擠壓膨化工藝參數(shù)對夏秋綠茶多酚含量及膨化度的影響

王秀蘭梁 進張一芳劉政權(quán)周裔彬

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室, 安徽 合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學安徽省農(nóng)產(chǎn)品加工工程實驗室，安徽 合肥 230036)

由于夏秋茶品質(zhì)不及春茶，售價不高且銷售渠道不暢通，多數(shù)夏秋茶生產(chǎn)基本無利可圖，但產(chǎn)量卻相對較大，資源浪費極大[1-2]。隨著人們對茶與健康研究的不斷深入，對富含茶多酚的夏秋茶開發(fā)與利用也在不斷探索。目前，主要采取降低茶的苦澀味和提高茶的品質(zhì)[1-3]來改善夏秋綠茶口感。

擠壓膨化是通過摩擦、剪切和加熱產(chǎn)生高溫、高壓，使物料經(jīng)受破碎、混煉、剪切、熔化、殺菌以及熟化等一系列連續(xù)化處理，在高溫、高壓和高剪切力的作用下，物料物性產(chǎn)生變化，由固態(tài)粉狀或粒狀變成糊狀，蛋白質(zhì)發(fā)生變性、重組，淀粉發(fā)生糊化、裂解，纖維素發(fā)生部分降解、細化，酶及其他活性物質(zhì)失活以及產(chǎn)品中的微生物被殺死[4-6]。擠壓膨化不僅可以改變原料的外形、狀態(tài)，也改變了原料的分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，提高產(chǎn)品消化吸收率，改善產(chǎn)品品質(zhì)，增加產(chǎn)品適口性[7]。目前針對擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用在夏秋綠茶方面的研究還少有報道。王博等[8]利用雙螺旋擠壓膨化處理夏秋茶渣，發(fā)現(xiàn)膨化后原料粗纖維含量下降3%。

本研究主要利用雙螺旋擠壓膨化機對夏秋綠茶進行擠壓膨化，研究擠壓膨化參數(shù)對夏秋綠茶中茶多酚含量和膨化度的影響，并對比膨化前后茶葉微觀結(jié)構(gòu)的變化，以期為擴大夏秋綠茶的綜合利用途徑提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

中低檔夏秋綠茶：金寨縣大別山香源茶葉有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿膨化擠出機：DSE32型，濟南鼎潤機械有限公司；

分析天平：AR224CN型，奧豪斯儀器(常州)有限公司制造；

紫外分光光度計：UV-1600型，上海菁華科技儀器有限公司；

電子數(shù)顯卡尺：JY0-150型，浙江德清盛泰芯電子有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH型，江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠；

高速冷凍離心機：JW-3021HR型，安徽嘉文儀器裝備有限公司；

數(shù)顯鼓風干燥箱：DHG-9053A型，上海申賢恒溫設(shè)備廠；

掃描電子顯微鏡：Hitachi E-1045型，日本HITACHI公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備 夏秋綠茶原料粉碎過50～60目篩網(wǎng)，得到夏秋綠茶粉，茶粉經(jīng)充分混合均勻后使用雙螺桿擠出機進行擠壓膨化，研究擠壓膨化參數(shù)對夏秋綠茶中茶多酚含量及膨化度的影響。以物料含水量、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速3個為影響因素，物料含水量設(shè)置為9%，12%，15%，18%；套筒溫度一區(qū)60 ℃和三區(qū)140 ℃固定不變，二區(qū)溫度設(shè)置為120～130，130～140，140～150，150～160 ℃；螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為25，30，35，40 HZ。把擠出的樣品粉碎過50～60目后放入鋁箔袋中密封保存?zhèn)溆谩４送?，利用較優(yōu)的膨化參數(shù)條件制備樣品，進行后續(xù)組成成分和微觀結(jié)構(gòu)及紅外光譜分析。

1.3.2 膨化夏秋綠茶粉的組成成分分析

(1) 水分：按GB/T 8304—2013執(zhí)行。

(2) 茶多酚：按GB/T 21733—2008中附錄A執(zhí)行。

(3) 兒茶素：按GB/T 8313—2008執(zhí)行。

(4) 咖啡堿：按GB/T 8312—2008執(zhí)行。

(5) 游離氨基酸總量：按GB/T 8314—2013執(zhí)行。

(6) 粗纖維：按GB/T 5009.10—2003執(zhí)行。

(7) 可溶性總糖：蒽酮比色法[9]。

(8) 茶氨酸：按GB/T 23193—2008執(zhí)行。

1.3.3 夏秋綠茶膨化度檢測 使用數(shù)顯電子千分尺測量樣品直徑，隨機抽取15個樣品測量直徑，其徑向膨化率為產(chǎn)品的平均直徑d(mm)除以?？字睆?5.05 mm)。以徑向膨化率表示膨化度[10]。

1.3.4 膨化夏秋綠茶粉的微觀結(jié)構(gòu)分析 使用掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。膨化后的樣品粉碎過30目篩網(wǎng)，未膨化樣品為對照，將樣品用雙面膠帶固定在金屬樣品架上，在真空條件下覆蓋金屬涂層，加速電壓10 kV，對表面結(jié)構(gòu)進行觀察。

