三種茶渣擠壓改性及水合特性研究

黃夢姣,劉 寧,孫玉姣,陳雪峰

(陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,陜西西安 710021)

我國茶葉產(chǎn)量位居世界第一,年產(chǎn)干毛茶227.8萬t,其中中低檔茶葉產(chǎn)量占總產(chǎn)量的55%。中低檔茶葉的消耗以飲用初級大宗散裝的原料茶為主,以茶葉提取茶多酚和茶多糖等深加工為輔。提取茶多酚、茶多糖[1-2]等活性成分的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的茶渣[3],若能利用茶渣制備成高附加值產(chǎn)品,不僅可以帶來經(jīng)濟(jì)效益,還能改善因茶渣舍棄而造成的環(huán)境污染問題。茶葉加工的副產(chǎn)品茶渣中含有大量的膳食纖維[4],約占茶渣的70%。膳食纖維分為不可溶性膳食纖維(IDF)和可溶性膳食纖維(SDF),其中可溶性膳食纖維中水溶性多糖(WSP)具有增強(qiáng)免疫力、抗氧化、降血糖、抗輻射、抗血凝、抗血栓等功效[5-6],是一種極具應(yīng)用和開發(fā)前景的天然產(chǎn)物。

膳食纖維易吸水膨脹,增加腸道內(nèi)的壓力,引起排便反應(yīng),可縮短糞便在腸道中的停留時(shí)間,WSP含量越多的膳食纖維其品質(zhì)越高,但茶渣中WSP的含量極少,采用擠壓改性技術(shù)[7-8],能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)部分大分子聚合物直接或間接轉(zhuǎn)化為SDF[9],從而增加WSP的含量,提高膳食纖維的品質(zhì)。擠壓技術(shù)成本低,效率高,保留熱敏物營養(yǎng)成分,安全快速環(huán)保[10]。本實(shí)驗(yàn)擬采用單螺桿擠壓技術(shù)對茶渣進(jìn)行改性處理,旨在提供一種較優(yōu)的擠壓工藝條件,提高膳食纖維品質(zhì),增加茶葉附加值,實(shí)現(xiàn)茶渣高值利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低端綠茶、紅茶和普洱茶 云南省騰沖縣高黎貢山生態(tài)茶業(yè)有限責(zé)任公司提供;無水乙醇、丙酮、乙醚、苯酚、濃硫酸、三氯甲烷、正丁醇 均為分析純,天津市天力化學(xué)試劑有限公司;D101樹脂 西安藍(lán)曉科技新材料股份有限公司。

7用自熟多功能食品膨化機(jī) 溫嶺市犬溪東海機(jī)械;H-1850R高速低溫離心機(jī) 長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;HT-8862紅外測溫儀 廣州市宏誠集業(yè)電子科技有限公司;UV-1100紫外-可見分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司;FD-1D-50冷凍干燥機(jī) 上海比朗儀器制造有限公司;101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司;BSA224S-CW電子分析天平 德國Sartorius公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市宏華儀器廠;FW100高速萬能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;Phenom pro臺(tái)式掃描電子顯微鏡 飛納科學(xué)儀器(上海)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 綠茶、紅茶和普洱茶茶渣的制備 參考焦自明等[11]方法略作修改。分別將綠茶、紅茶和普洱茶在溫度70 ℃、時(shí)間60 min,料液比為1∶25 (w/w)、超聲功率175 W的條件下用水提取茶多酚和茶多糖后,再經(jīng)過濾、60 ℃烘干、過20目篩,得到三種茶渣。

1.2.2 擠壓改性單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對茶渣擠壓改性效果的影響 以茶渣WSP含量為考察指標(biāo),在綠茶渣、紅茶渣含水量為36%,普洱茶渣含水量為44%,物料粒度20目,擠壓溫度為(120±3) ℃,螺桿轉(zhuǎn)速分別為360、450、540、630、720 r/min的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2.2 含水量對茶渣擠壓改性效果的影響 以茶渣WSP含量為考察指標(biāo),在物料粒度20目,擠壓溫度為(120±3) ℃,螺桿轉(zhuǎn)速(綠茶渣、紅茶渣為630 r/min,普洱茶渣為540 r/min),不同含水量(綠茶渣、紅茶渣為26%、28%、32%、36%、40%,普洱茶渣為36%、40%、44%、48%、52%)的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2.3 物料粒度對茶渣擠壓改性效果的影響 以茶渣WSP含量為考察指標(biāo),在含水量(綠茶渣、紅茶渣為28%,普洱茶渣為40%),螺桿轉(zhuǎn)速(綠茶渣、紅茶渣為630 r/min,普洱茶渣為540 r/min),擠壓溫度為(120±3) ℃,物料粒度分別為10、20、30、40、50目的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪、總膳食纖維含量測定 水分測定:GB5009.3-2016;灰分測定:GB5009.4-2016;蛋白質(zhì)測定:GB5009.5-2016;脂肪測定:GB5009.6-2016;總膳食纖維測定:GBT 5009.88-2014。

