擠壓膨化對綠茶茶渣中沒食子酸影響實驗研究

王博，周小芬，葉陽，朱宏凱，董春旺，錢園鳳

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所，浙江省茶葉加工工程重點實驗室，浙江杭州310008；2.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院，北京100081，3.浙江省武義縣農(nóng)業(yè)局，浙江武義321200）

擠壓膨化對綠茶茶渣中沒食子酸影響實驗研究

王博1，2，周小芬2，3，葉陽1，*，朱宏凱1，董春旺1，錢園鳳1，2

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所，浙江省茶葉加工工程重點實驗室，浙江杭州310008；2.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院，北京100081，3.浙江省武義縣農(nóng)業(yè)局，浙江武義321200）

利用DS30-III型雙螺桿擠壓膨化機對綠茶茶渣進行擠壓膨化加工，在單因素試驗的基礎上，選取了物料含水量、喂料速度、螺桿轉速、套筒溫度為影響因子，以綠茶茶渣中沒食子酸為響應面值，應用響應面設計方法建立數(shù)學模型，進行響應面分析。結論表明，獲得高沒食子酸含量的最佳工藝參數(shù)為：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺桿轉速60 r/min，套筒溫度60℃。擠壓膨化參數(shù)對沒食子酸含量影響的大小依次為：物料含水量＞螺桿轉速＞套筒溫度＞喂料速度。經(jīng)過最佳擠壓膨化參數(shù)處理的綠茶茶渣中沒食子酸含量為3.57mg/g，與原料相比，沒食子酸含量增加2.69mg/g。

擠壓膨化；綠茶茶渣；沒食子酸

近年來，我國茶飲料、速溶茶和茶多酚等深加工產(chǎn)品的生產(chǎn)量快速遞增，茶飲料位于飲用水和碳酸飲料之后名列各類飲料第三位。2010年，全國速溶茶年產(chǎn)量約0.35萬t，這些茶飲料及速溶茶公司每年產(chǎn)生的茶渣達到16萬t[1]。專家預計，未來幾年國內(nèi)外“茶多酚”需求量將迅速攀升至2 000 t左右，茶多酚大量生產(chǎn)的同時也會帶來大量的茶渣。如何有效的處理茶渣對于生產(chǎn)公司來說是一個十分棘手的問題，部分公司選擇出錢由環(huán)保部門處理，但是大部分茶渣被當做普通垃圾隨意處理，這些茶渣經(jīng)過風吹日曬，散發(fā)出異味，嚴重污染了周邊的環(huán)境。因此，開發(fā)茶渣是使之成為一種新型的具有可利用價值的自愿，不僅可以提高資源利用率，而且可以有效的保護生態(tài)環(huán)境。

沒食子酸（Gallic acid，GA），化學名為3，4，5-三羥基苯甲酸，是植物水解單寧的組成部分，廣泛存在于葡萄，茶葉等植物中，是自然界存在的一種多酚類化合物[2]。在茶葉中，沒食子酸是茶多酚的重要組成單元，常以酯的形式連接在兒茶素的3位羥基上，形成一系列的酯型兒茶素衍生物[3]。已有文獻證明，沒食子酸有顯著的抗氧化活性[4]，并有抗菌、抗炎、抗腫瘤、抗突變等生理活性[5-7]。國內(nèi)已有學者進行了綠茶中沒食子酸提取工藝的研究[8]。

雙螺桿擠壓膨化技術是現(xiàn)代食品工業(yè)中的一項重要技術，其原理是將物料喂入擠壓機中，借助螺桿強制輸送，通過摩擦、剪切和加熱產(chǎn)生高溫、高壓，使物料經(jīng)受擠壓、混煉、剪切、熔融、殺菌和熟化等一系列復雜的連續(xù)化處理，當物料從機筒末端模具中被擠出時，壓力驟然降至常壓，水分急劇汽化而產(chǎn)生巨大的膨脹力，物料瞬間膨化，形成多孔狀的產(chǎn)品[9]。目前還沒有關于擠壓膨化技術對茶渣中多酚類物質影響的文獻報道。因此，本試驗利用雙螺桿擠壓膨化機，選取喂料速度、物料含水量、螺桿轉速和套筒溫度作為自變量，研究分析擠壓膨化參數(shù)對綠茶茶渣中沒食子酸含量的影響，以期提高綠茶茶渣中沒食子酸的含量，進而為從綠茶茶渣中提取、分離、純化沒食子酸提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試樣品為杭州茗寶食品有限公司提供的綠茶茶渣。