1.3.5 膨化夏秋綠茶粉紅外光譜分析 樣品干燥后與KBr顆粒粉混合在紅外燈下研磨成粉末，并壓成薄片，使用配備有衰減全反射(ATR)的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)在500～4 000 cm-1波長內(nèi)掃描，觀察膨化前后夏秋綠茶粉的化學結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化參數(shù)對茶粉中茶多酚及膨化度的影響

2.1.1 套筒溫度 由圖1可知，茶多酚含量隨套筒溫度的升高先增加后降低，膨化度也呈先增加后降低的趨勢。這可能是溫度增加，套筒內(nèi)水蒸氣壓力增大，物料在機頭處擠出時，外壓瞬間增大，從而使膨化度增大[11] 22[12] 19[13]14-15。當溫度超過140 ℃時，物料的黏度下降，對氣體的束縛力減弱，氣泡在生成過程中提早破裂，造成膨化度降低。茶粉中的淀粉含量較低，所以膨化度變化較小。隨著溫度的增加，膨化度增加，茶粉結(jié)構(gòu)疏松多孔，促使茶多酚浸出，隨著溫度升高，茶多酚損失增大，導致茶多酚含量降低。

圖1 套筒溫度對樣品中茶多酚含量及膨化度的影響

Figure 1 Effect of barrel temperature on tea polyphenols content and expansion ratio in samples

2.1.2 物料含水量 在擠出過程中水使物料發(fā)生玻璃化的轉(zhuǎn)變，使物料易于變形、膨脹。從圖2可以看出，膨化度在一定范圍內(nèi)隨著水分含量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，而當水分含量>15%時，膨化度有所降低。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當水分含量為9%時，膨化樣品出現(xiàn)輕微的焦化現(xiàn)象，推測可能是物料被擠壓破碎成干粉狀，無法充分糊化，致使膨化率較低。當原料水分含量增加時，原料中的淀粉和蛋白質(zhì)吸收水分，分別糊化、變性，物料黏度增大，原料與螺桿、套筒的摩擦作用增大，在套筒內(nèi)滯留時間增長，膨化率升高。當水分含量超過15%時，膨化度降低，可能是物料含水量過高，使物料表觀黏度降低，呈流體狀態(tài)，其在膨化機套筒內(nèi)所受的剪切力、摩擦力減弱，降低在機頭處的壓力，導致膨化度降低[14] 24[15] 16-18[16] 16-17。茶多酚含量先是隨著水分含量的增大而減少，而在水分含量>12%時，茶多酚含量呈現(xiàn)增大的趨勢，可能是物料水分含量在9%時，水分含量較低，擠出物呈焦糊狀態(tài)，擠出物中部分粗纖維及其他物質(zhì)碳化，使茶多酚容易浸出，茶多酚含量相對較高。當原料水分含量達到12%，樣品擠出物焦糊化現(xiàn)象消失，原料相對水分含量較低，在高溫環(huán)境下，茶多酚含量損失較多。當物料水分含量>12%，水分含量增加，水分遇高溫汽化，降低溫度對茶多酚的影響，且膨化度增大，擠出物疏松多孔，進而有利于茶多酚的浸出。

圖2 物料含水量對膨化樣品中茶多酚含量及膨化度的影響

Figure 2 Effect of raw material water content on tea polyphenols content and expansion ratio in Samples

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速 如圖3所示，螺桿轉(zhuǎn)速對夏秋綠茶膨化度影響較小。螺桿轉(zhuǎn)速直接影響套筒內(nèi)剪切力和壓力，轉(zhuǎn)速增加，產(chǎn)生的剪切力增加，機頭處產(chǎn)生的壓力增加，增大了機頭處瞬間擠出時內(nèi)外壓差，使膨化度增加。螺桿轉(zhuǎn)速大于35 Hz 時，螺桿轉(zhuǎn)速過高，物料在套筒內(nèi)停留時間縮短，大分子物質(zhì)未充分斷裂、降解就被擠壓出來，導致膨化度降低，但由于夏秋綠茶中淀粉、蛋白質(zhì)含量較低，粗纖維含量較高，使膨化度變化不明顯。螺桿轉(zhuǎn)速增大，剪切力與摩擦力增強有利于糊化。如果螺桿轉(zhuǎn)速過快，物料在套筒內(nèi)停留時間較短而不利于糊化[11] 23[12] 11-13[13] 11-12。隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大茶多酚含量先增大后減小，可能是螺桿轉(zhuǎn)速增大，套筒剪切力增大，夏秋綠茶破碎程度加大，促進茶多酚的浸出，使茶多酚含量增大，當螺桿轉(zhuǎn)速增大到一定程度時，螺桿高速旋轉(zhuǎn)的高強度機械剪切作用，使茶多酚結(jié)構(gòu)有一定的破壞，導致茶多酚含量減低。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化樣品中茶多酚含量及膨化度的影響

Figure 3 Effect of screw speed on tea polyphenols content and expansion ratio in Samples

