甘蔗渣制茶工藝優(yōu)化

彭小燕，王則港，陳加鳳，劉淑燕

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州 363200；2.漳州科技職業(yè)學(xué)院，福建漳州 363202；3.漳州天康檢測技術(shù)有限公司，福建漳州 363202）

甘蔗（Saccharum），甘蔗屬，是多年生高大實心草本植物，屬C4 作物[1]，主要分布在溫帶和熱帶，是制糖的主要原料之一。中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)統(tǒng)計顯示，2019 年我國甘蔗的種植面積約138.19 萬公頃，甘蔗產(chǎn)量為1.09 億噸[2]。甘蔗渣為甘蔗制糖后的主要副產(chǎn)物之一，一般占甘蔗重量的25%～30%，故甘蔗渣年產(chǎn)量高達(dá)3000 萬噸，資源相當(dāng)豐富[3]。甘蔗渣富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，同時也含有一定量的蛋白質(zhì)、淀粉和可溶性糖，除去水分之后，甘蔗渣中干物質(zhì)含量可達(dá)90%～92%，其中粗蛋白質(zhì)約2.0%，粗纖維44%～46%，粗脂肪約0.7%，無氮浸出物約42%，粗灰分2%～3%[4]。

甘蔗渣的主要利用途徑是作為鍋爐燃料燒掉，利用比較單一，經(jīng)濟(jì)效益低，造成資源的巨大浪費。學(xué)者們不斷研究開發(fā)甘蔗渣的有效綜合利用方法。有學(xué)者利用甘蔗渣作為反芻動物飼料，因其木質(zhì)化程度高，有機(jī)物利用率較低[5]，故用甘蔗渣青貯[6?7]、甘蔗尾葉堿化法[8]、甘蔗渣堿化法[9?10]、甘蔗渣糖化法[11]等方法對甘蔗渣處理后再利用，這些方法雖可提高甘蔗渣利用率，但同時也增加了成本。也有學(xué)者研究將甘蔗渣制漿造紙[12?13]、制作板材原料[14?15]、制成氣體吸附劑[16?17]、染料吸附劑[18?20]和重金屬吸附劑[21?23]等，但因甘蔗渣預(yù)處理的能源消耗大、處理成本高等缺點，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。因此，甘蔗渣的綠色生產(chǎn)工藝及高值化利用還有待開發(fā)。

本研究以全面有效利用甘蔗渣資源為出發(fā)點，將榨汁后的甘蔗渣經(jīng)簡單預(yù)處理后制成甘蔗茶，以甘蔗茶感官評分為指標(biāo)，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗得出甘蔗渣制茶的最優(yōu)工藝參數(shù)，并測定了最優(yōu)工藝下制備的甘蔗茶基本成分，為甘蔗渣制茶的工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)依據(jù)，也為甘蔗渣的高值化綜合利用提供了思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘蔗渣 廈門天洽餐飲有限公司，均為甘蔗榨汁后的甘蔗渣；所用試劑 均為分析純。

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏試驗設(shè)備有限公司；DY-6KG 電加熱型烘豆機(jī) 南陽東億機(jī)械設(shè)備有限公司；100T 小型超細(xì)研磨機(jī) 永康市云達(dá)冷風(fēng)機(jī)廠；UV1800PC-DS2 型紫外可見光分光光度計 上海美普達(dá)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘蔗渣的預(yù)處理 將榨汁后的甘蔗渣切成12 mm 左右，在溫度60 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘制24 h 以除去水分，然后密封于密封袋中，置于干燥箱中以備后用。

1.2.2 甘蔗茶的制備工藝

1.2.2.1 單因素實驗 取30 g 預(yù)處理后的甘蔗渣分別在炒制溫度80、100、120、140、160 ℃，炒制時間10、20、30、40、50 min，轉(zhuǎn)速20、40、60、80、100 r/min下進(jìn)行甘蔗茶炒制的單因素實驗，固定因素水平分別設(shè)為：120 ℃、30 min、60 r/min。甘蔗茶炒制完成后置于托盤中冷卻，然后用萬能粉碎機(jī)粉碎后過40 目篩，裝在密封袋置于干燥皿中防止變潮。

1.2.2.2 響應(yīng)面試驗 在單因素實驗的結(jié)果上，以甘蔗茶感官評分為響應(yīng)，用響應(yīng)面法（Response surface methodology，RSM）優(yōu)化甘蔗茶制作工藝。以單因素實驗中各單因素最佳條件（炒制溫度120 ℃，炒制時間30 min，轉(zhuǎn)速60 r/min），以三因素三水平來設(shè)計Box-Behnken 試驗，三因素范圍及水平編碼具體見表1。