1.2 設備與儀器

DS30-III型雙螺桿擠壓膨化機，由驅動單元、組合式機筒、同向雙螺桿、喂料器組成。其中組合式機筒分為4個區(qū)，有3個壓力測試點。加工溫度、螺桿轉速和喂料速度均為無級可調。檢測系統(tǒng)配有溫度、壓力探測器和傳感器，可通過計算機進行全程控制，直接讀取膨化加工過程中的喂料速度、螺桿轉速、壓力和各區(qū)溫度等參數(shù)。設備生產(chǎn)能力最高可達20 kg/h。

FA2104型電子分析天平，精度0.1mg；Waters600高效液相色譜儀：美國Waters公司；SHIMADZU UV-2401 PC紫外分光光度儀：日本SHIMADZU公司；DKS26電熱恒溫水浴鍋：上海精宏試驗設備有限公司。

1.3 工藝流程

茶渣→稱量→粉碎→調節(jié)物料含水量→擠壓膨化→磨碎→沒食子酸含量的測定

1.4 測定方法

沒食子酸含量測定采用Waters高效液相色譜儀，色譜柱：ODS-2HYPERSIL（250×4.6，5μm）；進樣量20μL，流速1ml/min，檢測波長280 nm；流動相A相為乙腈，B相為0.5％甲酸，梯度洗脫方法：0～16min，93.5％A～85％A；16 min～20 min，85％A～75％A；20min～23min，93.5％A。

1.5 試驗方案

1.5.1 單因素實驗

選取物料含水量、喂料速度、螺桿轉速、套筒溫度為考察因素，沒食子酸含量為評價指標進行單因素試驗，探討各因素變化對沒食子酸含量的影響。

1.5.2 響應面法試驗設計

綜合單因素實驗的結果，應用響應面法進行方案設計，以物料含水量（X1）、喂料速度（X2）、螺桿轉速（X3）以及套筒溫度（X4）為自變量，沒食子酸含量（Y）為響應面值，設計4因素5水平試驗對擠壓膨化工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化對沒食子酸含量影響的單因素試驗

2.1.1 物料含水量對沒食子酸含量的影響

在喂料速度為74 r/min，螺桿轉速為120 r/min，套筒溫度為40℃的條件下，考察物料含水量（30％、40％、50％、60％、70％）對沒食子酸含量的影響，試驗結果如圖1所示。

圖1 物料含水量對沒食子酸含量的影響Fig.1 Effect of moisture content of material on content of Gallic acid

由圖1可知，隨著物料含水量的逐漸增加，沒食子酸含量呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢，當物料含水量為60％時，沒食子酸含量達到最大。因此物料含水量選擇60％為宜。

2.1.2 喂料速度對沒食子酸含量的影響

在物料含水量為50％，螺桿轉速為120 r/min，套筒溫度為40℃的條件下，考察喂料速度（42、58、74、90、106 r/min）對沒食子酸含量的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 喂料速度對沒食子酸含量的影響Fig.2 Effect of Feeding speed on content of Gallic acid

由圖2可知，隨著喂料速度的增大，沒食子酸含量也呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，當喂料速度為74 r/min時，沒食子酸含量達到最大。因此喂料速度選擇74 r/min為宜。

2.1.3 螺桿轉速對沒食子酸含量的影響

在物料含水量為50％，喂料速度為74 r/min，套筒溫度為40℃的條件下，考察螺桿轉速（60、90、120、150、180 r/min）對沒食子酸含量的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 螺桿轉速對沒食子酸含量的影響Fig.3 Effect of rotational speed of screw on content of Gallic acid

