球磨法制備富硒綠茶粉工藝優(yōu)化

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(安康學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,陜西安康 725000)

茶葉作為我國(guó)的傳統(tǒng)飲品,具有多種保健藥理作用,近年來(lái),以抹茶為代表的超微結(jié)構(gòu)茶粉因其能最大程度地保存茶葉營(yíng)養(yǎng)成分的完整性、提高茶葉的保健功能等特點(diǎn)而倍受歡迎,“吃茶”相對(duì)于傳統(tǒng)的“飲茶”,不僅可以利用茶葉中的可溶性成分,對(duì)茶葉中不溶性的蛋白質(zhì)、粗纖維等均可以利用[1]。硒元素作為人體必需的微量元素,具有增強(qiáng)人體免疫力、提高人體抵抗多種疾病的能力[2]。茶葉中的硒元素多以硒蛋白、硒多糖等有機(jī)硒形式存在[3]。因此,通過(guò)食用富硒綠茶粉,人體可以有效攝入硒元素,減少無(wú)機(jī)硒攝入過(guò)程中對(duì)人體的傷害[4]。張琳等[5]研究表明,秋茶中硒含量大于春茶,1～2片葉中硒元素含量大于植株底部成葉,且與3～4片葉的硒含量差距不大。抹茶加工采用葉綠素含量高的嫩葉,并通過(guò)遮蔭覆蓋方式增加葉片中葉綠素含量,而傳統(tǒng)茶葉加工過(guò)程中,常用的炒青、微波殺青、蒸青等工藝,葉綠素易受到高溫(炒青溫度通常在240～260 ℃)、微波空化效應(yīng)等因素的影響而發(fā)生解離,導(dǎo)致葉片發(fā)黃,影響綠茶粉的品質(zhì)[6-7]。目前,富硒綠茶粉加工過(guò)程中的關(guān)鍵因素,一是防止硒元素在加工過(guò)程中流失;二是防止葉綠素在溫度較高時(shí)流失;而關(guān)于加工過(guò)程中硒元素流失以及采用冷凍干燥加工綠茶粉的工藝過(guò)程等相關(guān)內(nèi)容尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文采用漂燙法殺青、冷凍干燥和球磨法加工超微茶粉,考察硒元素在此過(guò)程的流失情況,并對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化,為富硒茶粉的開(kāi)發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

富硒綠茶葉 為秋季成葉,枝芽頂端下方5～8片葉,安康市紫陽(yáng)縣茶園機(jī)械化管理示范基地;硒標(biāo)準(zhǔn)品 100 μg/mL,核工業(yè)北京化工冶金研究院;去離子水 自制;抹茶粉 宇治抹茶有限公司;0.8%硼氫化鈉、0.5%氫氧化鈉(使用前臨時(shí)配制)、鹽酸、高氯酸、硝酸、鐵氰化鉀 均為優(yōu)級(jí)純，天津化學(xué)試劑廠;氬氣 99.99%,安康金順氣體有限公司。

FA2204B型電子精密分析天平 上海佑科儀器有限公司;101-1AB型電熱烘箱干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;21HEC05型電磁爐 九陽(yáng)廚具;BCD-231WTM(E)冰箱 美的集團(tuán)股份有限公司;FD-1A-50型真空冷凍干燥機(jī) 上海比浪儀器有限公司;DX-30B小型粉碎機(jī) 廣州市祥明機(jī)械設(shè)備有限公司;DM-10L型小型球磨機(jī)(配不銹鋼球φ10 mm,φ3 mm兩種) 南京大冉儀器有限公司;DELSA 440SX激光粒度分析儀 美國(guó)庫(kù)爾特公司;PF6-2非色散原子熒光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;GSL-1100X-SPC12H型等離子薄膜濺射儀 天津品創(chuàng)科技發(fā)展有限公司;KYKY-EM3200型數(shù)字化掃描電子顯微鏡 北京中科科儀儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 漂燙法殺青 根據(jù)研究結(jié)果[8],適當(dāng)?shù)蜏亻L(zhǎng)時(shí)殺青有利于葉綠素的保護(hù),使茶粉色澤鮮綠,紫陽(yáng)富硒茶硒元素多以硒蛋白形式存在,其次為硒多糖,二者占總硒量(16.24 μg/g)的78.18%[3]。因此采用沸水漂燙法對(duì)茶葉進(jìn)行殺青,溫度100 ℃,取鮮葉50 g,料液比1∶10 g/mL,漂燙時(shí)間為0、30、60、90、120、150、180、210和240 s,茶葉漂燙后瀝干,吸水紙吸至表面無(wú)水分,稱(chēng)取5 g檢測(cè)葉中硒元素含量,重復(fù)3次。

