洪燕婷

(黎明職業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 福建 泉州 362000)

我國是種茶、產(chǎn)茶大國，國人亦喜愛喝茶，茶葉中含有蛋白質(zhì)、氨基酸等人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)，以及茶多酚、茶多糖、咖啡堿等功能性物質(zhì)[1]。其中烏龍茶鐵觀音是我國六大茶類中的佼佼者，原產(chǎn)福建安溪，后在閩南、閩北、廣東、臺灣等地盛產(chǎn)，以優(yōu)異獨特的品質(zhì)聞名中外[2]。而隨著茶產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和不斷升級，速溶茶、茶飲料和茶多酚等產(chǎn)品的迅速增長，在茶葉采摘、加工和使用過程中產(chǎn)生大量的廢棄茶渣[3]，這些茶渣通常被直接丟棄，造成巨大的資源浪費。茶渣的再利用是茶加工產(chǎn)業(yè)重點關(guān)注的問題之一。目前，對茶渣的利用研究有將其用作肥料[4]、飼料[5]，對茶渣成分如蛋白質(zhì)[6]、茶多酚[7]和膳食纖維[8]等進(jìn)行提取，或?qū)ζ涓男圆㈤_發(fā)成吸附劑和凈水劑[9]等。茶渣中殘留有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，尤其是纖維素。有研究表明，鐵觀音茶渣的粗纖維含量高達(dá)19.1%，可作為膳食纖維應(yīng)用到食品領(lǐng)域中，具有加快人體新陳代謝、調(diào)節(jié)改善機(jī)體內(nèi)部環(huán)境和預(yù)防心血管疾病等作用[10]。而膳食纖維按照溶解性又可分為可溶性膳食纖維(Souluble Dietary Fiber，SDF)和不可溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)[11]。其中，SDF具有預(yù)防心血管疾病、減少膽結(jié)石形成和幫助減肥等多項功能[12]。目前，提取SDF的主要手段包括生物酶法[13]、物理法[14]、化學(xué)法[15]和復(fù)合法[16]等，茶渣在食品領(lǐng)域再利用的一個重要方向正是提取利用其膳食纖維，提高SDF提取量。提高SDF溶出量的重要方法之一是讓纖維素大分子組分連接斷裂轉(zhuǎn)變相對小分子成分，使部分IDF轉(zhuǎn)換成SDF；擠壓膨化技術(shù)則可以利用高溫高壓高剪切力的內(nèi)部環(huán)境，使物料在擠出到常溫常壓的外部瞬間改變分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[16]。為此，以福建盛產(chǎn)的安溪鐵觀音產(chǎn)生的茶渣為原料，采用擠壓膨化進(jìn)行改性提高SDF提取量，以SDF溶出量為檢測指標(biāo)，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交法優(yōu)化探索擠壓膨化法改性工藝，以期為茶渣的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鐵觀音茶，泉州市安溪縣崇德茶葉有限公司。

試劑：95%乙醇(分析純)，西隴化工股份有限公司；食用花生油，山東魯花集團(tuán)有限公司。

儀器：JYL-C020型雙螺桿擠壓機(jī)，九陽股份有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；AL104-IC型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；TG16-WS型臺式高速離心機(jī)，湖南湘儀實驗儀器制造有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；GZX-914MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備；BL-500A型高速多功能粉碎機(jī)，浙江省康市松青金廠。

1.2 方法

1.2.1 原材料預(yù)處理 購買鐵觀音茶葉模擬生活中泡茶的實際操作制備茶渣，將鐵觀音茶葉以1∶30加入90℃水中，浸泡15 min后過濾取茶渣，重復(fù)浸泡3次，將所得茶渣放入烘箱110℃烘干至恒重，粉碎、過40目篩后烘箱80℃烘干至恒重，裝入密封袋備用[13]。

1.2.2 茶渣的擠壓膨化改性單因素試驗 茶渣擠壓膨化工藝流程參考袁根良[14]的方法。

1) 物料水分。固定擠壓膨化機(jī)喂料螺桿轉(zhuǎn)動頻率為20 Hz，擠壓溫度70℃，螺桿轉(zhuǎn)速15 Hz，以SDF溶出量為指標(biāo)，研究物料水分含量分別為20%、25%、30%、40%、50%和60%對鐵觀音茶渣擠壓膨化改性效果的影響。