表1 Box-Behnken 試驗的編碼和因子水平Table 1 Coding and factor levels of the Box-Behnken design

1.2.3 感官審評方法 參照袋泡茶的審評方法（國標(biāo)GB/T 23776-2018）對甘蔗茶進(jìn)行感官審評，標(biāo)準(zhǔn)見表2。取3 g 粉碎后的甘蔗渣放入茶泡袋中，并將其置于150 mL 評茶杯中，注滿150 mL 沸水，加蓋浸泡3 min 后揭蓋上下提動袋茶兩次（兩次提動間隔1 min），提動后隨即蓋上杯蓋，至5 min 瀝茶湯入評茶碗中，依次審評湯色、香氣、滋味和葉底。葉底審評茶袋沖泡后的完整性。依據(jù)此感官品評標(biāo)準(zhǔn)對甘蔗茶進(jìn)行評分。

表2 甘蔗茶感官審評標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Table 1 Sensory evaluation table of sugarcane tea

1.2.4 甘蔗渣及甘蔗茶成分的測定 參照國家標(biāo)準(zhǔn)測定甘蔗渣及甘蔗茶的主要成分。水分：GB 5009.3-2016（干燥法）；灰分：GB 5009.4-2016（灼燒法）；還原糖：GB 5009.8-2016。蛋白質(zhì)：GB 5009.5-2016（微量凱氏定氮法）；脂肪：GB 5009.6-2016（索氏提取法）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)三次，試驗數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean±SD）表示，采用Design-Expert 7.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

從圖1 可以看出，隨著炒制溫度的升高，甘蔗茶的感官評分明顯升高，到120 ℃時達(dá)到最高分，隨著炒制溫度的繼續(xù)升高，評分逐漸降低，可能是由于溫度過高，導(dǎo)致大量深色物質(zhì)的產(chǎn)生，茶湯顏色較深，出現(xiàn)一定的焦糊味，影響了甘蔗茶的感官評分。故選擇炒制溫度120 ℃為最佳單因素水平。

圖1 炒制溫度對甘蔗茶的影響Fig.1 Effect of cooking temperature on sugarcane tea

從圖2 可以看出，隨著炒制時間的增加，甘蔗茶的感官評分有所增加，在30 min 時達(dá)到最大值，之后開始下降。由此可推測，炒制使甘蔗茶中呈色、呈香、呈味物質(zhì)的生成，隨著炒制時間的增加，這些物質(zhì)逐步積累到最佳水平。但繼續(xù)增加炒制時間，導(dǎo)致呈色、呈香、呈味物質(zhì)過多或受到破壞，反而影響甘蔗茶的感官評分。故選擇炒制時間30 min 為最佳單因素水平。

圖2 炒制時間對甘蔗茶的影響Fig.2 Effect of cooking time on sugarcane tea

由圖3 可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高甘蔗茶的感官評分有所提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 r/min 時分值最高為90.08 分，之后隨著轉(zhuǎn)速的提高感官評分開始降低，可能是因為過高的轉(zhuǎn)速使得甘蔗渣在炒制的過程中無法較好的與烘豆機(jī)壁接觸，受熱面減少，影響甘蔗茶風(fēng)味物質(zhì)的生成，導(dǎo)致感官評分稍有下降。故選擇炒制轉(zhuǎn)速60 r/min 為最佳單因素水平。

圖3 轉(zhuǎn)速對甘蔗茶的影響Fig.3 Effect of rotating speed on sugarcane tea

2.2 響應(yīng)面試驗

Box-Behnken 試驗共包括由17 個試驗點，包括12 正交試驗和5 個重復(fù)的中心試驗。中心試驗是為了估計誤差的可能性。試驗結(jié)果見表3，包括試驗設(shè)計和響應(yīng)值。

采用Dsign-expert7.0 軟件對表3 中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得響應(yīng)值感官評分（Y）與影響因子（炒制溫度A、炒制時間B、轉(zhuǎn)速C）的二次多項式回歸方程：

表3 Box-Behnken 試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Box-Behnken design and the results

模型方差分析的結(jié)果如表4 所示。通過方差分析可以看出二次模型對感官評分的影響是極顯著的（P<0.01）。模型的決定系數(shù)（R2）是0.9816，校正后的R2是0.9579，失擬檢驗的P值是0.0215，說明公式（2）的數(shù)學(xué)模型擬合良好。從表4 中可以看出，炒制溫度A 和炒制時間B 對感官評分有極顯著影響（P<0.01），轉(zhuǎn)速C 對感官評分有顯著影響（P<0.05）。從回歸方程一次項系數(shù)絕對值的大小判定3 個因子對感官評分影響大小依次為：A>B>C。二次項A2和C2對感官評分有極顯著影響（P<0.01），二次項BC、B2對感官評分有顯著影響（P<0.05），其他變量影響均不顯著（P>0.05）。