由圖3可知，在試驗因素選擇范圍以內(nèi)，隨著螺桿轉速的增大，沒食子酸含量呈現(xiàn)出現(xiàn)上升后下降再上升的趨勢，而在螺桿轉速為90 r/min時，沒食子酸含量達到最大。因此螺桿轉速選擇90 r/min為宜。

2.1.4 套筒溫度對沒食子酸含量的影響

在物料含水量為50％，喂料速度為74 r/min，螺桿轉速為120 r/min的條件下，考察套筒溫度（20、30、40、50、60℃）對沒食子酸含量的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 套筒溫度對沒食子酸含量的影響Fig.4 Effect of temperature of barrel on content of content of Gallic acid

由圖4可知，在試驗因素選擇范圍以內(nèi)，隨著套筒溫度的增加，沒食子酸含量呈現(xiàn)出現(xiàn)下降后上升再下降的趨勢，而在套筒溫度為50℃時，沒食子酸含量達到最大。因此，套筒溫度選擇50℃為宜。

2.2 擠壓膨化工藝參數(shù)優(yōu)化試驗

2.2.1 優(yōu)化試驗方案

響應面試驗設計因素水平編碼表見表1，響應面試驗設計方案及結果見表2。

表1 因素水平編碼表Table1 Encode table of factors and levels

表2 試驗方案及結果Table2 Experimental plan and results

2.2.2 回歸模型的建立

以物料含水量（X1）、喂料速度（X2）、螺桿轉速（X3）、套筒溫度（X4）為參數(shù)，采用響應面分析法，研究不同擠壓膨化參數(shù)條件對游離氨基酸總量（Y）的影響規(guī)律。具體試驗結果見表2?；貧w方程的偏回歸系數(shù)檢驗和方差分析見表3和表4。

回歸方程為：

表3 響應面試驗偏回歸系數(shù)顯著性測驗的結果Table 3 Significance analysis of partial regression coefficient of response surface experiment

表4 響應面試驗方差分析Table4 Variance analysis of response surface experiment

由表3方程的偏回歸系數(shù)檢驗分析結果可知：從一次項看，物料含水量（X1）的一次項、套筒溫度（X4）的一次項和沒食子酸含量呈正相關，喂料速度（X2）的一次項、螺桿轉速（X3）的一次項和沒食子酸含量呈負相關，其中物料含水量（X1）的一次項、螺桿轉速（X3）的一次項、套筒溫度（X4）的一次項影響顯著。從二次項看，物料含水量（X1）的二次項、喂料速度（X2）的二次項、螺桿轉速（X3）的二次項、套筒溫度（X4）的二次項和沒食子酸含量呈正相關，其中物料含水量（X1）的二次項、套筒溫度（X4）的二次項影響顯著。從交互項看，物料含水量（X1）與螺桿轉速（X3）的交互項、喂料速度（X2）與套筒溫度（X4）的交互項和沒食子酸含量呈正相關，物料含水量（X1）與喂料速度（X2）的交互項、物料含水量（X1）與套筒溫度（X4）的交互項、喂料速度（X2）與螺桿轉速（X3）的交互項、螺桿轉速（X3）與套筒溫度（X4）的交互項和沒食子酸含量呈負相關；其中螺桿轉速（X3）與套筒溫度（X4）的交互項影響顯著。

由表4響應面試驗方差分析可知，F(xiàn)失擬=1.11＜F0.05（10，11）=2.85，說明回歸方程擬合的較好，又因為F回歸= 112.44＞F0.05（14，21）=2.20，說明方程在0.05水平是顯著的，即試驗數(shù)據(jù)與所采用的二次數(shù)學模型基本相符。

2.2.3 擠壓膨化參數(shù)對沒食子酸含量的影響分析

通過表3方程的偏回歸系數(shù)檢驗分析可得出各擠壓參數(shù)對沒食子酸含量影響由大到小依次為：物料含水量＞螺桿轉速＞套筒溫度＞喂料速度。接下來具體分析各因素對游離氨基酸總量的影響，根據(jù)所建立的回歸模型，將3個擠壓膨化參數(shù)分別固定于-1，0，1水平，代入方程中，即可求得關于沒食子酸含量的單因素方程，根據(jù)單因素方程作圖，見圖5～圖8。同時做關于沒食子酸含量的雙因素交互作用圖，見圖9。

