黄梦姣,刘 宁,孙玉姣,陈雪峰

(陕西科技大学食品与生物工程学院,陕西西安 710021)

我国茶叶产量位居世界第一,年产干毛茶227.8万t,其中中低档茶叶产量占总产量的55%。中低档茶叶的消耗以饮用初级大宗散装的原料茶为主,以茶叶提取茶多酚和茶多糖等深加工为辅。提取茶多酚、茶多糖[1-2]等活性成分的同时也产生了大量的茶渣[3],若能利用茶渣制备成高附加值产品,不仅可以带来经济效益,还能改善因茶渣舍弃而造成的环境污染问题。茶叶加工的副产品茶渣中含有大量的膳食纤维[4],约占茶渣的70%。膳食纤维分为不可溶性膳食纤维(IDF)和可溶性膳食纤维(SDF),其中可溶性膳食纤维中水溶性多糖(WSP)具有增强免疫力、抗氧化、降血糖、抗辐射、抗血凝、抗血栓等功效[5-6],是一种极具应用和开发前景的天然产物。

膳食纤维易吸水膨胀,增加肠道内的压力,引起排便反应,可缩短粪便在肠道中的停留时间,WSP含量越多的膳食纤维其品质越高,但茶渣中WSP的含量极少,采用挤压改性技术[7-8],能在短时间内实现部分大分子聚合物直接或间接转化为SDF[9],从而增加WSP的含量,提高膳食纤维的品质。挤压技术成本低,效率高,保留热敏物营养成分,安全快速环保[10]。本实验拟采用单螺杆挤压技术对茶渣进行改性处理,旨在提供一种较优的挤压工艺条件,提高膳食纤维品质,增加茶叶附加值,实现茶渣高值利用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低端绿茶、红茶和普洱茶 云南省腾冲县高黎贡山生态茶业有限责任公司提供;无水乙醇、丙酮、乙醚、苯酚、浓硫酸、三氯甲烷、正丁醇 均为分析纯,天津市天力化学试剂有限公司;D101树脂 西安蓝晓科技新材料股份有限公司。

7用自熟多功能食品膨化机 温岭市犬溪东海机械;H-1850R高速低温离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;HT-8862红外测温仪 广州市宏诚集业电子科技有限公司;UV-1100紫外-可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司;FD-1D-50冷冻干燥机 上海比朗仪器制造有限公司;101-1AB型电热鼓风干燥箱 天津泰斯特仪器有限公司;BSA224S-CW电子分析天平 德国Sartorius公司;HH-4数显恒温水浴锅 金坛市宏华仪器厂;FW100高速万能粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司;Phenom pro台式扫描电子显微镜 飞纳科学仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 绿茶、红茶和普洱茶茶渣的制备 参考焦自明等[11]方法略作修改。分别将绿茶、红茶和普洱茶在温度70 ℃、时间60 min,料液比为1∶25 (w/w)、超声功率175 W的条件下用水提取茶多酚和茶多糖后,再经过滤、60 ℃烘干、过20目筛,得到三种茶渣。

1.2.2 挤压改性单因素实验

1.2.2.1 螺杆转速对茶渣挤压改性效果的影响 以茶渣WSP含量为考察指标,在绿茶渣、红茶渣含水量为36%,普洱茶渣含水量为44%,物料粒度20目,挤压温度为(120±3) ℃,螺杆转速分别为360、450、540、630、720 r/min的条件下进行实验。

1.2.2.2 含水量对茶渣挤压改性效果的影响 以茶渣WSP含量为考察指标,在物料粒度20目,挤压温度为(120±3) ℃,螺杆转速(绿茶渣、红茶渣为630 r/min,普洱茶渣为540 r/min),不同含水量(绿茶渣、红茶渣为26%、28%、32%、36%、40%,普洱茶渣为36%、40%、44%、48%、52%)的条件下进行实验。