1.2.4 水溶性多糖(WSP)含量測定 準(zhǔn)確稱取2 g擠壓茶渣加入50 mL水,70 ℃水浴中提取60 min,過濾,留存濾液。濾液濃縮后加4倍體積95%乙醇,4 ℃下醇沉24 h,在6000 r/min離心10 min。所得沉淀物分別用丙酮、乙醚交替洗滌3次,V丙酮或乙醚∶V沉淀物=1∶1。將脫脂后沉淀物用適當(dāng)體積的去離子水溶解,與Sevage試劑(V三氯甲烷∶V正丁醇=4∶1)以1∶1混合,劇烈振搖,在6000 r/min離心10 min,脫蛋白反復(fù)3次以去除游離的蛋白質(zhì)。上清液加入預(yù)處理好的D101樹脂進(jìn)行脫色,V樹脂∶V上清液=1∶1,30 ℃恒溫振搖12 h,振搖頻率160 r/min。將脫色的樣品裝入截留分子量為8～14 kDa的透析袋中,蒸餾水透析3 d,過濾,留存濾液。濾液濃縮,凍干,得水溶性多糖[5,11]。

式(1)

1.2.5 出料率測定 稱量擠壓前后物料干基重量,按下式計(jì)算。

式(2)

1.2.6 水合特性測定

1.2.6.1 水溶性 準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品,置于100 mL三角瓶中,加入50 mL的蒸餾水,在連續(xù)攪拌下90 ℃水浴30 min,水浴結(jié)束后,3000 r/min條件下離心15 min,上清液105 ℃烘干至恒重,稱量殘?jiān)|(zhì)量[5]。

式(3)

1.2.6.2 持水力(WHC) 準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品于15 mL離心管中,加入10 mL蒸餾水,振蕩搖勻,37 ℃下靜置1 h,3500 r/min下離心10 min,棄去上清液。殘留水分用濾紙吸干,稱重[12]。

式(4)

式中,M0為樣品質(zhì)量(g);M1為樣品處理恒重后的質(zhì)量(g)。

1.2.6.3 膨脹力(SC) 準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品于15 mL帶刻度的具塞試管中,加入10 mL蒸餾水,室溫下放置過夜,觀察樣品在試管中自由膨脹體積[13]。

式(5)

式中,M為樣品質(zhì)量(g);V為樣品自由膨脹后的體積(mL)。

1.2.7 掃描電子顯微鏡(SEM) 分別將三種茶渣擠壓前后的樣品粉碎過100目篩,均勻鋪于導(dǎo)電膠上,進(jìn)行CO2吹氣,對樣品進(jìn)行平均電流7 mA、時(shí)長20 s噴金處理2次。利用掃描電鏡對樣品進(jìn)行觀察和拍照。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析 每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)平行,采用Origin 8.0軟件作圖和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對茶渣擠壓改性效果的影響

考察螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓效果的影響,結(jié)果如圖1所示,綠茶渣、紅茶渣、普洱茶渣的WSP含量隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。其中,當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為630 r/min時(shí),綠茶渣、紅茶渣的WSP含量最高;當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為540 r/min時(shí),普洱茶渣的WSP含量最高。這可能是因?yàn)楫?dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過低時(shí),物料受到的剪切力較小,物料不能夠得到充分的擠壓和剪切,使得纖維高聚物糖苷鍵斷裂,從而導(dǎo)致茶渣中WSP含量較低;當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速適中時(shí),茶渣在機(jī)筒中停留時(shí)間增加,使物料充分得到剪切、摩擦及高溫作用,有更多纖維分子的化學(xué)鍵斷裂,分子的極性發(fā)生變化,增大了膳食纖維的親水性,使得不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為水溶性多糖[14],提高了WSP含量;但轉(zhuǎn)速過大后,物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間變短,不能夠得到充分的擠壓和剪切使得纖維高聚物糖苷鍵斷裂,因而WSP含量逐漸減少。因此,綠茶渣、紅茶渣擠壓改性適宜的螺桿轉(zhuǎn)速為630 r/min,普洱茶渣擠壓改性適宜的螺桿轉(zhuǎn)速為540 r/min。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓改性茶渣中WSP含量的影響Fig.1 Effect of screw speed on WSP content in tea residue modified by extrusion