2) 擠壓溫度。固定擠壓膨化機(jī)喂料螺桿轉(zhuǎn)動頻率為20 Hz，物料水分含量50%，螺桿轉(zhuǎn)速15 Hz，以SDF溶出量為指標(biāo)，研究擠壓機(jī)主機(jī)溫度與輔機(jī)溫度分別為55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃對鐵觀音茶渣擠壓膨化改性效果的影響。

3) 螺桿轉(zhuǎn)速。固定擠壓膨化機(jī)喂料螺桿轉(zhuǎn)動頻率為20 Hz，物料水分含量50%，擠壓溫度70℃，以SDF溶出量為指標(biāo)，研究螺桿轉(zhuǎn)速分別為9 Hz、11 Hz、13 Hz 、15 Hz 、17 Hz和19 Hz對鐵觀音茶渣擠壓膨化改性效果的影響。

1.2.3 擠壓膨化改性工藝條件的優(yōu)化 基于單因素試驗結(jié)果，以鐵觀音茶渣SDF溶出量為指標(biāo)，以物料水分(X1)、擠壓溫度(X2)、螺桿轉(zhuǎn)速(X3)為變量因素進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化擠壓膨化改性鐵觀音茶渣的工藝條件，共23組試驗，每組3次平行。其因素水平見表1。

表1茶渣SDF提取的二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗因素及水平

Table 1 Factors and levels of quadric regression rotation orthogonal design for SDF extracted from tea residue

水平編碼值Level codeX1物料水分/%Material moistureX2擠壓溫度/℃Extrusion temperatureX3螺桿轉(zhuǎn)速/HzScrew speed1.68260.075.0019 152.571.2517 045.067.5015 -137.563.7513 -1.68230.060.0011 水平間隔值△f7.53.752 Horizontal interval value △f

1.2.4 SDF溶出量的測定 鐵觀音茶渣SDF溶出量測定參考黃茂坤[11]并做適當(dāng)修改，茶渣→粉碎→過篩(40目)→烘干至恒重→稱取樣品(2 g)→加30 mL蒸餾水→60 ℃水浴加熱3 h→離心取上清液→再加入10 mL蒸餾水→再離心取上清液→加4倍上清液95%乙醇→靜置12 h→抽濾→80℃烘干至恒重→計算SDF溶出量。

式中：M1為4倍上清液體積95%乙醇抽濾后重量(恒重)；M2為濾紙重量(恒重)；M0為原料重量(恒重)。

1.2.5 功能性質(zhì)分析 參照文獻(xiàn)[17]，分別對茶渣及改性后的膳食纖維的持油力、持水力進(jìn)行檢測。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對茶渣SDF溶出量的影響

從圖1看出不同物料水分含量、擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的茶渣SDF溶出量變化。

2.1.1 物料水分 擠壓是一個高溫高壓高剪切力的反應(yīng)歷程，對物料含水量要求較高，適當(dāng)?shù)乃挚墒估w維素分子濕潤、膨脹，便于物料輸送和擠壓，同時可控制機(jī)腔內(nèi)擠壓和剪切力的大小，有助于纖維素在外力作用下的打開、斷裂及重組[16]。在試驗范圍內(nèi)，隨著物料水分增多，鐵觀音茶渣SDF溶出量先增后減。在物料水分為50%時，茶渣SDF溶出量最高，為4.26%。在擠壓過程中當(dāng)茶渣水分較少時，達(dá)不到擠壓溫度下的飽和蒸汽壓，擠出時水分急劇蒸發(fā)不明顯，茶渣無法充分膨脹，且物料干澀摩擦大易堵塞燒焦；若低于熔體形成所需最低水分含量水平，物料無法向熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)換，SDF溶出量自然少；而水分過多時，由于茶渣本身干澀，水分起到了潤滑劑作用降低了茶渣間的摩擦力，茶渣在機(jī)腔內(nèi)受到的擠壓和剪切力變小，纖維高聚物不易發(fā)生斷裂，造成鐵觀音茶渣SDF溶出量減少。