圖5 物料含水量和沒食子酸含量之間的關系Fig．5 The relationship between content of Gallic acid and the moisture content of material

圖6 喂料速度和沒食子酸含量之間的關系Fig．6 The relationship between content of Gallic acid and feeding speed

圖7 螺桿轉速和沒食子酸含量之間的關系Fig．7 The relationship between content of Gallic acid and rotational speed of screw

圖8 套筒溫度和沒食子酸含量之間的關系Fig．8 The relationship between content of Gallic acid and temperature of barrel

圖9 雙因素交互作用對沒食子酸含量的影響Fig．9 The influence of two-factor interactions on content of Gallic acid

2.2.3.1 物料含水量對沒食子酸含量的影響

物料含水量對沒食子酸含量影響的單因素方程如下：

由圖5和雙因素圖9.1、9.2、9.3可知，沒食子酸含量隨物料含水量增加而增大，這可能是在擠壓膨化過程中，物料含水量的提高有助于酯型兒茶素和其他含有沒食子?；幕衔锏乃猓瑥亩箾]食子酸含量增加。

2.2.3.2 喂料速度對沒食子酸含量的影響

喂料速度對沒食子酸含量影響的單因素方程如下：

由圖6和雙因素圖9.1、9.4、9.5，可以看出，隨著喂料速度的增加，沒食子酸含基本保持不變。原因主要是在本研究所考察的因素范圍內(nèi)，喂料速度對沒食子酸含量的影響并不顯著，導致在不同的喂料速度條件下，沒食子酸含量變化不顯著，這與方差分析的結果一致。

2.2.3.3 螺桿轉速對沒食子酸含量的影響

螺桿轉速對沒食子酸含量影響的單因素方程如下：

由圖7和雙因素圖9.2、9.4、9.6，可以看出，隨著螺桿轉速的增加，沒食子酸含量呈現(xiàn)出下降的趨勢，原因可能是：隨著螺桿轉速的增加，綠茶茶渣在機筒內(nèi)停留時間隨之而減少，在機筒內(nèi)所受的加溫、剪切等作用也隨之而減弱，不利于酯型兒茶素和其他含有沒食子?；幕衔锏乃猓瑳]食子酸含量隨之而減少。

2.2.3.4 套筒溫度對沒食子酸含量的影響

套筒溫度對沒食子酸含量影響的單因素方程如下：

由圖8和雙因素圖9.3、9.5、9.6，可以看出，隨著套筒溫度的增加，沒食子酸含量呈現(xiàn)出上升的趨勢，原因可能是：隨著溫度的增加，綠茶茶渣中水解酶的活性逐漸增大，加速了酯型兒茶素和其他含有沒食子酰基的化合物的水解，從而使沒食子酸含量增加。

2.2.4 擠壓膨化參數(shù)的優(yōu)化

采用design-expert軟件包的optimization choices工具箱對回歸方程求導，求解所得方程組，可得到模型極值點坐標，即在X1、X2、X3、X4因素水平編碼分別為2，-2，-2，2處，沒食子酸含量得到了最大值。通過換算可知，獲得高沒食子酸含量的綠茶茶渣的最佳擠壓膨化參數(shù)為：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺桿轉速60 r/min，套筒溫度60℃。此時，得到?jīng)]食子酸含量的理論最大值為3.74mg/g。

2.2.5 驗證試驗

用獲得高沒食子酸含量的綠茶茶渣的最佳擠壓膨化參數(shù)：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺桿轉速60 r/min，套筒溫度60℃進行三次擠壓膨化試驗，分別測定所得樣品的沒食子酸含量，得到三次擠壓膨化試驗樣品的沒食子酸含量平均值為3.57mg/g。理論的沒食子酸含量為3.74mg/g，二者的相對誤差為4.76％，在允許的范圍內(nèi)，說明模型擬合度較高，預測準確。