2.2 含水量對茶渣擠壓改性效果的影響

物料含水量是影響擠壓改性效果的重要因素之一。含水量對擠壓效果影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,因三種茶葉的質(zhì)地不同,故含水量實(shí)驗(yàn)有不同的范圍。三種茶渣WSP含量隨物料含水量的增加而呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。當(dāng)綠茶渣、紅茶渣含水量在24%,普洱茶渣含水量在32%時(shí),物料太干,已焦化,導(dǎo)致機(jī)器堵塞,實(shí)驗(yàn)失敗;當(dāng)綠茶渣、紅茶渣含水量在26%,普洱茶渣含水量在36%時(shí),物料較干,物料間摩擦力大,但物料并未充分與套筒和螺桿接觸,剪切力不足,在機(jī)器擠壓力的作用下擠出物料,出料較困難;當(dāng)綠茶渣、紅茶渣含水量在28%,普洱茶渣含水量在40%時(shí),物料濕潤度正好使物料與套筒和螺桿充分接觸,擠壓效果較好,三種茶渣WSP的含量都達(dá)到最高;當(dāng)綠茶渣、紅茶渣含水量大于32%,普洱茶渣含水量大于44%時(shí),物料濕潤度越大,雖便于運(yùn)輸,但所受到的剪切力、壓力和摩擦力越小,使物料WSP含量急劇降低。

圖2 含水量對擠壓改性茶渣中WSP含量的影響Fig.2 Effect of water content on WSP content in tea residue modified by extrusion

由數(shù)據(jù)分析可知,三種物料含水量越高,物料越濕潤,所受到的剪切力和摩擦力越小,物料WSP含量越低;這是因?yàn)槲锪虾吭降?機(jī)腔內(nèi)剪切力越大,纖維高聚物易發(fā)生斷裂,擠壓效果越好[15],WSP含量越高。但物料含水量過低則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器堵塞,物料焦化,難以出料。因此,綠茶、紅茶渣擠壓改性適宜的含水量為28%,普洱茶渣擠壓改性適宜的含水量為40%。

2.3 物料粒度對茶渣擠壓改性效果的影響

前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:物料太粗,會(huì)導(dǎo)致機(jī)器堵塞,易損壞機(jī)器;物料過細(xì),擠壓機(jī)對物料未起到剪切作用,擠壓時(shí)物料還會(huì)直接隨著氣化的水蒸汽噴出,并未達(dá)到擠壓的效果,且得不到擠壓后的產(chǎn)品。故實(shí)驗(yàn)研究顆粒大小為10～50目茶渣的擠壓效果。

考察物料粒度對擠壓效果的影響,結(jié)果如圖3所示。三種物料粒度均為10目時(shí),受到的摩擦力、剪切力較大,但由于物料顆粒度過大,使物料不能夠充分?jǐn)D壓,且容易導(dǎo)致機(jī)器堵塞,物料焦化;隨著物料目數(shù)的增加,當(dāng)三種物料粒度均為20目時(shí),擠壓改性茶渣中WSP含量最高。其原因可能是物料顆粒適中,使物料充分與螺桿和套筒接觸,得到了充分的剪切、摩擦和高溫作用,有更多纖維分子的化學(xué)鍵斷裂,分子的極性發(fā)生變化,增大了膳食纖維的親水性[14],使得不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化為水溶性多糖,提高了WSP含量;三種物料粒度大于20目時(shí),隨著物料目數(shù)的逐漸增加,WSP含量明顯降低最終趨于穩(wěn)定,這可能是因?yàn)槲锪项w粒度逐漸減小,物料在機(jī)筒內(nèi)所受到的摩擦力、剪切力也隨之減小,物料不能夠得到充分的擠壓和剪切[16],故茶渣中WSP含量逐漸減小。因此,綠茶、紅茶、普洱茶渣擠壓改性適宜的物料粒度均為20目。

圖3 物料粒度對擠壓改性茶渣中WSP含量的影響Fig.3 Effect of particle size on WSP content in tea residue modified by extrusion