表4 甘蔗茶感官評分方差分析結(jié)果Table 4 Results of analysis of variance (ANOVA) for sensory scores of cane tea

2.3 響應(yīng)面模型和等高線圖解析

三維響應(yīng)面圖和等高線圖可用來反映自變量的交互作用對響應(yīng)值的影響，根據(jù)模型分別繪制三維曲面圖和等高線圖，通過分析可以得到最佳響應(yīng)值。

從圖4 可以看出，炒制溫度、炒制時間和轉(zhuǎn)速對甘蔗茶感官評分的影響存在交互作用。在響應(yīng)面圖中，響應(yīng)值受曲線走勢的影響。曲線走勢越陡，對甘蔗茶感官評分影響越大；曲線走勢越平滑，對甘蔗茶感官評分影響越小[24]。由圖4A1～圖4B2 可以看出，炒制溫度的曲線較炒制時間更陡峭，炒制時間的曲線較轉(zhuǎn)速更陡峭，即三個因素中，炒制溫度對感官評分的影響相對較大。此外，炒制溫度和炒制時間、炒制溫度和轉(zhuǎn)速兩兩交互作用的等高線稀疏，因此，此兩者的交互作用對響應(yīng)值的影響不顯著；由圖4C1～圖4C2 可以看出，炒制時間與轉(zhuǎn)速兩者交互作用的高曲線較密集，說明炒制時間與轉(zhuǎn)速的交互作用對響應(yīng)值的影響顯著。

圖4 甘蔗茶感官評分的響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for sensory score of cane tea

通過響應(yīng)面和等高線圖確定甘蔗茶炒制的最優(yōu)條件為：炒制溫度126.78 ℃，炒制時間33.52 min，轉(zhuǎn)速為59.49 r/min，理論上甘蔗茶感官評分可達(dá)到94.46 分。

2.4 模型驗證

為檢驗響應(yīng)面法優(yōu)化甘蔗茶炒制工藝的可靠性，在最優(yōu)條件基礎(chǔ)上，設(shè)定炒制溫度127 ℃，炒制時間33 min，轉(zhuǎn)速為60 r/min 條件下進(jìn)行驗證試驗，實際炒制出的甘蔗茶的感官評分為（92.47±1.20）分，與理論預(yù)測值相差2.1%，說明擬合良好，可見該模型能較好地模擬和預(yù)測甘蔗茶的感官評分。

2.5 甘蔗渣與甘蔗茶的營養(yǎng)成分

測定甘蔗渣及最優(yōu)條件下炒制的甘蔗茶中的營養(yǎng)成分。從表5 可以看出，甘蔗渣中含有較多的還原糖（26.84%），推測是因為本次研究所用的甘蔗渣經(jīng)榨汁后并未進(jìn)行二次洗滌，有較多糖組分殘留。甘蔗渣中蛋白質(zhì)和灰分含量與前人[4]研究類似，分別占2.27%和2.15%，脂肪含量偏小，推測是因為甘蔗榨汁前削掉甘蔗皮，而皮中含有一定脂肪。與甘蔗渣成分相比，經(jīng)過炒制后的甘蔗茶中成分含量變化最大的是還原糖，其出現(xiàn)明顯降低，蛋白質(zhì)含量亦有所降低，推測是基于高溫炒制過程中部分還原糖發(fā)生的焦糖化反應(yīng)或者與蛋白質(zhì)發(fā)生的美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的影響，這可能是甘蔗茶湯呈現(xiàn)褐色及其他風(fēng)味的主要原因。

表5 甘蔗渣與甘蔗茶中的營養(yǎng)成分含量Table 5 Contents of nutrients in bagasse and cane tea

3 結(jié)論

利用甘蔗榨汁后的甘蔗渣制備甘蔗茶，響應(yīng)面分析得到甘蔗茶制備的最優(yōu)條件為：炒制溫度127 ℃，炒制時間33 min，轉(zhuǎn)速為60 r/min，該條件下制備的甘蔗茶感官評分為92.47 分，茶湯有濃郁的甘蔗茶香，滋味香中略帶甜味，色澤呈現(xiàn)亮褐色，湯底無殘留。因此該法所制備的甘蔗茶具有較好的感官評分。對甘蔗渣和甘蔗茶的成分分析可以看出，甘蔗茶中的還原糖含量明顯降低，說明在炒制過程中甘蔗渣中的成分在高溫條件下發(fā)生了反應(yīng)，生成了其他物質(zhì)，后續(xù)將對此部分進(jìn)行深入研究。