1.2.2.3 物料粒度对茶渣挤压改性效果的影响 以茶渣WSP含量为考察指标,在含水量(绿茶渣、红茶渣为28%,普洱茶渣为40%),螺杆转速(绿茶渣、红茶渣为630 r/min,普洱茶渣为540 r/min),挤压温度为(120±3) ℃,物料粒度分别为10、20、30、40、50目的条件下进行实验。

1.2.3 水分、灰分、蛋白质、脂肪、总膳食纤维含量测定 水分测定:GB5009.3-2016;灰分测定:GB5009.4-2016;蛋白质测定:GB5009.5-2016;脂肪测定:GB5009.6-2016;总膳食纤维测定:GBT 5009.88-2014。

1.2.4 水溶性多糖(WSP)含量测定 准确称取2 g挤压茶渣加入50 mL水,70 ℃水浴中提取60 min,过滤,留存滤液。滤液浓缩后加4倍体积95%乙醇,4 ℃下醇沉24 h,在6000 r/min离心10 min。所得沉淀物分别用丙酮、乙醚交替洗涤3次,V丙酮或乙醚∶V沉淀物=1∶1。将脱脂后沉淀物用适当体积的去离子水溶解,与Sevage试剂(V三氯甲烷∶V正丁醇=4∶1)以1∶1混合,剧烈振摇,在6000 r/min离心10 min,脱蛋白反复3次以去除游离的蛋白质。上清液加入预处理好的D101树脂进行脱色,V树脂∶V上清液=1∶1,30 ℃恒温振摇12 h,振摇频率160 r/min。将脱色的样品装入截留分子量为8～14 kDa的透析袋中,蒸馏水透析3 d,过滤,留存滤液。滤液浓缩,冻干,得水溶性多糖[5,11]。

式(1)

1.2.5 出料率测定 称量挤压前后物料干基重量,按下式计算。

式(2)

1.2.6 水合特性测定

1.2.6.1 水溶性 准确称取0.5 g样品,置于100 mL三角瓶中,加入50 mL的蒸馏水,在连续搅拌下90 ℃水浴30 min,水浴结束后,3000 r/min条件下离心15 min,上清液105 ℃烘干至恒重,称量残渣质量[5]。

式(3)

1.2.6.2 持水力(WHC) 准确称取0.5 g样品于15 mL离心管中,加入10 mL蒸馏水,振荡摇匀,37 ℃下静置1 h,3500 r/min下离心10 min,弃去上清液。残留水分用滤纸吸干,称重[12]。

式(4)

式中,M0为样品质量(g);M1为样品处理恒重后的质量(g)。

1.2.6.3 膨胀力(SC) 准确称取0.5 g样品于15 mL带刻度的具塞试管中,加入10 mL蒸馏水,室温下放置过夜,观察样品在试管中自由膨胀体积[13]。

式(5)

式中,M为样品质量(g);V为样品自由膨胀后的体积(mL)。

1.2.7 扫描电子显微镜(SEM) 分别将三种茶渣挤压前后的样品粉碎过100目筛,均匀铺于导电胶上,进行CO2吹气,对样品进行平均电流7 mA、时长20 s喷金处理2次。利用扫描电镜对样品进行观察和拍照。