綜合以上數(shù)據(jù)可得,綠茶、紅茶渣選取的擠壓工藝為:轉(zhuǎn)速630 r/min,含水量28%(w/w),粒度20目;普洱茶渣選取的擠壓工藝為:轉(zhuǎn)速540 r/min,含水量40%(w/w),粒度20目。在較佳工藝條件下,綠茶、紅茶、普洱茶渣擠壓出料率分別為85%、82%、43%。

2.4 擠壓對茶渣基本成分的影響

擠壓前后茶渣基本成分如表1所示。由表1可以看出,三種茶渣的灰分、蛋白質(zhì)、脂肪、總膳食纖維含量在擠壓前后沒有顯著變化(p>0.05),WSP含量在擠壓后與擠壓前對比差異顯著(p<0.05)。其中,綠茶渣經(jīng)一次擠壓處理,WSP含量增加了2.62倍;紅茶渣經(jīng)一次擠壓處理,WSP含量增加了9.56倍;普洱茶渣經(jīng)一次擠壓處理WSP含量增加了35.20倍;三種茶渣二次擠壓處理后,綠茶、紅茶、普洱茶渣WSP含量分別增加到5.33%、4.63%、5.12%。由此可知,擠壓改性處理是在不影響其他營養(yǎng)成分的前提下使WSP含量大幅提高的一種物理方法。

表1 擠壓前后茶渣基本成分Table 1 The basic ingredients of tea residue before and after squeezing

2.5 改性茶渣的水合特性

2.5.1 擠壓對改性茶渣水溶性的影響 茶渣水溶性改善是由于茶渣中不可溶的纖維被擠壓產(chǎn)生的剪切力轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄岳w維,提高了水溶性。同時(shí),擠壓過程中的高溫使茶渣中殘存蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,削弱了蛋白質(zhì)之間的疏水作用,從而提高了茶渣的水溶性[5]。擠壓對三種茶渣水溶性的影響如圖4所示。由圖4可知,三種茶渣的水溶性均隨擠壓次數(shù)的增加而增加。綠茶渣的水溶性最好,且水溶性隨擠壓次數(shù)的增加而顯著增加(p<0.05),二次擠壓較未擠壓的綠茶渣水溶性提高了7.41%;紅茶渣的水溶性次之,其水溶性隨擠壓次數(shù)的增加而顯著增加(p<0.05),二次擠壓較未擠壓的紅茶渣水溶性提高了64.71%;普洱茶渣的水溶性略低于前兩種茶渣,但隨擠壓次數(shù)的增加,其水溶性也顯著增加(p<0.05),二次擠壓較未擠壓的普洱茶渣水溶性提高了86.21%。

圖4 擠壓對改性茶渣水溶性的影響Fig.4 Effect of extrusions on water solubility of modified tea residue注:同一種茶渣標(biāo)有不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.5.2 擠壓對改性茶渣持水力的影響 擠壓對三種茶渣持水力的影響如圖5所示。由圖5可知,紅茶渣的持水力隨擠壓次數(shù)的增加而顯著(p<0.05)增加,二次擠壓較未擠壓的紅茶渣持水力提高了16.67%,而綠茶渣和普洱茶渣的持水力隨擠壓次數(shù)的增加而下降,但下降幅度不大,差異性不顯著(p>0.05)。其原因可能是擠壓所產(chǎn)生的剪切力和壓力會(huì)使纖維斷裂,增加與水的接觸面積,吸附能力增強(qiáng),結(jié)構(gòu)疏松,持水力增加[17];但是不可溶的纖維斷裂會(huì)向可溶性纖維轉(zhuǎn)化,隨擠壓次數(shù)增加,溶于水中的WSP也隨之增加,導(dǎo)致茶渣的總量發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致持水力的下降。實(shí)驗(yàn)中綠茶渣和普洱茶渣的持水力本應(yīng)增加,但由于二次擠壓后WSP的增幅較大,使其持水力略有較低。當(dāng)然三種茶渣表現(xiàn)出不同的持水能力也與其本身質(zhì)地有一定的關(guān)系。

圖5 擠壓對改性茶渣持水力的影響Fig.5 Effect of extrusions on water holding capacity of modified tea residue