2.2.6 擠壓膨化前后沒食子酸含量對比分析

取擠壓膨化前的茶渣樣品進行沒食子酸含量的測定，經(jīng)過三次測定后，測得的平均值為0.88mg/g。由驗證試驗的結果可知，采用最優(yōu)的擠壓膨化參數(shù)進行處理，獲得沒食子酸含量為3.57mg/g，為擠壓膨化前樣品的4.06倍。原因主要是：綠茶茶渣在機筒內(nèi)受到高溫剪切作用，使酯型兒茶素和其他含有沒食子?；幕衔锎罅克?，從而使沒食子酸含量增高。經(jīng)過一定的擠壓膨化作用之后，綠茶茶渣中沒食子酸含量有了很大提高，增加了其作為沒食子酸提取原料的價值。

3 結論

通過單因素試驗設計，以及在此基礎上用designexpert軟件包進行四因素五水平響應面法試驗設計，建立響應值與各因素之間的數(shù)學模型，依此模型可以預測理論沒食子酸含量，得到擠壓膨化參數(shù)對沒食子酸含量影響的大小依次為物料含水量＞螺桿轉速＞套筒度＞喂料速度。

采用design-expert軟件包的optimization choices工具箱對二次回歸模型進行優(yōu)化，得到綠茶茶渣通過擠壓膨化作用后，獲得高沒食子酸含量的最佳工藝參數(shù)為：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺桿轉速60 r/min，套筒溫度60℃。在此條件下得到?jīng)]食子酸含量的理論值為3.74mg/g。通過驗證試驗測得實際沒食子酸含量為3.57mg/g，與理論分析結果的相對誤差為4.76％，表明回歸方程結果可信。

擠壓膨化前后的綠茶茶渣沒食子酸含量的對比分析表明，經(jīng)過最佳擠壓膨化參數(shù)處理后綠茶茶渣中沒食子酸含量為擠壓膨化前原料中沒食子酸含量的4.06倍，增進了綠茶茶渣作為沒食子酸提取原料的價值。其機理可能是：綠茶茶渣在機筒內(nèi)受到高溫剪切作用，使酯型兒茶素和其他含有沒食子?；幕衔锎罅克猓瑥亩箾]食子酸含量增高。

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Experimental Research of Influence of Extrusion Parameters on Crude Fiber in the Green Tea Leaves

WANG Bo1，2，ZHOU Xiao-feng2，3，YE Yang1，*，ZHU Hong-kai1，DONG Chun-wang1，QIAN Yuan-feng1，2
（1.Tea Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Tea Processing Engineering of Zhejiang Province，Hangzhou 310008，Zhejiang，China；2.Graduate SchoolofChinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100081，China；3.Agriculture Department of Wuyi，Wuyi321200，Zhejiang，China）

Researcher extruded green tea-leaves with DS30-III twin-screw extruder.According to single factor investigation，the mathematical models with the content of Gallic acid as the responses to moisture content of material，feeding speed，rotational speed of screw and temperature of barrel were established by using response surface design.It was followed by response surface analysis.The results showed that the optimal extrusion parameters of high content of Gallic acid in green tea-leaves were that moisture content of material was 70％，feeding speed rotational was 58 r/min，speed of screw was 60 r/min and temperature of barrel was 60℃.The significance of parameters on the content of Gallic acid in green tea-leaves was decreased according to the ranking of moisture content of material＞rotational speed of screw＞temperature of barrel＞feeding speed.The content of Gallic acid in the tea-leaves that is dealt with optimal extrusion parameters was 3.57mg/g，compared with the raw materials before extrusion；the content of Gallic acid had a increase of 2.69mg/g.

extrusion；green tea-leaves；crude fiber

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.04.003

2013-09-12

浙江省重大科技專項重點農(nóng)業(yè)項目（2009C12029）

王博（1986—），男（蒙古），在讀碩士，研究方向：茶葉加工與質量控制。

*通信作者：葉陽（1962—），男（漢），研究員，研究生，研究方向：茶葉加工與質量控制。