白的同時也能將與蛋白相連的其它物質(zhì)水解,從而提高茶蛋白的溶出率。這種方法主要用到的蛋白酶有復(fù)合蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶和木瓜蛋白酶等。利用蛋白酶的不足之處在于蛋白質(zhì)被降解成多肽,使目標(biāo)蛋白產(chǎn)率降低。另一種是利用纖維素酶和果膠酶等破解茶葉細(xì)胞壁,使細(xì)胞中的蛋白質(zhì)釋放出來。這種方法主要用到蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、復(fù)合多糖酶(Viscozyme L)、堿性果膠酶和堿性纖維素酶。利用纖維素酶的不足之處在于細(xì)胞內(nèi)的其它組分一并釋放出來,不利于后期的分離純化??梢詫⒗w維素酶和蛋白酶結(jié)合使用,此法可以大大提高蛋白的提取率。與堿法提取相比,酶法提取降低了提取過程中的液固比,所需反應(yīng)條件溫和,改善了蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值和功能性質(zhì)[11-12]。
咖啡堿是一種植物生物堿,味道微苦,易溶于氯仿、乙醇等,不溶于苯??Х葔A具備刺激心臟、刺激神經(jīng)及利尿的優(yōu)勢,能夠作為刺激中樞神經(jīng)的藥物,臨床上用于治療神經(jīng)衰弱和昏迷復(fù)蘇[13]??Х葔A作為許多西藥的主要原料,大多源自于人工合成,而許多飲料如可樂、紅牛所使用的咖啡堿則是從茶葉中提取的天然咖啡堿,這是一種獲取咖啡堿的傳統(tǒng)而有效的方法,是我國醫(yī)用咖啡堿的主要來源??Х葔A約占干茶的1%~5%,由于咖啡堿在茶飲料等工業(yè)生產(chǎn)中萃取不夠完全,仍有一定量咖啡堿殘留的茶渣可做特殊用途。
茶多糖是從茶中提取出來的具有多種生物活性且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雜多糖及其復(fù)合物,除了單糖外,還結(jié)合有糖醛酸,綴合有蛋白質(zhì)、無機元素等配體。茶多糖具有降血糖、降血脂及抗動脈粥樣硬化、抗凝血及抗血栓、降血壓、耐缺氧及增加冠狀動脈血流量、增強機體免疫功能、抗癌、抗氧化、防輻射等作用。茶葉原料的不同,構(gòu)成茶多糖的單糖、氨基酸等配體的種類及組成比例均存在較大差別[14]。茶渣中含有較豐富的可溶性多糖,是一種具有重要生理活性物質(zhì)。茶多糖的提取方法主要有水浸提法、超濾法提取、酶法輔助提取、微波輔助提取及超聲波輔助提取,在實際生產(chǎn)加工中仍以水提法為主[15]。茶葉越粗老,多糖含量越高[16],茶飲料企業(yè)所用的原料大多都是中低檔茶,屬于粗老茶,因而此類工業(yè)茶渣中含有較多的茶多糖,若能開發(fā)利用,也為解決茶渣造成的環(huán)境污染問題開辟一個新途徑。
1976年聯(lián)合國糧農(nóng)組織首次提出“非常規(guī)飼料資源”的概念,一般認(rèn)為非常規(guī)飼料資源是指在配方中使用較少,或者是對其營養(yǎng)特點和飼用價值了解較少的飼料原料,主要區(qū)別于常用的糧食和谷物等常規(guī)飼料資源[17]。自然界中的纖維素和木質(zhì)纖維原料就是豐富的非常規(guī)飼料資源,茶渣因富含多種營養(yǎng)物質(zhì)和活性成分,在養(yǎng)殖動物飼料中也有廣泛的應(yīng)用。早在上世紀(jì)八、九十年代,就有研究人員將茶副產(chǎn)品用作飼料進(jìn)行研究。如賴建輝等[18]、李英[19]和陳祥麟[20]的研究發(fā)現(xiàn)在奶牛飼料中添加茶渣,可增加奶牛的采食量和日平均產(chǎn)奶量。在豬飼料中的研究也發(fā)現(xiàn),喂食茶渣飼料的豬肉中次黃嘌呤核苷酸和VE含量較一般豬肉明顯增加,而這兩種成分是決定豬肉口感的重要因素[21]。最近,NASEHI等[22]研究了綠茶廢棄物作為飼料對肥尾羊的采食量、生長性能、消化率、氮保留、瘤胃發(fā)酵、血清代謝物和甲烷排放的影響,結(jié)果表明在肥尾羊的日糧中以20 g/kg的綠茶茶渣替代苜蓿干草可以通過改善肥尾羊的消化率、氮保留和減少甲烷排放,來改善其生長性能。