Fig.1 SDF dissolution quantity extracted from tea residue under different material moisture, extrusion temperature and screw speed

2.1.2 擠壓溫度 在擠壓過程中，受高溫、高壓、高剪切力的影響，茶渣中膳食纖維分子間化學(xué)鍵裂解，分子的理化特性改變，溶解性增大，SDF溶出量增多[13]。鐵觀音茶渣SDF溶出量隨著擠壓溫度的升高呈先增后減趨勢，在擠壓溫度70℃時，茶渣SDF溶出量最高，為4.20%。究其原因：適宜的擠壓溫度可促進(jìn)不溶性大分子物質(zhì)熔融、斷裂，使立體微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)暴露增多，當(dāng)擠壓溫度過低時，不利于大分子物質(zhì)的切斷和親水基團(tuán)的暴露，使得SDF溶出量不高；但若擠壓溫度過高，物料在機(jī)腔中易焦化和團(tuán)聚，從而降低SDF含量。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速 在擠壓膨化過程中螺桿轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦、碾壓和剪切作用使纖維素被微粒化，纖維分子間化學(xué)鍵斷裂，有助于IDF向SDF轉(zhuǎn)化，從而提高SDF溶出量[16]。在試驗范圍內(nèi)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速加快鐵觀音茶渣SDF溶出量逐漸提高，在螺桿轉(zhuǎn)速17 Hz時達(dá)最高，為4.21%，之后隨螺桿轉(zhuǎn)速增快，茶渣SDF溶出量反而減少。原因可能是螺桿轉(zhuǎn)速過快使物料在套筒里的時間過短無法得到充足混合、碾壓、剪切和擠壓，同時機(jī)筒與螺桿間的剪切摩擦熱增加，茶渣易受熱不均勻，甚至部分茶渣焦化，導(dǎo)致其SDF溶出量降低。

2.2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化分析

2.2.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合方程的建立與檢驗 從表2可知二次回歸旋轉(zhuǎn)正交優(yōu)化試驗結(jié)果。對其進(jìn)行擬合，得到各變量因素對響應(yīng)值的回歸方程如下：

Y=4.994 54-0.065 60X1-0.150 71X2+0.061 51X3-0.007 77X12+0.064 71X22-0.006 00X32+0.091 25X1X2-0.096 25X1X3+0.041 25X2X3

表2二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗各處理茶渣SDF的溶出量

Table 2 SDF dissolution quantity extracted from tea residue of different treatments by quadric regression rotation orthogonal design

試驗號Test No.X1物料水分/%Material moistureX2擠壓溫度/℃Extrusion temperatureX3螺桿轉(zhuǎn)速/HzScrew speedSDF溶出量/%SDF dissolution amount11114.96211-14.8731-114.9041-1-15.145-1115.046-11-14.737-1-115.518-1-1-15.209-1.6818005.06101.6818004.89110-1.681805.451201.681804.911300-1.68184.8714001.68185.09150004.96160005.05170004.96180005.05190005.03200005.04210004.95220004.96230004.95

經(jīng)檢驗，失擬項F1(失擬均方/ 誤差均方)在α=0.05和α=0.01水平上都不顯著，且F2(回歸均方/剩余均方)=27.35>F1=1.59，在α=0.01水平上回歸項F2極顯著，表明建立的模型方程與試驗數(shù)據(jù)的配合可行。且通過F3檢驗，F(xiàn)3(回歸均方/誤差均方)=34.05>F2=1.59，達(dá)極顯著水平，進(jìn)一步確定所得回歸方程可靠。

根據(jù)檢驗結(jié)果，剔除不顯著項后，簡化回歸方程得：

Y=4.994 54-0.065 60X1-0.150 71X2+0.061 51X3+0.064 71X22+0.091 25X1X2-0.096 25X1X3+ 0.041 25X2X3

從表3可知，各單因子對鐵觀音茶渣中SDF溶出量的影響依次為擠壓溫度(X2)>物料水分(X1)>螺桿轉(zhuǎn)速(X3)，且3個因素的影響都達(dá)極顯著水平；鐵觀音茶渣SDF溶出量與物料水分、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.949 8，表明該數(shù)學(xué)模型3個因素對提取率的影響占94.98%，而其他因素的影響和誤差占5.02%。