1.2.8 数据分析 每个样品设3个平行,采用Origin 8.0软件作图和SPSS 20.0软件进行数据的差异性分析。

2 结果与分析

2.1 螺杆转速对茶渣挤压改性效果的影响

考察螺杆转速对挤压效果的影响,结果如图1所示,绿茶渣、红茶渣、普洱茶渣的WSP含量随螺杆转速的增加均呈现先增加后降低的趋势。其中,当螺杆转速为630 r/min时,绿茶渣、红茶渣的WSP含量最高;当螺杆转速为540 r/min时,普洱茶渣的WSP含量最高。这可能是因为当螺杆转速过低时,物料受到的剪切力较小,物料不能够得到充分的挤压和剪切,使得纤维高聚物糖苷键断裂,从而导致茶渣中WSP含量较低;当螺杆转速适中时,茶渣在机筒中停留时间增加,使物料充分得到剪切、摩擦及高温作用,有更多纤维分子的化学键断裂,分子的极性发生变化,增大了膳食纤维的亲水性,使得不溶性膳食纤维转化为水溶性多糖[14],提高了WSP含量;但转速过大后,物料在机筒内停留时间变短,不能够得到充分的挤压和剪切使得纤维高聚物糖苷键断裂,因而WSP含量逐渐减少。因此,绿茶渣、红茶渣挤压改性适宜的螺杆转速为630 r/min,普洱茶渣挤压改性适宜的螺杆转速为540 r/min。

图1 螺杆转速对挤压改性茶渣中WSP含量的影响Fig.1 Effect of screw speed on WSP content in tea residue modified by extrusion

2.2 含水量对茶渣挤压改性效果的影响

物料含水量是影响挤压改性效果的重要因素之一。含水量对挤压效果影响的实验结果如图2所示,因三种茶叶的质地不同,故含水量实验有不同的范围。三种茶渣WSP含量随物料含水量的增加而呈现先增加后减少的趋势。当绿茶渣、红茶渣含水量在24%,普洱茶渣含水量在32%时,物料太干,已焦化,导致机器堵塞,实验失败;当绿茶渣、红茶渣含水量在26%,普洱茶渣含水量在36%时,物料较干,物料间摩擦力大,但物料并未充分与套筒和螺杆接触,剪切力不足,在机器挤压力的作用下挤出物料,出料较困难;当绿茶渣、红茶渣含水量在28%,普洱茶渣含水量在40%时,物料湿润度正好使物料与套筒和螺杆充分接触,挤压效果较好,三种茶渣WSP的含量都达到最高;当绿茶渣、红茶渣含水量大于32%,普洱茶渣含水量大于44%时,物料湿润度越大,虽便于运输,但所受到的剪切力、压力和摩擦力越小,使物料WSP含量急剧降低。

图2 含水量对挤压改性茶渣中WSP含量的影响Fig.2 Effect of water content on WSP content in tea residue modified by extrusion

由数据分析可知,三种物料含水量越高,物料越湿润,所受到的剪切力和摩擦力越小,物料WSP含量越低;这是因为物料含水量越低,机腔内剪切力越大,纤维高聚物易发生断裂,挤压效果越好[15],WSP含量越高。但物料含水量过低则会导致机器堵塞,物料焦化,难以出料。因此,绿茶、红茶渣挤压改性适宜的含水量为28%,普洱茶渣挤压改性适宜的含水量为40%。

2.3 物料粒度对茶渣挤压改性效果的影响

前期预实验结果表明:物料太粗,会导致机器堵塞,易损坏机器;物料过细,挤压机对物料未起到剪切作用,挤压时物料还会直接随着气化的水蒸汽喷出,并未达到挤压的效果,且得不到挤压后的产品。故实验研究颗粒大小为10～50目茶渣的挤压效果。

考察物料粒度对挤压效果的影响,结果如图3所示。三种物料粒度均为10目时,受到的摩擦力、剪切力较大,但由于物料颗粒度过大,使物料不能够充分挤压,且容易导致机器堵塞,物料焦化;随着物料目数的增加,当三种物料粒度均为20目时,挤压改性茶渣中WSP含量最高。其原因可能是物料颗粒适中,使物料充分与螺杆和套筒接触,得到了充分的剪切、摩擦和高温作用,有更多纤维分子的化学键断裂,分子的极性发生变化,增大了膳食纤维的亲水性[14],使得不溶性膳食纤维转化为水溶性多糖,提高了WSP含量;三种物料粒度大于20目时,随着物料目数的逐渐增加,WSP含量明显降低最终趋于稳定,这可能是因为物料颗粒度逐渐减小,物料在机筒内所受到的摩擦力、剪切力也随之减小,物料不能够得到充分的挤压和剪切[16],故茶渣中WSP含量逐渐减小。因此,绿茶、红茶、普洱茶渣挤压改性适宜的物料粒度均为20目。

