Немного о способах экстракции биологически активных веществ чая

В 2015 г. в Журнале пищевой науки и технологии был опубликован обзор индийских учёных «Эффективные стратегии экстракции биомолекул чая» (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4444893/ ). Полный текст обзора я прикрепляю к этому посту в формате pdf, а ниже вкратце остановлюсь на некоторых интересных моментах.

Наибольшее значение имеют, естественно, кофеин и катехины. Антиканцерогенный, антигиперлипидемический, антидиабетический и т.д. эффекты катехинов не столь значимы, чтобы использовать их в медицинских целях, особенно с учётом их низкой биодоступности (см. https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_14839 ). Но антиоксидантные свойства катехинов обеспечили им применение в пищевой промышленности. Например, они используются для увеличения срока хранения пищевых продуктов и их компонентов, в частности, эмульсий, свежей баранины и свиных колбас; катехины сохраняют цвет бета-каротина лучше, чем L-аскорбат; маринад с экстрактом зелёного чая способствует снижению образования канцерогенных гетероциклических аминов при жарке мяса; включение экстракта зелёного чая в состав хитозановых плёнок, использующихся для упаковки продуктов, а также в медицине, не только придаёт им антиоксидантную активность, но и улучшает их механические свойства и снижает проницаемость для водяных паров.

Что же касается извлечения кофеина, то интерес в данном контексте представляет не столько сам кофеин, сколько кофе и чай, лишённые кофеина – спрос на них достаточно велик. Кстати, поскольку физические и химические методы удаления кофеина дороги, сложны и зачастую неспецифичны (приходится думать, как удалить кофеин, но оставить в чае катехины и аминокислоты), в последнее время активно разрабатываются микробиологические методы декофеинизации – с помощью микроорганизмов, разлагающих кофеин (см., например, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17009088/ , https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16996632/ ).

Ограниченное применение в качестве модификатора вкуса находит L-теанин, аминокислота, в большом количестве содержащаяся в чайных листьях (как и многие другие аминокислоты, L-теанин имеет вкус умами). Кроме того, L-теанин в дозировке, значительно превышающей количества, которые можно получить при питье чая, продвигается как БАД. Об L-теанине мы писали здесь: https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_13133 .

Время от времени в поле зрения учёных попадают и другие вещества чайного листа – белки (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_17677 ), полисахариды (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_13961 ), сапонины (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_14866 ), стриктинин (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_10863 ), теакрин (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_18380 ) и др., но заметного прикладного значения они пока не имеют.

С какими трудностями сталкиваются технологи? Обычное настаивание чая в горячей воде даёт слишком низкий выход биологически активных веществ. Чтобы повысить эффективность, можно увеличить время экстракции, однако это требует дополнительных расходов, а кроме того, длительное воздействие высокой температуры приводит к разрушению части веществ – так, например, при экстракции при 100°С в течение 2 часов эпигаллокатехингаллат и эпигаллокатехин превращаются в свои изомеры – галлокатехингаллат и галлокатехин, антиоксидантная активность которых ниже. Если же нам нужны не вещества чайного листа в чистом виде, а экстракт чая, имеющий приятный вкус и привлекательный внешний вид (например, если мы хотим использовать его в производстве холодных напитков на основе чая), тогда всё ещё сложнее – длительное нагревание плохо сказывается на сенсорных свойствах экстракта, начинают извлекаться белковые и пектиновые вещества, которые негативно влияют на прозрачность и вкус. Поэтому желательно повысить выход продукта при сравнительно небольшом времени экстракции, в идеале – ещё и при не очень высокой температуре.

Этого можно добиться, используя органические и хлорорганические растворители – этанол, пропилацетат, этилгексаноат, хлороформ и т.д. Но они дороже, многие из них токсичны, работа с ними и их утилизация создаёт дополнительные трудности.

Упрощая по максимуму: с промышленной точки зрения, заваривать чай «по-нормальному» — неэффективно и потому дорого, долго кипятить его – просто дорого, а также невкусно и некрасиво, использовать органические растворители – сложно и поэтому тоже дорого.

Как решить проблему?

Экстракция с использованием ультразвука (UAE) основана на явлении кавитации. Ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости невидимые невооружённым глазом пузырьки, которые по достижении определённого предела лопаются, что обеспечивает механическое воздействие на микроуровне – так действуют, например, ультразвуковые стиральные машинки. Микроповреждение клеточных мембран приводит к увеличению их проницаемости, а следовательно, и к увеличению экстракции, делая достаточно эффективным экстрагирование при низких температурах – 65-85°С.

Экстракция с использованием микроволн (MAE) действует сходным образом, но грубее: прохождение микроволн через биомассу вызывает её резкий нагрев и испарение внутриклеточной воды с разрушением клеточных и внутриклеточных мембран; плюсом является высокая скорость, минусом – высокая температура. При MAE при 200–230°C в течение 2 минут извлекаются не только 60–70% полифенолов, но и 40–50% полисахаридов, а также полиэфир кутин. Интересно, что регулируя длину микроволн, их мощность и продолжительность воздействия, можно влиять на состав экстракта.