2.5.3 擠壓對改性茶渣膨脹力的影響 擠壓對三種茶渣膨脹力的影響如圖6所示。由圖6可知,綠茶渣、紅茶渣的膨脹力隨擠壓次數(shù)的增加而顯著(p<0.05)增加,二次擠壓改性后綠茶渣和紅茶渣的膨脹力分別提高了17.86%、52.35%,普洱茶渣的膨脹力隨擠壓次數(shù)的增加而降低,但變化不顯著(p>0.05)。膨脹力增加的原因可能是擠壓工藝使纖維高聚物連接鍵斷裂,增加了物料的表面積,從而提高了物料的膨脹力,因普洱茶是后發(fā)酵的茶葉,擠壓后物料的顆粒度變得更加細(xì)小,堆密度更大,使得膨脹力下降[8];另一部分原因是普洱茶水溶性提高了86.21%,幅度最大,導(dǎo)致茶渣的總量減少最多,因而使得膨脹力下降。

圖6 擠壓對改性茶渣膨脹力的影響Fig.6 Effect of extrusions on swelling capacity of modified tea residue

三種茶渣表現(xiàn)出不同的水合特性,與其茶葉的制備方法有關(guān),綠茶是未發(fā)酵而制成的茶葉,紅茶是經(jīng)半發(fā)酵而制成的茶葉,普洱茶是經(jīng)后發(fā)酵而制成的茶葉,制備方法不同導(dǎo)致茶葉的質(zhì)地不同,進(jìn)而導(dǎo)致茶渣的質(zhì)地不同,最終使得擠壓改性后三種茶渣的水合特性也有所差別。分析三種茶渣的水和特性可知,紅茶渣更有利于擠壓改性。

2.6 SEM分析

三種茶渣擠壓改性前后的SEM照片如圖7所示。

圖7 三種茶渣擠壓改性前后的SEM照片(2000×)Fig.7 SEM photographs of three kinds of raw and processed tea residue dietary fiber(2000×)

由圖7可看出,未經(jīng)擠壓改性處理的茶渣表面較光滑、均勻、平整,而經(jīng)一次擠壓改性處理的茶渣表面有更多不規(guī)則的褶皺和小洞,變得疏松多孔,使其表面積增大在擠壓過程中,茶渣受到螺桿的剪切作用,與機(jī)筒的摩擦作用以及在擠壓機(jī)出口又受到了壓力,這些作用導(dǎo)致了茶渣的表觀性質(zhì)發(fā)生了變化,結(jié)構(gòu)的改變也是擠壓改性處理能夠提高WSP含量的原因之一[18]。Gao等研究了擠壓前后胡蘿卜渣中可溶性膳食纖維的表面微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,未擠壓的樣品表面結(jié)構(gòu)完整,擠壓后的樣品表面被破壞并充滿空洞[19],與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果趨勢一致。

3 結(jié)論

本文采用單因素實(shí)驗(yàn),研究出擠壓改性處理制備高品質(zhì)茶渣的優(yōu)化工藝。其中,綠茶渣、紅茶渣適宜的擠壓改性條件為:螺桿轉(zhuǎn)速630 r/min,含水量28%(w/w),粒度20目;普洱茶渣適宜的擠壓改性條件為:螺桿轉(zhuǎn)速540 r/min,含水量40%(w/w),粒度20目。在較佳擠壓條件下,綠茶、紅茶、普洱茶渣擠壓出料率分別為85%、82%、43%。二次擠壓綠茶渣、紅茶渣、普洱茶渣的WSP含量分別為5.33%、4.63%、5.12%,與未擠壓的茶渣相比,三種茶渣的WSP含量均有較大程度的提高。紅茶渣水溶性、持水力、膨脹力分別提高了64.71%、16.67%、52.38%,綠茶渣水溶性、膨脹力分別提高了7.41%、17.86%,普洱茶渣水溶性提高了86.21%。

綜合以上分析可得,將茶渣進(jìn)行擠壓改性,能夠大幅提高WSP含量,顯著改善茶渣水合特性,增加其利用價(jià)值,變廢為寶,為傳統(tǒng)的茶葉加工模式增添了新的內(nèi)容,提高茶葉的附加值,提升了茶葉加工整體的經(jīng)濟(jì)效益。在以后的研究中,可以繼續(xù)研究經(jīng)過擠壓改性后茶渣中WSP的生物活性及其結(jié)構(gòu),確定茶渣通過擠壓改性后能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生哪些具體益處;同時(shí),也可將經(jīng)過擠壓改性茶渣制成膳食纖維咀嚼片等,方便人們利用,切實(shí)實(shí)現(xiàn)茶渣擠壓改性的價(jià)值。

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