图3 物料粒度对挤压改性茶渣中WSP含量的影响Fig.3 Effect of particle size on WSP content in tea residue modified by extrusion

综合以上数据可得,绿茶、红茶渣选取的挤压工艺为:转速630 r/min,含水量28%(w/w),粒度20目;普洱茶渣选取的挤压工艺为:转速540 r/min,含水量40%(w/w),粒度20目。在较佳工艺条件下,绿茶、红茶、普洱茶渣挤压出料率分别为85%、82%、43%。

2.4 挤压对茶渣基本成分的影响

挤压前后茶渣基本成分如表1所示。由表1可以看出,三种茶渣的灰分、蛋白质、脂肪、总膳食纤维含量在挤压前后没有显著变化(p>0.05),WSP含量在挤压后与挤压前对比差异显著(p<0.05)。其中,绿茶渣经一次挤压处理,WSP含量增加了2.62倍;红茶渣经一次挤压处理,WSP含量增加了9.56倍;普洱茶渣经一次挤压处理WSP含量增加了35.20倍;三种茶渣二次挤压处理后,绿茶、红茶、普洱茶渣WSP含量分别增加到5.33%、4.63%、5.12%。由此可知,挤压改性处理是在不影响其他营养成分的前提下使WSP含量大幅提高的一种物理方法。

表1 挤压前后茶渣基本成分Table 1 The basic ingredients of tea residue before and after squeezing

2.5 改性茶渣的水合特性

2.5.1 挤压对改性茶渣水溶性的影响 茶渣水溶性改善是由于茶渣中不可溶的纤维被挤压产生的剪切力转变为可溶性纤维,提高了水溶性。同时,挤压过程中的高温使茶渣中残存蛋白质空间结构发生变化,削弱了蛋白质之间的疏水作用,从而提高了茶渣的水溶性[5]。挤压对三种茶渣水溶性的影响如图4所示。由图4可知,三种茶渣的水溶性均随挤压次数的增加而增加。绿茶渣的水溶性最好,且水溶性随挤压次数的增加而显著增加(p<0.05),二次挤压较未挤压的绿茶渣水溶性提高了7.41%;红茶渣的水溶性次之,其水溶性随挤压次数的增加而显著增加(p<0.05),二次挤压较未挤压的红茶渣水溶性提高了64.71%;普洱茶渣的水溶性略低于前两种茶渣,但随挤压次数的增加,其水溶性也显著增加(p<0.05),二次挤压较未挤压的普洱茶渣水溶性提高了86.21%。

图4 挤压对改性茶渣水溶性的影响Fig.4 Effect of extrusions on water solubility of modified tea residue注:同一种茶渣标有不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

2.5.2 挤压对改性茶渣持水力的影响 挤压对三种茶渣持水力的影响如图5所示。由图5可知,红茶渣的持水力随挤压次数的增加而显著(p<0.05)增加,二次挤压较未挤压的红茶渣持水力提高了16.67%,而绿茶渣和普洱茶渣的持水力随挤压次数的增加而下降,但下降幅度不大,差异性不显著(p>0.05)。其原因可能是挤压所产生的剪切力和压力会使纤维断裂,增加与水的接触面积,吸附能力增强,结构疏松,持水力增加[17];但是不可溶的纤维断裂会向可溶性纤维转化,随挤压次数增加,溶于水中的WSP也随之增加,导致茶渣的总量发生变化,进而导致持水力的下降。实验中绿茶渣和普洱茶渣的持水力本应增加,但由于二次挤压后WSP的增幅较大,使其持水力略有较低。当然三种茶渣表现出不同的持水能力也与其本身质地有一定的关系。

图5 挤压对改性茶渣持水力的影响Fig.5 Effect of extrusions on water holding capacity of modified tea residue