Обработка чая под высоким давлением (HPP, можно встретить и другие аббревиатуры: HHPE – экстракция при высоком гидростатическом давлении и UPE – экстракция при сверхвысоком давлении) – сравнительно новая многообещающая технология, экономичная и эффективная. Исследуемый диапазон – от 100 до 600 МПа (примерно от 1000 до 6000 атмосфер). Экстракция при 400 МПа в течение 15 минут даёт такой же выход катехинов и кофеина, как экстракция органическим растворителем в течение 2 часов.

Но это вполне очевидные идеи. А две следующих технологии лично меня впечатлили гораздо больше.

Сверхкритическая флюидная экстракция (SFE) – один из лучших методов декофеинизации. Сверхкритический флюид – состояние вещества при превышении определённых (критических) значений температуры и давления, в котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Плотность у сверхкритических флюидов близка к жидкостям, но вязкость очень низкая, а коэффициент диффузии имеет промежуточное значение между жидкостью и газом. Углекислый газ в состоянии сверхкритического флюида (при температуре выше 30,75°С и давлении выше 7,38 МПа) – отличный растворитель. Причём его растворяющая способность в близкритической области сильно изменяется при небольших изменениях температуры и давления. То есть мы можем провести экстракцию, а потом немного сбросить давление – и извлечённое вещество выпадет из экстракта. Разве это не чудесно?

Субкритическая водная экстракция (SWE) – ещё один вид могущественного научного колдунства. Вода слишком полярна, с этим и связана плохая растворимость в ней многих органических веществ. Но это – при обычном для жидкой воды диапазоне температур. А вот если нагреть воду до 250°С при 50 атмосферах, то она останется жидкой, но её диэлектрическая проницаемость, вязкость и поверхностное натяжение значительно снизятся. По своим физическим свойствам вода станет похожей на метанол или ацетонитрил, и растворимость в ней гидрофобных веществ вырастет на 4-5 порядков. И такой водой хорошо извлекать кофеин из чая.

Приведу несколько примеров оптимизированных методик экстракции, упомянутых в обзоре.

Основные катехины зелёного чая (Jun et al., 2009): 50% этанол, соотношение растворителя и чая 20 мл : 1 г, давление 400 МПа, 15 минут.

Общие полифенолы (Wang et al., 2010): 60% этанол, соотношение растворителя и чая 12 мл : 1 г, 80°С, мощность микроволн 600 Вт, 10 минут.

А вот при нормальном давлении и без микроволн – полифенолы иранского чая (Ziaedini et al., 2010): 20-40 минут при 80°С для ЭГК и ЭК, 80 минут при 90°С для катехина, ЭКГ и ЭГКГ.

Экстракция для производства чайных напитков, обогащенных катехином (Labbé et al., 2008): соотношение воды и зелёного чая 50:1, 30°С, 30 минут, затем отжим и второй этап экстракции при 75°С в течение 40 минут.

Другой вариант (Bazinet et al., 2007): 10 минут при 50°С, отжим, 10 минут при 80°С, повторить трижды (обратите внимание, как много параллелей с медленной варкой чая «в современной манере», которую мы описывали здесь: https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_17907 – и как мало общего с так называемой «варкой по Лу Юю», зрелищной, но дающей неполный и дисгармоничный вкус).

Декофеинизация (Park et al., 2007): сверхкритический флюид углекислого газа, модифицированный 95% этанолом из расчёта 7 г этанола на 100 г углекислого газа, 300 бар, 70°С, 120 минут, с неизбежной значительной потерей ЭГКГ.

У тех любителей чая, кто дочитал до этого места, давным-давно должен был возникнуть вопрос: какое, чёрт побери, отношение всё это имеет к нашей жизни, если мы просто завариваем и пьём чай?!

Вот и у меня возникает точно такой же вопрос, когда чайные горе-маркетологи, случайно узнав про то, что учёные нашли в чайных листьях очередное любопытное вещество, начинают вопить на всю округу о том, что чай сейчас спасёт весь мир от рака, СПИДа, коронавируса и импотенции. Да, это вещество есть в листьях чайного растения. Но мы не едим чайные листья, не завариваем чай хлороформом, не кипятим его по два часа и не обрабатываем его при температуре, как на Венере, и давлении, как на Юпитере!

Как видите, даже для того, чтобы извлечь более-менее полностью катехины и кофеин, приходится прибегать к ухищрениям, о которых и читать-то трудно (правда же?). А многие другие вещества чайного листа, которые привлекают внимание учёных, вообще не попадают в сколько-нибудь заметном количестве в настой при обычном заваривании чая.

Чайный лист – это одно, а настой чая – это другое, и переход из первого во второй для многих веществ не так лёгок, как кажется. Вот почему мне захотелось пересказать этот обзор.