通過對茶渣中各種活性成分對養(yǎng)殖動物各項指標(biāo)影響的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),茶渣中的許多活性物質(zhì)具有改善肌肉品質(zhì)和體色、促進(jìn)腸道微生態(tài)平衡、提高抗氧化性能和免疫機能的功效。晁婭梅等[23]研究發(fā)現(xiàn),在豬飼料中添加茶多酚,可以顯著增加肥豬的平均日增重和凈增重,并且增加肥豬的抗氧化性能。徐奇友等[24]研究了不同水平茶多酚對虹鱒生長、肉質(zhì)、血漿生化指標(biāo)和免疫指標(biāo)的影響,結(jié)果表明在日糧中添加茶多酚可顯著降低虹鱒魚的粗脂肪含量,提高魚體粗蛋白含量,并且增加了其抗氧化性能。CIMMINO等[25]在山羊幼崽飼料中添加多酚發(fā)現(xiàn),多酚膳食補充劑可以改善山羊幼崽的脂肪酸譜,降低丙二醛含量,對提高山羊幼崽的肉品質(zhì)有著積極影響??偨Y(jié)以上研究結(jié)果可知,在實驗動物的飼料中添加適量茶多酚可以提高實驗動物的生長性能、肌肉品質(zhì)、非特異性免疫等特性。茶渣中尚含有一定量的茶多酚,以茶渣作為飼料可為動物補充茶多酚,而無需額外使用高含量的茶多酚,更為經(jīng)濟(jì)且一舉兩得。另外,茶渣中粗蛋白含量高達(dá)18%以上[26],利用生物酶制劑和益生微生物對茶渣進(jìn)行菌酶協(xié)同發(fā)酵,分解茶渣中較難吸收的物質(zhì),強化茶活性成分,并將非蛋白氮源轉(zhuǎn)化為微生物蛋白源,提高蛋白和小肽含量,使之成為可被動物高效利用的蛋白源,有著非常好的應(yīng)用前景。
茶渣是茶葉深加工副產(chǎn)物,含有約20%左右的蛋白質(zhì)和70%左右的纖維以及少量的絡(luò)合態(tài)色素、礦物質(zhì)等,可以為植物或者大型真菌生長提供所必需的有機碳源和氮源。利用微生物發(fā)酵法將茶渣轉(zhuǎn)化為栽培基質(zhì)或者有機肥用于食用菌培養(yǎng)及其他農(nóng)作物的種植是茶渣高值化利用的另一途徑。楊豆豆等[27]分別以速溶茶加工殘渣和棉籽殼為基質(zhì)培養(yǎng)平菇,檢測分析了兩種不同基質(zhì)培養(yǎng)條件下對三個平菇菌種子實體的蛋白質(zhì)、氨基酸和多糖等營養(yǎng)成分及礦物質(zhì)元素含量的影響,結(jié)果表明,與棉籽殼基質(zhì)相比,利用茶渣作為培養(yǎng)基質(zhì)栽培出來的平菇蛋白質(zhì)含量和氨基酸含量更高,而且,茶渣添加比例越多,平菇子實體的蛋白質(zhì)、氨基酸以及礦物質(zhì)含量的增加幅度也越大。因此,茶渣可很好地應(yīng)用于基質(zhì)栽培領(lǐng)域。選用合適的微生物發(fā)酵菌劑對茶渣進(jìn)行發(fā)酵后,可使茶渣的含水量降低,pH值升高,有機質(zhì)含量降低,可作為無土栽培基質(zhì)使用[28],有望部分或完全取代目前無土栽培中常用的草炭等不可再生基質(zhì)資源。