1.2.2 成葉干燥 烘箱干燥法:取60 s漂燙殺青后茶葉瀝干,吸水紙吸至表面無(wú)水分,稱(chēng)重,溫度40 ℃,烘箱干燥時(shí)間分別是0、1、2、4、8、12、16、24 h,稱(chēng)重并記錄數(shù)據(jù),重復(fù)3次,按公式(1)計(jì)算失水率,繪制干燥曲線。

真空冷凍干燥法:取60 s漂燙殺青后茶葉瀝干,吸水紙吸至表面無(wú)水分,稱(chēng)重,-30 ℃冷凍過(guò)夜,放入凍干機(jī)干燥,真空度20 Pa,干燥時(shí)間0、1、2、4、8、12、16和24 h,重復(fù)3次,稱(chēng)重并記錄數(shù)據(jù),按公式(1)計(jì)算失水率,繪制干燥曲線。

Lw(%)=(1-Ci/C0)×100

式(1)

式中:Lw:失水率(%);Ci:i干燥時(shí)刻茶葉重量(g);C0:干燥前茶葉重量(g)。

1.2.3 富硒綠茶粉制備的單因素實(shí)驗(yàn) 將干燥后的茶葉放入小型粉碎機(jī)粉碎,過(guò)60目篩,稱(chēng)取茶葉粗粉30 g,放入小型球磨機(jī)中粉碎,溫度25 ℃,放入一定數(shù)量的不銹鋼磨球;以球磨時(shí)間、大小球比、球磨轉(zhuǎn)速為變量,以綠茶粉顆粒大小為指標(biāo),考察各單因素對(duì)茶粉粒徑的影響。在球磨時(shí)間為40 min、大小球比1∶5、球料比7∶1、轉(zhuǎn)速500 r/min的基本條件下,分別設(shè)置各因素的取值為:球磨時(shí)間為10、20、30、40、50和60 min;大小球比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7和1∶8;球磨轉(zhuǎn)速為300、400、500、600、700、800、900 r/min。

1.2.4 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)球磨時(shí)間、大小球比和球磨轉(zhuǎn)速設(shè)置三因素三水平正交試驗(yàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,確定影響因素主次程度。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.5 原子熒光法測(cè)定硒含量 樣品中硒含量檢測(cè)的方法參照GB5009.93-2017,吸取硒標(biāo)準(zhǔn)品1 mL于5 mL容量瓶中,采用5%鹽酸定容至刻度,配制質(zhì)量濃度為20 μg/L硒標(biāo)準(zhǔn)工作液,再用標(biāo)準(zhǔn)工作液分別配制質(zhì)量濃度為0、5、10、15和20 μg/L的溶液,在原子熒光光度計(jì)上測(cè)定熒光值(I)并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明,硒含量(C)在0～20 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,I=119.4951C-0.5641,決定系數(shù)R2=0.9998。

原子熒光光度計(jì)測(cè)量參數(shù)為:燈電流60 mA,負(fù)高壓270 V,原子化器溫度200 ℃,原子化器高度8 mm,載氣流量300 mL/min,屏蔽氣流量800 mL/min,讀數(shù)時(shí)間10 s,延遲時(shí)間1 s,注入量0.5 mL。

1.2.6 粒徑檢測(cè) 稱(chēng)取茶粉0.1 g,置于200 mL去離子水中,250 W,超聲分散10 s,放入激光粒度分析儀樣品池中測(cè)定其粒徑分布,取中位徑D50為平均粒徑。

1.2.7 掃描電鏡觀察 稱(chēng)取5 mg茶粉樣品分散于1 mL去離子水中,超聲30 s,量取0.2 mL在導(dǎo)電膠帶上,自然風(fēng)干,在離子濺射儀的樣品艙中,10 mA的電流下噴金80 s。樣品取出后,裝入掃描電鏡觀察室,觀察茶粉顆粒形貌。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以上各樣品均做3個(gè)平行,每個(gè)平行測(cè)3次求平均值為所得結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 19.0軟件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 漂燙時(shí)間對(duì)硒含量的影響