表3 試驗結(jié)果方差分析

2.2.3 單因素效應(yīng) 將其他因素固定在零水平條件下，3個因素的單因素效應(yīng)方程分別為：

Y=4.994 54-0.065 60X1-0.007 77X12

Y=4.994 54-0.150 71X2-0.064 71X22

Y=4.994 54+0.061 51X3+0.006 00X32

從圖4看出，擠壓膨化改性鐵觀音茶渣過程中，SDF溶出量會隨著擠壓溫度的升高而下降后趨于平緩；隨物料水分的增多而下降；隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大而上升。

Fig.2 Effect of different influence factors on SDF dissolution quantity extracted from modified Tieguanyin tea residue by extrusion

2.2.4 交互效應(yīng)X1X2、X1X3、X2X3的F分別為25.495 2、28.365 7、5.21，P分別為0.000 2、0.000 1、0.039 9，說明3個工藝因素之間都存在交互效應(yīng)，且物料水分與擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互效應(yīng)達(dá)極顯著水平，擠壓溫度與螺桿轉(zhuǎn)速之間交互作用達(dá)顯著水平，這與前面單因素分析3個因素影響皆為極顯著水平對應(yīng)，說明若采用擠壓膨化改性提高鐵觀音茶渣SDF提取效果應(yīng)嚴(yán)格控制物料水分、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速3個工藝參數(shù)。

2.2.5 提取條件的優(yōu)化及驗證 對擠壓膨化改性鐵觀音茶渣SDF溶出量高于5.02%的數(shù)學(xué)回歸模型進(jìn)行分析，計算在置信度95%下的分布區(qū)間為物料水分41.05%～45.29%、擠壓溫度64.66～66.86℃、螺桿轉(zhuǎn)速14.78～15.95 Hz。取優(yōu)化后提取條件的平均值方案，則最優(yōu)提取工藝為物料水分43%、擠壓溫度67℃、螺桿轉(zhuǎn)速16 Hz，此時鐵觀音茶渣SDF溶出量為6.06%。按最優(yōu)工藝對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行2次驗證，實際測量最佳SDF溶出量均值為5.93%，實際值/理論值=0.98，說明模型可信。

2.3 功能性質(zhì)

經(jīng)測定，擠壓膨化后的鐵觀音茶渣的SDF溶出量、持水力、持油力比擠壓前都有相應(yīng)的提高。SDF溶出量由1.02%提升到5.93%，持水力由4.48 g/g增加到5.59 g/g；持油力由2.13 g/g增加到3.02 g/g。這主要是經(jīng)過擠壓膨化改性，受到高溫高壓高剪切力的作用后，茶渣中的纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，原本位于內(nèi)部的親水和疏水基團(tuán)暴露在外，改善了茶渣與水、油的作用力。

3 結(jié)論

采用擠壓膨化改性鐵觀音茶渣，應(yīng)用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化設(shè)計方案，建立SDF溶出量與物料水分(X1)、擠壓溫度(X2)、螺桿轉(zhuǎn)速(X3)的數(shù)學(xué)回歸模型為Y=4.994 54-0.065 60X1-0.150 71X2+0.061 51X3+0.064 71X22+0.091 25X1X2-0.096 25X1X3+ 0.041 25X2X3，確定最優(yōu)擠壓膨化工藝條件為物料水分、擠壓溫度和螺桿轉(zhuǎn)速分別為43%、67 ℃和16 Hz，此時鐵觀音茶渣SDF溶出量為5.93%。最優(yōu)條件改性后的鐵觀音茶渣膳食纖維持水力為5.59 g/g，持油力為3.02 g/g。通過擠壓膨化改性提高鐵觀音茶渣中的SDF含量，對提高鐵觀音產(chǎn)業(yè)的整體價值、延長其產(chǎn)業(yè)鏈具有一定的意義和商業(yè)價值。