茶渣作為有機肥料對不同植物的生長影響也有許多報道,研究發(fā)現(xiàn)在黃崗?fù)寥乐?,施用一定量的茶渣有機肥可以顯著提高H60甘藍(lán)的產(chǎn)量,而且茶渣有機肥培育的甘藍(lán),其可溶性糖與VC含量較對照組有明顯的增加。周菁清等[29]用茶渣發(fā)酵有機肥種植油冬菜和玉米,對植物生長的各項指標(biāo)進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn),土壤中添加5%的茶渣發(fā)酵后,兩種植物的單株直徑、株高和生物量都有了顯著提高。目前,土壤中使用的有機肥主要有腐熟豬糞、秸稈等,孫志棟等[30]通過應(yīng)用不同種類的有機無機肥與茶渣有機肥對小菘菜產(chǎn)量的影響做了比較,結(jié)果表明,以茶渣為主要成分的復(fù)合肥作基肥,能改良單株性狀,改善地上部分與地下部分的合理結(jié)構(gòu),無論單株性狀、產(chǎn)量還是經(jīng)濟(jì)效益,與常規(guī)施肥法相比,生產(chǎn)成本相差不多,但經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。另外,來自埃及薩哈農(nóng)業(yè)研究站田間試驗結(jié)果表明,茶渣有機肥的使用顯著增加了甜菜的糖產(chǎn)量和果汁品質(zhì)[31]。生物炭是一種有機土壤改良劑,EDENBORN等[32]的研究顯示,堆肥茶改良的生物炭與純生物炭相比,可以顯著增加土壤微生物活性和功能多樣性,增加了土壤營養(yǎng)和有益微生物,從而最終改善植物生長和對病原體和害蟲的抵抗力。綜上,利用微生物發(fā)酵技術(shù)將茶渣轉(zhuǎn)化為有機肥,不僅對土壤和農(nóng)作物有極大的好處,而且也可將廢棄茶渣高值化利用,符合我國可持續(xù)發(fā)展的要求。
茶渣富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、縮合丹寧,它們因含有羧基、芳香羧基、酚羥基和氧基官能團(tuán)[33],對金屬離子具有較強的物理和化學(xué)吸附作用[34]。CAY等[35]研究表明,茶渣對重金屬離子Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附主要取決于pH、吸附時間,重金屬離子的初始濃度和吸附劑劑量,茶渣可有效地從污水系統(tǒng)中去除Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ),其最大吸附容量可分別達(dá) 8.64±0.51 mg/g和 11.29±0.48 mg/g。AHLUWALIA等[36]發(fā)現(xiàn),茶渣對金屬離子的吸附效果為Pb>Fe>Zn>Ni,吸附率分別為96%、91%、72%和58%,所獲得的含有金屬離子的茶渣可以通過焚燒處理。WASEWAR等[37]研究了pH、吸附劑用量、鋅初始濃度、溫度等各種參數(shù)對吸附性能的影響,結(jié)果表明,低成本的茶渣可以有效地去除溶液中的Zn(Ⅱ),最大吸附容量達(dá)8.9 mg/g。張軍科等[38]考察離子初始濃度、吸附時間及pH對廢棄茶葉渣吸附廢水中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的影響,經(jīng)過條件優(yōu)化,吸附率分別可以達(dá)到72.13%和93.75%。未活化的茶渣對金屬離子的去除率相對較低,可以通過活化來改善。MONDAL等[39]將活性茶渣固定于柱子上,研究了柱子高度、水流速率和初始進(jìn)料濃度對穿透時間和吸附容量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種方法對去除金屬離子有很好的效果,崔曉寧等[40]將茶渣分別經(jīng)酸、堿處理去雜,水洗至中性,再用去離子水洗滌,烘干,粉碎,制成茶纖維,發(fā)現(xiàn)活化的茶渣對Cu(Ⅱ)的最大吸附量達(dá)到16.78 mg/g。YANG等[41]用堿處理茶渣后,形成高度多孔的表面結(jié)構(gòu),能有效地吸附水溶液中的Pb(Ⅱ),25℃時,最大吸附量可達(dá) 64.10 mg/g。ALBADARIN等[42]發(fā)現(xiàn)在酸性條件下,茶渣可吸附鉻Cr(Ⅵ)離子并將其還原為Cr(Ⅲ),最大生物吸附能力可達(dá)5.768 mmol/g,這比其他大多數(shù)低成本生物材料有相對優(yōu)勢。LIU等[43]用硝酸活化茶渣,用于吸收溶液中的Cu(Ⅱ),在pH4.5、45℃條件下,Cu(Ⅱ)的最大吸附量達(dá)59.88 mg/g。此外,茶渣對其它重金屬離子如 As(Ⅲ)、As(V)[44]、Mn(Ⅱ)[45-46]、Ni(Ⅱ)[47]等也有很好的吸附清除效果。