如圖1所示,茶葉成葉中硒含量隨漂燙時(shí)間延長(zhǎng)而降低,0～60 s,葉片中硒含量由69.58 μg/kg降至64.72 μg/kg,損失率7%;在60～90 s處形成第一個(gè)快速下降曲線,硒元素含量從64.72 μg/kg降至57.61 μg/kg,30 s內(nèi)硒含量再次降低7%;在120～150 s處綠茶鮮葉中硒含量快速下降34.4%,由56.41 μg/kg降至32.52 μg/kg,說(shuō)明鮮葉組織在沸水中發(fā)生部分解離,導(dǎo)致部分硒蛋白溶出。在漂燙過(guò)程中,隨時(shí)間延長(zhǎng),鮮葉的色澤也由鮮綠變?yōu)樯罹G,再轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠,90 s后色澤開(kāi)始發(fā)黃,說(shuō)明葉綠素中鎂元素開(kāi)始流失[6]。

圖1 漂燙時(shí)間對(duì)茶葉葉片中硒含量的影響Fig.1 Effect of blanching time on selenium content of green tea leaves

在漂燙過(guò)程中,隨時(shí)間延長(zhǎng),硒元素逐步遷移到沸水中,相較于加工好的茶葉,硒元素溶出度更高[9-10],從組織結(jié)構(gòu)上,加工好的茶葉因干燥脫水,浸泡過(guò)程中質(zhì)地更為緊致,而鮮葉組織則易被沸水破壞,導(dǎo)致溶出物質(zhì)增加。鮮葉中的硒元素以硒蛋白、硒多糖以及硒茶多酚為主,在沸水中硒多糖易溶于水,溶出速度較快。茶葉殺青為茶葉鮮葉中所含多酚氧化酶在高溫條件下鈍化,而不發(fā)生酶促褐變反應(yīng)的過(guò)程,因此漂燙后葉片放于40 ℃烘箱內(nèi)24 h,觀察葉片是否發(fā)生褐變情況,根據(jù)觀察結(jié)果,漂燙時(shí)間在60 s后葉片24 h內(nèi)無(wú)褐變現(xiàn)象。故此,確定漂燙殺青條件確定為100 ℃、60 s。

2.2 干燥時(shí)間對(duì)茶葉失水率的影響

如圖2所示,40 ℃烘箱干燥與真空冷凍干燥曲線類(lèi)似,0～2 h,水分蒸發(fā)較慢,烘箱干燥2 h時(shí),失水率達(dá)到7.14%±1.21%,真空冷凍干燥為9.56%±0.46%;2～16 h為水分快速蒸發(fā)期,16 h時(shí)水分蒸發(fā)基本結(jié)束,烘箱干燥失水率達(dá)到49.52%±1.12%,真空冷凍干燥為52.05%±1.01%;16～24 h,失水率僅增加約1%。在干燥效果方面,真空冷凍干燥比烘箱干燥高2.53%,且對(duì)葉綠素及香氣成分的保護(hù)優(yōu)于烘箱干燥,這可能與烘箱干燥過(guò)程中水、氧的存在導(dǎo)致葉綠素及香氣成分損失有關(guān)[11-13]。

圖2 不同干燥方法對(duì)漂燙后茶葉成葉失水率的影響Fig.2 Effect of different drying methods on water loss rate of green tea leaves

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 球磨時(shí)間的影響 球磨時(shí)間對(duì)于茶粉顆粒粒徑的影響如圖3所示,球磨時(shí)間為10 min時(shí),粒徑差異較大,D50值為11.24 μm,粒徑范圍為9.12～12.36 μm。隨著球磨時(shí)間增加,茶粉粒徑逐步減小,粒徑分布較為均勻,30～60 min時(shí),D50值為6.84～7.23 μm,粒徑范圍變窄,平均粒徑減少的趨勢(shì)變得非常平緩。原因可能是隨著顆粒粒徑的減小,比表面積增大導(dǎo)致表面自由能增高,茶粉顆粒體系變得不穩(wěn)定,相互之間發(fā)生“團(tuán)聚”現(xiàn)象以降低表面自由能;隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng),體系逐漸形成“團(tuán)聚-磨細(xì)”的動(dòng)態(tài)平衡,從而降低了球磨效率。因此,球磨時(shí)間40 min比較適宜。

圖3 球磨時(shí)間對(duì)富硒綠茶粉顆粒粒徑的影響Fig.3 Effect of ball-milling time on particle size of selenium-rich green tea powder

2.3.2 球磨轉(zhuǎn)速的影響 球磨轉(zhuǎn)速對(duì)于茶粉粒徑的影響如圖4所示,隨著轉(zhuǎn)速增加,茶粉粒徑持續(xù)減小,分布更為均勻。在轉(zhuǎn)速700 r/min時(shí),D50值為(3.32±0.41) μm;隨著轉(zhuǎn)速增加,900 r/min時(shí),D50值為(3.12±0.95) μm;粒徑范圍有所增加,原因可能是隨著轉(zhuǎn)速增加,剪切力不斷增強(qiáng),顆粒粒徑不斷減小的同時(shí),小顆粒的“團(tuán)聚”現(xiàn)象不斷增加,在700～900 r/min條件下,D50值減小了約6.02%,粒徑分布范圍增加了16.27%。因此,球磨轉(zhuǎn)速控制在700 r/min較為適宜。