2.2 擠壓膨化前后夏秋綠茶粉的溶出成分分析

本試驗利用較優(yōu)的膨化參數(shù)條件(套筒溫度130～140 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速35 Hz，物料水分含量15%)制備夏秋綠茶粉，分析夏秋綠茶膨化前后的浸出成分變化。由表1可見，夏秋綠茶膨化時在套筒內(nèi)受到高溫的作用，茶多酚遇熱不穩(wěn)定，含量降低。物料在擠壓機腔內(nèi)停留時受到擠壓、剪切、摩擦和熔融作用，從而促使不溶性纖維向可溶性纖維的轉(zhuǎn)化，粗纖維含量降低[11]。夏秋綠茶在套筒內(nèi)破碎，促進浸出物的浸出，可溶性總糖含量增大?？Х葔A是相對比較穩(wěn)定的物質(zhì)，含量幾乎沒有變化。游離氨基酸含量降低，茶氨酸含量增高。茶氨酸是茶樹中含量最高的游離氨基酸，極易溶于水，且溶解性隨溫度的升高而增大，擠壓膨化后，夏秋綠茶受到高溫高壓的作用，有利于茶氨酸浸出，且L型茶氨酸減少，D型茶氨酸增加[14]。在高溫作用下，兒茶素易氧化、聚合、縮合、異構(gòu)[15]，導致膨化前后夏秋綠茶中各種兒茶素的變化。

2.3 夏秋綠茶粉膨化前后的微觀結(jié)構(gòu)分析

從圖4中可以看出，夏秋綠茶表面粗糙不平，附著小顆粒狀物質(zhì)，相互粘連，膨化后的夏秋綠茶表面結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒粉碎，團聚而相互粘連形成表面較平整、光滑的結(jié)構(gòu)。這可能是物料在套筒內(nèi)擠壓時，受到高溫、高壓、高剪切力的作用，使顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，原料中各種成分發(fā)生鍵的斷裂、降解，成分之間也發(fā)生由結(jié)合到分離、到融合再結(jié)合的過程[12] 50 [13] 40。

圖4 夏秋綠茶粉膨化前后微觀結(jié)構(gòu)掃描圖

Figure 4 Microstructure scanning chart of summer and autumn tea before and after extruding

表1 夏秋綠茶擠壓前后溶出成分分析?

? GA：沒食子酸；C：兒茶素；EC：表兒茶素；EGC：表沒食子兒茶素；ECG：表沒食子酸酯；EGCG：表沒食子兒茶素沒食子酸酯。

2.4 膨化夏秋綠茶粉的紅外光譜分析

圖5為夏秋綠茶粉膨化前后的紅外吸收光譜圖，夏秋綠茶與膨化夏秋綠茶二者的譜帶基本相同，但部分譜帶仍存在差異，主要的吸收峰有3 389.26～3 405.12 cm-1為分子內(nèi)的O—H伸縮振動(—OH)，1 454.87 cm-1為C≡C伸縮振動，1 400～1 200 cm-1為C—H變角振動，700～1 100 cm-1為與伯、仲醇羥基相連的C—O伸縮振動。與未膨化的夏秋綠茶粉相比較，膨化夏秋綠茶粉在1 054.57，1 037.19，1 144.68，1 049.51，830.83 cm-1出現(xiàn)新的吸收峰，在990.52，909.52 cm-1處的吸收峰消失，可能是機械力作用導致物料自身化學鍵的斷裂，從而產(chǎn)生新的物質(zhì)[12] 49[13] 38-39。代養(yǎng)勇[16] 72-75研究發(fā)現(xiàn)，機械作用力會導致物料自身化學鍵的斷裂產(chǎn)生新的物質(zhì)。如羥基化合物會發(fā)生大分子降解反應(yīng)和脫水反應(yīng)等。在NMR試驗中證實擠壓膨化機無堿制備氧化淀粉，分子鏈的斷裂是氧化脫水產(chǎn)生的斷裂而不是水解反應(yīng)。在其他化學物質(zhì)的存在下活化大分子，產(chǎn)生鏈自由基，作為接枝起始點或引入新的官能團[19] 83-84。

圖5 夏秋綠茶粉膨化前后紅外光譜分析

Figure 5 Infrared spectral analysis of summer and autumn green tea powder expanded

3 結(jié)論

研究了擠壓膨化機的套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速以及物料含水量對夏秋綠茶擠壓膨化樣品中茶多酚含量和膨化度的影響，對比膨化前后夏秋綠茶組成成分和微觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明，套筒溫度螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物膨化度的影響較小，而物料含水量的影響相對較大。此外擠壓處理使得夏秋綠茶微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，掃描電子顯微鏡下觀察到表面結(jié)構(gòu)變得平整光滑。紅外光譜分析結(jié)果顯示，擠壓膨化機械力作用會導致物料自身化學鍵的斷裂。夏秋綠茶經(jīng)擠壓膨化加工后，茶多酚含量降低，茶氨酸含量增大，一定程度上降低了夏秋綠茶苦澀味，改善其口感和食用品質(zhì)。