2.5.3 挤压对改性茶渣膨胀力的影响 挤压对三种茶渣膨胀力的影响如图6所示。由图6可知,绿茶渣、红茶渣的膨胀力随挤压次数的增加而显著(p<0.05)增加,二次挤压改性后绿茶渣和红茶渣的膨胀力分别提高了17.86%、52.35%,普洱茶渣的膨胀力随挤压次数的增加而降低,但变化不显著(p>0.05)。膨胀力增加的原因可能是挤压工艺使纤维高聚物连接键断裂,增加了物料的表面积,从而提高了物料的膨胀力,因普洱茶是后发酵的茶叶,挤压后物料的颗粒度变得更加细小,堆密度更大,使得膨胀力下降[8];另一部分原因是普洱茶水溶性提高了86.21%,幅度最大,导致茶渣的总量减少最多,因而使得膨胀力下降。

图6 挤压对改性茶渣膨胀力的影响Fig.6 Effect of extrusions on swelling capacity of modified tea residue

三种茶渣表现出不同的水合特性,与其茶叶的制备方法有关,绿茶是未发酵而制成的茶叶,红茶是经半发酵而制成的茶叶,普洱茶是经后发酵而制成的茶叶,制备方法不同导致茶叶的质地不同,进而导致茶渣的质地不同,最终使得挤压改性后三种茶渣的水合特性也有所差别。分析三种茶渣的水和特性可知,红茶渣更有利于挤压改性。

2.6 SEM分析

三种茶渣挤压改性前后的SEM照片如图7所示。

图7 三种茶渣挤压改性前后的SEM照片(2000×)Fig.7 SEM photographs of three kinds of raw and processed tea residue dietary fiber(2000×)

由图7可看出,未经挤压改性处理的茶渣表面较光滑、均匀、平整,而经一次挤压改性处理的茶渣表面有更多不规则的褶皱和小洞,变得疏松多孔,使其表面积增大在挤压过程中,茶渣受到螺杆的剪切作用,与机筒的摩擦作用以及在挤压机出口又受到了压力,这些作用导致了茶渣的表观性质发生了变化,结构的改变也是挤压改性处理能够提高WSP含量的原因之一[18]。Gao等研究了挤压前后胡萝卜渣中可溶性膳食纤维的表面微观结构,结果表明,未挤压的样品表面结构完整,挤压后的样品表面被破坏并充满空洞[19],与本实验研究结果趋势一致。

3 结论

本文采用单因素实验,研究出挤压改性处理制备高品质茶渣的优化工艺。其中,绿茶渣、红茶渣适宜的挤压改性条件为:螺杆转速630 r/min,含水量28%(w/w),粒度20目;普洱茶渣适宜的挤压改性条件为:螺杆转速540 r/min,含水量40%(w/w),粒度20目。在较佳挤压条件下,绿茶、红茶、普洱茶渣挤压出料率分别为85%、82%、43%。二次挤压绿茶渣、红茶渣、普洱茶渣的WSP含量分别为5.33%、4.63%、5.12%,与未挤压的茶渣相比,三种茶渣的WSP含量均有较大程度的提高。红茶渣水溶性、持水力、膨胀力分别提高了64.71%、16.67%、52.38%,绿茶渣水溶性、膨胀力分别提高了7.41%、17.86%,普洱茶渣水溶性提高了86.21%。

综合以上分析可得,将茶渣进行挤压改性,能够大幅提高WSP含量,显著改善茶渣水合特性,增加其利用价值,变废为宝,为传统的茶叶加工模式增添了新的内容,提高茶叶的附加值,提升了茶叶加工整体的经济效益。在以后的研究中,可以继续研究经过挤压改性后茶渣中WSP的生物活性及其结构,确定茶渣通过挤压改性后能够对人体产生哪些具体益处;同时,也可将经过挤压改性茶渣制成膳食纤维咀嚼片等,方便人们利用,切实实现茶渣挤压改性的价值。

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