王秀蘭梁 進(jìn)張一芳劉政權(quán)周裔彬

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)安徽省農(nóng)產(chǎn)品加工工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036)

由于夏秋茶品質(zhì)不及春茶，售價(jià)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(duì)較大，資源浪費(fèi)極大[1-2]。隨著人們對(duì)茶與健康研究的不斷深入，對(duì)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(xì)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?cè)系耐庑?、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(duì)擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用在夏秋綠茶方面的研究還少有報(bào)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(jī)對(duì)夏秋綠茶進(jìn)行擠壓膨化，研究擠壓膨化參數(shù)對(duì)夏秋綠茶中茶多酚含量和膨化度的影響，并對(duì)比膨化前后茶葉微觀結(jié)構(gòu)的變化，以期為擴(kuò)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(jī)：DSE32型，濟(jì)南鼎潤機(jī)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(jì)：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(shí)驗(yàn)儀器廠；

高速冷凍離心機(jī)：JW-3021HR型，安徽嘉文儀器裝備有限公司；

數(shù)顯鼓風(fēng)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(jī)進(jìn)行擠壓膨化，研究擠壓膨化參數(shù)對(duì)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(gè)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?。此外，利用較優(yōu)的膨化參數(shù)條件制備樣品，進(jìn)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(jī)抽取15個(gè)樣品測量直徑，其徑向膨化率為產(chǎn)品的平均直徑d(mm)除以模孔直徑(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(duì)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(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化參數(shù)對(duì)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(jī)頭處擠出時(shí)，外壓瞬間增大，從而使膨化度增大[11] 22[12] 19[13]14-15。當(dāng)溫度超過140 ℃時(shí)，物料的黏度下降，對(duì)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(dǎo)致茶多酚含量降低。

圖1 套筒溫度對(duì)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(dāng)水分含量>15%時(shí)，膨化度有所降低。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分含量為9%時(shí)，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(dāng)原料水分含量增加時(shí)，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(shí)間增長，膨化率升高。當(dāng)水分含量超過15%時(shí)，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(jī)套筒內(nèi)所受的剪切力、摩擦力減弱，降低在機(jī)頭處的壓力，導(dǎo)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(shí)，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(shí)，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(duì)較高。當(dāng)原料水分含量達(dá)到12%，樣品擠出物焦糊化現(xiàn)象消失，原料相對(duì)水分含量較低，在高溫環(huán)境下，茶多酚含量損失較多。當(dāng)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(duì)茶多酚的影響，且膨化度增大，擠出物疏松多孔，進(jìn)而有利于茶多酚的浸出。

圖2 物料含水量對(duì)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(duì)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(jī)頭處產(chǎn)生的壓力增加，增大了機(jī)頭處瞬間擠出時(shí)內(nèi)外壓差，使膨化度增加。螺桿轉(zhuǎn)速大于35 Hz 時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速過高，物料在套筒內(nèi)停留時(shí)間縮短，大分子物質(zhì)未充分?jǐn)嗔?、降解就被擠壓出來，導(dǎo)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(qiáng)有利于糊化。如果螺桿轉(zhuǎn)速過快，物料在套筒內(nèi)停留時(shí)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(jìn)茶多酚的浸出，使茶多酚含量增大，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增大到一定程度時(shí)，螺桿高速旋轉(zhuǎn)的高強(qiáng)度機(jī)械剪切作用，使茶多酚結(jié)構(gòu)有一定的破壞，導(dǎo)致茶多酚含量減低。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)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(yàn)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(shí)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(jī)腔內(nèi)停留時(shí)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(jìn)浸出物的浸出，可溶性總糖含量增大?？Х葔A是相對(duì)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(dǎo)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(tuán)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(shí)，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(dòng)(—OH)，1 454.87 cm-1為C≡C伸縮振動(dòng)，1 400～1 200 cm-1為C—H變角振動(dòng)，700～1 100 cm-1為與伯、仲醇羥基相連的C—O伸縮振動(dòng)。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(jī)械力作用導(dǎo)致物料自身化學(xué)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(jī)械作用力會(huì)導(dǎo)致物料自身化學(xué)鍵的斷裂產(chǎn)生新的物質(zhì)。如羥基化合物會(huì)發(fā)生大分子降解反應(yīng)和脫水反應(yīng)等。在NMR試驗(yàn)中證實(shí)擠壓膨化機(jī)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(xué)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(diǎn)或引入新的官能團(tuán)[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(jī)的套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速以及物料含水量對(duì)夏秋綠茶擠壓膨化樣品中茶多酚含量和膨化度的影響，對(duì)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(duì)擠出物膨化度的影響較小，而物料含水量的影響相對(duì)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(jī)械力作用會(huì)導(dǎo)致物料自身化學(xué)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)。