除了在重金屬吸附中的作用,茶渣還可高效去除廢水中的有機污染物如染料等。UDDIN等[48]發(fā)現(xiàn)茶渣可以吸附亞甲藍(lán) (一種陽離子染料),最大吸附量可達(dá)85.16 mg/g,比其他文獻(xiàn)中報道的吸附劑的吸附容量高數(shù)倍。GIAHI等[49]研究發(fā)現(xiàn),不同溫度條件下,茶渣對亞甲藍(lán)的最大吸收容量在 0.328~0.659 mmol/g 之間。INDOLEAN 等[50]發(fā)現(xiàn)未處理的茶渣對水溶液中孔雀石綠 (一種三苯甲烷型的綠色染料)的去除效果可達(dá)89%,經(jīng)過NaOH或H2SO4處理后的茶渣,其孔雀石綠的去除效果可提高到92%和95%。LIU等[51]研究表明,茶渣對亞甲藍(lán)的吸附穩(wěn)定,不會造成二次污染,最優(yōu)條件下,最大吸附量可達(dá)113.1461 mg/g。LIU等[43]將茶渣用硝酸活化后,制成低成本的染料吸附劑,可以直接吸附天藍(lán)5B染料,在pH 6.0、25℃條件下,天藍(lán)色5B染料最大吸附容量為58.27 mg/g。此外,茶渣還可去除核污染廢水中的放射性元素。EROGLU等發(fā)現(xiàn),茶渣可高效吸附廢水中的放射性同位素鈦 Ti-201[52]和 Ga-67[53]。GURUNG 等[54]研究發(fā)現(xiàn),通過濃硫酸處理茶渣,獲得富含酚羥基的生物質(zhì)材料,對Cs(Ⅰ)有較高的選擇吸附能力,可用于含Cs-137廢水的處理。
活性炭是常用的吸附材料,具有使用簡便、環(huán)保、成本低等優(yōu)點,廣泛用于含油污水、染料廢水、含汞廢水處理、氣體過濾、電極材料、溶劑回收、化工脫色、血液凈化等方面。茶渣含有豐富的碳,可作為制備活性炭的良好原料。GUNDOGDU等[55]以茶渣為原料,利用ZnCl2為催化劑制備了活性炭,當(dāng)ZnCl2與茶渣的比例為2:1時,活性炭的孔隙度達(dá)到77.7%,茶渣的表面積由35.2 m2/g增加到1141 m2/g。 GURTEN 等[56]以碳酸鉀(K2CO3)為催化劑,在900℃用茶渣制備活性炭,其最大表面積可達(dá)1722 m2/g。以茶渣為原料制備的活性炭可應(yīng)用于吸附重金屬[57]、吸附化學(xué)染料[58-59]、純化生物柴油[60]、作為超級電容電極材料[61]等。
作為一種來源廣泛、成本低廉的生物質(zhì)資源,將茶渣廢棄物實現(xiàn)高值化利用符合我國可持續(xù)發(fā)展的需求,但目前,國內(nèi)對茶渣的利用程度還很低,對一些茶渣利用技術(shù)也缺乏大規(guī)模推廣。產(chǎn)生大量茶渣的茶飲料行業(yè)對茶渣在節(jié)能減排和提升產(chǎn)業(yè)效益方面的重要性認(rèn)識不足,造成大量的茶渣沒有得到進(jìn)一步的開發(fā)利用。隨著人們環(huán)保意識的增強和各種交叉領(lǐng)域?qū)W科的發(fā)展,茶渣在動物飼料、土壤改良、以及污水處理領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅:玫膽?yīng)用前景。利用生物技術(shù)將茶渣實現(xiàn)大規(guī)模高值化綜合利用,不僅可以為這些行業(yè)提供新的有機綠色原材料來源,而且也可以減少茶渣廢棄物在處理過程中帶來的環(huán)境污染和企業(yè)投入成本,具有顯著的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益。