圖4 球磨轉(zhuǎn)速對(duì)富硒綠茶粉顆粒粒徑的影響Fig.4 Effect of the rotational speed on particle size of selenium-rich green tea powder

2.3.3 大小球比的影響 大小球比對(duì)于茶粉顆粒粒徑的影響如圖5所示,隨著大小球比的增加,顆粒粒徑不斷減小,大小在1∶6時(shí),D50值最小,為(4.26±0.62) μm;當(dāng)大小球比繼續(xù)增大時(shí),D50值有所增加。原因可能是在球磨過(guò)程中,大球提供撞擊力,起到剪切作用,使物料迅速細(xì)化,但是撞點(diǎn)少,粉料不夠細(xì)致,小球則因撞點(diǎn)多,研磨效果好[14],但當(dāng)大小比不斷升高時(shí),小球量不斷增加,細(xì)化能力減弱,粉體顆粒度有增加趨勢(shì)。因此,大小球比1∶6時(shí),茶粉粒徑最小。

圖5 大小球比對(duì)富硒綠茶粉顆粒粒徑的影響Fig.5 Effect of the ratio of big and small balls on particle size of selenium-rich green tea powder

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

如表3所示,對(duì)富硒綠茶粉粒徑影響因素次序?yàn)?球磨時(shí)間(A)>大小球比(C)>球磨轉(zhuǎn)速(B),根據(jù)表3中,k1、k2及k3值的大小比較,可以得出最佳工藝條件為A3B3C2,即球磨時(shí)間為50 min,球磨轉(zhuǎn)速為800 r/min,大小球比為1∶6,該條件下茶粉的平均粒徑為3.25 μm,其硒含量經(jīng)檢測(cè)為(63.18±4.22) μg/kg。

表3 超微茶粉加工工藝正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of processing technology of ultramicro tea powder

如表4方差分析結(jié)果所示,對(duì)富硒綠茶粉粒徑影響方面,球磨時(shí)間為極顯著(p<0.001);球磨轉(zhuǎn)速和大小球比為高度顯著(p<0.01)。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment results

2.5 茶粉形貌觀察

如表5、圖6所示,與市售抹茶粉相比較,富硒綠茶粉粒徑更小,分布更為均勻;從斷面看,球磨法制備的茶粉顆粒斷面也較為齊整,說(shuō)明茶粉在球磨機(jī)中,受到大小球以及球體與罐壁之間相互碰撞形成的切向撞擊力和側(cè)向剪切力而破碎。宇治抹茶粉采用石磨法制備,茶粉顆粒邊緣為參差不齊,為撕裂性斷面,說(shuō)明茶粉顆粒受到石磨上下磨齒相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力而細(xì)化[15-17],且顆粒大小分布相對(duì)不均。

表5 富硒綠茶粉與市售宇治茶粉特征對(duì)比Table 5 The characteristic comparison between the tea powder made by the experiment and the Yu Zhi tea powder

圖6 掃描電鏡圖(12000×)Fig.6 Scanning electron microscope注:A:富硒綠茶粉;B:宇治抹茶粉(12000×)。

3 結(jié)論

采用安康紫陽(yáng)富硒茶秋茶成葉為原材料制備富硒綠茶粉,100 ℃漂燙60 s,硒元素流失量較小,損失率為7%；通過(guò)冷凍干燥法干燥16 h漂燙后的茶葉,干燥效率高,鮮葉失水率為52.05%,且葉綠素在低溫條件下保護(hù)良好。通過(guò)球磨法粉碎加工茶粉,球磨時(shí)間、球磨轉(zhuǎn)速及大小球比對(duì)茶粉粒徑的影響均為顯著,其中球磨時(shí)間影響最為顯著,在考察范圍內(nèi)優(yōu)化富硒綠茶粉加工工藝過(guò)程,球磨時(shí)間50 min、球磨轉(zhuǎn)速800 r/min、大小球比1∶6的條件下制備的富硒綠茶粉粒徑小,分布均勻,平均粒徑為3.25 μm,茶粉中硒含量為(63.18±4.22) μg/kg。該工藝條件下生產(chǎn)的富硒綠茶粉,顆粒均勻,色澤翠綠,茶葉中硒元素保留度高。